油氣井密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望*

張 波 管志川 陸 努 李 成 王 恒 韓 超 趙國(guó)山 王建云

(1. 中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 新疆庫(kù)爾勒 841000； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580；3. 中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司 山東東營(yíng) 257064)

環(huán)空壓力可分為環(huán)空液體熱膨脹引起的密閉環(huán)空壓力[1]和氣竄導(dǎo)致的持續(xù)環(huán)空壓力[2]。密閉環(huán)空壓力在墨西哥灣、巴西、西非和中國(guó)南海海域[3]等深水油氣井中均有出現(xiàn)，已經(jīng)造成墨西哥灣Marlin油田深水油氣井的廢棄[4]和Mad Dog Slot油氣田W1井的油管變形[5]等事故。同時(shí)，密閉環(huán)空壓力也已成為頁(yè)巖水平井[6]、蒸汽注采井[7]、地?zé)衢_發(fā)井[8]和儲(chǔ)氣庫(kù)注采井[9]中套管損毀的主要原因之一。以長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)為例[6]，水平套損井的比例高達(dá)30%，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失?？梢?jiàn)，密閉環(huán)空壓力已經(jīng)成為油氣井完整性和安全穩(wěn)產(chǎn)的重要挑戰(zhàn)之一。

目前我國(guó)正大力推進(jìn)深水油氣、頁(yè)巖氣和地?zé)豳Y源的開發(fā)及儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)，因此有必要采取一定的措施對(duì)密閉環(huán)空壓力進(jìn)行調(diào)控，從而保護(hù)油氣井的完整性，避免發(fā)生相關(guān)事故。本文主要開展密閉環(huán)空壓力調(diào)控措施的研究和分析，基于不同措施的調(diào)控機(jī)制，分類總結(jié)相關(guān)措施的作用機(jī)理、關(guān)鍵參數(shù)和應(yīng)用情況，對(duì)比不同措施的成本和施工難度，以期為密閉環(huán)空壓力調(diào)控措施的優(yōu)選及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)空壓力的高效低成本調(diào)控。

1 密閉環(huán)空壓力的危害與調(diào)控機(jī)制

密閉環(huán)空壓力產(chǎn)生的原理和過(guò)程類似于地質(zhì)學(xué)中的“水熱增壓”作用。投產(chǎn)以后，環(huán)空液體隨著井筒溫度的升高發(fā)生體積膨脹，由于液體與套管之間的熱物性差異，膨脹后的環(huán)空液體超過(guò)了密閉環(huán)空的容納能力，產(chǎn)生了環(huán)空壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)空體積和液體體積的再平衡。基于環(huán)空液體PVT性質(zhì)[10]和體積相容性原則[1]，密閉環(huán)空壓力基本表達(dá)式可表示為

(1)

式(1)：Δpa為環(huán)空壓力，MPa；α為液體等壓膨脹系數(shù)，℃-1；k為液體等溫壓縮系數(shù)，MPa-1；ΔTa為環(huán)空溫度變化值，℃；ΔVa為環(huán)空體積變化值，m3；Vf為環(huán)空流體體積，m3；ΔVf為環(huán)空流體體積變化值，m3。

圖1為密閉環(huán)空壓力在不同條件下隨產(chǎn)出液溫度的變化規(guī)律曲線，圖中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)所代表的生產(chǎn)時(shí)間和產(chǎn)液量分別為200 d、120 t/d[11]。由圖1可知，密閉環(huán)空壓力隨著產(chǎn)出液井底溫度的增加而上升；對(duì)比不同產(chǎn)液量和生產(chǎn)時(shí)間的曲線可知，產(chǎn)液量的增加和生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致密閉環(huán)空壓力的上升，最高可達(dá)幾十兆帕。當(dāng)密閉環(huán)空壓力預(yù)測(cè)失真或采取控制措施不當(dāng)時(shí)，油氣井管柱強(qiáng)度和井身結(jié)構(gòu)就難以適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)空壓力的變化，此時(shí)油氣井的完整性不可避免的發(fā)生破壞[12]，特別是高溫高產(chǎn)油氣井。

