深水井套管環(huán)空泄壓裝置的研制與應用

胡志強， 楊 進， 黃小龍， 宋 宇， 李文龍， 李舒展

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院，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)

深水油氣開發(fā)過程中存在套管環(huán)空圈閉壓力升高(annular pressure buildup，APB)的問題，若不采取有效措施，會威脅油氣井井筒的安全性，甚至造成套管擠毀、破裂等井下故障[1-2]，如：英國石油公司在開發(fā)墨西哥灣Marlin油田過程中，生產(chǎn)初期由于環(huán)空壓力升高導致數(shù)口井套管破裂[3]；加拿大Husky公司在南海荔灣3-1氣田開發(fā)過程中也面臨環(huán)空壓力控制和管理問題。陸地和淺水井可利用套管閥解決環(huán)空帶壓問題[4]，而深水井水下井段沒有設(shè)定泄壓通道，因此需要依靠工程途徑構(gòu)建環(huán)空壓力釋放渠道。破裂盤[5]是一種能瞬時泄壓的高精度爆破設(shè)備，可以與深水套管配合釋放環(huán)空高壓膨脹流體，消除環(huán)空壓力升高帶來的危害[6]。但是，目前只有CDC、Hunting和Fike等少數(shù)國外公司掌握深水破裂盤泄壓技術(shù)，設(shè)備價格高昂，交貨周期長;國內(nèi)對深水破裂盤工作原理、材料選擇和測試評價等方面的研究匱乏。因此，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)破裂盤和環(huán)空泄壓裝置，對于提高深水鉆井完井過程中的井筒安全性，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)低油價下降本增效的開發(fā)模式具有重要意義。為此，筆者通過優(yōu)選破裂盤材料和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，研制了一種能滿足不同環(huán)空壓差等級和環(huán)境溫度的深水井套管環(huán)空泄壓裝置，對破裂盤進行了室內(nèi)性能測試，并在南海東部3口深水井進行了應用，取得了良好的應用效果。

1 深水井套管環(huán)空泄壓裝置工作原理

深水油氣井測試初期，地層高溫流體在井筒內(nèi)流動易造成A層和B層套管環(huán)空(見圖1)產(chǎn)生圈閉憋壓現(xiàn)象[7]，威脅井筒安全。為解決該問題，可在油層套管或者中間套管安裝環(huán)空泄壓裝置，當套管內(nèi)、外環(huán)空壓差達到破裂盤的額定破裂壓力時，破裂盤中的金屬爆破薄片破裂，泄壓裝置啟動，從而實現(xiàn)環(huán)空壓力的釋放。同時，根據(jù)泄壓方向的不同，泄壓裝置可分為內(nèi)向型和外向型2類(見圖1)：內(nèi)向型泄壓裝置的泄壓方向為內(nèi)層套管環(huán)空，外向型的泄壓方向為外層套管環(huán)空或地層。泄壓過程中，隨著流體壓力的釋放，套管環(huán)空體積膨脹量也隨之減小，并在后續(xù)生產(chǎn)階段保持穩(wěn)定。泄壓裝置工作狀態(tài)下的套管環(huán)空溫度、壓力和體積變化趨勢如圖2所示(圖2中：po為破裂盤的設(shè)計破裂壓力，MPa；pt為密閉環(huán)空泄壓后的靜液柱壓力，MPa)。

圖1 外向型和內(nèi)向型深水井套管環(huán)空泄壓裝置示意Fig.1 Outward and inward structure type of casing annulus pressure relief device

圖2 泄壓裝置工作時套管環(huán)空溫度、壓力和體積的變化趨勢Fig.2 Changes in temperature, pressure and volume of casing annulus during pressure relief device

