液態二氧化碳注入井環空帶壓規律研究

王發清，秦德友，王 鵬，王方智，余福春

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.中國石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841000）

CCUS（碳捕集、利用與封存）技術是一項針對溫室氣體的減排技術，能夠大幅減少使用化石燃料引起的溫室氣體排放。CCUS 技術涵蓋二氧化碳（CO2）捕集、運輸、利用與封存4 個環節。在利用與封存環節，均需要將大量二氧化碳注入地下[1-3]。為確保注入泵有較高的效率，要求泵注時二氧化碳保持為液態。故現場施工采用的是低溫（約-10 ℃）液態二氧化碳，注入時易導致井口附近發生油管凍裂[4-7]。一旦油管發生泄漏，油套環空壓力急劇上升，伴隨著二氧化碳氣體等腐蝕性介質竄入環空，泄漏程度擴大，井筒屏障失效；倘若環空氣體泄漏至地面，則會導致井筒報廢，危及人員生命、財產安全。因此，準確預測完井管柱泄漏引起的環空異常起壓規律，對二氧化碳注入井的安全生產具有重要的意義[3-9]。

目前國內外環空帶壓方面的研究，多針對采出井的診斷分析[8-14]，而有關液態二氧化碳注入導致的井筒失效方面的較少。本文首先分析了油管柱完好情況下，某油田注入低溫二氧化碳引起的環空壓降現象。接著基于商業軟件OLGA[15-20]，研究了油管柱發生一處漏失不同漏點深度、漏點等效直徑對油套環空壓力的影響規律。最后分析先后發生兩處漏點，油套管間流體擴散與環空壓力的上升規律；總結出三條環空帶壓規律，期望對快速評價環空安全風險等級，為二氧化碳注入井的完整性評價、修井作業安全提供技術支撐。

1 油管柱未發生漏失

施工現場為確保注入效率，要求泵注時二氧化碳為液態，故常常采用的是低溫（-10 ℃左右）液態二氧化碳。又因其定容比熱較高（為純水的0.218 倍），導致注入過程中井筒溫度均低于地溫（見圖1）（三口液態二氧化碳注入井的流溫梯度曲線）。因此，在注入過程中，環空保護液會發生冷卻而引起井口套壓降低（見圖2）。從圖2 中可以看出，隨著注入排量的逐漸增大，套壓不斷降低。這是因為注入排量越高，井筒溫度越低、且與周圍地層的溫度相差越大。因此，通過在投注前環空補壓，可以有效補償此溫降引起的壓降。

圖1 三口液態二氧化碳注入井的流溫梯度曲線

圖2 塔里木DH6 井注二氧化碳井口參數曲線

2 油管柱存在一處漏失

2.1 漏失點深度的影響

研究了油管柱中僅有一處漏失，且漏失點深度分別為532 m、1 530 m、2 525 m 和4 025 m，對應的井口套壓值（見圖3（左））。從該圖可以看出，漏失點越淺，井口套壓越高；也就是說，漏失點越接近井口，對應的井筒安全風險就越大，這一規律與深層產氣井的單點泄漏規律一致[4-10]。因此，保證井口密封完整性，提高氣密扣油管（特別是上部油管）的入井質量，都是降低井筒安全風險的有效辦法。這一規律對于低溫二氧化碳注入井尤為重要，因為井口附近的低溫容易使油管凍裂[4-7]。

從圖3（左）的最小二乘法擬合曲線看，R2為0.998 9。因此，對于案例中的這口井，如果通過分析認為僅有一處漏失點，便可以用井口套壓值推算此漏失點對應的深度。對于出現漏失點深度與井口套壓直線關系的原因，分析認為：如果漏失點越深，其所在深度處的平衡壓力越大（見圖3（右），4 025 m 與532 m 分別為44.8 MPa、18.1 MPa）。但由于漏入環空的二氧化碳工況體積近似相等，故漏失點越深，其對應的環空保護液柱也越長。所以，對應的井口套壓也越低。

圖3 漏失點深度與井口套壓的關系（左）、漏失點油管和環空壓力與井深的關系（右）

2.2 漏失點等效直徑

用OLGA 軟件模擬了532 m 處漏失點等效直徑分別為0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm，井口環空壓力達到穩定所需的時間（見圖4）。從該圖中可以看出：（1）在等效直徑超過3 mm 后，穩定時間均為0.1 h；（2）隨著等效直徑的增大，環空壓力的上升速度也越快，環空壓力達到穩定所需時間越短。因此，如果有條件采取環空化學堵漏的方式降低漏失點的等效直徑，也是控制井筒安全風險的有效方法。