圖1 密閉環(huán)空壓力在不同條件下隨產(chǎn)出液溫度變化規(guī)律[11]Fig .1 Change law of trapped annulus pressure with production fluid temperature under different conditions[11]

1.1 密閉環(huán)空壓力對(duì)油氣井井筒完整性的危害

密閉環(huán)空壓力對(duì)油氣井井筒完整性的危害主要體現(xiàn)在套管強(qiáng)度可靠性、油氣井密封完整性和井口穩(wěn)定性等3個(gè)方面，所引發(fā)的事故井分析見(jiàn)表1。從表1可以看出，目前與密閉環(huán)空壓力相關(guān)的事故主要表現(xiàn)為套管強(qiáng)度可靠性的降低，即當(dāng)環(huán)空壓力所造成的壓差超過(guò)套管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，套管就會(huì)發(fā)生擠毀變形，且在深水油氣井、頁(yè)巖氣水平井、蒸汽注入井和地?zé)衢_采井中均有出現(xiàn)。

表1 密閉環(huán)空壓力引發(fā)的事故井分析Table 1 Analysis of accident wells caused by trapped annulus pressure

圖2分別是加拿大蒸汽注入井生產(chǎn)套管和墨西哥灣Pompano WA-31井中φ406.4 mm套管擠毀的圖片[7,13]，可見(jiàn)環(huán)空內(nèi)側(cè)未被水泥環(huán)固定的“自由套管”在環(huán)空高壓的作用下會(huì)發(fā)生擠毀變形，并且密閉環(huán)空壓力的快速增加還會(huì)增加套管中的應(yīng)力值，導(dǎo)致套管發(fā)生彈性變形[14]，這也是BP公司Marlin油田深水井廢棄的原因之一。同時(shí)，套管的腐蝕速率在環(huán)空壓力的作用下也會(huì)增加[15]，尤其是含有硫化氫等腐蝕性流體的油氣井。目前，部分油氣井已經(jīng)把環(huán)空帶壓和套管腐蝕納入套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)考慮的因素中[16]。

圖2 密閉環(huán)空壓力導(dǎo)致的套管損壞[7,12]Fig .2 Casing damage caused by trapped annulus pressure[7,12]

此外，密閉環(huán)空壓力的產(chǎn)生意味著井筒內(nèi)溫度和壓力的改變，因此會(huì)導(dǎo)致油氣井密封完整性遭到破壞。一方面是水泥環(huán)中產(chǎn)生微環(huán)隙[17-18]或剪切破壞[19]。當(dāng)水泥環(huán)在密閉環(huán)空壓力作用下發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形時(shí)，水泥環(huán)與套管界面就有可能產(chǎn)生環(huán)隙。當(dāng)密閉環(huán)空壓力致使水泥環(huán)應(yīng)力超過(guò)其剪切強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生剪切破壞，生產(chǎn)裂隙。另一方面是封隔器存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)[20]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，封隔器環(huán)空中的壓力等同于地層壓力，并不考慮環(huán)空壓力的影響。環(huán)空壓力產(chǎn)生和變化過(guò)程中，封隔器的上下壓差隨之改變，致使封隔器受力狀態(tài)已經(jīng)超出安全范圍。第三，密閉環(huán)空壓力會(huì)引起井口設(shè)備發(fā)生縱向位移[21-22]。環(huán)空壓力的產(chǎn)生過(guò)程中，井筒內(nèi)的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)同時(shí)發(fā)生改變。自由段套管可作為彈簧模型進(jìn)行處理，因此自由段套管在溫度和壓力的共同作用下，軸向載荷增加并發(fā)生軸向變形，進(jìn)而引起井口上升。井口上升會(huì)改變井口的結(jié)構(gòu)和布局，破壞井口裝置的穩(wěn)定性，導(dǎo)致井口周圍管線發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起管線的斷裂和螺栓的失效[23]。

