密閉環空熱膨脹壓力全尺寸模擬實驗

胡志強， 李 鑫， 金 鑫， 曹 耐， 張 亢， 李舒展

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究， 北京 100101； 2.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院， 北京 102249; 3.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點試驗室， 北京 100101)

由于地層壓力剖面的不確定性和固井技術條件的限制，深水、深層油氣井套管結構復雜、層次較多，易形成多層密閉環空結構。油氣運移過程中井筒高溫流體與地層低溫環境間巨大的溫差作用，會導致密閉環空內的流體介質吸熱膨脹，產生較大熱力載荷，從而導致套管擠毀變形，嚴重威脅井筒完整性。目前針對密閉環空熱膨脹壓力研究主要集中于模型預測，張波等[1]、胡志強等[2]研究建立了基于環空流體狀態方程的預測模型，石小磊等[3]、胡志強等[4]研究了基于環空體積相容性原則的計算方法，主要包括套管剛性強度和敏感性參數分析等方面。但針對熱效應引起的環空壓力全尺寸模擬實驗尚處于空白，導致預測模型結果缺少實驗數據的對比。因此有必要開展環空熱膨脹壓力形成室內模擬實驗，設計相關模擬實驗裝置和方案，分析高溫熱流體在井筒運移過程中對套管密閉環空溫度和環空壓力造成的影響，研究多層套管環空之間的相互作用機理，驗證理論模型的計算結果和精度，以期為深水、深層油氣井實際工程設計和環空壓力防治措施優選提供實驗數據支持。

1 實驗設計

目前關于環空壓力模擬實驗較少，Williamson等[5]研制出一套測定環空流體熱膨脹壓力的實驗裝置，實驗原理是通過加熱小型高壓釜內熱電偶裝置，使得環空流體升溫至設定值，再通過壓力計讀取流體熱膨脹壓力，得到高壓釜內流體環空壓力與溫度的變化關系，但是從深水井身結構特點和現場工況角度出發，該實驗還存在以下不足。

(1)沒有考慮層環空相互間的影響。深水、深層井身結構特點決定了密閉環空無法獨立存在，必定會受到內部油管環空和外部套管環空的影響。

(2)忽略了套管結構尺寸效應。深水、深層井常用套管尺寸較大，內徑和壁厚的變化會對環空應力造成影響。

(3)沒有模擬實際的環空溫升工況。實際生產中，密閉環空溫度升高是由于油管內高溫流體徑向傳熱導致的，可以通過調節油井產量和生產時間來改變環空溫度和壓力。

(4)忽略了水泥環和地層邊界限制。高壓釜在溫壓耦合作用下產生形變，體積自由膨脹，降低環空壓力。

針對上述問題，設計一種雙環空井段井筒模擬實驗裝置，通過內層套筒循環高溫流體，模擬實際油管生產過程，調節流體循環溫度、循環時間和循環流量模擬實際生產措施的變化；外層兩套筒分別模擬密閉A環空和B環空，環空內部填充滿實驗環空流體；將井筒模擬實驗裝置整體置于地層土中，利用水泥漿灌入設備向套筒裝置與地層間隙內部注入水泥漿，使得實驗套筒、水泥環和地層共同構成井筒地層模擬系統。實驗過程中通過各類溫度傳感器、壓力傳感器和傳輸管線實現對數據采集和整理，實驗整體方案設計如圖1所示。

圖1 環空壓力全尺寸模擬實驗方案設計圖Fig.1 Design scheme of full-scale simulation experiment scheme for annular pressure buildup in deepwater wells

2 實驗設備

2.1 實驗套筒

為了模擬實際井身結構，實驗使用三層管柱制作模擬雙環空井段套筒：外層套管尺寸為339.7 mm，模擬封固段套管；中間層套管尺寸為244.5 mm，模擬自由段套管；內層套管尺寸為139.7 mm，模擬油管，套管高度均為80 cm，模擬生產過程中井筒單元體長度，表1為實驗套管參數。

表1 實驗套管參數

實驗套管柱兩端通過焊接方式與密封蓋板連接，保證實驗套筒的密封完整性；同時在套筒上端密封蓋板預留出多個螺紋短節，分別與油管循環管路、環空插入式溫度計和壓力計連接，記錄實驗數據。實驗套筒完整結構如圖2所示。

