海上熱采井口抬升安全控制優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

劉 昊,張 華,韓曉冬,王秋霞

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300459)

海上油田由于其環(huán)境的特殊性,蒸汽吞吐熱采開發(fā)研究起步較晚,“十二五”期間,在渤海LD油田開展了蒸汽吞吐熱采先導(dǎo)性試驗示范,吞吐后熱采周期增油量是冷采階段產(chǎn)量的2～3倍,取得了良好的增油及開發(fā)效果。熱采施工期間,井口采油樹的抬升現(xiàn)象具有普遍性,且隨著熱采輪次的深入,套管固井質(zhì)量會逐漸變差,井口抬升程度也會加劇。陸地油田施工空間大,注熱期間井口抬升高度造成安全隱患小,而海上平臺受空間限制,注熱井口抬升可能會接近或超過平臺預(yù)留值,易造成注熱管線、注氮管線以及生產(chǎn)流程管線出現(xiàn)過度彎曲等情況,甚至導(dǎo)致管線破損、高溫蒸汽刺漏等安全隱患[1-3]。根據(jù)井筒傳熱學(xué)理論,針對海上熱采施工期間井身結(jié)構(gòu)及井口抬升特點,編制形成海上熱采井套管抬升預(yù)測計算軟件,開展了不同情況下套管抬升的高度計算,依據(jù)模型計算結(jié)果,形成海上平臺注熱地面流程補償高度優(yōu)化原理及工藝設(shè)計方法,進行注熱參數(shù)優(yōu)化?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,優(yōu)化后注熱期間井口采油樹上升高度安全可控,滿足了現(xiàn)場安全注熱需求,該優(yōu)化方法為海上稠油規(guī)?；療岵商峁┝思夹g(shù)支持。

1 海上熱采井口抬升計算方法建立

1.1 套管抬升過程分析

套管下入后,注汽前后套管的長度變化過程詳細來講共分為以下幾個過程,(1)A-A:環(huán)形鋼板割開前套管頂部位置;(2)O-O:環(huán)形鋼板割開后釋放初始自重和碰壓產(chǎn)生的拉伸,相當于不受力的狀態(tài);(3)B-B:由于注汽管柱的重量和套管自重,套管頂部位置下沉到B-B面;(4)C-C:下沉過程中,由于井壁對套管的摩擦力,套管只降到C-C面;(5)D-D:套管受熱上升,首先要消除下沉?xí)r的磨阻變形,相當于從B-B面上升到C-C,再升到D-D面;(6)E-E:由于上升時的摩擦阻力,套管只能上升到E-E面。

對于海上熱采井來說,由于隔水導(dǎo)管和表套對井口及生產(chǎn)套管的支撐和限制作用,導(dǎo)致套管頂端無法從A-A截面處下降,而套管受熱后最終會抬升到E-E截面處。因此,對于海上熱采井來說,注汽前后套管抬升量為從C-C到E-E的垂直距離。

1.2 套管自由段受力分析

通過受力分析和計算,將套管受到的不同力的作用進行定量表征,并將不同力作用下的套管長度變化表征出來。

1)套管自重引起的套管變形量

式中,q為套管單位長度的重量;L為套管自由段的長度;S為套管的橫截面積;E為套管的楊氏模量。

圖1 無水泥固井部分套管變形示意圖

2)井筒摩擦力引起的套管變形量

式中,D為套管外徑;f為井壁對套管的摩擦系數(shù),由現(xiàn)場試驗求得;γ1為鉆井泥漿的比重。

3)受熱膨脹引起的套管變形量

式中,α為熱脹系數(shù);T為注熱后套管某位置處的溫度值;t為注汽之前套管某位置處的溫度值;x為套管某位置處距井口的距離。

4)其他拉力或者壓力作用在套管上引起的套管變形量:

式中,F為套管所受的壓力或者拉力;L為套管自由段的長度;S為套管的橫截面積;E為套管的楊氏模量。

因此,對于海上熱采井口來說,其注汽前后的套管抬升量計算公式為:

Δx橫=ΔxT+ΔxP-Δxτ-2Δx-Δxf.

式中, ΔxT為受熱膨脹引起的套管變形量;ΔxP為油套管施加的上頂力引起的套管變形量;Δxτ為井筒摩擦力引起的套管變形量;Δx為套管自重引起的套管變形量;Δxf為注熱管柱和井口壓力引起的套管變形量。

1.3 套管抬升軟件編制

應(yīng)用Matlab軟件,針對海上熱采井筒套管下入和注汽前后的長度變化,通過公式定量化表征不同的受力及受力情況下的套管抬升量,將其代碼化,編制海上熱采井套管抬升量預(yù)測計算軟件,如圖2所示。可以方便快捷地計算不同工況下的套管抬升量[4-6]。

圖2 套管抬升量預(yù)測計算軟件

2 平臺地面流程優(yōu)化設(shè)計

2.1 井口抬升地面安全控制工藝原理設(shè)計

目前熱采流程中與采油樹連接的注熱管線采用單一萬向節(jié)連接方式,注熱管線只具備沿管線方向的補償伸長量,當井口采油樹抬升時,注熱管線并不具備沿管線垂直方向的補償伸長量。陸地稠油熱采通常采用的活動彎頭+短接的方式進行流程重新焊接,占用空間大,不適合海上平臺。