2 破裂盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

泄壓裝置中的破裂盤主要由閥體、爆破片和密封件構(gòu)成。為了解決泄壓裝置長時間浸泡在鉆井液中承受高溫高壓及腐蝕性介質(zhì)作用的問題，筆者選用SS316不銹鋼作為破裂盤閥體材料。但是，SS316不銹鋼在加工成金屬薄片的過程中存在冷作硬化的應變時效現(xiàn)象[8]，可能會導致其抗拉強度升高、塑性強度下降。因此，為防止出現(xiàn)該問題，爆破片材料選用NS312鎳鉻合金，其密度為8.5×103kg/m3，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.28。另外，鎳鉻合金中碳含量降低、鎳含量升高會減弱加工硬化效應[9]，提高破裂精度；O形密封圈采用氟橡膠，安裝于破裂盤中部階梯位置，用于密封爆破片組件及防止流體介質(zhì)腐蝕。此外，由于破裂盤安裝在套管中，受套管壁厚的影響，其結(jié)構(gòu)與尺寸要求嚴格。根據(jù)實際情況，筆者設(shè)計的破裂盤直徑為16.0 mm，厚度為12.0 mm。設(shè)計的破裂盤結(jié)構(gòu)、尺寸如圖3所示。

圖3 破裂盤結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計Fig.3 Design of rupture disk structure and size1.爆破片；2. O形密封圈軸面；3.閥體；4.母扣接箍；5.內(nèi)六角頭凹槽；6.潤滑脂填充腔

破裂盤的結(jié)構(gòu)比較特殊，因此需要加工制作單獨的套管短節(jié)來安裝破裂盤(見圖4)。同時，考慮到破裂盤存在失效風險，故在套管短節(jié)上對稱安裝2個泄壓閥孔以作備用。

圖4 深水井套管環(huán)空泄壓裝置整體結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of deepwater casing annulus pressure relief device

爆破片作為破裂盤中核心的壓力泄放部件，根據(jù)壓潰方向和破裂強度的不同，其結(jié)構(gòu)形態(tài)分為普通正拱形、開縫正拱形和開縫反拱形3種，如圖5所示。普通正拱形爆破片結(jié)構(gòu)簡單，金屬膜片在拉伸力作用下發(fā)生塑性變形，當達到材料極限強度時膜片拱形頂部破裂[10]；開縫正拱形爆破片是在普通正拱形爆破片的拱形膜片凸面?zhèn)燃庸?shù)條減弱槽，同時凹面受壓側(cè)設(shè)有密封膜，以防止介質(zhì)漏過減弱槽，其強度主要取決于拱頂減弱槽端孔橋的強度[11]；開縫反拱形爆破片是在拱形膜片的凹面?zhèn)燃庸?shù)條減弱槽，凸面為受壓側(cè)，當所受壓力達到破裂壓力時，拱形膜片先失穩(wěn)反轉(zhuǎn)，隨后沿減弱槽規(guī)則撕開[12]。3種爆破片的破裂方式、破裂壓力范圍及其適用介質(zhì)見表1。

圖5 爆破片的結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.5 The structure of the burst discs

表1 3種爆破片的破裂及適用情況Table 1 Rupture and application of three kinds of burst discs

筆者采用普通正拱形爆破片(LP型號)，它由金屬原片直接加壓(氣或液)成型，流體介質(zhì)壓力作用在爆破片的凹面?zhèn)?高壓側(cè))，當系統(tǒng)壓力超過爆破片的破裂壓力時，金屬膜爆破泄壓。正拱形爆破片破裂壓力的計算公式為[13]：

(1)

式中：pB為爆破片的破裂壓力，MPa；K為材料系數(shù)，取3.0～3.8；σB為材料的拉伸極限強度，MPa；So為爆破片的初始厚度，mm；D為爆破片的泄放口徑，mm。

為了制造方便，可定義爆破片的制造范圍[14]，即允許破裂壓力在一定范圍內(nèi)存在變動。通常情況下，制造范圍越寬，爆破片成本越低，筆者設(shè)計其制造范圍偏差為±3.0%。同時，可根據(jù)破裂試驗標準規(guī)定爆破片的壓力允差[15]，即爆破片的實際破裂壓力與設(shè)計破裂壓力的最大允許偏差，筆者設(shè)計的破裂壓力允差為±5.0%。

