某含氣高壓油井生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)研究

滕學(xué)清，朱金智，楊向同，呂拴錄，2，謝俊峰，耿海龍，李元斌，黃世財(cái)，張雪松，江中勤

(1.塔里木油田，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，北京102249)

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某含氣高壓油井生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)研究

滕學(xué)清1，朱金智1，楊向同1，呂拴錄1，2，謝俊峰1，耿海龍1，李元斌1，黃世財(cái)1，張雪松1，江中勤1

(1.塔里木油田，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，北京102249)

對(duì)某含氣超高壓油井A環(huán)空壓力升高原因進(jìn)行了調(diào)查研究，分析了生產(chǎn)套管受力條件。認(rèn)為該井井口附近套管不僅承受的拉伸載荷最大，而且承受的氣壓最大，生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)不但要考慮套管拉伸、內(nèi)壓和外壓載荷，還要考慮套管接頭氣密封性能和材料防硫性能，并依據(jù)套管實(shí)際受力條件和環(huán)境條件選擇套管。對(duì)API套管內(nèi)屈服壓力計(jì)算公式和套管接頭氣密封性能關(guān)系進(jìn)行了說(shuō)明。依據(jù)該井井況對(duì)不同套管適用性進(jìn)行了分析討論，最終提出了生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)方案。

套管；環(huán)空；超高壓；油井；套管柱設(shè)計(jì)

某含氣高壓油井關(guān)井油壓91.00 MPa，A環(huán)空壓力60.35 MPa；放噴期間油壓高達(dá)83.98 MPa，A環(huán)空壓力高達(dá)67.00 MPa。A環(huán)空放出的是可燃天然氣。

該井實(shí)測(cè)地層壓力135 MPa。初步分析認(rèn)為油管柱泄漏導(dǎo)致A環(huán)空壓力升高。A環(huán)空壓力放噴期間比關(guān)井期間高6.65 MPa，說(shuō)明油管柱泄漏通道越來(lái)越大，泄漏速率越來(lái)越高。關(guān)井之后油管上部為天然氣，下部為原油。A環(huán)空靠近井口段實(shí)測(cè)為天然氣。生產(chǎn)套管靠近井口位置為承受拉伸載荷和內(nèi)壓載荷最大的部位。因此，該井生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)應(yīng)放在套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度、密封強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度校核方面。

1 API TR 5C3(ISO10400)標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定的套管實(shí)物性能計(jì)算公式

1.1 API偏梯形螺紋接頭套管拉伸強(qiáng)度

1) 管體拉伸強(qiáng)度。

PP=APUP

(1)

2) 套管管體外螺紋連接強(qiáng)度。

Pj=0.95ApUp[1.008-0.039 6(1.093-YP/UP)D]

(2)

式中：Pj為套管管體螺紋連接強(qiáng)度，lb；YP為套管管體材料最小屈服強(qiáng)度，psi；UP為套管管體材料最小抗拉強(qiáng)度，psi；AP為平端管的橫截面積，AP=0.785 4(D2-d2)，in2；D為管體外徑，in；d為管體內(nèi)徑，in。

3) 套管接箍?jī)?nèi)螺紋連接強(qiáng)度。

Pj=0.95ACUC

(3)

1.2 套管內(nèi)屈服壓力

1) 管體內(nèi)屈服壓力。

管體內(nèi)屈服壓力p由式(4)計(jì)算。式(4)中出現(xiàn)的系數(shù)0.875是由于考慮采用最小壁厚。

(4)

式中：p為最小內(nèi)屈服壓力，MPa；Yp為材料規(guī)定最小屈服強(qiáng)度，MPa；t為公稱壁厚，mm；D為公稱外徑，mm。

2) 接箍?jī)?nèi)屈服壓力。

除了避免由于接箍強(qiáng)度不足導(dǎo)致泄漏而需要較低壓力情況外，帶螺紋和接箍套管的內(nèi)屈服壓力p與平端管相同。較低壓力則由式(5)計(jì)算(如圖1)，并圓整到最接近的10psi。

(5)

式中：p為最小內(nèi)屈服壓力，MPa；Yc為接箍材料最小屈服強(qiáng)度，MPa；W為接箍公稱外徑，mm；d1為機(jī)緊狀態(tài)下與外螺紋接頭端面對(duì)應(yīng)處接箍螺紋根部的直徑，mm。

