海上油田負(fù)壓作業(yè)有效負(fù)壓值分析與管柱優(yōu)化探討

武廣璦

(中海油研究總院有限責(zé)任公司；海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100028)

目前中國海上油氣田常采用負(fù)壓射孔或平衡射孔負(fù)壓返涌技術(shù)，以盡量解除射孔作業(yè)對儲層的污染問題[1-2]。通常制造負(fù)壓的方法是在負(fù)壓射孔管柱/返涌管柱內(nèi)替入一段空氣或低密度完井液，配合管柱上的負(fù)壓開孔裝置及環(huán)空封隔器，實現(xiàn)射孔后封隔器以下管柱與環(huán)空內(nèi)外連通，誘導(dǎo)儲層流體反向沖洗射孔孔眼。

RTTS封隔器是一種全通徑套管封隔器，帶有膠筒、水力錨和卡瓦，可實現(xiàn)雙向鎖定，保持膠筒與套管之間的密封[3]。由于該封隔器坐封、解封非常方便，且可多次重復(fù)使用，并能承受較大的上下壓差，因此在負(fù)壓射孔或負(fù)壓返涌中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于RTTS封隔器自身結(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致作業(yè)中封隔器膠筒脫落、解封困難、中心管接頭斷裂、附件落井等問題時有發(fā)生[4—7]，由此增加了非生產(chǎn)作業(yè)時間。

此外，當(dāng)前業(yè)界采用的負(fù)壓值設(shè)計方法多是根據(jù)滲透率、聲波時差及地層出砂情況等因素來確定[8—10]，并未考慮負(fù)壓作業(yè)時管柱結(jié)構(gòu)對實際負(fù)壓值的影響，導(dǎo)致實際有效負(fù)壓值可能與預(yù)設(shè)值不一致，影響負(fù)壓作業(yè)效果。

本文通過分析負(fù)壓返涌過程中管柱與環(huán)空的變形對負(fù)壓效果的影響，討論了簡化改進負(fù)壓管柱結(jié)構(gòu)的可行性，對改進后的管柱結(jié)構(gòu)進行了風(fēng)險分析并提出解決方案，有助于提高現(xiàn)場作業(yè)效率。

1 常用負(fù)壓作業(yè)管柱及存在問題

圖1為海上常用負(fù)壓作業(yè)管柱結(jié)構(gòu)示意圖。其中，a為投棒造負(fù)壓射孔管柱，管柱下入并校深后，關(guān)閉環(huán)空防噴器，環(huán)空加壓點火，射孔后快速將射孔槍起出射孔段，旋轉(zhuǎn)下壓坐封RTTS封隔器，井口投棒打開井下負(fù)壓閥，實現(xiàn)負(fù)壓返涌。該管柱也可在下入到位坐封隔器后，井口投棒直接打開負(fù)壓閥并激發(fā)點火頭，實現(xiàn)負(fù)壓射孔作業(yè)，不過若地層較為疏松，射孔時出砂量較大，則有卡槍的風(fēng)險[11]。b為環(huán)空加壓造負(fù)壓射孔管柱，主要用于無法投棒的大斜度井作業(yè)。c為負(fù)壓返涌管柱，用于避免b管柱作業(yè)中可能面臨的環(huán)空加壓導(dǎo)致的誤操作(負(fù)壓開孔裝置提前打開)。

圖1 不同類型負(fù)壓作業(yè)管柱

3種管柱均需采用RTTS封隔器隔離環(huán)空上下壓力系統(tǒng)，并將負(fù)壓閥置于RTTS封隔器之下，以實現(xiàn)儲層與鉆桿內(nèi)低壓系統(tǒng)的溝通。一旦RTTS封隔器出現(xiàn)故障，則負(fù)壓射孔或負(fù)壓返涌作業(yè)將無法完成，現(xiàn)場往往需要起出管柱重新作業(yè)，導(dǎo)致作業(yè)時間大大增加。

