深水井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)

張百靈　楊　進(jìn)　黃小龍　胡志強(qiáng)　何　藜（.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　049；.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)

張百靈1楊進(jìn)1黃小龍2胡志強(qiáng)1何藜1
（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司，廣東深圳518067）

深水井筒在生產(chǎn)階段受地層高溫產(chǎn)出液的影響，溫度場(chǎng)重新分布引起環(huán)空密閉空間的壓力急劇上升，威脅井筒安全。為向深水油氣井的井身設(shè)計(jì)和套管強(qiáng)度校核提供一定的依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例對(duì)基于狀態(tài)方程和胡克定律計(jì)算模型和基于狀態(tài)方程和溫度壓力耦合作用的迭代計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型機(jī)理和影響計(jì)算結(jié)果的因素進(jìn)行了分析。深水井筒中的環(huán)空流體介質(zhì)復(fù)雜，井底高溫及異常壓力使得深水井筒中的環(huán)空中流體熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)對(duì)套管體積的影響難以利用胡克定律簡(jiǎn)化計(jì)算。結(jié)果表明，基于狀態(tài)方程和溫度壓力耦合作用的迭代計(jì)算模型更適用于深水井筒的環(huán)空壓力分析。

深水井筒；環(huán)空壓力；計(jì)算模型；適應(yīng)性評(píng)價(jià)

深水油氣井的泥線溫度和井底溫度相差較大，較強(qiáng)的溫度效應(yīng)將引起的密閉環(huán)空內(nèi)流體升溫膨脹產(chǎn)生環(huán)空壓力的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成套管擠毀、變形或上頂井口等事故。在陸地油田和淺海油田的勘探開發(fā)實(shí)踐中，可以通過打開套管頭側(cè)翼閥釋放環(huán)空壓力。但在深水油田開發(fā)中，水下井口和生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)使得環(huán)空壓力難以監(jiān)測(cè)控制和調(diào)節(jié)釋放，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)套管環(huán)空壓力對(duì)于深水油氣井測(cè)試和生產(chǎn)作業(yè)非常重要［1］。因此，準(zhǔn)確計(jì)算深水油氣井密閉環(huán)空中的壓力對(duì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、套管強(qiáng)度校核以及實(shí)現(xiàn)油氣的井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外針對(duì)環(huán)空壓力的上升機(jī)理開展了廣泛的研究，但是針對(duì)深水鉆井條件下的井筒傳熱及壓力預(yù)測(cè)研究較少，國(guó)內(nèi)的深水事業(yè)剛剛起步，國(guó)外公司因技術(shù)封鎖未公布環(huán)空壓力計(jì)算模型，因此仍需對(duì)深水井筒環(huán)空壓力的預(yù)測(cè)方法作進(jìn)一步的研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者建立了幾種井筒環(huán)空壓力預(yù)測(cè)模型，比較有代表性的模型主要分為基于狀態(tài)方程和胡克定律的預(yù)測(cè)模型以及基于狀態(tài)方程和溫度壓力耦合作用的迭代計(jì)算預(yù)測(cè)模型，通過對(duì)2類模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，推薦了適用于深水油氣井的計(jì)算模型，為深水油氣井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)。

1　深水井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型基本原理

深水油氣井通常會(huì)在測(cè)試管柱或油管與生產(chǎn)套管之間以及生產(chǎn)套管與技術(shù)套管間未被水泥漿封固段產(chǎn)生環(huán)空，由于深水油氣井采用水下井口及采油樹，套管環(huán)空為密閉空間。海底泥線溫度一般在2~4℃，而儲(chǔ)層溫度通常較高，油氣井進(jìn)入測(cè)試或生產(chǎn)階段，儲(chǔ)層流體溫度在由井底運(yùn)移至井口的過程中，經(jīng)過井筒熱傳遞，環(huán)空內(nèi)流體在密閉空間受熱膨脹繼而產(chǎn)生環(huán)空壓力的升高。

國(guó)外許多學(xué)者圍繞著井筒溫度傳遞和壓力問題進(jìn)行了大量的研究，建立了關(guān)于井筒傳熱和壓力問題的基礎(chǔ)理論和方法（表1）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種模擬井筒溫度壓力場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法不斷出現(xiàn)并逐步改進(jìn)完善。但是對(duì)于深水鉆井條件下的井筒傳熱及壓力預(yù)測(cè)仍需進(jìn)一步的研究。