圖1 API套管接頭示意

3) 套管內(nèi)屈服壓力。

套管內(nèi)屈服壓力取管體內(nèi)屈服壓力，式(4)和接箍?jī)?nèi)屈服壓力，式(5)二者中的較低值。

2 套管接頭連接強(qiáng)度和氣密封性能

2.1 API偏梯形螺紋接頭套管連接強(qiáng)度和氣密封性能

由于API偏梯形螺紋接頭套管連接強(qiáng)度高，一般在深井和超深井作為技術(shù)套管使用，或者作為油井生產(chǎn)套管使用。

API偏梯形螺紋接頭套管是靠螺紋脂填充密封的。API偏梯形螺紋接頭氣密封性能是通過(guò)試驗(yàn)獲得的，API TR 5C3規(guī)定的偏梯形螺紋接頭套管內(nèi)屈服壓力并不是其螺紋接頭氣密封性能。由于API偏梯形螺紋接頭套管不具備氣密封性能，關(guān)于API偏梯形螺紋接頭套管的氣密封性能試驗(yàn)研究也不多。表1為中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院對(duì)API 螺紋接頭套管和特殊螺紋接頭(臺(tái)肩刻槽，如圖2)油管氣密封性能試驗(yàn)結(jié)果。

表1 API 螺紋接頭套管和特殊螺紋接頭(臺(tái)肩刻槽)油管氣密封性能

注：1)槽口最小0.2 mm(0.008 in)深。 2)槽口最小0.2 mm(0.008 in)深，與另一個(gè)槽口成180°角。 3)扭矩臺(tái)肩。 4)螺紋。

圖2 ISO 13679規(guī)定的扭矩臺(tái)肩槽口示意

2.2 特殊螺紋接頭套管氣密封性能

特殊螺紋接頭套管設(shè)計(jì)有專門的金屬對(duì)金屬?gòu)较蛎芊饨Y(jié)構(gòu)(如圖3)[4-6]，這種密封結(jié)構(gòu)依靠金屬接觸壓力實(shí)現(xiàn)氣密封性能。特殊螺紋接頭套管設(shè)計(jì)有專門的螺紋結(jié)構(gòu)，可以保證接頭連接強(qiáng)度大于等于管體。特殊螺紋接頭套管不僅連接強(qiáng)度高，而且具有優(yōu)良的氣密封性能，因此在氣井中被廣泛用于生產(chǎn)套管和部分技術(shù)套管。

圖3 特殊螺紋接頭

3 某井生產(chǎn)套管設(shè)計(jì)

4.1 套管設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)及要求

4.1.1 套管設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)

套管設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)如表2。

表2 某井套管設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)

注：該井區(qū)A井采油期間取樣口H2S含量29×10-6，B井采油期間取樣口H2S含量187×10-6。由于該井區(qū)碳酸鹽巖油藏非均質(zhì)性極強(qiáng)，H2S含量變化大，不排除該井區(qū)局部地區(qū)異常高含H2S的可能性，所以鉆井過(guò)程中要注意防H2S。

4.1.2 H2S腐蝕環(huán)境對(duì)套管的要求

硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSC)最敏感的溫度區(qū)間為30 ℃左右，隨著溫度升高，H2S在水中的溶解度降低，而氫的擴(kuò)散速度加快。這兩個(gè)相反趨勢(shì)的結(jié)果造成H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的極值點(diǎn)。這是由于氫在鋼表面的吸附、在鋼中的擴(kuò)散以及氫的存在狀態(tài)與溫度有關(guān)。溫度低于30 ℃，氫擴(kuò)散速度和活性逐漸減??；溫度高于30 ℃，活性氫難于聚集。對(duì)碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，其對(duì)SSC敏感性隨溫度升高而降低，溫度高于約100 ℃時(shí)，通常不會(huì)觀察到開(kāi)裂現(xiàn)象[7-15]。

溫度低于100 ℃時(shí)應(yīng)采用防硫套管；溫度超過(guò)100 ℃時(shí)應(yīng)不采用防硫套管。套管材料屬于低合金鋼，依據(jù)該井關(guān)井和開(kāi)井生產(chǎn)狀態(tài)不同井深位置溫度測(cè)試結(jié)果，在4 000 m井深位置溫度大約為100 ℃。因此，在0～4 000 m井段應(yīng)采用防硫材料套管，在4 000 m以下應(yīng)采用普通材料套管。

