氣井環(huán)空帶壓臨界控制值研究*

張 智,周琛洋,王 漢,劉志偉,何 雨

(西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0 引言

目前，氣井環(huán)空帶壓現(xiàn)象十分普遍，環(huán)空帶壓是指氣井環(huán)空壓力在泄壓后短時(shí)間內(nèi)又恢復(fù)到泄壓前壓力水平的現(xiàn)象[1]。生產(chǎn)過程中若環(huán)空壓力過高，會(huì)造成油套管、封隔器、井口裝置等擠毀失效，進(jìn)而導(dǎo)致井筒的完整性遭到破壞，對(duì)氣井的安全生產(chǎn)造成巨大威脅[2-3]。但是，目前尚未形成有效的技術(shù)措施來徹底根除環(huán)空帶壓問題，環(huán)空帶壓問題最主要的應(yīng)對(duì)措施是將其控制在安全范圍內(nèi)，從而有效延長油氣井安全開發(fā)周期[4]。因此，為確定環(huán)空帶壓安全運(yùn)行范圍，近年來國際上發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或推薦做法，可用于計(jì)算氣井環(huán)空帶壓臨界控制值，從而避免了頻繁的放噴作業(yè)，降低了氣井的管理難度和生產(chǎn)成本[5]。

2006年，API發(fā)布了API RP 90《海上油田環(huán)空壓力管理推薦做法》，給出了環(huán)空最大許可壓力的確定方法[6]。但是根據(jù)API RP 90推薦做法確定環(huán)空帶壓臨界控制值時(shí)，只是單純的考慮油套管的原始強(qiáng)度，未考慮腐蝕或磨損造成的管柱壁厚減薄而導(dǎo)致強(qiáng)度下降的影響，未考慮井口裝置和地層承壓能力的影響，并且還未考慮環(huán)空中流體所產(chǎn)生的壓力對(duì)下部管柱的影響[7-11]。2014年，ISO發(fā)布了ISOTS 16530-2《井的完整性—第2部分：操作階段井的完整性》標(biāo)準(zhǔn)[12]，該標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算井口環(huán)空最大容許壓力(MAASP)時(shí)，考慮了生產(chǎn)和完井管柱、各環(huán)空流體及地層破裂壓力等井筒實(shí)際情況，提高了環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)的全面性。2016年，API發(fā)布了API RP 90-2《陸上油田環(huán)空壓力管理推薦做法》[13]，重點(diǎn)針對(duì)陸上油氣田，提出了一系列新的環(huán)空帶壓臨界控制值計(jì)算方法，可以更準(zhǔn)確地開展環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)。

國內(nèi)學(xué)者通過借鑒上述標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際井身結(jié)構(gòu)和井下管串組合情況，將井口裝置、封隔器以及存在腐蝕和磨損情況下管柱的強(qiáng)度納入考慮，研究了環(huán)空帶壓臨界控制值的計(jì)算方法，確定了環(huán)空許可壓力的動(dòng)態(tài)變化范圍，建立了環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)流程，提高了環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)的全面性[14-19]，但是仍未能全面考慮油壓和環(huán)空流體壓力對(duì)管柱壓力平衡作用，無法滿足氣井環(huán)空壓力管理需求[20]。

因此，以下針對(duì)原有環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)方法的不足，建立了基于API RP 90-2推薦做法的環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)方法，提出的新方法在原有基于API RP 90的環(huán)空帶壓臨界控制值的計(jì)算只考慮壁厚減薄情況的管柱、完井和井口設(shè)備承壓能力等因素的基礎(chǔ)上，將油壓、地層壓力、環(huán)空流體壓力對(duì)管柱的壓力平衡作用以及套管鞋處地層的承壓能力納入考慮，并形成了1套方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的環(huán)空壓力管控圖版，以期為陸上油氣井環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)提供更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

1 環(huán)空帶壓臨界控制值的確定

根據(jù)API RP 90-2推薦做法，在計(jì)算環(huán)空帶壓臨界控制值時(shí)應(yīng)綜合考慮管柱、完井設(shè)備、井口裝置和地層的承壓能力，按照?qǐng)D1所示的流程來確定A環(huán)空帶壓臨界控制值，其他環(huán)空帶壓臨界控制值也可通過類似方法求取。

圖1 API RP 90-2推薦做法計(jì)算環(huán)空帶壓臨界控制值流程Fig.1 Diagram of the calculation procedure of MAWOP recommended by API RP 90-2