3 破裂盤室內(nèi)性能測試

實際工況下，破裂盤破裂泄壓的準確性直接關(guān)系到被保護設(shè)備的安全性。如果爆破片不能在預先設(shè)定的破裂壓力下定時破裂，不僅起不到防止環(huán)空壓力上升的作用，還會對套管柱的安全造成威脅。破裂盤的時效穩(wěn)定性[16]是指在環(huán)境壓差未達到設(shè)計破裂壓力之前爆破片能長時間保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不提前破裂泄壓。工程上一般取設(shè)計破裂壓力的0.80～0.85倍作為破裂片時效穩(wěn)定性的測試壓力；破裂盤的破裂精準性是指實測破裂壓力與設(shè)計破裂壓力的差值是否在爆破壓力允差范圍之內(nèi)。筆者根據(jù)現(xiàn)場實際工況需求，研制出了4個破裂壓力等級(14.5，20.7，27.6和36.6 MPa)的破裂盤，并在室內(nèi)試驗測試了其時效穩(wěn)定性和破裂精準性，分析了破裂盤的可靠性，同時研究了流體介質(zhì)溫度對實際破裂壓力的影響。

3.1 測試裝置

由于研制的破裂盤結(jié)構(gòu)特殊，無法按照標準試件進行檢測[17-20]，為此，自制了小型高壓釜試驗機(量程為0～60 MPa，精度為0.01 MPa)，對破裂盤進行了性能測試。該高壓釜試驗機主要包括加熱水箱、破裂盤連接腔、油管四通密封腔、進出液管線、4DSY/100 MPa 型高壓泵和壓力控制系統(tǒng)等(見圖6)，其優(yōu)點是測試精度高、壓力控制靈活。破裂盤連接腔的氣密封螺紋連接油管四通和破裂盤，其優(yōu)點是便于破裂盤的安裝測試，利于試驗操作。

圖6 破裂盤性能測試裝置Fig.6 Test device of rupture disk performance

3.2 測試流程

選取4個破裂壓力等級的普通正拱形破裂盤各10個進行壓力測試。每個等級分2組，一組為常溫測試(設(shè)為23.0 ℃)，另一組為極限額定溫度測試(設(shè)定溫度時，一方面考慮破裂片的耐溫范圍，另一方面需要根據(jù)破裂盤的壓力等級計算圈閉流體升溫極限，并據(jù)此設(shè)定)。具體的破裂盤測試流程(見圖7)為：將水箱內(nèi)的流體加熱至測試溫度；破裂盤安裝在破裂盤連接腔內(nèi)；連通破裂盤連接腔，增壓至0.80～0.85倍設(shè)計破裂壓力，保壓3 min；繼續(xù)增壓至破裂盤破裂，記錄壓力數(shù)據(jù)。

圖7 破裂盤性能測試流程Fig.7 Rupture disk testing process

3.3 測試結(jié)果及分析

利用專業(yè)壓力測試監(jiān)控軟件記錄每組測試得到的壓力，并將其匯成曲線，其中14.5 MPa壓力等級的破裂盤試樣在流體溫度35 ℃時的壓力測試曲線如圖8所示。

圖8 壓力測試曲線Fig.8 Pressure test curve

從圖8可以看出，破裂盤在測試壓力10.34 MPa、穩(wěn)壓3 min條件下未發(fā)生破裂；當壓力升至14.99 MPa時破裂盤破裂泄壓。

4個壓力等級共計40個破裂盤的壓力性能測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 4個壓力等級下的破裂盤測試結(jié)果Fig.9 Experimental test results of rupture disk under four pressure levels