4.1.3 受力條件對(duì)套管要求

套管主要承受拉伸、內(nèi)壓和外壓載荷[16-24]。拉伸載荷主要取決于套管柱重力和井口提拉載荷。套管內(nèi)壓和外壓載荷主要取決于管內(nèi)、外介質(zhì)和壓力。套管抗擠安全系數(shù)、抗內(nèi)壓安全系數(shù)和抗拉安全系數(shù)應(yīng)符合SY/T 5322—2000規(guī)定。

該井沒(méi)有蠕變地層，套管所受外壓很小，套管設(shè)計(jì)可以不考慮套管抗擠性能。

Q/SY TZ 0026—2000《油(氣)層工業(yè)油氣流標(biāo)準(zhǔn)及試油結(jié)論規(guī)定》4.2.1 油層：具有工業(yè)價(jià)值的油層，即日產(chǎn)油量達(dá)到最低工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)氣油比小于890，原油密度大于0.8 g/cm3，含水小于2%。

汽油比又稱原始溶解氣油比。指在原始地層條件下，單位體積原油所溶解的天然氣量。其單位為m3/m3。原始?xì)庥捅仁窃椭腥芙馓烊粴饬慷嗌俚闹笜?biāo)，即在這個(gè)條件下的天然氣溶解度。

國(guó)際高溫高壓協(xié)會(huì)(The International Association of high temperature and pressure)規(guī)定，地層壓力≥69 MPa(10 000 psi)為高壓井，地層壓力≥103 MPa(15 000 psi)為超高壓井；該井汽油比為134.98 m3/m3，實(shí)測(cè)地層壓力135 MPa，關(guān)井油壓91.00 MPa，屬于含氣超高壓油井。一旦油管柱泄漏，套管內(nèi)天然氣聚集在靠近井口位置，靠近井口的生產(chǎn)套管實(shí)際可能承受高壓氣體載荷[25-34]，套管應(yīng)具有氣密封性能。因此，該井雖然定義為超高壓油井，井口生產(chǎn)套管應(yīng)當(dāng)按照超高壓氣井考慮。

該井生產(chǎn)壓力下降速度為2 MPa/d，在考慮套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮。

4.2 套管設(shè)計(jì)方案

4.2.1 方案1

1) 0～3 200 m井段采用206.38 mm×15.80 mm C110偏梯形螺紋套管(接箍外徑=228.00 mm)，3 200～7 900 m井段采用200.03 mm×14.20 mm偏梯形螺紋套管。

2) 206.38 mm×15.80 mm C110偏梯形螺紋接頭，接箍外徑=228.00 mm套管內(nèi)屈服壓力(抗內(nèi)壓強(qiáng)度)86.5 MPa，井口壓力按照91 MPa計(jì)算，井口抗內(nèi)壓安全系數(shù)=86.5/91=0.95，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1.05)。套管接頭連接強(qiáng)度6 612 kN，抗拉安全系數(shù)1.47，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1.60)。

3) 井口A環(huán)空實(shí)際承受的是天然氣壓力。206.38 mm×15.80 mm C110偏梯形螺紋接頭(接箍外徑=228.00 mm)套管不具有金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)和氣密封性能，其氣密封壓力估計(jì)只有8.1～36.1 MPa(如表1)，遠(yuǎn)小于關(guān)井時(shí)油壓91.00 MPa和A環(huán)空壓力60.35 MPa，也遠(yuǎn)小于放噴期間油壓83.98 MPa和A環(huán)空壓力67.00 MPa，不符合實(shí)際工況條件要求。

4.2.2 方案2

1) 0～1 500 m井段采用206.38 mm×15.80 mm C110偏梯形螺紋套管(接箍外徑=231.78 mm)，1 500～7 900 m采用200.03 mm×14.20 mm偏梯形螺紋套管。

2) 采用206.38 mm×15.80 mm C110偏梯形螺紋接頭套管，將接箍外徑從228.00 mm增大至231.78 mm，按照API TR 5C3規(guī)定的公式計(jì)算結(jié)果，套管內(nèi)屈服壓力(抗內(nèi)壓強(qiáng)度)97.5 MPa，井口壓力按照91 MPa計(jì)算，井口抗內(nèi)壓安全系數(shù)=97.5/91=1.07，符合標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1.05)，但并不能說(shuō)明套管接頭氣密封性能符合實(shí)際工況條件要求。套管接頭連接強(qiáng)度6 889 kN，抗拉安全系數(shù)1.58，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1.60)。

