元壩氣田完井管柱泄漏井口帶壓診斷分析

羅 偉， 林永茂， 孫 濤， 張京輝， 陳昌杰

(1南充職業技術學院 2中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院 3中國石油華北油田分公司工程技術研究院)

對于元壩高含硫氣井，惡劣的井下腐蝕環境以及復雜的井況工況，使得完井管柱泄漏常見于生產過程中，完井管柱泄漏將直接導致油套環空異常起壓，這就對元壩氣井的井筒完整性和安全生產提出了嚴峻的挑戰[1-2]。現有環空壓力治理措施如加注壓差堵漏劑或超級樹脂等環空堵漏技術存在成本高、作業難、風險大和容易產生次生事故等問題，而頻繁的泄壓和加注保護液也會增加現場管理難度和作業風險[3-5]。因此，準確預測完井管柱泄漏引起環空異常起壓變化規律并制定合理的控制措施對實現元壩高含硫氣井的安全生產具有重要意義。因此，本文首先對元壩氣井生產過程中完井管柱泄漏的風險點進行了分析，然后結合完井管柱泄漏的物理過程，建立了油套環空異常起壓預測模型，通過實例計算和參數敏感性分析獲得了油套環空異常起壓規律，并提出了相應的控制措施；通過不同泄漏類型的模擬計算，總結了完井管柱泄漏引起油套環空異常起壓的四種典型模式，并將其進行了現場應用，實現了元壩1-1H井泄漏類型和井筒安全風險的快速判斷[6-7]。

一、元壩氣井油套環空異常起壓規律分析

1. 完井管柱泄漏引起油套環空異常起壓預測模型

1.1 物理模型

完井管柱泄漏引起油套環空帶壓物理模型見圖1。

圖1 完井管柱泄漏引起油套環空帶壓物理模型

圖1路徑為：首先通過完井管柱上的泄漏點進入油套環空，然后再經環空保護液上竄至上部氣腔，最后形成井口環空帶壓，在建立預測模型時涉及嘴流壓降模型、靜止液柱兩相流動模型和井口氣腔壓力增量模型三者的耦合。

1.2 嘴流壓降模型

對于氣體通過流通截面突縮部件時，即完井管柱上的泄漏點時，其流動可概括為嘴流。

對于亞臨界流，氣體流量與壓力比的關系為：

(1)

對于臨界流，氣體流量不會隨泄漏點下游壓力降低而增加，即氣體流量達到最大值：

(2)

式中：p2—泄漏點下游壓力，MPa；p1—泄漏點上游壓力，與泄漏點深度相關，由井筒流壓分布計算可得，MPa；k—氣體的絕熱指數；qsc—通過泄漏點的氣體流量(標準狀態下)，104m3/d；d—泄漏點的等效直徑，mm；T1—泄漏點上游溫度，K；Z1—泄漏點上游氣體的偏差系數；γg—氣體的相對密度。

1.3 靜止液柱兩相流動模型

對于氣體通過泄漏點進入環空后，在環空保護液中的流動可以概括為氣液兩相流動，其連續相和分散相的連續性方程分別為：

(3)

(4)

氣液兩相混合物的動量守恒方程為：

(5)

式中：Hg—截面含氣率；ρl、ρg、ρm—分別為液相、氣相和氣液混合物的密度，kg/m3；vl、vg、vm—分別為液相、氣相和氣液混合物的截面平均速度，m/s；fm—氣液混合物的摩阻系數；da—環空對應的水力直徑，m。

1.4 井口氣腔壓力增量模型

(6)

2. 實例計算

以元壩1-1H井為例，相關基礎數據如表1所示，假設該井泄漏點深度為3 380 m，泄漏點等效直徑為0.2 mm，初始環空壓力為0.1 MPa。

表1 元壩1-1H井的相關基礎數據

圖2為該井在假設的泄漏點位置及尺寸下獲得的油套環空異常起壓上升規律，從圖2看出，隨著泄漏的開始，環空壓力逐漸上升，但上升的速度越來越慢，最后穩定到一環空壓力值，而泄漏速度最開始最大，隨著環空壓力的上升泄漏速度越來越小，當泄漏點內外壓力平衡時，停止泄漏，此時環空壓力也達到了穩定。

圖2 油套環空異常起壓上升規律

3. 參數敏感性分析

3.1 泄漏點深度

從圖3中看出，隨著泄漏點深度的降低，環空壓力上升速度越快，且對應的環空壓力穩定值越大，可以得到結論：泄漏點深度越淺，對應的井筒安全風險越大。因此，保證井口密封完整性，提高耐蝕合金材質井下安全閥和氣密封扣油管(特別是上部油管)的入井施工質量都是降低井筒安全風險的有效方法。