由圖9可知：當測試壓力達到0.80～0.85倍設(shè)計破裂壓力并穩(wěn)壓3 min時，破裂盤均未破裂且結(jié)構(gòu)完整，可見其時效穩(wěn)定性強，能滿足現(xiàn)場實際工況需求；破裂盤實際破裂壓力均未超過破裂盤最大設(shè)計破裂壓力，符合制造范圍偏差的設(shè)計要求；隨著流體介質(zhì)溫度的升高，破裂盤實際破裂壓力略微降低，這是由于爆破片材料的強度極限會隨溫度升高而下降所導致，但測試樣品總體破裂壓力變化幅度小于5.0%，滿足破裂壓力允值，符合設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場應用

深水井套管環(huán)空泄壓裝置在南海東部某區(qū)塊3口深水井進行了現(xiàn)場應用。3口井投產(chǎn)至今未出現(xiàn)由于環(huán)空壓力升高導致的井筒安全性問題，說明深水井套管環(huán)空泄壓裝置性能穩(wěn)定，達到了工程設(shè)計預期的壓力控制要求。3口井(分別記為L1井、L2井和L3井)的總體應用情況見表2。

以L1井為例說明應用效果。該井的井身結(jié)構(gòu)及深水井套管環(huán)空泄壓裝置的安裝位置見圖1。該井所用φ339.7 mm油層套管的鋼級為N80，額定抗內(nèi)壓強度為31.4 MPa，額定抗外擠強度為18.4 MPa。利用Landmark軟件計算出B環(huán)空附加壓力最高可達19.8 MPa，考慮油套環(huán)空A可能出現(xiàn)排空或滲漏等危險情況，會導致油層套管由于承受高強度外擠壓力而破壞變形，因此在油層套管薄弱點處安裝泄壓裝置主動泄壓，以保持套管柱整體的完整性。根據(jù)美國石油學會2006年發(fā)布的API RP90《海上油井環(huán)空壓力管理》，選取套管額定抗外擠強度的80%作為破裂盤的設(shè)計破裂強度，因此選取了14.5 MPa的普通外向型破裂盤。

表2深水井套管環(huán)空泄壓裝置現(xiàn)場應用情況

Table2Fieldapplicationsofdeepwaterwellcasingannuluspressurereliefdevice

井號水深/m完鉆井深/m環(huán)空泄壓裝置下深/m環(huán)空B附加壓力/MPa破裂壓力/MPa套管抗擠強度/MPaL11 455.403 162.002 171.6019.814.518.4L21 388.303 160.002 123.3019.414.518.4L31 390.102 662.002 079.9019.214.518.4

L1井應用結(jié)果顯示，環(huán)空B壓力正常，該井生產(chǎn)過程中未發(fā)生井下套管擠毀、破裂等問題，證實了該泄壓裝置能較好地緩解環(huán)空壓力，保護套管柱的安全。但由于目前現(xiàn)場缺少環(huán)空壓力監(jiān)測裝置，導致無法記錄破裂盤的實時工作狀態(tài)，只能通過室內(nèi)模型開展相關(guān)的模擬試驗研究。

5 結(jié)論與建議

1) 深水井套管環(huán)空泄壓裝置破裂盤閥體選用SS316不銹鋼，爆破片選用NS312鎳鉻合金，O形密封圈用氟橡膠，采用普通正拱形結(jié)構(gòu)，最高設(shè)計破裂壓力為36.6 MPa。

2) 室內(nèi)測試結(jié)果表明，破裂盤時效穩(wěn)定性強，能滿足工程上穩(wěn)壓測試的要求；破裂精度高，符合制造范圍偏差的要求；破裂壓力隨溫度波動范圍小，滿足現(xiàn)場應用需求。

3) 深水井套管環(huán)空泄壓裝置現(xiàn)場應用效果良好，達到了工程預期的環(huán)空壓力控制和管理的目的。

4) 深水井套管環(huán)空泄壓裝置可能會造成井筒套管屏障的破壞，威脅井筒完整性，因此建議開展可重復式泄壓裝置的研究。

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