深水套管環(huán)空圈閉壓力計(jì)算及控制技術(shù)分析*

黃小龍嚴(yán) 德田瑞瑞劉正禮葉吉華方滿宗張星星

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司; 2.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司; 3.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司)

深水套管環(huán)空圈閉壓力計(jì)算及控制技術(shù)分析*

黃小龍1嚴(yán) 德1田瑞瑞1劉正禮2葉吉華2方滿宗3張星星1

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司; 2.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司; 3.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司)

針對(duì)深水井測(cè)試及生產(chǎn)過(guò)程中套管環(huán)空圈閉壓力增加導(dǎo)致套管擠毀和破壞的問(wèn)題,建立了環(huán)空圈閉壓力計(jì)算模型,利用平面應(yīng)變問(wèn)題的基本方程和拉梅方程對(duì)環(huán)空圈閉段套管應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行了求解,分析了油藏與海底溫度、流體性質(zhì)與生產(chǎn)流速、井身結(jié)構(gòu)與套管材質(zhì)以及固井水泥返高等因素對(duì)環(huán)空圈閉壓力的影響。在此基礎(chǔ)上,對(duì)目前國(guó)際上采取的環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)進(jìn)行了分析,認(rèn)為安裝破裂盤和使用可壓縮泡沫材料這2種技術(shù)方案可有效控制深水套管環(huán)空圈閉壓力,確保深水油氣開(kāi)發(fā)井筒完整性和作業(yè)安全性。

深水;套管;環(huán)空;圈閉壓力;破裂盤;可壓縮泡沫材料

隨著我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn),深水井測(cè)試及生產(chǎn)過(guò)程中的一些安全問(wèn)題引起了人們的高度關(guān)注。深水油氣田測(cè)試過(guò)程和生產(chǎn)初期,由于地層流體溫度高達(dá)100℃以上,而海床溫度僅為2～4℃,兩者相差大,在油氣測(cè)試或生產(chǎn)時(shí)可以使井口各層套管間環(huán)空圈閉流體受熱膨脹而產(chǎn)生很大的附加壓力載荷,嚴(yán)重時(shí)將擠毀或脹裂套管,給生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[1-3]。國(guó)內(nèi)外有不少工程技術(shù)人員和專家學(xué)者對(duì)陸地和淺水高溫高壓井因溫度升高引起的附加載荷進(jìn)行了研究,而對(duì)于深水套管環(huán)空圈閉壓力引起的附加載荷作用機(jī)理和控制技術(shù)研究較少,主要集中在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理措施進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述,缺乏理論支撐[4-6]。陸地及淺水干式井口套管環(huán)空圈閉壓力泄壓措施相對(duì)容易實(shí)施,而深水濕式井口采用水下測(cè)試樹(shù)和采油樹(shù)導(dǎo)致環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)難度大。因此,研究套管環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)對(duì)于深水油氣測(cè)試和生產(chǎn)作業(yè)非常重要。筆者通過(guò)對(duì)套管環(huán)空圈閉壓力力學(xué)理論模型、環(huán)空圈閉壓力影響因素和附加載荷計(jì)算方法進(jìn)行研究,對(duì)比分析多種深水套管環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù),以期為我國(guó)深水油氣開(kāi)發(fā)環(huán)空圈閉壓力管理提供借鑒。

1 模型建立

1.1 力學(xué)模型

深水井測(cè)試和生產(chǎn)時(shí)采用水下測(cè)試樹(shù)和采油樹(shù),測(cè)試或生產(chǎn)過(guò)程中儲(chǔ)層熱流體通過(guò)油管流動(dòng)到井口裝置,熱流體在油管流動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)油管、套管和水泥環(huán)進(jìn)行加熱,同時(shí)將熱量傳遞到地層中去。圖1為深水開(kāi)發(fā)井生產(chǎn)過(guò)程中井筒熱傳遞示意圖,設(shè)油管與生產(chǎn)套管間圈閉空間為環(huán)空1,生產(chǎn)與技術(shù)套管間圈閉空間為環(huán)空2,技術(shù)與表層套管間圈閉空間為環(huán)空3。