表1　國(guó)外井筒溫度及壓力數(shù)值計(jì)算模型

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)深水井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型開展了大量的研究工作，主要形成了基于狀態(tài)方程和胡克定律的預(yù)測(cè)模型和基于狀態(tài)方程和溫度壓力耦合作用的迭代計(jì)算預(yù)測(cè)模型。

P. Oudeman和M. Kerem［2］基于PVT狀態(tài)方程和胡克定律，認(rèn)為密閉環(huán)空壓力與該段環(huán)空內(nèi)流體的平均溫度DT、密閉環(huán)空體積Va及密閉環(huán)空內(nèi)的流體或氣體質(zhì)量m成函數(shù)關(guān)系，車爭(zhēng)安［3］等在P. Oudeman和M. Kerem模型的基礎(chǔ)上，認(rèn)為對(duì)于密閉的套管環(huán)空空間，Dm=0。假設(shè)套管環(huán)空不存在漏失，綜合考慮環(huán)空內(nèi)流體的熱膨脹效應(yīng)和環(huán)空體積變化的共同作用，建立了環(huán)空壓力計(jì)算模型。

高寶奎［4］綜合考慮套管徑向熱膨脹和壓縮以及環(huán)空內(nèi)流體的熱膨脹和壓縮效應(yīng)的共同作用，建立了密閉環(huán)空附加載荷計(jì)算模型［4］。鄧元洲［5］等人在高寶奎研究的基礎(chǔ)上，充分考慮了環(huán)空壓力的變化和環(huán)空體積的變化的耦合關(guān)系，建立了環(huán)空壓力計(jì)算模型。黃小龍［6］通過分析套管環(huán)空體積隨溫度和壓力的變化情況和耦合作用，通過迭代計(jì)算建立了典型深水井套管環(huán)空壓力預(yù)測(cè)模型。

2　計(jì)算模型分析

現(xiàn)定義基于PVT狀態(tài)方程和胡克定律建立的計(jì)算模型（文獻(xiàn)［3］）為模型1，基于狀態(tài)方程和溫度壓力耦合作用的模型（文獻(xiàn)［6］）為模型2，分別對(duì)以下2個(gè)算例進(jìn)行計(jì)算。水的膨脹系數(shù)及體積系數(shù)如表2所示。算例來自南中國(guó)海2個(gè)區(qū)域的2口生產(chǎn)井。

表2　水的膨脹系數(shù)及體積系數(shù)（0.1 MPa）

算例1井深2 500 m，環(huán)空A、環(huán)空B深度分別為567 m和1 246 m，海底泥線溫度5 ℃，地溫梯度4.6 ℃/100 m。算例2井深3 200 m，環(huán)空A、環(huán)空B深度分別為1 074 m和2 438 m，海底泥線溫度5 ℃，地溫梯度4.5 ℃/100 m。兩算例井身結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　算例1和算例2的井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際地層流體物性、套管導(dǎo)熱系數(shù)、套管尺寸等參數(shù)，分別采用以上3個(gè)模型對(duì)環(huán)空壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算結(jié)果（圖2、圖3）表明：生產(chǎn)過程中隨著環(huán)空溫度的上升，環(huán)空壓力大幅上升。但隨著環(huán)空溫度的升高，模型1計(jì)算結(jié)果偏差明顯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表3），模型1的預(yù)測(cè)結(jié)果和監(jiān)測(cè)值相對(duì)誤差非常大，而模型2的預(yù)測(cè)結(jié)果和監(jiān)測(cè)值的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。

圖2　算例1環(huán)空壓力隨溫度的變化結(jié)果

圖3　算例2環(huán)空壓力隨溫度的變化結(jié)果

表3　模型的預(yù)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值的相對(duì)誤差

3　計(jì)算模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)

3.1模型適用條件

2類模型對(duì)深水井筒環(huán)空壓力預(yù)測(cè)值差別較大，深入分析2類模型的理論基礎(chǔ)，得出其主要區(qū)別（表4）：模型1隨著環(huán)空流體受熱膨脹，環(huán)空體積將增加，環(huán)空體積變化主要取決于生產(chǎn)套管內(nèi)部壓力的瞬時(shí)變化，基于胡克定律，用套管變形系數(shù)建立套管體積變化量和生產(chǎn)套管內(nèi)部壓力瞬時(shí)變化量的函數(shù)關(guān)系，適用于陸地高溫高壓分硫氣井［3］；模型2考慮環(huán)空流體受熱膨脹后，套管體積變化和環(huán)空流體體積變化是相互影響的耦合作用，環(huán)空體積變化情況受環(huán)空流體性質(zhì)的影響，最終遵照體積相容性原則采用迭代方法建立模型，適用于深水油氣井［6］。

