高壓氣井環(huán)空帶壓可視化實(shí)驗(yàn)

高文祥 李皋 鄭如森 李紅濤

摘? 要：高壓氣井在采氣過程中環(huán)空帶壓現(xiàn)象非常普遍，環(huán)空壓力過高會嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量，降低采收率，對氣田開發(fā)后續(xù)作業(yè)造成不利影響。針對高壓氣井采氣過程中的A環(huán)空帶壓問題，通過可視化模擬試驗(yàn)臺架開展了油管穿孔及封隔器失效引起的A環(huán)空帶壓模擬實(shí)驗(yàn)，模擬了不同壓差、穿孔幾何尺寸等情況下環(huán)空壓力的動態(tài)變化規(guī)律及環(huán)空的氣-液兩相流動規(guī)律。

關(guān)鍵詞：高壓氣井;環(huán)空帶壓;A環(huán)空;實(shí)驗(yàn)測試

中圖分類號：TE37? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）14-0007-03

Abstract： In the high-pressure gas wells， the annulus pressure phenomenon is very common during the gas production process. The high pressure of the annulus will seriously affect the gas well production and reduce the oil recovery， which will adversely affect the subsequent operation of the gas field development. Aiming at the problem of A-ring pressure in the gas production process of high-pressure gas wells， the simulation experiment of A-ring and air-belt pressure caused by the failure of tubing perforation and packer was carried out through visual simulation test bench， simulating different pressure difference， perforation geometry and so on. The dynamic variation law of the annulus pressure and the gas-liquid two-phase flow law of the annulus.

Keywords： high pressure gas well; annular zone pressure; A annulus; experimental test

1 概述

隨著油氣勘探開發(fā)工作的深入開展，環(huán)空帶壓現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在大量油氣井的開發(fā)過程中。環(huán)空帶壓對生產(chǎn)安全十分不利，是全世界石油工業(yè)界面臨的共同難題和安全問題。環(huán)空帶壓不但影響了氣井的后期施工，而且為氣井的生產(chǎn)帶來了安全隱患，造成了不必要的人力、物力和財力損失。環(huán)空帶壓是指氣井環(huán)空壓力在泄壓后短時間內(nèi)又恢復(fù)到泄壓前壓力水平的現(xiàn)象[1，2]。引起環(huán)空帶壓的本質(zhì)是井下氣體在環(huán)空中竄流、積聚，引起環(huán)空壓力上升，造成氣井環(huán)空帶壓的主要原因中，油套管、油管柱、井下封隔器失效導(dǎo)致氣體竄至環(huán)空引起的環(huán)空帶壓[3]最為普遍，其風(fēng)險也是最大的。

以塔里木油田庫車山前地區(qū)為例，截止到2017年5月，庫車山前（克拉、迪那、大北、克深、零散試采）共有140口氣井先后投入生產(chǎn)，其中31口井環(huán)空異常帶壓，占已投產(chǎn)井的22.14%。

針對壓氣井油管穿孔等原因造成的A環(huán)空帶壓問題，為保證氣井生產(chǎn)安全則必須掌握高壓氣井環(huán)空壓力及氣液兩相流動流型變化規(guī)律。以此為目標(biāo)，使用可視化模擬試驗(yàn)臺架研究了不同壓差、穿孔幾何尺寸等情況下環(huán)空壓力的動態(tài)變化規(guī)律及環(huán)空的氣-液兩相流動規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

2 環(huán)空帶壓可視化實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為滿足環(huán)空帶壓可視化實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計了一套模擬氣井A環(huán)空的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該裝置由供液系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、放空系統(tǒng)、套管和油管以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，均由計算機(jī)自動控制。供液系統(tǒng)由注液泵、節(jié)流閥、流量計和壓力表組成，油管和環(huán)空各有一套供液裝置，互不影響;供氣系統(tǒng)由高壓氣瓶、壓力表、流量計和節(jié)流閥組成，氣瓶壓力達(dá)16MPa可滿足實(shí)驗(yàn)要求，壓力表和流量計可獲取注氣過程中的注氣管線壓力和氣體流量，節(jié)流閥可改變氣體流量大小;放空系統(tǒng)是指在環(huán)空和油管底部各有一條管線與其想通，可充分排出環(huán)空和油管中的液體與氣體;套管和油管由兩個同心不同直徑的有機(jī)玻璃管和不銹鋼管組成。