2 負(fù)壓作業(yè)前后井筒壓力變化

無論負(fù)壓射孔還是負(fù)壓返涌作業(yè)，均有一個打開負(fù)壓裝置釋放壓力的過程，本文將其統(tǒng)稱為負(fù)壓作業(yè)。圖2為負(fù)壓作業(yè)前后井筒壓力變化示意圖。作業(yè)前負(fù)壓閥始終處于關(guān)閉狀態(tài)(圖2-a)，射孔管柱內(nèi)空氣段高度取決于預(yù)設(shè)負(fù)壓值Pn。若作業(yè)過程中無井涌井漏事故，則RTTS封隔器坐封前后井底壓力保持恒定(一般略大于儲層壓力Pr)。負(fù)壓作業(yè)階段(圖2-b)，負(fù)壓閥打開，井底與管柱連通，井底壓力下降為Pr-Pn，在負(fù)壓作用下儲層流體進入井筒，管柱內(nèi)液面逐漸升高，井底壓力逐漸增加，壓差逐漸降低，返涌速度逐漸趨緩。達到預(yù)定返涌時間或返涌量后，上提解封RTTS，反循環(huán)洗壓井。

顯然，RTTS封隔器以下的井筒區(qū)域(圖2-b中紅色粗線范圍內(nèi)，本文稱之為有效井筒區(qū)域)在負(fù)壓作業(yè)前后受力狀態(tài)不同，在負(fù)壓作用下此區(qū)域?qū)⒂惺湛s量ΔV，由此將影響井底有效負(fù)壓值的大小?？s小該區(qū)域有助于減小ΔV，故現(xiàn)場常將RTTS封隔器下至射孔段頂部，盡量縮小Hpb長度。

圖2 負(fù)壓作業(yè)前后井筒壓力變化示意圖

3 負(fù)壓作業(yè)初期有效負(fù)壓值計算

3.1 計算模型

為計算負(fù)壓作業(yè)初期有效井筒容積的變化，做以下假設(shè)：

1)不考慮井筒內(nèi)壓力的傳遞時間。

2)所有工具的變形均為彈性變形。

3)不考慮RTTS封隔器及井底水泥塞的變形。

4)不考慮套管軸向變形。

負(fù)壓作業(yè)過程中鉆桿、套管受力情況如圖3所示。

圖3 負(fù)壓作業(yè)過程中鉆桿、套管受力示意圖

對于圓柱形空心容器，內(nèi)部壓力將同時作用在四周內(nèi)壁和底部端面，四周內(nèi)壁的壓力使管柱膨脹縮短，底部端面的壓力使管柱收縮伸長，計算時需綜合考慮。推算得到在負(fù)壓作業(yè)下，有效井筒區(qū)域縮小體積如下：

ΔV=ΔVc+ΔVd

(1)

根據(jù)彈性材料變形理論，可推算出套管周長變化量為：

(2)

進而得到套管內(nèi)容積減小量：

(3)

同理，得到鉆桿外體積增大量：

(4)

由于有效井筒區(qū)域體積變化導(dǎo)致鉆桿內(nèi)液柱高度變化情況為：

(5)

由于有效井筒區(qū)域體積變化導(dǎo)致有效負(fù)壓降低值ΔP為：

ΔP=ρgΔH

(6)

(7)

式(1)—(7)中，ΔVc為套管內(nèi)容積減小量，m3；ΔVd為鉆桿外體積增大量，m3；Dci為套管內(nèi)徑，m；Dco為套管外徑，m；Dci為鉆桿內(nèi)徑，m；Dci為鉆桿外徑，m；Pn為預(yù)設(shè)負(fù)壓值，Pa；E為彈性模量，Pa；Lc為封隔器以下非固井段套管長度，m；Ld為封隔器至負(fù)壓閥之間鉆桿長度，m；ε為泊松比；θ為井斜角，°；ρ為完井液密度，g.cm-3。