圖1 深水開(kāi)發(fā)井生產(chǎn)過(guò)程中井筒熱傳遞示意圖

如圖1所示的φ339.73 mm技術(shù)套管,其環(huán)空段受到內(nèi)外流體熱膨脹壓力作用而產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變和位移,這將對(duì)套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核產(chǎn)生影響。由于水下采油樹(shù)的重力作用,套管的縱向變形受到限制,若忽略軸向應(yīng)變,其受力情況即為平面應(yīng)變問(wèn)題。如圖2所示,設(shè)技術(shù)套管內(nèi)徑為d,外徑為D,受到的內(nèi)壓為Q,外壓為q,利用彈性力學(xué)中平面應(yīng)變問(wèn)題的基本方程和拉梅方程可對(duì)其進(jìn)行分析和研究[7]。在平面應(yīng)變問(wèn)題中,采用圓柱坐標(biāo)系,徑向距離、方位角和高度分別用r、θ和z表示;非零應(yīng)力分量有徑向、方位角和切向3個(gè),分別用σr、σθ、τrθ表示;非零應(yīng)變分量有徑向、方位角和切向3個(gè),分別用εr、εθ、εrθ表示;非零位移分量有徑向和方位角2個(gè),分別用ur和uθ表示。這些參數(shù)滿足幾何方程、平衡方程和本構(gòu)方程,如公式(1)～(3)所示。

圖2 環(huán)空圈閉套管力學(xué)模型示意圖

幾何方程:

平衡方程:

本構(gòu)方程:

式(1)～(3)中:E和v分別是材料的彈性模量和泊松比。套管屬于厚壁圓筒,內(nèi)外邊界為受均布載荷的環(huán)形區(qū)域,是一個(gè)軸對(duì)稱問(wèn)題,邊界條件如公式(4)所示。

聯(lián)立方程(1)～(4),可求得技術(shù)套管受內(nèi)外環(huán)空作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移,如公式(5)～(7)所示。

1.2 計(jì)算模型

環(huán)空圈閉壓力計(jì)算的基礎(chǔ)是PVT狀態(tài)方程,對(duì)該方程求偏微分得到公式(8),即

式(8)中:Δp為環(huán)空壓力附加量,MPa;κT為環(huán)空流體等溫壓縮系數(shù),1/MPa;αl為環(huán)空流體熱膨脹系數(shù),1/℃;Van為環(huán)空體積,m3;ΔVan為環(huán)空體積變化量,m3;Vl為環(huán)空內(nèi)流體體積,m3;ΔVl為環(huán)空內(nèi)流體體積變化量,m3。由于套管環(huán)空為密閉空間,環(huán)空內(nèi)流體體積無(wú)變化,因此ΔVl=0。另外,套管環(huán)空流體等溫壓縮系數(shù)κT和熱膨脹系數(shù)αl取決于流體的類型。

由公式(8)可知,在環(huán)空流體類型和性質(zhì)確定的情況下,環(huán)空圈閉壓力的大小主要取決于環(huán)空溫度和環(huán)空體積的變化量。國(guó)內(nèi)外已有不少文獻(xiàn)對(duì)井筒熱傳遞及溫度場(chǎng)模型進(jìn)行了分析,環(huán)空溫度的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[8]、[9]中給出的模型。對(duì)于環(huán)空體積的變化量,如圖1所示的環(huán)空2,需要考慮套管徑向熱膨脹效應(yīng)、套管徑向壓縮效應(yīng)、環(huán)空流體熱膨脹效應(yīng)和環(huán)空流體壓縮效應(yīng)等4個(gè)因素的影響[4]。

1)套管徑向熱膨脹效應(yīng)。環(huán)空2中生產(chǎn)套管因溫度升高將發(fā)生徑向熱膨脹,從而使得環(huán)空2的體積減小,由溫度變化引起的法向位移Sv為

