海洋深水高溫高壓氣井環(huán)空帶壓管理

羅 鳴 高德利 李文拓 張 超 楊玉豪 鄧文彪

1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司

0 引言

我國南海鶯瓊盆地油氣資源豐富，地質(zhì)條件復(fù)雜，深水、高溫、高壓、高含CO2的環(huán)境使得該區(qū)油氣藏開發(fā)面臨鉆井難度大、固井質(zhì)量差等難題[1-5]，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)環(huán)空帶壓。在高溫高壓含CO2氣井中，環(huán)空帶壓值過大將會影響正常生產(chǎn)，一旦超過允許值將誘發(fā)潛在的安全事故[6]。

國際上比較通用的環(huán)空壓力計(jì)算方法是根據(jù)API RP 90-2標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算模型[7]。但API RP 90-2標(biāo)準(zhǔn)（2016年）僅限于一個(gè)壓力值，并且沒有最小預(yù)留壓力值，可操作性不強(qiáng)。車爭安等[8-11]國內(nèi)外學(xué)者針對油氣井的環(huán)空帶壓問題進(jìn)行了大量研究，并取得了顯著的成果。但前人所有環(huán)空的最大環(huán)空允許壓力值都是根據(jù)井筒最小強(qiáng)度值計(jì)算出來的。如套管/油管的抗內(nèi)壓和抗擠強(qiáng)度，井口承壓能力。而深水高溫高壓井處在特殊的環(huán)境，不能像陸上井那樣卸掉環(huán)空壓力。所以需要更全面地考慮油氣開采過程中的強(qiáng)度變化，明確合適的環(huán)空帶壓允許值范圍。若壓力接近或超過允許值，應(yīng)考慮采取一定的措施。

筆者在綜合考慮腐蝕對管柱強(qiáng)度的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響等3個(gè)因素的條件下，結(jié)合ISO 16530-1:2017[12]和API RP 90-2推薦做法，建立了考慮管柱承壓能力和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)校核的環(huán)空帶壓控制值計(jì)算模型。同時(shí)，針對深水高壓氣井有時(shí)需要對環(huán)空施加一定備壓來保證井下管柱和工具正常工作的情況，建立了環(huán)空最小預(yù)留壓力計(jì)算模型，最終確定了深水井合理環(huán)空壓力范圍，形成了一套環(huán)空壓力管理圖版。并以南海陵水A氣田某深水氣井為例進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算與分析，得到了該井采用本文計(jì)算模型和API RP90推薦做法下，不考慮壁厚減薄情況下和考慮壁厚減薄情況下隨投產(chǎn)時(shí)間變化的各環(huán)空帶壓控制值，并形成了相應(yīng)的各環(huán)空壓力管理圖版。

1 高溫高壓井環(huán)空帶壓來源及機(jī)理

由于油管和套管的漏失、較差的固井質(zhì)量和后續(xù)作業(yè)對水泥環(huán)的傷害等原因造成氣層的氣體滲流到環(huán)空中，在此過程中產(chǎn)層的壓力被傳導(dǎo)到了井口，從而在井口環(huán)空中產(chǎn)生帶壓[13-16]。通常較高的環(huán)空帶壓來自內(nèi)層套管或是油管的泄露。這些泄露可能是因?yàn)檩^差的螺紋連接、腐蝕、熱應(yīng)力裂紋或是套管的機(jī)械破裂[17]。實(shí)踐證明，油套管泄露最有可能引起較大的環(huán)空帶壓，從而嚴(yán)重影響油氣井安全。另外，固井質(zhì)量差形成的微環(huán)隙也會為氣體運(yùn)移提供通道，從而引起環(huán)空帶壓[18-19]。根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水泥漿返深的差異，由于氣體通過環(huán)空水泥環(huán)滲流到環(huán)空導(dǎo)致的環(huán)空帶壓現(xiàn)象可以分為水泥漿返到井口和水泥漿未返到井口兩種情況，水泥漿返到井口時(shí)不存在自由環(huán)空段；水泥漿未返到井口時(shí)，固井后水泥環(huán)上部還滯留有鉆井液。