3.2 算例

考慮到負(fù)壓作業(yè)初始時刻T對應(yīng)的負(fù)壓值最大且直接影響整個負(fù)壓作業(yè)的效果，本文針對此時刻的狀態(tài)進行具體計算分析。

取負(fù)壓值為10 MPa，9-5/8”生產(chǎn)套管，5-1/2”鉆桿，負(fù)壓閥距井底100 m，鋼材彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.31，完井液密度1.05 g.cm-3，造斜點位于垂深400 m處。

取套管內(nèi)徑0.226 6 m，鉆桿內(nèi)徑0.121 4 m，計算不同預(yù)設(shè)負(fù)壓值條件下有效負(fù)壓降低值ΔP如圖4所示。ΔP與預(yù)設(shè)負(fù)壓值大小呈線性正相關(guān)，有效井筒區(qū)域內(nèi)套管和鉆桿長度越大，ΔP隨預(yù)設(shè)負(fù)壓值的變化就越迅速，比例系數(shù)就越大。以RTTS封隔器以下套管長度為150 m、鉆桿為50 m、預(yù)設(shè)負(fù)壓值為10 MPa的井為例，負(fù)壓作業(yè)初期有效負(fù)壓降低值為0.004 MPa(0.04%)。而當(dāng)其他條件不變，套管及鉆桿長度分別增加至5 000 m和4 500 m時，ΔP將增加至0.133 MPa(1.33%)。可以認(rèn)為該工況下RTTS封隔器位于井口位置，且井深處于相對極限工況，此時有效負(fù)壓降低值最大，有效負(fù)壓值為預(yù)設(shè)負(fù)壓值的98.67%。

圖4 預(yù)設(shè)負(fù)壓值對有效負(fù)壓降低值的影響

計算不同尺寸鉆桿條件下ΔP如圖5所示。可以看出，鉆桿外徑越大，ΔP越小，同樣鉆桿外徑條件下，鉆桿內(nèi)徑越大，ΔP越小，ΔP與鉆桿內(nèi)徑呈二次負(fù)相關(guān)。雖然鉆桿內(nèi)徑增大導(dǎo)致在同樣負(fù)壓條件下鉆桿的形變會增大(增大ΔVd)，但內(nèi)徑增加的同時也導(dǎo)致了鉆桿內(nèi)橫截面積增大(減小ΔH)，根據(jù)計算結(jié)果，顯然鉆桿內(nèi)橫截面積的影響更大。

圖5 鉆桿尺寸對有效負(fù)壓降低值的影響

計算不同尺寸套管條件下ΔP如圖6所示。可以看出，套管內(nèi)徑越大，ΔP越大，兩者呈二次方正相關(guān)。這是由于套管內(nèi)徑增大導(dǎo)致在同樣負(fù)壓條件下套管的形變會增大(增大ΔVc)，增加了有效井筒區(qū)域的總體積變化量ΔV。

圖6 生產(chǎn)套管尺寸對有效負(fù)壓降低值的影響

取負(fù)壓值為10 MPa，其他參數(shù)不變，計算封隔器距井底距離Hpb不同條件下ΔP如圖7所示。可以看出，ΔP與Hpb呈線性正相關(guān)，封隔器距井底距離越遠(yuǎn)，ΔP越大。

圖7 封隔器距井底距離對有效負(fù)壓降低值的影響

取封隔器距井底距離為3 000 m，其他參數(shù)不變，計算封隔器距負(fù)壓閥距離Hpn不同條件下ΔP如圖8所示。可以看出，ΔP與Hpn呈線性正相關(guān)，同樣條件下封隔器距負(fù)壓閥距離越遠(yuǎn)，ΔP越大。不過，Hpn的影響力相對較小，其他因素不變的條件下，Hpn由50 m增加至5 000 m，ΔP由0.066 MPa增加至0.091 MPa，比例系數(shù)僅為5.0×10-6。