其中，MAWOPA為A環(huán)空帶壓臨界控制值，MPa；p1，p2，p3，p4，p5，p6，p7分別為考慮井口裝置等級(jí)、完井設(shè)備等級(jí)、地層承壓能力、油管抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力、生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力、生產(chǎn)套管抗擠最薄弱點(diǎn)承壓能力、技術(shù)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)承壓能力的環(huán)空帶壓臨界控制值，MPa。

如圖2所示，為避免油管被擠毀、生產(chǎn)套管被壓裂以及封隔器密封性被破壞，A環(huán)空井口壓力應(yīng)滿足：

(1)

式中：s的取值參考《天然氣工程(第二版)》；pT為油管最薄弱點(diǎn)處的油壓，MPa；ps為A環(huán)空實(shí)測(cè)井口壓力，MPa；ptc，pab分別為考慮腐蝕、磨損、沖蝕、高溫帶來的強(qiáng)度衰減后的油管最薄弱點(diǎn)的抗擠強(qiáng)度、生產(chǎn)套管最薄弱點(diǎn)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；pcc為封隔器額定壓力，MPa；pup為封隔器上端所承受的壓力，MPa；pdn為封隔器下端所承受的壓力，MPa；pl為環(huán)空靜液柱壓力，MPa。

圖2 A環(huán)空管柱受力情況Fig.2 Stress condition of tubular column in A annulus

1.1 考慮管柱的承壓能力

1.1.1 考慮油管抗擠最薄弱點(diǎn)處的承壓能力

如圖2所示，油管抗擠最薄弱點(diǎn)位置處管外與管內(nèi)流體的壓差Δpwc1為：

Δpwc1=pg+pl-pT

(2)

式中：pg為環(huán)空靜氣柱壓力，MPa；Δpwc1為油管抗擠最薄弱點(diǎn)位置處管外與管內(nèi)流體的壓差，MPa。

根據(jù)API RP 90-2取安全系數(shù)為0.8，則考慮油管抗擠最薄弱點(diǎn)處的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p4=0.8×(ptc-Δpwc1)

(3)

1.1.2 考慮生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)的承壓能力

如圖2所示，生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)位置處管內(nèi)與管外流體的壓差Δpwb1為：

Δpwb1=pg+pl-pB

(4)

式中：pB為生產(chǎn)套管最薄弱點(diǎn)處B環(huán)空的流體壓力，MPa；Δpwb1為生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)位置處管內(nèi)與管外流體的壓差，MPa。

根據(jù)API RP 90-2取安全系數(shù)為0.8，則考慮生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)處的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p5=0.8×(pab-Δpwb1)

(5)

1.1.3 考慮生產(chǎn)套管抗擠最薄弱點(diǎn)的承壓能力

同樣地，考慮生產(chǎn)套管抗擠最薄弱點(diǎn)處的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p6=pac-Δpwc2

(6)

式中：pac為考慮腐蝕、磨損、沖蝕、高溫帶來的強(qiáng)度衰減后的生產(chǎn)套管最薄弱點(diǎn)的抗擠強(qiáng)度，MPa；Δpwc2為生產(chǎn)套管抗擠最薄弱點(diǎn)位置處管外與管內(nèi)流體的壓差，MPa。

1.1.4 考慮技術(shù)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)的承壓能力

同樣地，考慮技術(shù)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)處的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p7=pbb-Δpwb2

(7)

式中：pbb為考慮腐蝕、磨損、沖蝕、高溫帶來的強(qiáng)度衰減后的技術(shù)套管最薄弱點(diǎn)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa；Δpwb2為技術(shù)套管抗內(nèi)壓最薄弱點(diǎn)位置處管內(nèi)與管外流體的壓差，MPa。

1.2 考慮完井設(shè)備的承壓等級(jí)

根據(jù)API RP 90-2取安全系數(shù)為0.8，則考慮完井設(shè)備等級(jí)的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p2=0.8(pcc+pdn-pup)

(8)

1.3 考慮井口裝置的承壓等級(jí)

根據(jù)API RP 90-2取安全系數(shù)為0.8，則考慮井口裝置等級(jí)的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p1=0.8×pw

(9)

式中：pw為井口裝置安裝之后井口支撐外層套管的額定壓力或最大測(cè)試壓力(密封測(cè)試或套壓測(cè)試等)，MPa。

1.4 考慮地層的承壓能力

考慮地層承壓能力的環(huán)空帶壓臨界控制值計(jì)算方法是基于鉆井時(shí)套管鞋處通過地層完整性測(cè)試(FIT)或泄漏測(cè)試(LOT)所得到的最小地層破裂梯度(FG)，或者通過鉆井液液柱壓力梯度(MWG)來計(jì)算。但該計(jì)算方法僅適用于被評(píng)價(jià)環(huán)空與地層連通的情況。

