可泄壓環(huán)空的環(huán)空壓力管理技術(shù)研究

同武軍 劉和興 吳旭東 鄭金龍 劉 正 王志彬

(1. 中海油能源發(fā)展工程技術(shù)湛江分公司， 廣東 湛江 524057；2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057；3. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500)

可泄壓環(huán)空的環(huán)空壓力管理技術(shù)研究

同武軍1劉和興2吳旭東1鄭金龍1劉 正1王志彬3

(1. 中海油能源發(fā)展工程技術(shù)湛江分公司， 廣東 湛江 524057；2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057；3. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500)

基于深水井生產(chǎn)套管與油管環(huán)空可泄壓的事實(shí)，根據(jù)能量守恒定律及傳熱學(xué)基本原理，采取在生產(chǎn)套管外壁敷設(shè)太空反射隔熱涂層的方式圈閉生產(chǎn)套管內(nèi)部溫度，減少溫度擴(kuò)散，減弱生產(chǎn)過程中的熱增壓效應(yīng)，結(jié)合套管校核分析，優(yōu)化套管選擇及優(yōu)選套管環(huán)空圈閉深度，最終形成完整的環(huán)空壓力管理新工藝。

可泄壓環(huán)空； 圈閉溫度； 傳熱； 圈閉深度

對于深水井，一方面井底流體溫度較高，另一方面泥面具有低溫特性，在產(chǎn)出流體沿井筒傳熱過程中，在各層套管密閉環(huán)空內(nèi)流體溫度及壓力會急劇上升，導(dǎo)致套管破裂或流體上頂井口[1-2]。與陸地或常規(guī)淺水干式井口不同，深水油氣井測試或開發(fā)常采用水下測試樹或水下采油樹[3-4]。這對井筒完整性要求更高，且套管環(huán)空壓力監(jiān)測及控制難度更大。因此，設(shè)計(jì)階段需提前做好環(huán)空壓力管理分析，選取切實(shí)可行的環(huán)空壓力管理措施。本次研究基于特定的環(huán)空壓力管理措施，對套管環(huán)空壓力變化進(jìn)行分析。在傳熱分析的基礎(chǔ)上，考慮不同的溫度圈閉深度，應(yīng)用成熟的環(huán)空壓力、溫度預(yù)測模型[5]，預(yù)測全井筒多管串環(huán)空壓力場的變化，基于預(yù)測結(jié)果確定合適的圈閉隔熱材料的下深。

1 環(huán)空圈閉材料的選擇

由于深水井生產(chǎn)套管和油管環(huán)空可泄壓，因此考慮圈閉井筒溫度場，對生產(chǎn)套管外壁進(jìn)行隔熱保溫，減少流體向生產(chǎn)套管外環(huán)空的傳熱量，減小外環(huán)空溫度場的變化，從而減小生產(chǎn)套管外環(huán)空的壓力變化。圈閉溫度場使生產(chǎn)套管內(nèi)環(huán)空泄壓，從而保證井筒完整性(井筒完整性是指采用有效的技術(shù)、管理手段來降低開采風(fēng)險(xiǎn)，保證油氣井在廢棄前的整個開采期間的安全)。為實(shí)現(xiàn)控制生產(chǎn)套管隔熱

圈閉內(nèi)環(huán)空溫度場的目的，通過大量調(diào)研，優(yōu)選用于太空反射的隔熱保溫涂層對生產(chǎn)套管外環(huán)空進(jìn)行隔熱圈閉處理，該保溫涂料具有較好的防腐性能且具有較好的隔水效果。太空反射隔熱保溫涂料主要熱力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 太空反射隔熱保溫涂料熱力學(xué)性質(zhì)

2 考慮圈閉的套管環(huán)空溫度壓力變化

圖1為考慮圈閉套管環(huán)空的深水井井身結(jié)構(gòu)示意圖。其中，環(huán)空1為生產(chǎn)測試管柱與生產(chǎn)套管間的環(huán)形空間，環(huán)空2為生產(chǎn)套管與中間套管間形成的環(huán)形空間，環(huán)空3為生產(chǎn)套管與表層套管間形成的環(huán)形空間。生產(chǎn)或測試時，流體沿管柱向上流動。流體在流動過程中通過油管壁、太空反射隔熱材料、套管壁及環(huán)形空間向地層傳遞熱量。熱量在傳遞過程中引起油套管壁溫度升高，環(huán)空流體溫度升高，生產(chǎn)管柱內(nèi)流體溫度降低。為降低環(huán)空壓力變化對井筒完整性的影響，需預(yù)測產(chǎn)出流體沿井筒流動過程中環(huán)空壓力的變化，為制定合理的環(huán)空壓力管理方案提供指導(dǎo)。

圖1 深水井井身結(jié)構(gòu)示意圖

本次研究基于已有的環(huán)空壓力溫度預(yù)測模型[2-3]，利用設(shè)計(jì)軟件Wellcat對生產(chǎn)過程環(huán)空壓力管理進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究在生產(chǎn)套管外壁敷設(shè)太空反射隔熱涂層條件下的環(huán)空壓力變化。

