東海生產(chǎn)井口抬升分析及解決措施研究

施覽玲

(中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335)

0 引言

東海某B1井經(jīng)過測試得知產(chǎn)量豐富，達(dá)到了開發(fā)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。考慮到該井生產(chǎn)周期和經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)劃采用移動(dòng)式平臺進(jìn)行該井位的構(gòu)造評價(jià)測試。B1井在評價(jià)測試過程中，高溫流體流經(jīng)油管時(shí)大幅度增加了油管、環(huán)空以及外層套管的溫度。由于金屬材料熱脹冷縮效應(yīng)較為明顯，此部分溫度差會(huì)導(dǎo)致油管以及外層套管不同程度的伸長，從而導(dǎo)致平臺上井口的抬升。井口抬升不僅會(huì)對井口裝置產(chǎn)生附加載荷，而且連接在井口裝置(如采油樹)各類管線的對接位置也會(huì)發(fā)生變化，還可能導(dǎo)致一些管線的變形甚至是破壞[1-2]。因此，有必要對井口抬升后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并通過軟件模擬的方法對井筒溫度分布和井口抬升高度進(jìn)行計(jì)算分析。

1 生產(chǎn)過程中井筒溫度分析

根據(jù)B1井地層測試結(jié)果及配產(chǎn)數(shù)據(jù)，地層溫度與井筒內(nèi)流體溫度分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 B1井地層溫度和井筒流體溫度分布規(guī)律

將該井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)、套管材料屬性、井筒溫度邊界條件，以及井筒流體組分帶入Wellcat軟件[3]中計(jì)算得出井筒溫度分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 井筒溫度分布規(guī)律

根據(jù)圖2右可知，762 mm隔水導(dǎo)管溫度差較小，對其強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。

2 井筒溫度升高對井口穩(wěn)定性影響分析

2.1 套管穩(wěn)定性分析

井筒溫度升高導(dǎo)致套管伸長可視為金屬管狀桿件在溫度差的影響之下受熱膨脹效應(yīng)的體現(xiàn)。井筒溫度升高時(shí)339.725 mm套管與244.475 mm套管受熱伸長，再通過井口裝置導(dǎo)致井口整體抬升(由于30"隔水導(dǎo)管與井口裝置可相對運(yùn)動(dòng)且溫度差較小，因此不予考慮)。由于套管的自由懸掛段長細(xì)比較大，因此在作業(yè)中為了保證套管不會(huì)受壓彎曲，張力器上提力需要保證套管每一點(diǎn)的軸向有效應(yīng)力大于零，即張力器的最小上提力為套管自由懸掛段自重。井筒中的套管自由懸掛段在生產(chǎn)之前的受力狀態(tài)如圖3所示。而管狀金屬桿件在受熱伸長后，在桿件中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。因此，生產(chǎn)過程中，套管單元應(yīng)力分析如圖4所示。

圖3 生產(chǎn)之前339.725 mm套管與244.475 mm 套管自由懸掛段縱向受力

圖4 生產(chǎn)過程中套管 單元應(yīng)力分析

圖4中σ1為張力器上提力和套管自重引起的拉應(yīng)力，有利于套管穩(wěn)定性；σ2為溫度升高而引起的拉應(yīng)力，有利于套管穩(wěn)定性。

2.2 套管強(qiáng)度分析

在生產(chǎn)作業(yè)之前，339.725 mm套管全部濕重(137.49 t)集中在泥線處套管掛位置；244.475 mm套管部分重量(20 t)集中在279.4 mm井口頭，且由于實(shí)際作業(yè)中多次嘗試懸掛無法坐掛在244.47 mm套管懸掛器，因此另外一部分重量完全由地層和水泥環(huán)承擔(dān)。因此，339.725 mm套管最危險(xiǎn)處為泥線懸掛位置，其最大軸向應(yīng)力為：

244.475 mm套管最危險(xiǎn)處為井口位置，其最大軸向應(yīng)力為：

而生產(chǎn)過程中，溫度的升高對套管有附加的應(yīng)力，附加的溫度應(yīng)力可表示為：

式中：σ附加為附加溫度應(yīng)力為管材泊松比；a為線膨脹系數(shù)；C1為溫度系數(shù)，一般取4.62×10-5；ΔT為溫度變化量。

在上式中帶入套管幾何參數(shù)，材料參數(shù)以及溫度參數(shù)可得，339.725 mm套管與244.475 mm套管強(qiáng)度校核如表1所示。