2 環(huán)空帶壓臨界控制值計(jì)算

2.1 API RP 90環(huán)空帶壓臨界控制值的計(jì)算

根據(jù)API RP 90-2推薦做法，最大允許環(huán)空壓力的確定方法如下：①油套環(huán)空，取生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%、技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%和油管抗外擠強(qiáng)度的75%三者之間的最小值；②生產(chǎn)套管和技術(shù)套管環(huán)空，取技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%、表層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%和生產(chǎn)套管抗外擠毀強(qiáng)度的75%三者之間的最小值；③技術(shù)套管和表層套管環(huán)空，取表層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50%、導(dǎo)管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80%和技術(shù)套管抗外擠強(qiáng)度的75%三者之間的最小值。

上述各層管柱強(qiáng)度在取值時(shí)應(yīng)取該管串中的管柱強(qiáng)度的最小值；如果不同環(huán)空之間相互竄通的情況，應(yīng)把竄通的環(huán)空視為同一環(huán)空進(jìn)行計(jì)算；如果井身結(jié)構(gòu)中有懸掛尾管，應(yīng)對算法作相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 考慮腐蝕的最大允許環(huán)空帶壓值的確定

在計(jì)算環(huán)空帶壓控制值時(shí)應(yīng)考慮以下3個(gè)方面的影響，分別是腐蝕和磨損對管柱強(qiáng)度的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響，并從考慮管柱承壓能力和考慮關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)校核兩方面開展運(yùn)算，如圖1所示。

A、Bi和C環(huán)空的環(huán)空帶壓控制值應(yīng)為考慮各種因素的最小值，即：

式中MAWOPA、MAWOPBi、MAWOPC分別表示A、Bi和C環(huán)空帶壓控制值，MPa；p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10分別表示考慮井口裝置承壓能力、井下封隔器承壓能力、與環(huán)空連通套管鞋處地層承壓能力、尾管懸掛器承壓能力、井下安全閥承壓能力、環(huán)空內(nèi)層管柱抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力、環(huán)空外層管柱抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力、環(huán)空外層管柱抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力、外層環(huán)空外層管柱抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力、尾管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力的環(huán)空帶壓控制值，MPa。

圖1 A環(huán)空帶壓控制值計(jì)算流程圖

根據(jù)腐蝕對套管強(qiáng)度的影響理論，計(jì)算出油套管在經(jīng)歷一段時(shí)間腐蝕后的剩余強(qiáng)度，利用這些剩余強(qiáng)度值確定考慮腐蝕的最大允許環(huán)空帶壓值。

2.3 環(huán)空最小預(yù)留壓力的確定

對于深水高壓氣井，由于井底流壓或地層壓力過高從而威脅井下設(shè)備安全，井下管柱強(qiáng)度和工具承壓能力通常無法滿足最惡劣工況要求，需要對環(huán)空預(yù)留一定壓力來提高井下管柱和完井工具的安全系數(shù)，從而保證氣井的安全開發(fā)。因此，為保證A環(huán)空的完整性，A最小預(yù)留壓力的計(jì)算應(yīng)取考慮油管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)、生產(chǎn)套管抗擠最薄弱點(diǎn)、尾管抗擠最薄弱點(diǎn)和封隔器或尾管懸掛器承壓能力的最大值，可表示為：

式中pminA表示A環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa；pAmin1表示考慮油管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的A環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa；pAmin2表示考慮封隔器或尾管懸掛器承壓能力的A環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa；pAmin3表示考慮尾管抗擠最薄弱點(diǎn)強(qiáng)度的A環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa；pAmin4表示考慮生產(chǎn)套管最薄弱點(diǎn)抗擠強(qiáng)度的A環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa。

類似地，其他環(huán)空最小預(yù)留壓力可表示為：

式中pBmin1表示考慮環(huán)空內(nèi)層套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力的其他環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa；pBmin2表示考慮環(huán)空外層套管抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力的其他環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa；pminB表示其他環(huán)空最小預(yù)留壓力，MPa。

在計(jì)算A環(huán)空最小預(yù)留壓力時(shí)，應(yīng)考慮油管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)和井下安全閥處油管承壓能力、封隔器和尾管懸掛器承壓能力、尾管和生產(chǎn)套管抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力。在計(jì)算B、C環(huán)空最小預(yù)留壓力時(shí)，針對密閉環(huán)空壓力過大的情況，計(jì)算考慮環(huán)空內(nèi)層套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力和環(huán)空外層套管抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力，并取計(jì)算得到的最大值作為該環(huán)空最小預(yù)留壓力。