1.2 密閉環(huán)空壓力調(diào)控機(jī)制與措施

根據(jù)密閉環(huán)空壓力的產(chǎn)生機(jī)理，密閉環(huán)空的有限體積和熱膨脹的環(huán)空液體之間的矛盾是環(huán)空壓力上升的根本原因,其產(chǎn)生需要兩個(gè)基本的條件：一是環(huán)空溫度場(chǎng)變化的熱源；二是密閉且含有液體的空間。對(duì)于油氣井來(lái)講，溫度場(chǎng)的再分布是不可避免的。而消除密閉環(huán)空需要進(jìn)行全井段固井，但全井段固井有可能會(huì)固住水下防噴器以及井口防噴器。深水的淺部發(fā)生固井漏失的可能性非常大，井眼也往往存在不規(guī)則的情況，即便是水泥漿的附加量非常充足，上部環(huán)空也會(huì)因?yàn)樗酀{漏失而沒(méi)有被封固。

綜上所述，密閉環(huán)空壓力的調(diào)控依賴于各類工程措施，從而保護(hù)油氣井完整性。根據(jù)式(1)可知，影響環(huán)空壓力的主要因素包括環(huán)空液體的性質(zhì)、環(huán)空溫度變化值和環(huán)空及環(huán)空液體體積變化[11]。因此，依據(jù)不同的作用機(jī)制和影響因素，現(xiàn)有的調(diào)控措施可分為4類，如圖3所示，分別通過(guò)控制環(huán)空溫度、釋放膨脹液體、容納環(huán)空熱膨脹液體和增加環(huán)空液體壓縮性來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，控制環(huán)空液體溫度可通過(guò)環(huán)空隔熱液體或隔熱管材實(shí)現(xiàn)。釋放環(huán)空熱膨脹液體的措施包括破裂盤、水泥返高到上層套管鞋以下、射孔和可犧牲套管，這類措施破壞了環(huán)空的密閉性，從而控制密閉環(huán)空壓力。中空微球、復(fù)合壓縮泡沫、預(yù)置泄壓空間和聚合物單體縮聚等措施是在一定的溫度或壓力條件下通過(guò)自身的體積變化來(lái)容納熱膨脹的環(huán)空液體，達(dá)到控壓的目的。由于氮?dú)夂偷獨(dú)馀菽膲嚎s性明顯優(yōu)于液體，因此環(huán)空注氮可改善環(huán)空內(nèi)流體的分布，并提高環(huán)空內(nèi)流體的壓縮性。

圖3 基于不同作用機(jī)制的密閉環(huán)空壓力調(diào)控措施分類Fig .3 Classification of trapped annulus pressure regulation measures based on difference working mechanisms

2 密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 基于控制環(huán)空溫度的調(diào)控技術(shù)

控制環(huán)空溫度可通過(guò)增加井筒的徑向傳熱熱阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用方式是采用隔熱管材和隔熱液體，其中隔熱管材包括真空隔熱油管和套管。目前，隔熱油管已經(jīng)進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試[24]，并在巴西[25]、墨西哥灣[26]的深水油氣田開展了應(yīng)用研究。但是隔熱管材的下入深度存在最佳值，超過(guò)該值后調(diào)控效果不會(huì)提升[27-28]，并且隔熱管材接箍的類型和結(jié)構(gòu)對(duì)于控制效果至關(guān)重要，最多可消減61%的熱損失。King West油田采用聚氨酯接箍隔熱油管控制密閉環(huán)空壓力取得了良好的效果[24]。此外，隔熱油管的強(qiáng)度低于普通油管，需要進(jìn)行應(yīng)力分析以保證其滿足強(qiáng)度要求。考慮到成本因素，一般優(yōu)先采用隔熱油管，當(dāng)不滿足調(diào)控需求時(shí)，再采用隔熱油管和套管復(fù)合隔熱提高調(diào)控效果。