表1 339.725 mm套管與244.475 mm套管強(qiáng)度校核分析

根據(jù)套管強(qiáng)度校核分析結(jié)果可知，在生產(chǎn)過程中339.725 mm套管與244.475 mm套管強(qiáng)度安全系數(shù)均大于2，滿足API規(guī)定的強(qiáng)度要求[4]。

3 井口抬升量計(jì)算

根據(jù)B1井的實(shí)際工況可知，井筒中油管和外層套管的原始溫度與地層原始溫度(圖2左中綠色曲線)相同。在生產(chǎn)過程中，高溫流體在井筒中流動(dòng)時(shí)，井筒中油管和外層套管的溫度從原始溫度逐漸升高到一定的溫度，從而油管和套管產(chǎn)生一定的溫度差。生產(chǎn)過程中由于受熱膨脹效應(yīng)的影響，產(chǎn)生的溫度差會(huì)使油管和外層套管伸長一定量。

桿狀金屬材料受熱膨脹公式如下所示：

式中：ΔL為桿狀金屬伸長量；δ為金屬熱膨脹系數(shù)；L為金屬材料總長；ΔT為溫度差。

油管和套管可看作是金屬桿件，且由于油管和套管不同深度處溫度差有很大的變化，因此，油管和套管溫差導(dǎo)致的伸長量可表示為：

由于部分套管用水泥漿與地層膠結(jié)，因此認(rèn)為此部分套管在生產(chǎn)過程中高溫流體流經(jīng)套管時(shí)地層的約束條件下不會(huì)發(fā)生伸長，只有水泥環(huán)以上的自由懸掛段發(fā)生伸長。根據(jù)B1井實(shí)際井身結(jié)構(gòu)中套管各段水泥漿領(lǐng)漿封固段與尾漿封固段可以得到，339.725 mm套管自由懸掛段為0～131.17 m，244.475 mm套管自由懸掛段為0～1817.01 m；762mm隔水導(dǎo)管由于懸掛在井口裝置，當(dāng)其長度變化時(shí)與井口裝置發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，不會(huì)對井口裝置附加載荷，即762 mm隔水導(dǎo)管的長度變化不會(huì)對井口產(chǎn)生抬升作用，因此不予考慮；177.8 mm尾管與地層完全膠結(jié)，無伸長量。根據(jù)井筒溫度分布規(guī)律、井筒套管與井口裝置的連接關(guān)系以及套管管材、鉆井液、水泥環(huán)和地層的導(dǎo)熱屬性，利用井筒模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算得出，在生產(chǎn)過程中高溫流體流經(jīng)油管時(shí)，339.725 mm套管與244.475 mm套管耦合作用下井口抬升高度為0.086 m，即8.6 cm。

4 解決井口抬升措施

(1)根據(jù)上述分析可知，井筒溫度升高時(shí)附加的應(yīng)力為拉應(yīng)力，因此適當(dāng)?shù)臏p小張力器的上提力可減小套管的拉應(yīng)力，從而降低井口整體結(jié)構(gòu)的抬升量。(2)根據(jù)以上分析，井口抬升主要影響與井口裝置連接的管線結(jié)構(gòu)位置抬升。因此，在管線與井口裝置的連接位置采用柔性管線，在抬升高度較小(抬升高度不足10 cm)情況下，對管線產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。(3)由于溫度對井口抬升量影響較大，因此可考慮將套管采用隔熱材質(zhì)，不僅可以保證套管的正常工作，還可以有效地降低套管因受溫度影響而產(chǎn)生的伸長量。

5 結(jié)語

(1)利用井筒溫度分析軟件Wellcat分析井筒溫度可知，762 mm隔水導(dǎo)管在生產(chǎn)過程中井筒溫度的變化較小，對其強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。(2)通過分析井筒溫度分布，校核339.725 mm套管和244.475 mm套管強(qiáng)度可知套管安全系數(shù)均大于2，滿足強(qiáng)度要求。結(jié)合井口裝置的工作原理，得到B1井在生產(chǎn)過程中井口抬升高度為0.086 m，針對B1井口抬升問題給出了相應(yīng)的解決措施。