圖2 實驗套筒結構Fig.2 Experimental casing structure

2.2 實驗儀器

實驗主要使用的儀器包括流體循環設備和數據采集設備兩大類：循環設備主要包括高溫循環泵、恒溫加熱水浴爐、渦輪流量計以及循環軟管。高溫循環泵為實驗內部油管提供流體循環動力，額定功率1 100 W，額定流量11 m3/h；恒溫加熱水浴爐可多檔自動加熱，長時間保持流體溫度的穩定，額定功率2 800 W，實際容量41L，可調節溫度范圍30～120 ℃；渦輪流量計耐溫范圍-20～100 ℃，測量精度高，流量量程范圍0.1～1.2 m3/h，精度等級0.5級。

3 實驗流程與步驟

實驗設定了3組溫度變量(50、60、70 ℃)、4組流量變量(2、5、8、10 L/min)，同時，根據文獻[6]分析，環空升溫升壓導致井筒地層產生彈性變化，在停止循環加熱后，環空溫度、壓力和套管形變量均會恢復，因此為了測量套管自然散熱過程中環空溫度和壓力的變化情況，實驗一共分為高溫加熱和自然散熱兩部分，每次實驗全程持續時間約為7 h。環空熱膨脹壓力全尺寸模擬實驗具體測試步驟如下。

(1)首先將實驗套筒放置入地層，采用吊裝設備扶正套筒居中，利用水泥漿灌入設備向套筒裝置與地層間隙內部注水泥漿，等待水泥漿候凝。在固井完成后，連接好實驗中所需的流體循環設備和數據采集設備，調節好儀器參數，準備循環加熱。

(2)在開始加熱循環之前，需要先測定實驗套筒各層環空的初始溫度、壓力。在確認初始條件后，首先將水浴爐中的流體加熱升溫至設定溫度，并維持恒定，然后通過循環軟管先將油管內部低溫流體排出，防止低溫流體在循環中對實驗的干擾，再開始正式循環實驗。記錄儀每隔1 min自動記錄一組數據點。

(3)當高溫流體循環一段時間后(2～3 h)，實驗套筒A、B環空溫度和壓力維持穩定，讀數不再上升，這時可認為實驗井筒內部的傳熱過程達到了擬穩態狀態，各部分介質溫度和壓力上升到了最大值，此時可以停泵關閉循環閥門，結束高溫加熱階段實驗。

(4)在停止循環后，讓實驗套筒自然散熱泄壓，仍然通過數據采集設備記錄環空內部的溫度和壓力變化，直至實驗結束(7 h)。

(5)在下一次實驗開始前，首先需要檢查環空液體是否滲漏，若有，則需要通過環空液補給設備使環空再次填滿液體。然后檢查流體循環設備和數據采集設備，調節好儀器參數，準備再次實驗。

4 實驗結果分析

4.1 環空溫度變化規律

圖3為不同循環溫度和流量條件下，環空溫度隨測試時間的變化情況。可以看出，在加熱循環階段，隨著循環流量持續的增加，A環空和B環空的溫度隨之顯著上升，由于熱阻效應和井筒擬穩態傳熱，A環空比B環空升溫速率更快，溫度峰值更高；此外，循環溫度越高，環空溫度上升越高，環空溫度達到峰值所耗時間越短。在自然散熱階段，A環空溫度始終高于B環空，該階段的散熱速率要低于加熱階段，隨著實驗測試時間的延長，實驗各層套筒環空溫度趨于平穩，直至恢復到地層溫度。

圖3 環空溫度隨測試時間的變化規律Fig.3 The variation of annulus temperature with test time

4.2 環空壓力變化規律

圖4為不同循環溫度和流量條件下，環空壓力隨測試時間的變化情況。可以看出，與環空溫度規律類似，在加熱循環階段，隨著循環流量的增加，A環空和B環空壓力顯著上升；循環流量越大、循環溫度越高，環空壓力上升速率越快，越早達到峰值。在自然泄壓階段，A環空比B環空壓力泄壓速率快，隨著實驗測試時間的延長，實驗各層套筒環空內壓力趨于平穩。此外在高溫加熱和自然泄壓兩個階段，環空壓力上升和下降速率基本保持一致。