環(huán)空隔熱液體與隔熱管材的調(diào)控原理相同，具有高隔熱性、低腐蝕性和良好的耐溫性，并且在高溫靜置時(shí)具有高黏性，保證隔熱性能穩(wěn)定，而低溫泵送又具有低黏的特點(diǎn)。無(wú)固相水基隔熱液的出現(xiàn)克服了固相沉積的問(wèn)題[29-32]。哈里伯頓公司的高黏度隔熱封隔液密度在1.02～1.75 g/cm3，耐溫可達(dá)162.8 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.68 W/(m·K)，能夠同時(shí)削減熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流效應(yīng)，并且能夠與各類井筒工作液兼容，不會(huì)影響正常的油氣井作業(yè)和完整性[33]。相比于隔熱管材，環(huán)空隔熱液體的成本較低，因此應(yīng)用廣泛，尤其是在墨西哥灣地區(qū)的高溫高壓油氣井中。

2.2 基于釋放環(huán)空熱膨脹液體的防治技術(shù)

2.2.1破裂盤技術(shù)

如圖4所示，破裂盤是套管短節(jié)上的膜片[34]，當(dāng)內(nèi)外兩側(cè)的壓差到達(dá)其破裂壓力時(shí)，就會(huì)平衡套管兩側(cè)壓力或向地層形成泄壓通道，從而保護(hù)環(huán)空內(nèi)側(cè)套管完整性。因此，破裂盤的破裂壓力必須要小于內(nèi)層套管的抗外擠強(qiáng)度和外層套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。破裂盤的破裂壓力與溫度和尺寸等因素相關(guān)[35]，為提高破裂盤的可靠性，通常在套管短節(jié)上同時(shí)安裝多個(gè)破裂盤，2個(gè)破裂盤之間呈180°相對(duì)分布[36-37]。此外，還有一種具有單向泄壓功能的套管短節(jié)[38]，其作用機(jī)理與破裂盤相似，也能實(shí)現(xiàn)套管兩側(cè)的壓力平衡，避免套管發(fā)生擠毀。破裂盤具有成本低和安裝便捷的優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于深水油氣井，包括墨西哥灣、西非尼日利亞海域和中國(guó)南海東部海域。

圖4 破裂盤示意圖[34]Fig .4 Sketch map of burst rupture[34]

2.2.2水泥返高到上層套管鞋以下

如圖5所示，當(dāng)水泥返高降低到套管鞋以下時(shí)，環(huán)空與地層直接接觸，在密閉環(huán)空壓力和液柱壓力的作用下，環(huán)空中的液體逐漸進(jìn)入地層，達(dá)到降低密閉環(huán)空壓力的目的[39]。同理，在外層套管射孔也能達(dá)到連通地層和環(huán)空的目的，這一措施成本低，但適應(yīng)性和可靠性差，如BP石油公司的Mad Dog Slot W1井在采取了射孔泄壓措施的情況下仍然發(fā)生了環(huán)空壓力損毀管柱的事故。因此，射孔泄壓措施必須滿足：①裸眼井段需要保證在150 m以上或超過(guò)固相沉積的高度，否則固相沉積堵塞泄流通道[5,40]。然而，實(shí)際井眼形狀不規(guī)則，因此水泥返高難以精確控制。②環(huán)空液體進(jìn)入地層可分為滲透性漏失和裂縫性漏失[41-42]，因此滲透性漏失的情況下鹽膏層等低滲透性地層中仍會(huì)產(chǎn)生較高的密閉環(huán)空壓力。③水泥返高的設(shè)置必須位于必封點(diǎn)以上的位置。

圖5 水泥返高到上層套管鞋以下控制密閉環(huán)空壓力示意圖Fig .5 Sketch map of cement shortfall to control trapped annulus pressure

2.2.3可犧牲套管技術(shù)