式(9)中:μ為鋼的泊松比;α為鋼材的熱膨脹系數(shù), 1/℃;a為套管內(nèi)半徑,m;b為套管外半徑,m;ΔT為套管環(huán)空2溫度變化量,℃。

由此引起的環(huán)空2體積減少量ΔV1為

式(10)中:Δx為自由段套管長(zhǎng)度微元,m。

2)套管徑向壓縮效應(yīng)。生產(chǎn)套管外表面因環(huán)空壓力增加將產(chǎn)生徑向位移Sr,即

由此引起的環(huán)空2體積增加量ΔV2為

3)環(huán)空流體熱膨脹效應(yīng)。環(huán)空2中流體因溫度升高引起的體積膨脹量ΔV為

式(13)中:al為技術(shù)套管內(nèi)半徑,m。

4)環(huán)空流體壓縮效應(yīng)。設(shè)環(huán)空流體體積模量為Ec,則環(huán)空2中壓力升高引起的環(huán)空流體體積壓縮變化量ΔV4為

因此得到環(huán)空2總體積變化量ΔVan為

將公式(15)代入公式(8)中,即可求得環(huán)空圈閉壓力附加值。

上述公式推導(dǎo)中僅考慮了環(huán)空2溫度升高引起的體積變化對(duì)其圈閉壓力的影響,如圖1所示;而環(huán)空1和環(huán)空3溫度升高時(shí)體積變化也會(huì)對(duì)環(huán)空2的體積變化產(chǎn)生影響。因此,在計(jì)算環(huán)空2的圈閉壓力時(shí)須定量綜合考慮環(huán)空1和環(huán)空3的體積變化對(duì)環(huán)空2體積變化的影響,這是一個(gè)復(fù)雜的迭加運(yùn)算過(guò)程,具體計(jì)算時(shí)可借助計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

2 影響因素分析

深水套管環(huán)空圈閉流體受熱膨脹產(chǎn)生壓力,其壓力值的大小主要受到了以下因素的影響:

1)油藏初始溫度和海底溫度。油藏初始溫度和海底溫度對(duì)環(huán)空流體在深水井測(cè)試或生產(chǎn)階段所受到的熱量值有重要影響,套管環(huán)空壓力與油藏初始溫度成正比,如在尼日利亞AKPO-130區(qū)塊深水井的計(jì)算中,油藏初始溫度升高20℃時(shí),環(huán)空壓力增加了20 MPa。如果實(shí)際油藏溫度比計(jì)算采取的溫度高,將造成實(shí)際的環(huán)空壓力值比初始計(jì)算值高,對(duì)作業(yè)安全不利。

2)流體性質(zhì)及生產(chǎn)流速。密閉環(huán)空內(nèi)不同性質(zhì)的流體由于其熱膨脹系數(shù)(α)和壓縮系數(shù)(κ)不同,在受熱時(shí)產(chǎn)生的壓力差別很大,即使是同一性質(zhì)的流體,其某一種物質(zhì)含量不同也會(huì)導(dǎo)致溫壓特性不同。2003年Williamson和Sanders在室內(nèi)對(duì)水基鉆井液、合成基鉆井液、油基鉆井液、1.38 g/cm3和1.62 g/cm3鹽水鉆井液等5種不同的環(huán)空流體進(jìn)行了溫度壓力實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明在封閉容器中初始?jí)毫?3.8 MPa、溫度為26.7℃,升溫到90℃時(shí),容器中各種鉆井液產(chǎn)生的壓力不同,其中鹽水鉆井液的變化相對(duì)較大,鹽水、合成基和油基鉆井液對(duì)溫度的敏感性逐漸降低,這與流體自身的壓縮性質(zhì)相關(guān)[10]。環(huán)空中流體熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得,大多數(shù)情況下其熱膨脹系數(shù)與壓縮系數(shù)的比值近似取當(dāng)時(shí)水的熱膨脹系數(shù)與壓縮系數(shù)的比值。0.1 MPa時(shí)不同溫度條件下水的熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)見(jiàn)表1[11]。3