可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置能夠滿足以下要求：用電磁閥自動控制從頂端向油管及環(huán)空注液;心管上鉆一定尺寸的圓孔，以模擬油管穿孔的情況;實(shí)驗(yàn)管路底部封隔器上有兩個可分別向環(huán)空及油管內(nèi)部注氣的管線，可通過高壓氣瓶進(jìn)行注氣;能夠精確地采集各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù);有可靠的攝像裝置。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用環(huán)空帶壓可視化實(shí)驗(yàn)裝置，通過改變環(huán)空注液高度、注氣管線模擬產(chǎn)氣的注氣壓力及套管底部封隔器注氣孔尺寸來研究環(huán)空兩相流動規(guī)律和壓力變化規(guī)律。打開注液泵和閥門，向環(huán)空中注入一定量的液體，達(dá)到預(yù)定高度后關(guān)泵關(guān)閥，穩(wěn)定一段時間后測得環(huán)空內(nèi)液體高度;打開注氣管線閥門，用高壓氣瓶從套管底部注氣孔向環(huán)空中去注入氣體，注氣孔可設(shè)置為2mm或4mm，注氣管線上的壓力表和流量計可實(shí)時顯示注氣管線內(nèi)氣體流量和壓力，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣體流量和注氣壓力;通過安裝在環(huán)空上的壓力表獲取環(huán)空內(nèi)壓力變化規(guī)律，攝像裝置可實(shí)時連續(xù)拍攝環(huán)空中的流動情況。實(shí)驗(yàn)完成后通過與環(huán)空底部相連的放空管線將環(huán)空內(nèi)的液體排空，為下一組實(shí)驗(yàn)提供條件。

表1為封隔器失效環(huán)空帶壓的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

環(huán)空注液至一定高度，穩(wěn)定一段時間后通過封隔器上的小孔向環(huán)空注氣，氣體經(jīng)封隔器穿孔侵入環(huán)空時，在第一股氣（泰勒泡）到達(dá)氣液界面前液面已開始上升，隨后連續(xù)小氣泡向上滑脫，界面持續(xù)緩慢上升，隨后有所下降，氣液兩相流流型為泡狀流，如圖2所示。

當(dāng)氣體進(jìn)入環(huán)空時環(huán)空中存在液體，在液體自身的重力作用下環(huán)空下部壓力很高，注入的氣體以溶解氣的形式存在于液體中導(dǎo)致環(huán)空液面升高。隨著氣體的不斷注入，環(huán)空液體壓力下氣體溶解度將要達(dá)到飽和狀態(tài)，溶解氣在環(huán)空底部最高壓力下不斷集聚，當(dāng)氣體溶解度達(dá)到飽和，部分集聚的溶解氣從底部逸出，向上逃逸過程中隨著液體壓力變小而不斷增大形成泰勒泡。第一個泰勒泡到達(dá)環(huán)空液面之后，氣泡不斷地從底部逸出至液面，液面仍持續(xù)上漲。當(dāng)上部氣體集聚形成高壓，雖然氣體溶解度增大，但源源不斷的環(huán)空注入氣大于溶解的氣體量，在壓力的作用下氣泡體積減小，液面有所下降。換句話說，實(shí)驗(yàn)過程中存在“置換現(xiàn)象”，高壓作用下氣液兩相流均為泡狀流。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

7組實(shí)驗(yàn)中的環(huán)空壓力變化曲線如圖3所示，每組曲線第一個上升段為環(huán)空注液引起的壓力上升，第二個上升段為環(huán)空注氣引起壓力上升，之后為放水泄壓過程。第五組未進(jìn)行注液，而使用第四組實(shí)驗(yàn)完成后未排完液體。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了封隔器失效引起環(huán)空帶壓時，環(huán)空壓力的上升速率與穿孔處的壓差和孔徑相關(guān)，壓差越大、孔徑越大，環(huán)空壓力的上升速率越快。

4 結(jié)論

（1）提出了一種模擬封隔器或油管穿孔導(dǎo)致A環(huán)空帶壓的實(shí)驗(yàn)方法，開展了不同壓差、不同孔徑的A環(huán)空帶壓實(shí)驗(yàn)，獲取了環(huán)空中壓力的變化規(guī)律。

（2）環(huán)空帶壓時，高壓作用下氣體在環(huán)空中的兩相流動為泡狀流，環(huán)空中液面先升高后降低，出現(xiàn)明顯的“置換效應(yīng)”。

（3）環(huán)空壓力的上升速率與穿孔處的壓差和孔徑相

關(guān)，壓差越大、孔徑越大，環(huán)空壓力的上升速率越快。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kinik K，Wojtanowicz A K.Identifying Environmental Risk of Sustained Casing Pressure[R].SP173713，2011.

[2]朱紅鈞，唐友波，李珍明，等.氣井A環(huán)空壓力恢復(fù)與泄壓實(shí)驗(yàn)[J].石油學(xué)報，2016，37（9）：1171-1178.

[3]彭建云，周理志，阮洋，等.克拉2氣田高壓氣井風(fēng)險評估[J].天然氣工業(yè)，2008，28（10）：110-112.