3) 井口A環(huán)空實(shí)際承受的是天然氣壓力。206.38 mm×15.80 mm C110偏梯形螺紋接頭(接箍外徑=231.78mm)套管不具有金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)和氣密封性能，其氣密封壓力估計(jì)只有9.2～40.7 MPa(如表1)，遠(yuǎn)小于關(guān)井時(shí)油壓91.00 MPa和A環(huán)空壓力60.35 MPa，也遠(yuǎn)小于放噴期間油壓83.98 MPa和A環(huán)空壓力67.00 MPa，不符合實(shí)際工況條件要求。

4.2.3 方案3

1) 0～1500 m井段采用206.38 mm×15.80 mm C110特殊螺紋接頭(氣密封接頭)套管(接箍外徑=231.78 mm)，1500～7900 m井段采用200.03 mm×14.20 mm偏梯形螺紋套管。

2) 206.38 mm×15.80 mm C110特殊螺紋接頭(氣密封接頭)套管內(nèi)屈服壓力101.6 MPa，井口壓力按照91 MPa計(jì)算，抗內(nèi)壓安全系數(shù)=101.6/91=1.12，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。套管接頭連接強(qiáng)度7 169 kN，抗拉安全系數(shù)1.64，符合標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1.60)。該井井生產(chǎn)壓力下降速度為2 MPa/d，在井深1 500 m位置，第1天井口壓力91 MPa，200.03 mm套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)為1.04；第2天井口壓力降至90 MPa時(shí)，200.03 mm套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)就可達(dá)到1.05。

3) 實(shí)際關(guān)井油壓為91 MPa，A環(huán)空壓力為60.35 MPa；實(shí)際放噴期間油壓83.98 MPa時(shí)A環(huán)空壓力67.00 MPa。已經(jīng)證實(shí)A環(huán)空為高壓天然氣，而且油管柱泄漏速度越來(lái)越快，要求生產(chǎn)套管具有氣密封性能。206.38 mm×15.80 mm C110特殊螺紋接頭(氣密封接頭)套管具有金屬對(duì)金屬密封結(jié)構(gòu)和氣密封性能，套管氣密封性能可以達(dá)到101.6 MPa，符合實(shí)際工況條件要求[35]。

4 結(jié)論

1) 0～1 500 m井段采用206.38 mm×15.80 mm C110特殊螺紋接頭(氣密封接頭)套管(接箍外徑=231.78 mm)。

2) 1 500～4 000 m井段采用200.03 mm×14.20 mm C110偏梯形螺紋接頭套管。

3) 4 000～7 900 m井段采用200.03 mm×14.20 mm 110偏梯形螺紋接頭套管。

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Investigation on Producing Casing String Design for One Oil Well with Ultra-High Pressure

TENG Xueqing1，ZHU Jinzhi1，YANG Xiangtong1，LYU Shuanlu1，2，XIE Junfeng1，GENG Hailong1，LI Yuanbin1，HUANG Shicai1，ZHANG Xuesong1，JIANG Zhongqin1

(1.TarimOilField，Korla841000，China；2.MaterialScienceandEngineeringDepartment，ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)

An investigation on internal pressure rise in an A annulus for one oil well with ultra-high pressure is given gives，and analysis on load condition born on producing casing is given as well in this paper.It was found that the casing closing to well head is born by maximum tension and inner gas pressure，so in producing casing，design tension，internal pressure and outer pressure should be not only considered，but also the casing connection seal performance and material capability resisting to H2S in accordance with actual load and environment condition.It was explanted relation between API calculation formula for internal yield pressure and the connection gas seal property.The producing casing design was completed by comparing different casing performance based on the actual load and environment condition for this well.

casing；annulus；ultra-high pressure；oil well；casing design

2016-05-19

滕學(xué)清(1965-)，男，青海德令哈人，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)鉆井專業(yè)，從事石油鉆井和完井工程技術(shù)工作。

1001-3482(2016)11-0028-06

TE931.202

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.006