3.2模型適用性評(píng)價(jià)

模型1是建立在不考慮氣泡存在，充滿液體的金屬密封環(huán)空環(huán)境條件下，利用彈性模量、液體熱膨脹系數(shù)和金屬熱膨脹系數(shù)進(jìn)行函數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算。該模型中，套管環(huán)空流體等溫壓縮系數(shù)K和熱膨脹系數(shù)α是環(huán)空壓力關(guān)鍵影響因素。

而深水鉆井作業(yè)中，由于海底泥線溫度低，井口和井底溫差大，深水固井的環(huán)空流體多為多種流體的混合體，有時(shí)還會(huì)注入可壓縮介質(zhì)，使得深水井筒中的環(huán)空中流體熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)通常是不確定的。加之流體本身具有非線性關(guān)系［7］，真實(shí)的深水作業(yè)環(huán)境下，在井底高溫及異常壓力的作用下，環(huán)空內(nèi)流體性能會(huì)發(fā)生變化，且管徑較小時(shí)，流體溫度作用和套管變形的耦合關(guān)系更加明顯。因此，深水環(huán)境下，如果采用模型1，利用彈性模量和熱膨脹系數(shù)等參數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算，將造成很大的誤差。模型計(jì)算結(jié)果也反映出上述特點(diǎn)（圖4、圖5）。

表4　模型1和模型2對(duì)比分析

圖4　算例1中模型1參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系

圖5　算例2中模型1參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系

4　結(jié)論

（1）深水作業(yè)環(huán)境下，環(huán)空流體多為混合介質(zhì)，在井底高溫及異常壓力的作用下，環(huán)空內(nèi)流體性能會(huì)發(fā)生變化，更適合采用基于狀態(tài)方程和溫度壓力耦合作用的迭代計(jì)算預(yù)測(cè)模型，因此，推薦模型2作為深水井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型。

（2）深水油氣井的密閉環(huán)空壓力會(huì)隨著溫度的升高而增大，應(yīng)作為井身設(shè)計(jì)中考慮的因素，防止套管發(fā)生損壞危及井筒完整性。

（3）環(huán)空流體介質(zhì)對(duì)溫度的敏感度差異較大，介質(zhì)的不同對(duì)于環(huán)空壓力的影響機(jī)制復(fù)雜，其原理和對(duì)井筒完整性產(chǎn)生的影響有待進(jìn)一步研究。

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〔編輯付麗霞〕

Adaptability evaluation of calculation model of annular pressure of deepwater wellhole

ZHANG Bailing1, YANG Jin1, HUANG Xiaolong2, HU Zhiqiang1, HE Li1
（1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2.Shenzhen Branch of CNOOC Energy Techonnology & Services Limited, Shenzhen 518067, China）

The deepwater wellhole is affected by high-temperature produced liquid of stratum in the production stage, and the redis

tribution of temperature field causes the sharp increase of pressure of annular confined space, threatening the wellhole safety. In order to provide certain bases for the wellbore design and casing intensity check of deepwater oil and gas wells, according to two kinds of calculation models, namely, calculation model based on equation of state and Hooke's law and iterative calculation model based on equation of state and temperature and pressure coupling, as well as living examples on site, these two kinds of models are compared, the model mechanism and factors affecting the calculation results are analyzed, the annular fluid media in the deepwater wellhole are complicated, and it is difficult to conduct the simplified calculation of effects of coefficient of thermal expansion and coefficient of compressibility of annular fluid in the deepwater wellhole on the casing volume by virtue of Hooke's law due to downhole high temperature and abnormal pressure. Pursuant to the results, the iterative calculation model based on equation of state and temperature and pressure coupling is more suitable for the annular pressure analysis of deepwater wellhole.

deepwater wellhole; annular pressure; calculation model; adaptability evaluation

TE5

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0056 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.014

國(guó)家自然科學(xué)基金“深水鉆井表層導(dǎo)管噴射鉆進(jìn)機(jī)理研究”（編號(hào)：51274215）；國(guó)家自然科學(xué)基金“海洋深水淺層鉆井關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)理論研究”（編號(hào)：51434009）。

張百靈，1984年生。油氣井工程專業(yè)博士研究生，現(xiàn)主要從事海洋鉆完井工程方面的研究工作。電話：15101173681。E-mail：zhangbailing@163.com。

2015-01-01）

引用格式：張百靈，楊進(jìn)，黃小龍，等. 深水井筒環(huán)空壓力計(jì)算模型適應(yīng)性評(píng)價(jià)［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：56-59.