可犧牲套管是指套管柱中強(qiáng)度較低的套管，因此可犧牲套管會(huì)首先破裂，可通過(guò)密閉環(huán)空與地層聯(lián)通來(lái)抑制密閉環(huán)空壓力的增長(zhǎng)[43]。印尼海域某深水油氣井[44]在381.30～518.56 m井段安裝了X56鋼級(jí)的套管作為可犧牲套管，其余套管鋼級(jí)均為X80。在選擇可犧牲套管的安裝位置和強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮套管柱的應(yīng)力狀態(tài)、外部地層性質(zhì)和密閉環(huán)空壓力的大小。可犧牲套管一般安裝在環(huán)空套管柱中部，該技術(shù)可以克服固相沉積的不利影響，但依然受限于地層性質(zhì)，并且不適用于未與地層接觸的環(huán)空。

2.3 基于容納環(huán)空液體熱膨脹體積的防治技術(shù)

2.3.1中空玻璃微球

如圖6所示，中空玻璃微球具有中空結(jié)構(gòu)，直徑一般在19.05～38.10 mm，當(dāng)密閉環(huán)空壓力達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)破裂，釋放出額外的體積來(lái)容納膨脹的環(huán)空液體，降低環(huán)空壓力。測(cè)試表明[7]，混入15%中空玻璃球以后，環(huán)空壓力在近300 ℃溫度條件下依然低于10 MPa；與此同時(shí)，未加入玻璃球時(shí)環(huán)空壓力在200 ℃時(shí)達(dá)到20 MPa以上，可見(jiàn)中空微球能夠有效降低密閉環(huán)空壓力。中空玻璃微球在蒸汽注入井和水深300 m以下的海洋油氣井中取得了良好的調(diào)控效果[7,45]，但在超深水油氣井中需要考慮液柱壓力，避免微球提前破裂。

2.3.2復(fù)合可壓縮泡沫

如圖7所示，復(fù)合可壓縮泡沫是固定在環(huán)空內(nèi)側(cè)套管外表面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在高壓作用下體積發(fā)生收縮?？蓧嚎s泡沫的體積隨壓力變化的規(guī)律可分為彈性壓縮階段、平穩(wěn)壓縮階段和密實(shí)化階段，最終到達(dá)體積收縮極限[46-47]，被壓縮的體積用來(lái)釋放出容納熱膨脹的環(huán)空液體，從而達(dá)到降低密閉環(huán)空壓力的目的。復(fù)合可壓縮泡沫的關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)是其材料的體積收縮率和啟動(dòng)壓力，目前可壓縮泡沫的體積收縮量一般在30%以上，最高可達(dá)50%，在墨西哥灣、歐洲北海地區(qū)和西非海域的深水油氣田中均有應(yīng)用[48-50]。

圖6 中空玻璃微球示意圖Fig .6 Sketch map of hollow glass sphere

圖7 可壓縮泡沫示意圖Fig .7 Sketch map of syntactic crushable foam wrap

2.3.3預(yù)置泄壓空間

預(yù)置泄壓空間是一個(gè)艙室，被固定于套管外側(cè)，通過(guò)一定的措施與環(huán)空保持隔絕，在環(huán)空壓力產(chǎn)生后泄壓空間便用于補(bǔ)償環(huán)空液體熱膨脹所需要的體積[51]。內(nèi)置泄壓空間的雙層管壁套管結(jié)構(gòu)如圖8所示，其關(guān)鍵參數(shù)包括泄壓空間體積和開啟壓力[52]。Shell公司所屬的荷蘭Groningen氣田中[53]，內(nèi)置泄壓空間由φ193.675 mm套管和φ244.475 mm套管同心放置密封而成，在外側(cè)的φ244.475 mm套管安裝破裂盤，用于溝通密閉環(huán)空與泄壓空間，達(dá)到容納熱膨脹液體，控制密閉環(huán)空壓力的目的。該措施直接解決了熱膨脹液體和環(huán)空體積之間的矛盾，調(diào)控效果好，并且不受地層性質(zhì)等因素的限制[54]。

圖8 內(nèi)置泄壓空間的雙層管壁套管示意圖Fig .8 Sketch map of mitigation casing with double walls and relief space