考慮地層承壓能力的環(huán)空帶壓臨界控制值為：

p3=0.8×Hc×(FG-MWG)

(10)

式中：Hc為套管鞋垂深，m；FG為破裂壓力梯度，MPam；MWG為鉆井液液柱壓力梯度，MPam。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

實(shí)例井為某采氣井，井底溫度為145 ℃，產(chǎn)層壓力為50 MPa。根據(jù)最新生產(chǎn)報(bào)表，目前該井井口油壓為41 MPa，A環(huán)空最大帶壓值為29.75 MPa，B環(huán)空最大帶壓值為14.0 MPa，C環(huán)空最大帶壓值為3.2 MPa。測(cè)井資料顯示該井A環(huán)空保護(hù)液液面深度為3 745 m，環(huán)空保護(hù)液密度約為1 gcm3。井身結(jié)構(gòu)及油套管強(qiáng)度見表1及圖3所示。

表1 實(shí)例井油套管下深及強(qiáng)度

2.1 環(huán)空壓力管控圖版的設(shè)計(jì)

由于實(shí)例井各環(huán)空均為密閉環(huán)空，故不考慮地層承壓能力的影響。結(jié)合表1的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及圖3所示的井身結(jié)構(gòu)圖，計(jì)算可得環(huán)空帶壓臨界控制值見表2所示?？梢钥闯觯簩?shí)例井A環(huán)空帶壓臨界控制值為41.47 MPa，B環(huán)空帶壓臨界控制值為18.85 MPa，C環(huán)空帶壓臨界控制值為6.30 MPa，說明按照API RP 90-2推薦做法，實(shí)例井各環(huán)空實(shí)際最大帶壓值小于環(huán)空帶壓臨界控制值，因此是安全的，可以正常開采。

為方便現(xiàn)場(chǎng)直接應(yīng)用基于API RP 90-2的推薦做法，形成了1套環(huán)空壓力管控圖版見圖4所示，該圖版設(shè)計(jì)方法如下：各環(huán)空以基于API RP 90-2推薦做法計(jì)算得到的最大允許帶壓值為環(huán)空帶壓臨界控制值，當(dāng)環(huán)空壓力高于此臨界控制值后則卸壓；以API RP 90推薦做法計(jì)算得到的最大允許帶壓值為推薦工作壓力上限，以ISOTS 16530-2標(biāo)準(zhǔn)提出的最小預(yù)留壓力為推薦工作壓力下限，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)盡量將各環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍之內(nèi)。

圖3 實(shí)例井井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Casing program of the example welll

表2 API RP 90-2推薦做法計(jì)算實(shí)例井環(huán)空帶壓臨界控制值

圖4 實(shí)例井環(huán)空壓力管控圖版Fig.4 SAP management plate of the example well

2.2 考慮多種因素影響的環(huán)空帶壓臨界控制值

2.2.1 服役時(shí)間增長的影響

圖5為環(huán)空帶壓臨界控制值隨服役時(shí)間變化關(guān)系，參考NACE RP 0775-2005標(biāo)準(zhǔn)[21]，以嚴(yán)重腐蝕(0.25 mmy)為基礎(chǔ)，討論服役時(shí)間增長的影響。可以看出，隨著管壁厚度的減薄，管柱的承壓能力也隨之下降，造成環(huán)空帶壓臨界控制值逐年下降。但考慮油管抗擠強(qiáng)度的A環(huán)空帶壓臨界控制值和考慮生產(chǎn)套管抗擠強(qiáng)度的B環(huán)空帶壓臨界控制值下降速度隨服役時(shí)間增長明顯加快，使油管和生產(chǎn)套管的承壓能力迅速降低，因此在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免油管和生產(chǎn)套管壁厚減薄。

2.2.2 A環(huán)空壓力變化的影響

圖6為環(huán)空帶壓臨界控制值大小隨A環(huán)空壓力變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著A環(huán)空壓力增大，考慮油管抗擠強(qiáng)度、生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度和封隔器承壓能力的A環(huán)空帶壓臨界控制值均降低，考慮生產(chǎn)套管抗擠強(qiáng)度的A，B環(huán)空帶壓臨界控制值均增大；說明在環(huán)空帶壓情況下，A環(huán)空壓力對(duì)生產(chǎn)管柱產(chǎn)生壓力平衡作用，使生產(chǎn)套管抗擠毀能力提高，但使油管抗擠毀能力、封隔器承壓能力和生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓能力降低。