2.4 環(huán)空帶壓臨界控制值計(jì)算圖版研究

考慮腐蝕和磨損對管柱強(qiáng)度的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響，并結(jié)合ISO 16530-1:2017標(biāo)準(zhǔn)和API RP 90-2推薦做法，建立考慮管柱承壓能力和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)校核的環(huán)空帶壓控制值計(jì)算模型。其中，管柱承壓能力計(jì)算主要針對環(huán)空對應(yīng)的油管和套管；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)校核計(jì)算主要針對井口裝置、封隔器、井下安全閥和尾管懸掛器等。而對于深水高壓氣井，部分極端工況下需要對環(huán)空預(yù)留一定壓力來保證井下管柱和完井工具的完整性，因此建立環(huán)空最小預(yù)留壓力計(jì)算模型，最終確定了深水井合理環(huán)空壓力范圍，并形成一套環(huán)空壓力管理圖版，如圖2所示。

圖2 A環(huán)空和B1環(huán)空壓力管理圖版

圖2中各顏色區(qū)域界線含義如下：①在不考慮井筒管柱和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)等井筒屏障部件安全系數(shù)的情況下，以本文計(jì)算方法得到的i環(huán)空帶壓控制值作為i環(huán)空最大極限壓力值（上部橙色區(qū)域頂界）；②在綜合考慮相關(guān)井筒屏障部件安全系數(shù)情況下，計(jì)算得到的i環(huán)空帶壓控制值作為i環(huán)空最大允許壓力值（上部黃色區(qū)域頂界）；③以②中計(jì)算得到的i環(huán)空最大允許壓力值的80%作為i環(huán)空最大推薦壓力值（中部綠色區(qū)域頂界）；④以本文計(jì)算方法得到的i環(huán)空最小預(yù)留壓力值作為i環(huán)空最小允許壓力值，但A環(huán)空最小允許壓力不能低于0.7 MPa（下部黃色區(qū)域底界）；⑤以④中計(jì)算得到的i環(huán)空最小允許壓力值的1.25倍作為A環(huán)空最小推薦壓力值，但A環(huán)空最小推薦壓力值不能低于1.4 MPa（綠色區(qū)域底界）；⑥以0 MPa作為A環(huán)空最小極限壓力值（下部橙色區(qū)域底界）。

被監(jiān)控井的環(huán)空壓力處于綠色區(qū)域?yàn)檎顟B(tài)；環(huán)空壓力處于黃色區(qū)域?yàn)轭A(yù)警狀態(tài)，需采取相應(yīng)措施并加強(qiáng)監(jiān)控；環(huán)空壓力處于橙色區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)治理。當(dāng)環(huán)空壓力超過環(huán)空最大允許壓力時(shí)則泄壓到推薦工作壓力上限以下，當(dāng)環(huán)空壓力低于最小預(yù)留壓力時(shí)則補(bǔ)壓到推薦工作壓力下限以上，始終將環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍內(nèi)。

3 實(shí)例應(yīng)用

陵水A氣田位于南海北部海域，氣田群海域水深介于900～1 700 m，井底壓力介于35～45 MPa，儲層溫度在133～142 ℃。選取A氣田某高溫高壓氣田X井為例，用上述方法計(jì)算各環(huán)空的環(huán)空帶壓臨界控制值。該井完鉆斜深/垂深：5 387 m/3 060.5 m；井底溫度：142 ℃。采用?508.0 mm表層套管，下深505 m；?339.7 mm技術(shù)套管，下深2 995 m；?244.5 mm油層套管，下深4 675 m；?177.8 mm尾管，下深4 875 m。生產(chǎn)封隔器坐封位置為4 425 m，封隔器額定壓差50 MPa（圖3）。該井生產(chǎn)期間CO2含量為高達(dá)50%，不含H2S。生產(chǎn)套管采用P110材質(zhì)，完井管柱采用?73 mm的13Cr油管。井口耐壓值為105 MPa。該井目前井口壓力25 MPa。

圖3 南海陵水A氣田X井井身結(jié)構(gòu)圖

3.1 考慮壁厚減薄情況下的合理環(huán)空壓力范圍

在不考慮腐蝕和磨損等生產(chǎn)實(shí)際工況造成的管柱壁厚減薄的情況下，研究各環(huán)空帶壓控制值隨投產(chǎn)時(shí)間變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)際井身結(jié)構(gòu)，油管和套管最薄弱點(diǎn)取對應(yīng)環(huán)空的最底部，表層套管（C環(huán)空）、技術(shù)套管1（B1環(huán)空）、技術(shù)套管2（B2環(huán)空）、生產(chǎn)套管和油管（A環(huán)空）最薄弱點(diǎn)深度分別取1 600 m、2 000 m、2 400 m、2 400 m和4 100 m，如圖4所示。