2.3.4聚合物單體縮聚

聚合物單體發(fā)生縮聚反應(yīng)時(shí)體積會(huì)減小，因此可以用于控制密閉環(huán)空壓力[55]。雪弗龍公司研發(fā)了一種可以收縮體積的液體，這種液體的收縮是通過(guò)甲醛丙烯酸甲酯(MMA)單體在一定溫度和化學(xué)催化劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂谆┧峒柞?PMMA)實(shí)現(xiàn)的，體積收縮率可達(dá)20%。MMA單體在鉆井液循環(huán)過(guò)程中受熱，然后在水泥環(huán)上部延遲聚合，實(shí)現(xiàn)環(huán)空液體的體積收縮，進(jìn)而控制密閉環(huán)空壓力，具有成本低、毒性小和收縮率高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，普通水基鉆井液中可混入10%～50%的MMA單體，可實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。

2.4 提高環(huán)空液體可壓縮性技術(shù)

提高環(huán)空液體的可壓縮性能夠降低升高單位溫度所產(chǎn)生的環(huán)空壓力數(shù)值，從而顯著降低密閉環(huán)空壓力。通用的做法是向環(huán)空中注入一定比例的氮?dú)馀菽稳?，因?yàn)槠涞葴貕嚎s系數(shù)遠(yuǎn)大于環(huán)空液體[56-57]。注氮?dú)饧夹g(shù)已經(jīng)在海上油氣田井筒隔熱[58]和油田增產(chǎn)[59]等領(lǐng)域開展了相關(guān)應(yīng)用，并且具有專用的注入系統(tǒng)[60]，但是，注氮?dú)獾恼{(diào)控能力有限，如圖9所示，環(huán)空壓力的下降趨勢(shì)隨著氮?dú)馀菽⑷塍w積的增加而逐漸減緩[61]，水基鉆井液中氮?dú)馀菽w積達(dá)到15%以上時(shí)，環(huán)空壓力基本不再繼續(xù)下降。對(duì)于合成基鉆井液，氮?dú)馀菽w積達(dá)到5%以上時(shí)，注氮?dú)獾恼{(diào)控效果便不再發(fā)生明顯變化[62]。此外，注氮控壓的效果還受到水深的影響。因此，注氮控壓要首先確定其對(duì)密閉環(huán)空壓力的調(diào)控能力，然后選擇合理的注入量。

圖9 氮?dú)庾⑷肓繉?duì)密閉環(huán)空壓力調(diào)控效果的影響Fig .9 Impact of N2 injection volume on trapped annulus pressure regulation effect

3 密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)展望

1)大力提高調(diào)控技術(shù)的可靠性，降低成本和施工難度，擴(kuò)展高效調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用范圍，可從主動(dòng)調(diào)控和被動(dòng)調(diào)控兩方面進(jìn)行研究。兩種調(diào)控技術(shù)在施工難度、成本、可靠性和應(yīng)用范圍上具有差異性[36-37,63-64]，詳見(jiàn)表2。從應(yīng)用情況來(lái)看，破裂盤和環(huán)空隔熱液體應(yīng)用較為廣泛，但破裂盤可靠性一般，而環(huán)空隔熱液體需要專門的注入設(shè)備，可壓縮泡沫等產(chǎn)品在國(guó)外已有成熟的產(chǎn)品。從調(diào)控效果來(lái)看，預(yù)置泄壓空間和中空玻璃微球具有良好的應(yīng)用前景，有必要開展進(jìn)一步的研究，研發(fā)成熟的裝置和產(chǎn)品?？蔂奚坠堋⑺喾蹈叩缴蠈犹坠苄韵潞推屏驯P等技術(shù)措施成本低，但需要根據(jù)單井條件評(píng)價(jià)適用性，并提高設(shè)計(jì)的可靠性。

表2 密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)措施對(duì)比與分析Table 2 Comparison and analysis of measures of trapped annulus pressure regulation technology