圖4 漏失點等效直徑對環空壓力上升的影響

3 油管柱先后發生兩處漏失

根據大量現場漏點檢測資料以及生產情況反映[11-19]，完井管柱泄漏往往不是以單漏點的形式存在，通常是同時存在多個漏點。對于多漏點的情形，其環空壓力上升規律并不是由某一個漏點單獨決定，而是由所有漏點共同控制，相對于單漏點情形，多漏點泄漏還存在一個顯著的特征，就是在引起環空壓力上升的同時，油套環空液面也在不斷降低，這一點已經在多口高含硫氣井中得到了證實。一旦環空液面下降，油套環空上部抗硫套管將處于無環空保護液狀態，將面臨在含H2S、CO2及水汽的復雜氣相中的嚴重腐蝕，威脅管柱與油氣井的安全。因此開展完井管柱多漏點泄漏規律分析、并提出合理的控制措施，對于注入井的安全生產具有重要意義。研究了2 525 m 泄漏后，分別在其上部（井深為1 530 m）、其下部（井深為4 025 m）又發生了二次漏失的流體擴散和環空井口壓力上升的規律。

3.1 2 525 m 泄漏后1 530 m 又發生新的泄漏

這種雙漏點的油管與套管間流體的交換過程（見圖5），相應的井口套壓上升規律（見圖7）。開始時，上漏點（1 530 m）處的油壓大于套壓，因而液態二氧化碳從油管泄漏入環空；而下漏點（2 525 m）處的流動壓力則小于環空壓力，使得環空保護液漏入油管。隨著泄漏過程的不斷進行，漏入環空的液態二氧化碳同時向上、向下擴散，井口套壓也逐漸上漲，直到達到壓力P1。此時，二氧化碳將抵達下漏點，并開始從此處返回至油管。之后，從環空流出的保護液不斷減少，直至井口套壓等于P2，并完全停止，而僅有二氧化碳流出。隨著上漏點處油壓與套壓間的壓差不斷縮小，直到為零。這時，井口環空壓力為P3，下漏點至套管頭間的油套環空全為二氧化碳所充填。

圖7 雙漏點井口套壓上升規律

3.2 2 525 m 泄漏后4 025 m 又發生新的泄漏

這種第二漏點發生在第一漏點以下井段的擴散規律，與上一種漏失情形（即第二漏點發生在第一漏點以上井段）類似。其流體擴散規律（見圖5）：液體二氧化碳也從上漏點泄入環空，與此同時，環空保護液從環空流入油管柱。進入環空的二氧化碳同時向上、向下突進，向上直至套管頭，向下流至下漏點，并從此處返回油管柱。二氧化碳與環空保護液的質量流量（見圖6）（圖中正值表示從油管流入環空，負值表示從環空漏出油管），兩者均從一個較高值不斷減小，直至為零。進入油管的環空保護液，隨著二氧化碳一起向下流動，最后被注入地層。從圖6 中可以看出，由上漏點流入環空的二氧化碳與從下漏點漏出至油管的環空保護液，近似呈現對稱曲線，但其值略高于二氧化碳。因此在環空保護液停止流出后一段時間，二氧化碳還有一個從上漏點進入環空、從下漏點流出油管柱的微循環期。直至整個環空全為液態二氧化碳所置換。

圖5 雙漏點油管與套管間流體擴散過程

圖6 雙漏點漏失速率變化規律

3.3 二次泄漏井口套壓變化的共同點

雙漏點井口套壓上升規律（見圖7）。無論二次漏點位于其上（如1 530 m）、還是其下（如4 025 m），均是隨著泄漏的不斷發展，漏點以上環空內的二氧化碳體積逐漸增大，又由于其密度小于被其驅替的環空保護液（為清水+5%緩蝕劑），所以井口套壓越來越高，直到泄漏點兩側的壓力平衡，兩處停止發生流體交換。此時，漏點以上全部置換為二氧化碳，故井口套壓相等（全為P3），且均為注入油壓。

4 結論

在總結某油田液態二氧化碳注入實踐的基礎上，針對油管柱泄漏與否，用商業軟件OLGA 反演出三條規律。

（1）當油管柱未發生漏失，由于注入二氧化碳的低溫效應，使得整個井筒溫度剖面均低于地溫，故環空壓力會因其內保護液的冷卻而降低。因此，投注前應進行環空補壓，以補償此壓降。

（2）當油管柱存在一處漏失點時，漏點越淺，井口套壓越高，直至接近于注入油壓；漏失點等效直徑越大，環空壓力上升越快、達到穩定所需時間越短。因此，采用環空化學堵漏降低等效直徑，也是控制井口套壓上升的有效方法。

（3）當先后出現兩處泄漏時，液態二氧化碳總是從淺的漏點由油管漏入環空，與此同時，環空保護液從深的漏點泄漏到油管；到漏失停止時，各漏點處環空與油管壓力平衡，漏點以上的環空全部為液態二氧化碳所充填，井口套壓等于注入油壓，且與兩處漏點的深度無關。