表1 0.1 MPa時(shí)不同溫度條件下水的熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)[11]

從表1可以看出,熱膨脹系數(shù)與壓縮系數(shù)的比值隨著溫度的升高有一個(gè)很大的變化,80℃時(shí)的比值大約是10℃時(shí)的8倍。也就是說(shuō),環(huán)空圈閉壓力隨著溫度的增加而快速增加。

同時(shí),生產(chǎn)流速對(duì)環(huán)空圈閉壓力的影響也較大。在油井生產(chǎn)的后期,產(chǎn)液中水的比例將不斷的升高,而水的導(dǎo)熱能力強(qiáng),若保持原來(lái)的生產(chǎn)流速,將進(jìn)一步造成環(huán)空流體溫度的升高。

3)井身結(jié)構(gòu)和套管柱材質(zhì)。深水井套管圈閉環(huán)空存在的形式和位置與井身結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響套管環(huán)空的位置和大小。環(huán)空段套管柱受內(nèi)外流體壓力的影響將產(chǎn)生變形,從而引起環(huán)空體積和流體壓力的變化。此外,不同材質(zhì)的套管柱在受溫度的影響下其熱膨脹系數(shù)不同,如N80材質(zhì)的套管在溫度100℃時(shí)熱膨脹系數(shù)是50℃時(shí)的3倍。

4)水泥返高。水泥返高直接影響套管圈閉環(huán)空的長(zhǎng)度和環(huán)空流體的體積。在實(shí)際的固井作業(yè)中,水泥的返高與設(shè)計(jì)值可能相差很大,這將會(huì)對(duì)環(huán)空圈閉壓力的計(jì)算產(chǎn)生很大的影響,在水泥返高不低于上層套管鞋的條件下,返高越低,環(huán)空壓力值將越大。

3 控制技術(shù)分析

國(guó)外在深水套管環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)方面涉及較早。1999年,英國(guó)石油公司在墨西哥灣Marlin油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中,生產(chǎn)初期就發(fā)生了幾口井套管爆破事故,損失巨大。從此以后,該問(wèn)題引起了各大深水開(kāi)發(fā)石油公司的重視。2003年,道達(dá)爾公司開(kāi)發(fā)西非某深水油田,由于該區(qū)域地溫梯度高達(dá)4.3℃/m,大約是墨西哥灣的2倍,環(huán)空壓力管理問(wèn)題尤為突出,該公司采取了多種技術(shù)措施對(duì)環(huán)空壓力進(jìn)行管理。另外,加拿大哈斯基公司在南中國(guó)海荔灣3-1氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中也采取了破裂盤環(huán)空壓力控制技術(shù)。目前國(guó)際上采取的環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)方案主要有6種[1,3,5-6,10],詳見(jiàn)表2。

由表2分析可知,適合深水井套管環(huán)空圈閉壓力控制的技術(shù)方案主要是安裝破裂盤(圖3)和使用可壓縮性泡沫材料(圖4),實(shí)踐證明這2種技術(shù)方案具有經(jīng)濟(jì)有效的特點(diǎn),已得到廣泛應(yīng)用。

在安裝破裂盤時(shí),為保證作業(yè)安全,通常在套管180°方向上安裝2個(gè)泄壓孔。根據(jù)套管程序及套管參數(shù),破裂盤應(yīng)該滿足以下要求:①套管破裂盤額定工作壓力要小于安裝套管抗內(nèi)壓屈服強(qiáng)度;②套管破裂盤抗外壓應(yīng)大于安裝套管本體額定抗外壓值;③破裂盤額定破裂壓力要低于內(nèi)層套管額定抗外壓值。

表2 目前國(guó)際上采取的環(huán)空圈閉壓力主要控制技術(shù)方案

圖3 安裝有破裂盤的套管短節(jié)