萬向節(jié)是一種能夠旋轉(zhuǎn),具有一定活動距離的接頭,由高壓鍋爐用無縫鋼管兩端焊接卡箍頭(或法蘭、快速接頭等)構(gòu)成,再用保溫材料進行保溫。其特點是操作簡便,占用空間小,滿足多次使用條件,安全性能可靠,適應(yīng)平臺井口采油樹有限的空間。主體管材采用15CrMoG無縫鋼管時,滿足工作壓力21 MPa,工作溫度370 ℃。根據(jù)井口采油樹空間狀況,應(yīng)用軟件進行模擬計算,選取最優(yōu)空間方位走向,從而實現(xiàn)在井口發(fā)生抬升時,補償系統(tǒng)在垂向上具備向上拉伸的補償伸長量,縱向上具備受壓時的補償伸長量。

2.2 平臺地面流程優(yōu)化方案設(shè)計

通過軟件計算并結(jié)合單井井口采油樹空間及管線布置走向,進行地面流程的優(yōu)化方案設(shè)計。如圖3所示,紅色為平臺固定的無法活動的注蒸汽管線,灰色管線是按照井口空間大小,優(yōu)化設(shè)計萬向節(jié)個數(shù)以及管線方位走向后,應(yīng)用pipesim商業(yè)軟件進行受力分析、強度校核等熱動力學(xué)分析,并進行現(xiàn)場探傷測試,確保優(yōu)化后的流程滿足注熱施工要求、安全可靠、調(diào)節(jié)靈活。

圖3 模擬設(shè)計的萬向節(jié)方位走向

3 注熱參數(shù)控制設(shè)計與優(yōu)化

3.1 注入?yún)?shù)對套管溫升的敏感性研究

為了明確在調(diào)整不同注入?yún)?shù)值時,套管壁溫度的規(guī)律變化情況,根據(jù)井筒傳熱模型計算不同注入速度、溫度、干度情況下的套管溫度變化情況,結(jié)果如表1所示。

表1 注入?yún)?shù)敏感性分析方案及結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出,在只有單一變量改變的前提下,注入速度、注入干度、總注入量對套管溫升影響有限,注入溫度/壓力是影響套管伸長量的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)場注汽時因流量控制閥、地層吸汽能力限制等原因,井筒會造成一定的憋壓,因此降低注入速度會直接影響井口壓力,從而降低注汽溫度。且相對調(diào)節(jié)注入溫度/壓力而言,調(diào)節(jié)注入速度降低蒸汽溫度更快,因此建議現(xiàn)場操作時先進行流量調(diào)節(jié)、再進行溫度調(diào)節(jié)。

3.2 控制井口抬升最優(yōu)化注入方案設(shè)計

為進一步保障注熱期間井口抬升高度安全可控,根據(jù)注入?yún)?shù)對套管壁溫升幅度敏感性情況以及軟件計算情況開展最優(yōu)化注入方案設(shè)計,制定相應(yīng)的注熱參數(shù)控制要求:

表2 井口注入?yún)?shù)調(diào)整

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在LD油田蒸汽吞吐施工過程中進行了成功應(yīng)用,整體注熱施工期間,注熱期間井口抬升的安全風(fēng)險可控,滿足了現(xiàn)場安全注熱需求。在方案設(shè)計時應(yīng)用自編井口抬升預(yù)測軟件計算了需要補償?shù)母叨戎?井口注熱、注氮流程的補償高度不小于20 cm,并根據(jù)井口采油樹空間特點對注熱管線、注氮管線以及生產(chǎn)流程進行了補償高度平臺現(xiàn)場優(yōu)化,開展最優(yōu)化注入方案設(shè)計。圖5為LD油田某井優(yōu)化后的注汽管線流程現(xiàn)場圖。

通過分析LD油田某井注熱期間井口及管線抬升曲線圖發(fā)現(xiàn):(1)井口采油樹抬升高度最高為3.2 cm,且注熱管線沒有發(fā)生垂直方向抬升跡象;(2)在注熱初期時井口抬升速率快,一般在經(jīng)歷2～3 d蒸汽注熱以后井口抬升高度達到一定的穩(wěn)定值,持續(xù)注熱之后抬升速率緩慢;(3)當停注后,井口抬升高度會逐步下降,一般5～6 d恢復(fù)為注熱前狀態(tài)。

圖4 LD油田某井優(yōu)化后的注汽管線圖

圖5 LD某井注熱期間井口及管線抬升曲線圖

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)井筒傳熱學(xué)理論,結(jié)合海上熱采井結(jié)構(gòu)特點,形成一套適應(yīng)于海上蒸汽吞吐熱采井套管抬升預(yù)測方法及軟件,實現(xiàn)了注熱期間考慮套管應(yīng)力復(fù)雜變化情況下預(yù)測其伸長量的可行性。

(2)通過井口抬升地面安全控制工藝流程優(yōu)化,有效實現(xiàn)地面補償,具有可實施性強、材料重復(fù)使用、操作簡便等特點,改造后的補償高度可滿足安全注熱需求,避免了注熱及生產(chǎn)流程在高溫高壓環(huán)境下的安全風(fēng)險。

(3)形成一套影響套管溫升程度的敏感性分析方法,通過優(yōu)化不同注入?yún)?shù)的注入強度保障注熱期間井口抬升高度進一步安全可控。

(4)該研究方法在LD油田蒸汽吞吐井現(xiàn)場注熱施工中成功應(yīng)用4井次,工藝設(shè)計能滿足蒸汽吞吐井正常注熱需求,有效保障了注熱期間平臺及施工安全。