4.3 環空壓力增量

圖5為不同循環溫度和循環流量條件下，環空壓力與環空溫度增量之間的變化情況。從實驗過程和結果發現，環空壓力上漲幅度比環空溫度要小，在實驗測試初期，隨著環空溫度的上升，壓力并未出現明顯變化，當溫度超過某一閾值時，環空壓力快速增加，接近線性變化趨勢。分析原因，主要是由于環空流體中含有部分可壓縮溶解氣體所導致[7]。在實驗開始階段，環空流體受熱膨脹，體積發生變化，擠壓流體內部含有的可壓縮性溶解氣，導致環空壓力沒有顯著上升；隨著環空溫度的逐步升高，溶解氣體積無法進一步被壓縮，環空流體熱膨脹開始擠壓套筒，從而產生環空壓力。此外，循環流量越小，環空壓力線性增長部分斜率越高，這是由于在低流速情況下，系統內部介質對流換熱過程更充分，單位溫度增量導致環空壓力變化更劇烈。

圖5 環空壓力與環空溫度增量之間的關系Fig.5 The variation of annulus pressure with test time

根據環空壓力理論和實驗結果分析得到，在井筒地層彈性系統中，環空壓力上升和下降過程可視作可逆反應，其中在升溫增壓后期和散熱泄壓前期，溶解氣已基本被完全壓縮，對環空壓力產生的影響較小，環空流體產生的壓力隨溫度呈線性變化。因此，為了能夠更加準確地評估實驗過程中環空流體自身產生環空壓力的能力，盡可能排除可壓縮溶解氣體的干擾，實驗可選取環空壓力隨溫度線性增加和下降部分進行研究。同時，由于實驗數據記錄具有不連續性，無法直接比較各種工況下的環空壓力大小，因此引入環空壓溫比的概念[8]來表征環空壓力隨溫度變化的波動程度，其定義為套管環空中單位溫度增量引起的壓力變化，可表示為

(1)

式(1)中：ΔPann為套管環空的壓力增量， MPa；ΔTann為套管環空的溫度增量， ℃；

根據計算模型并結合實驗數據，可以得到實驗中高溫加熱階段，自然散熱階段，雙環空壓力預計模型和純水受熱膨脹四類環空壓溫比的數據，如圖6所示。可以看出，因為溫度對純水的熱力學性質受影響較大，純水受熱膨脹所產生的環空壓溫比最高，隨著循環溫度和流量的增加，環空壓溫比依次上升；實驗流體為含有部分溶解氣的水，由于氣體的可壓縮性緣故和實驗套管的彈性變形，導致測試得到的環空壓溫比比理論計算值偏低；此外，隨著實驗循環流量持續的增加，環空壓溫比略有下降，這也說明在低流速情況下，環空內部換熱更為充分，單位溫度產生的環空壓力更大；由于熱阻和井筒擬穩態傳熱效應影響，A環空比B環空的環空壓溫比大，隨著實驗循環溫度的升高，環空壓溫比均會上升。

圖6 環空溫度隨測試時間的變化規律Fig.6 The variation of annulus temperature with test time

同時，可以看出，自然散熱階段比高溫加熱階段的環空壓溫比要略高，這是由于高溫加熱后期，已被壓縮的溶解氣仍然會繼續被壓縮，吸收部分環空壓力；在散熱泄壓階段，環空溫度下降緩慢，使得環空流體體積與環空壓力更容易恢復完全，溶解氣的干擾更小。此外，通過對比環空實驗數據與雙環空壓力預計模型計算結果，發現相對偏差精度均在10%以內，滿足理論和現場實際需求，進一步驗證了本文構建的理論模型的準確性和適用性。

5 結論

(1)實驗分為高溫加熱和自然散熱測試兩部分，在加熱循環階段，隨著循環流量的增加，A環空和B環空的溫度壓力顯著上升，A環空比B環空升溫增壓速率更快，溫度壓力峰值更高；在自然散熱階段，A環空和B環空散熱速率基本一致，A環空壓力下降更快，隨著測試時間的延長，實驗套筒環空內溫度壓力基本恢復初始狀態。

(2)由于環空流體中含有部分無法消除的可壓縮溶解氣體，導致環空壓力上漲幅比環空溫度要小。在升溫增壓后期和散熱泄壓前期，溶解氣已基本被完全壓縮，對環空壓力影響較小，環空流體產生的壓力隨溫度呈線性變化。

(3)利用環空壓溫比的概念來比較高溫加熱階段、自然散熱階段、雙環空壓力預計模型和純水受熱膨脹過程中單位溫度增量產生的環空壓力大小。其中純水受熱膨脹所產生的環空壓溫比最高；自然散熱前期的環空壓溫比更能反映出環空流體產生的壓力的能力大小；雙環空壓力預計模型計算結果與實驗測試數據偏差均在10%以內，滿足理論和現場實際需求。