圖4 安裝有可壓縮泡沫的套管

在套管外安裝可壓縮泡沫材料,這是目前深水井中常用的一種減小由溫度引起的套管附加載荷的方法。其原理是在內(nèi)層套管上安裝一定數(shù)量的可壓縮性泡沫材料,當(dāng)環(huán)空壓力增加到一定程度時(shí),可壓縮泡沫材料開(kāi)始變形,產(chǎn)生一定的流體膨脹的空間,從而致使環(huán)空壓力降低。可壓縮泡沫材料采用模塊化的方式安裝在內(nèi)層套管上,考慮到下套管操作的方便,可壓縮泡沫模塊只安裝在套管本體,套管接頭部分不安裝。

南海西部某計(jì)劃作業(yè)的深水井,水深1 500 m,井深3 600 m,地溫梯度4.5℃/100 m,海底溫度4℃,井底溫度100℃。經(jīng)計(jì)算分析,在50萬(wàn)m3測(cè)試產(chǎn)量條件下,該井φ339.73 mm技術(shù)套管抗外擠安全系數(shù)0.985,小于標(biāo)準(zhǔn)值1.000～1.125,不能滿足作業(yè)要求。最終該井采用在φ339.73 mm技術(shù)套管上安裝破裂盤和在φ244.48 mm生產(chǎn)套管安裝可壓縮泡沫的方式來(lái)控制技術(shù)套管內(nèi)的圈閉環(huán)空壓力,滿足了安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

套管環(huán)空圈閉壓力是深水井勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)中需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。利用平面應(yīng)變問(wèn)題的基本方程和拉梅方程對(duì)環(huán)空段套管應(yīng)力、應(yīng)變和位移進(jìn)行了求解,進(jìn)而分析了影響環(huán)空圈閉壓力的主要因素,包括油藏初始溫度與海底溫度、流體性質(zhì)與生產(chǎn)流速、井身結(jié)構(gòu)與套管材質(zhì)以及固井水泥返高。在此基礎(chǔ)上,分析了目前國(guó)際上采取的環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù),認(rèn)為適合深水井套管環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)方案主要是安裝破裂盤和使用可壓縮泡沫材料,確保了南海西部深水井油氣測(cè)試及生產(chǎn)作業(yè)的安全。

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Research on calculation of casing annulus trapped pressure and its control techniques for deep water well

Huang Xiaolong1Yan De1Tian Ruirui1Liu Zhengli2Ye Jihua2Fang Manzong3Zhang Xingxing1
(1.CNOOC Ener Tech-Drilling&Production Company Shenzhen Branch,Guangdong,518067;2.Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067;3.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,524000)

Aiming to the deep water well casing collapse fracture and destroy problems due to the raising of casing annulus trapped pressure during the production and testing operations,the calculation model of trapped pressure was established;the stress,strain and displacement of the casing with annulus pressure trapped were calculated by using the basic equations of plane strain and lame equation; and the influence factors on casing annulus trapped pressure were analyzed,including the oil reservoir and seabed temperatures,production fluid property and flow rate,well profile,casing material and cement return height.And on this basis,several techniques adopted in the world for controlling casing annulus trapped pressure were contrasted and the results show that the rupture disk and compressible foam techniques can control the casing annulus trapped pressure for deep water wells and ensure the wellbore integrity and operation security for deepwater oil and gas exploration and development.

deep water;casing;annulus;trapped pressure;rupture disk;compressible foam material

2014-02-13改回日期:2014-05-20

(編輯:孫豐成)

*“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水鉆完井及其救援井應(yīng)用技術(shù)研究(編號(hào):2011ZX05026-001-04)”部分研究成果。

黃小龍,男,2003年畢業(yè)于東北石油大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè),中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深圳分公司總經(jīng)理,主要從事深水及超深水井鉆完井管理及技術(shù)研究工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)二路一號(hào)海洋石油大廈B座14樓(郵編:518067)。電話:0755-26022026。E-mail:huangxl@cnooc.com.cn。