圖8 封隔器距負(fù)壓閥距離對有效負(fù)壓降低值的影響

3.3 小結(jié)

通過以上分析得出結(jié)論如下：

1)若將RTTS封隔器置于井口位置，則有效負(fù)壓值較預(yù)設(shè)值最高降幅為1.33%。

2)封隔器以下鉆桿內(nèi)徑越大，有效負(fù)壓降低值越小，兩者呈二次負(fù)相關(guān)。

3)封隔器以下套管內(nèi)徑越大，有效負(fù)壓降低值越大，兩者呈二次正相關(guān)。

4)封隔器距井底越遠(yuǎn)，有效負(fù)壓降低值越大，兩者呈線性正相關(guān)。

5)封隔器距負(fù)壓閥的距離會影響有效負(fù)壓降低值，但作用有限。

4 負(fù)壓作業(yè)管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

從現(xiàn)場作業(yè)角度及負(fù)壓值計算方法上來講，1.33%的負(fù)壓值降幅可以接受。此外，在滿足負(fù)壓值的前提下，負(fù)壓閥的下入深度對有效負(fù)壓值的影響也可以忽略不計。因此，建議考慮取消當(dāng)前負(fù)壓作業(yè)管柱上的RTTS封隔器，改用環(huán)形防噴器實現(xiàn)原目的功能，同時在滿足循環(huán)壓井的前提下適當(dāng)提高負(fù)壓閥的位置，降低其對應(yīng)的井斜。改進后的管柱示意圖如圖9所示。

圖9 改進后的負(fù)壓作業(yè)管柱

改進后的管柱具有以下優(yōu)點：

1)無RTTS封隔器，避免了相關(guān)的連接、入井及操作需求。

2)適當(dāng)提高負(fù)壓閥位置以使其對應(yīng)的井斜處于常規(guī)范圍，可采用投棒方式打開，避免了大斜度井環(huán)空加壓操作及加壓開孔工具的使用及潛在風(fēng)險。

3)管柱整體結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)過程簡化，復(fù)雜事故率降低。

常規(guī)定向井和大斜度定向井管柱優(yōu)化前后作業(yè)程序?qū)Ρ燃靶Ч治鲆姳?1和表 2。

表1 管柱優(yōu)化前后作業(yè)程序?qū)Ρ?常規(guī)定向井)

表2 管柱優(yōu)化前后作業(yè)程序?qū)Ρ?大斜度定向井)

需要注意的是，改進后的管柱沒有錨定結(jié)構(gòu)，軸向承載能力將會有所降低，因此必須確保管柱重量超過作業(yè)期間最大可能上推力，同時在管柱上配備相應(yīng)的減震工具。不同鉆桿外徑及預(yù)設(shè)負(fù)壓值條件下，管柱最大上推力如圖10所示。

圖10 管柱承受的最大上推力與管柱外徑和負(fù)壓值的關(guān)系

5 結(jié)論與建議

本文圍繞當(dāng)前海上常用負(fù)壓作業(yè)管柱的結(jié)構(gòu)及功能開展分析，并探討了優(yōu)化的可能，得到結(jié)論及建議如下：

1)有效負(fù)壓值受封隔器距井底和負(fù)壓閥的距離、鉆桿尺寸及長度、套管尺寸及長度等多個因素的影響。

2)用環(huán)形防噴器實現(xiàn)RTTS封隔器的功能是可行的，有效負(fù)壓值的降幅可以忽略不計。

3)在滿足造負(fù)壓的前提下適當(dāng)提高負(fù)壓閥的位置，由此對有效負(fù)壓值的影響可以忽略。

4)改進后的負(fù)壓作業(yè)管柱無RTTS封隔器，負(fù)壓閥位置處井斜小，作業(yè)過程簡化，有利于提高現(xiàn)場作業(yè)效率。