2) 建立密閉環(huán)空壓力預(yù)測(cè)-危害分析-調(diào)控綜合決策優(yōu)化系統(tǒng)，從而科學(xué)系統(tǒng)地對(duì)調(diào)控技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。一方面，調(diào)控技術(shù)措施的實(shí)施和設(shè)計(jì)依賴于密閉環(huán)空壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，由于調(diào)控措施是在密閉環(huán)空壓力產(chǎn)生之前實(shí)施的，如果無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知密閉環(huán)空壓力，調(diào)控技術(shù)措施就難以發(fā)揮理想的效果或造成調(diào)控成本大幅上升。同時(shí)，密閉環(huán)空壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是分析密閉環(huán)空壓力對(duì)油氣井危害的前提。另一方面，要從危害分析入手開展密閉環(huán)空壓力的管理和控制研究。危害分析決定了采取控制措施的必要性。如果所產(chǎn)生的環(huán)空壓力不會(huì)危害井筒完整性和安全生產(chǎn)，即原來(lái)所設(shè)計(jì)的井身結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度滿足環(huán)空帶壓條件下的安全可靠性，此時(shí)即無(wú)需采取對(duì)應(yīng)措施。只有產(chǎn)生相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)后，才應(yīng)該采取對(duì)應(yīng)的控制措施。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)分析可以確定環(huán)空壓力調(diào)控的目標(biāo)值，環(huán)空壓力的調(diào)控應(yīng)該保證上述各類風(fēng)險(xiǎn)均不再發(fā)生，因此調(diào)控的目標(biāo)值應(yīng)該通過(guò)危害分析來(lái)確定，從而最大可能地保障調(diào)控成功。

3) 密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)措施的選用和設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各種因素的影響。密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)措施優(yōu)選流程如圖10所示，首先根據(jù)調(diào)控目標(biāo)、地層性質(zhì)和井身結(jié)構(gòu)等參數(shù)來(lái)篩選單井適用措施，其中調(diào)控目標(biāo)值應(yīng)依據(jù)環(huán)空帶壓條件下的井筒完整性進(jìn)行確定，從而保護(hù)油氣井完整性；然后建立加權(quán)評(píng)估方法，綜合考慮施工難度、應(yīng)用成本、可靠性和技術(shù)水平來(lái)確定最終的調(diào)控措施；最后對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖10 密閉環(huán)空壓力調(diào)控技術(shù)措施優(yōu)選流程圖Fig .10 Process to select the measures of trapped annulus pressure regulation technology

4 結(jié)論

1) 密閉環(huán)空壓力會(huì)危害油氣井井筒完整性，主要體現(xiàn)在套管強(qiáng)度可靠性和油氣井密封完整性。因此，對(duì)于具備產(chǎn)生密閉環(huán)空壓力條件的油氣井，在鉆完井設(shè)計(jì)階段就應(yīng)把調(diào)控措施納入井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮因素中。

2) 密閉環(huán)空壓力的調(diào)控技術(shù)措施主要是通過(guò)控制環(huán)空溫度、釋放膨脹液體、容納環(huán)空熱膨脹液體和增加環(huán)空液體壓縮性來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前破裂盤、環(huán)空隔熱液和可壓縮泡沫技術(shù)較為成熟，應(yīng)用較為廣泛。為實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)空壓力的高效調(diào)控，應(yīng)著重提高調(diào)控措施的可靠性，降低其成本和施工難度。

3) 為實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)空壓力高效調(diào)控，有必要建立密閉環(huán)空壓力預(yù)測(cè)-危害分析-調(diào)控綜合決策優(yōu)化系統(tǒng)，提高密閉環(huán)空壓力預(yù)測(cè)精度，開展環(huán)空帶壓條件下的井筒完整性評(píng)價(jià)，在分析密閉環(huán)空壓力危害的基礎(chǔ)上確定調(diào)控目標(biāo)值，調(diào)控措施的優(yōu)選和設(shè)計(jì)應(yīng)以地層條件和井身結(jié)構(gòu)為依據(jù)。同時(shí)，還要進(jìn)一步研究新型調(diào)控措施，掌握環(huán)空壓力調(diào)控核心技術(shù)，降低調(diào)控成本。