3.2 泄漏點等效直徑

從圖4中可以看出：隨著泄漏點等效直徑的增大，環空壓力上升速度越快，環空壓力達到穩定的時間越短。因此，如有條件采取環空化學堵漏的方式降低泄漏點等效直徑也是控制井筒安全風險的有效方法。

圖3 泄漏點深度對環空壓力上升的影響

圖4 泄漏點等效直徑對環空壓力上升的影響

3.3 環空氣腔高度

從圖5中可以看出，隨著環空氣腔高度的增加，環空壓力上升速度越慢，環空壓力達到穩定的時間越長，但環空壓力穩定值稍稍增大。因此，在實際生產過程中，環空可不充滿保護液，預留一部分環形空間，有利于降低環空壓力的上升速度。

圖5 環空氣腔高度對環空壓力上升的影響

二、元壩氣井油套環空異常起壓典型模式

通過不用泄漏類型的模擬計算，總結了元壩氣井完井管柱泄漏引起油套環空異常起壓的四種典型模式(圖6)，其可用于元壩氣井現場壓恢實測曲線的定性分析，通過將典型模式與現場壓恢實測曲線比對，可以實現元壩氣井泄漏類型和井筒安全風險的快速判斷[12]。

圖6 完井管柱泄漏引起油套環空異常起壓典型模式

1.高壓快升模式

該模式環空壓力建立特征為：環空壓力上升速度較快，且對應的環空壓力穩定值大，該模式對應的具體工程情形為：油壓高，泄漏點深度淺，且泄漏點等效直徑大；該模式對應的井筒安全風險最大。

2.高壓持升模式

該模式環空壓力建立特征為：環空壓力上升速度相對較慢，在測試期間沒有達到高穩定壓力，該模式對應的具體工程情形為：油壓高，泄漏點深度淺，但泄漏點等效直徑小；該模式對應的井筒安全風險次之。

3.低壓快升模式

該模式環空壓力建立特征為：環空壓力上升速度較快，但對應的環空壓力穩定值小，該模式對應的具體工程情形為：油壓低，泄漏點深度大，但泄漏點等效直徑大；該模式對應的井筒安全風險相對較小。

4.低壓持升模式

該模式環空壓力建立特征為：環空壓力上升速度較慢，在測試期間沒有達到低穩定壓力，該模式對應的具體工程情形為：油壓低，泄漏點深度大，且泄漏點等效直徑小；該模式對應的井筒安全風險最小。

三、現場應用

元壩1-1H井生產以來，套壓出現了持續上漲，并且環空氣樣檢測出含H2S，與產出氣成分基本一致，現場初步判斷油套竄通，完井管柱上產生了泄漏。

從該井生產曲線可以看出(圖7)，至2016年以來，油套壓基本達到了穩定，并且具有很強的相關性，進一步說明油套之間竄通，而且此階段油套之間也建立了新的動態平衡。

圖7 元壩1-1H井投產以來的生產曲線

現場進行了泄壓/壓恢測試，圖8為該井的泄壓/壓恢實測曲線，通過比對前面建立的典型模式，該井在測試期間一直處于持續升壓階段，而且對應的穩定壓力較低(<10 MPa)，因此可以判斷此階段元壩1-1H井屬于低壓持升模式，對應的具體工程情形為：油壓低、泄漏點深度大、泄漏點等效直徑小，且對應的井筒安全風險較小。

圖8 元壩1-1H井現場泄壓/壓恢實測曲線

四、結論

(1)結合嘴流壓降模型、靜止液柱兩相流動模型和井口氣腔壓力增量模型建立了完井管柱泄漏引起環空異常起壓耦合預測模型，通過實例計算和參數敏感性分析獲得了油套環空異常起壓規律，并提出了相應的異常起壓控制措施。

(2)泄漏點深度越淺，井筒安全風險越大，保證井口及上部完井管柱的完整性至關重要；降低泄漏點等效直徑，有利于控制井筒安全風險；存在一定環空氣腔高度，即環空不充滿保護液，預留一部分環形空間，有利于降低環空壓力的上升速度。

(3)總結了元壩氣井完井管柱泄漏引起油套環空異常起壓的四種典型模式，包括：高壓快升模式、高壓持升模式、低壓快升模式和低壓持升模式，其可用于元壩氣井現場壓恢實測曲線的定性分析，實現泄漏類型和井筒安全風險的快速判斷。