由圖4可以看出，與API RP 90推薦做法計(jì)算結(jié)果相比，本文模型考慮了油壓和環(huán)空本身的壓力變化以及地層壓力或井底流壓變化等多種因素影響，而隨著投產(chǎn)時(shí)間的增長，地層壓力及井底流壓不斷降低，產(chǎn)量隨之明顯下降，各環(huán)空帶壓控制值也隨環(huán)空熱膨脹壓力、地層壓力和油壓的降低而不斷下降，但各環(huán)空帶壓控制值始終低于各環(huán)空熱膨脹壓力，因此必須采取降低環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)的措施。

通過以上控制值的計(jì)算得到A環(huán)空和B1環(huán)空壓力圖版如圖5所示，通過該圖版可得到環(huán)空最大極限壓力和最大允許壓力、推薦工作壓力上限和下限以及最小預(yù)留壓力和極限壓力等參數(shù)。結(jié)合版圖，在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍內(nèi)。

對于B2環(huán)空和C環(huán)空，經(jīng)過計(jì)算得到環(huán)空壓力管理圖版如圖6所示。

3.2 考慮壁厚減薄情況下的合理環(huán)空壓力范圍

圖4 各個(gè)環(huán)空控制值變化圖

圖5 實(shí)例井A和B1環(huán)空壓力管理圖版圖

圖6 實(shí)例井B2環(huán)空與C環(huán)空壓力管理圖版

取管柱壁厚均勻減薄速率為0.076 mm/a，研究隨投產(chǎn)時(shí)間增長的各環(huán)空合理壓力范圍變化情況。經(jīng)過計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)：考慮油管壁厚均勻減薄情況下或考慮油管和生產(chǎn)套管壁厚都均勻減薄情況下，隨著投產(chǎn)時(shí)間增長，B1環(huán)空合理壓力范圍未發(fā)生變化；但考慮油管、生產(chǎn)套管和技術(shù)套管2壁厚都均勻減薄情況下B1環(huán)空合理壓力范圍逐漸減小。B2環(huán)空合理壓力范圍不隨油管、生產(chǎn)套管和技術(shù)套管2壁厚減薄的影響。A環(huán)空合理壓力范圍在單獨(dú)考慮油管、考慮油管和生產(chǎn)套管以及同時(shí)考慮油管、生產(chǎn)套管和技術(shù)套管2壁厚減薄情況下強(qiáng)度都逐漸減小，但減小趨勢一致，如圖7所示。

通過以上控制值的計(jì)算得到A環(huán)空和B1環(huán)空壓力圖版，如圖8所示，通過該圖版可得到各環(huán)空最大極限壓力和最大允許壓力、推薦工作壓力上限和下限以及最小預(yù)留壓力和極限壓力等參數(shù)。在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍內(nèi)。

圖7 隨投產(chǎn)時(shí)間變化的油管、生產(chǎn)套管與技術(shù)套管2剩余強(qiáng)度圖

圖8 考慮油管及套管壁厚均勻減薄情況下A、B1環(huán)空壓力管理圖版

4 結(jié)論

1）結(jié)合ISO16530-1:2017標(biāo)準(zhǔn)和API RP 90-2推薦做法，本研究建立了考慮管柱承壓能力和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)校核的深水井環(huán)空帶壓控制值計(jì)算模型。

2）管柱承壓能力計(jì)算主要針對環(huán)空對應(yīng)的油管和套管；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)校核計(jì)算主要針對井口裝置、封隔器、井下安全閥和尾管懸掛器等。

3）對于深水高壓氣井，部分情況下則需對環(huán)空施加一定備壓來保證井下管柱和工具的正常工作，因此建立了環(huán)空最小預(yù)留壓力計(jì)算模型，最終確定了深水井合理環(huán)空壓力范圍，形成了一套環(huán)空壓力管理圖版。

4）以某高溫高壓氣井為例進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算與分析，計(jì)算得到了該井采用本文計(jì)算模型和API RP 90推薦做法下，不考慮壁厚減薄情況下和考慮壁厚減薄情況下隨投產(chǎn)時(shí)間變化的各環(huán)空帶壓控制值，并形成了相應(yīng)的各環(huán)空壓力管理圖版。