圖5 環(huán)空帶壓臨界控制值隨服役時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 Variation of MAWOP with service time

圖6 環(huán)空帶壓臨界控制值隨A環(huán)空壓力變化關(guān)系Fig.6 Variation of MAWOP of A annulus with A annulus pressure

2.2.3 B環(huán)空壓力變化的影響

圖7為環(huán)空帶壓臨界控制值隨B環(huán)空壓力變化關(guān)系?？梢钥闯?，隨著B環(huán)空壓力增大，考慮生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的A環(huán)空帶壓臨界控制值增大，考慮技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的A，B環(huán)空帶壓臨界控制值均降低，考慮技術(shù)套管抗擠強(qiáng)度的B環(huán)空帶壓臨界控制值增大，考慮生產(chǎn)套管抗擠強(qiáng)度B環(huán)空帶壓臨界控制值降低；說明在環(huán)空帶壓情況下，B環(huán)空壓力對(duì)套管產(chǎn)生壓力平衡作用，使生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓能力和技術(shù)套管抗擠毀能力提高，但同時(shí)使生產(chǎn)套管抗擠毀能力和技術(shù)套管抗內(nèi)壓能力降低。

圖7 環(huán)空帶壓臨界控制值隨B環(huán)空壓力變化關(guān)系Fig.7 Variation of MAWOP with B annulus pressure

2.2.4 油管壓力和C環(huán)空壓力變化的影響

圖8為A環(huán)空帶壓臨界控制值隨油管壓力變化關(guān)系以及B環(huán)空帶壓臨界控制值隨C環(huán)空壓力變化關(guān)系。可以看出，隨著油管壓力增大，考慮油管抗擠強(qiáng)度和封隔器承壓能力的A環(huán)空帶壓臨界控制值均增大，說明在環(huán)空帶壓情況下，油壓對(duì)油管和封隔器產(chǎn)生壓力平衡作用，使油管的抗擠毀能力和封隔器的承壓能力有了一定的提高；隨著C環(huán)空壓力增大，考慮技術(shù)套管抗擠強(qiáng)度的B環(huán)空帶壓臨界控制值降低，考慮技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的B環(huán)空帶壓臨界控制值增大，說明在環(huán)空帶壓情況下，C環(huán)空壓力對(duì)技術(shù)套管產(chǎn)生壓力平衡作用，使技術(shù)套管抗擠毀能力降低，使技術(shù)套管抗內(nèi)壓能力提高。

圖8 A，B環(huán)空帶壓臨界控制值分別隨油管壓力和C環(huán)空壓力變化關(guān)系Fig.8 Variation of MAWOP of A and B annulus with tubing pressure and C annulus pressure

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)API RP 90是針對(duì)海上油氣田環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)的推薦做法，在計(jì)算環(huán)空帶壓臨界控制值時(shí)考慮因素偏少，在API RP 90-2推薦做法發(fā)布以后已不再繼續(xù)適用于陸上油氣田環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)。

2)建立了基于API RP 90-2推薦做法的環(huán)空帶壓安全評(píng)價(jià)方法，對(duì)于環(huán)空帶壓臨界控制值的計(jì)算，該方法在原有API RP 90推薦做法只考慮壁厚減薄情況的管柱、完井和井口設(shè)備承壓能力等因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮了油壓、地層壓力、環(huán)空流體壓力對(duì)管柱的壓力平衡作用以及套管鞋處地層的承壓能力，考慮因素方法更為全面，推薦陸上油氣井使用。

3)編制了1套方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的環(huán)空壓力管控圖版，該圖版以基于API RP 90-2推薦做法計(jì)算得到的最大允許帶壓值為環(huán)空帶壓臨界控制值，當(dāng)環(huán)空壓力高于此臨界控制值后則卸壓；以API RP 90推薦做法計(jì)算得到的最大允許帶壓值為推薦工作壓力上限，以ISOTS 16530-2標(biāo)準(zhǔn)提出的最小預(yù)留壓力為推薦工作壓力下限，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)盡量將各環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍之內(nèi)。

4)根據(jù)API RP 90-2推薦做法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)空帶壓臨界控制值不再是1個(gè)固定不變的值，而是隨服役時(shí)間增長以及相鄰和自身環(huán)空壓力變化等因素不斷變化的值。

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