3 實(shí)例預(yù)測與分析

以南海某油田某深水井為例，水深1 534 m，產(chǎn)層埋深3 300 m，地溫梯度4.34 ℃100 m，井底溫度89 ℃。生產(chǎn)測試過程中套管環(huán)空壓力增長問題較為突出，環(huán)空壓力管理難度較大。為實(shí)現(xiàn)對套管環(huán)空壓力的管理與控制，選取隔熱效果較好的太空反射隔熱保溫涂層對生產(chǎn)套管進(jìn)行隔熱圈閉處理。實(shí)例井井身結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 南海某深水井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 下入隔熱層對比分析

在不下隔熱涂層及在最佳隔熱涂層下深條件下，對比環(huán)空2及環(huán)空3的環(huán)空壓力變化值表明：對生產(chǎn)套管外壁敷設(shè)太空反射隔熱涂層可有效圈閉產(chǎn)出流體溫度，降低環(huán)空2及環(huán)空3的環(huán)空壓力管理風(fēng)險(xiǎn)(見圖3)。

圖3 有無隔熱層環(huán)空壓力對比圖

[6]研究成果，結(jié)合生產(chǎn)套管與技術(shù)套管的環(huán)空半徑大小，最終選取6 mm壁厚涂層。在隔熱涂層厚度相同時，在井口附近對不同的涂層深度進(jìn)行敏感性分析，優(yōu)選最佳涂層深度。不同涂層深度敏感性分析如圖4所示。

圖4 隔熱涂層下深敏感性分析曲線

隔熱涂層厚度為6 mm。不同隔熱涂層下深敏感性分析結(jié)果表明：最優(yōu)隔熱層下深為850 m，此時環(huán)空2與環(huán)空3壓差最小，且隨下深增加環(huán)空2的環(huán)空壓力增量基本保持恒定。

3.3 基于圈閉環(huán)空的套管校核分析

取套管抗外擠安全系數(shù)為1.000～1.125，抗內(nèi)壓安全系數(shù)為1.050～1.250，三軸安全系數(shù)為1.125～1.250，軸向抗拉及抗壓安全系數(shù)為1.600～1.800[7-8]。按照目前套管強(qiáng)度校核常用標(biāo)準(zhǔn)對所選用的套管強(qiáng)度進(jìn)行校核[9-10]，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，生產(chǎn)過程中套管環(huán)空壓力增長較快，環(huán)空壓力較高，套管強(qiáng)度無法滿足安全作業(yè)要求。因此需采取有效的環(huán)空壓力管理措施控制套管環(huán)空壓力變化，以保證套管柱安全，確保井筒的完整性。

表2 套管強(qiáng)度校核結(jié)果

4 結(jié) 語

從熱力學(xué)角度出發(fā)，基于油管與生產(chǎn)套管環(huán)空可泄壓這一事實(shí)，通過在生產(chǎn)套管加隔熱涂層的方式圈閉溫度，然后對環(huán)空壓力的管理措施進(jìn)行研究。研究表明：基于可泄壓環(huán)空的環(huán)空壓力管理技術(shù)可較好解決深水油氣井開發(fā)過程中的環(huán)空壓力管理難題。

針對基于可泄壓環(huán)空的環(huán)空壓力管理技術(shù)，有以下意見及建議：

(1) 進(jìn)一步調(diào)研生產(chǎn)套管圈閉溫度的隔熱材料，以獲得性能更加優(yōu)良的隔熱圈閉保溫材料，圈閉生產(chǎn)套管溫度。

(2) 結(jié)合可泄壓環(huán)空實(shí)際，開展實(shí)際深水井圈閉隔熱管理環(huán)空壓力技術(shù)的應(yīng)用，并拓展其應(yīng)用范圍。

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Study on Annular Pressure Management Based on Pressure Released Annular

TONGWujun1LIUHexing2WUXudong1ZHENGJinlong1LIUZheng1WANGZhibin3

(1. Zhanjiang Branch, CNOOC EnerTech-Drilling & Production Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China;2. Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China;3. School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Base on the pressure released annular between the production casing and the tubing in deep well, this article takes account of capping the temperature with the method of caking the production casing outer wall with the space reflection heat insulation coat to reduce the temperature diffusion and weaken the pressure increasing process, according to the law of conservation of energy and wellbore heat transfer analysis. Combined with casing checking analysis, it optimizes the selection of annular tubes and its the trap depth to form a completely new annulus pressure buildup technology eventually.

pressure released annular; capping temperature; heat transfer; trap depth

2016-04-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“垂直氣井井筒環(huán)狀流場中液滴的動力學(xué)模型及其特征研究”(51504205)；中海油能源發(fā)展“英才計(jì)劃”資助項(xiàng)目(單位內(nèi)部項(xiàng)目，無課題編號)

同武軍(1981 — )，男，陜西渭南人，工程師，研究方向?yàn)樯钏俺Ｒ?guī)井鉆完井工程。

TE37

B

1673-1980(2017)01-0082-03