深水井注泡沫隔離液井口環(huán)空圈閉壓力計算研究

張興全， 劉書杰， 范白濤， 王 昊

1中海油研究總院有限責任公司 2中國石油大學(北京)

0 引言

由于溫度升高導致密閉的各層套管間環(huán)空內(nèi)的流體膨脹，從而使環(huán)空圈閉壓力升高，稱為井口環(huán)空圈閉壓力[1-2]。井口環(huán)空圈閉壓力在油氣井測試和開發(fā)階段普遍存在，尤其在高溫高壓井、深水井中尤為突出，但由于深水水下井口的特殊性，B、C環(huán)空目前尚無有效手段實現(xiàn)壓力釋放。圈閉壓力對油氣井套管強度校核有較大影響，在進行套管柱設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮圈閉壓力的影響，如預(yù)測不準確會造成嚴重的套管擠毀事故[3-4]。墨西哥灣Marlin 油田A-2 井在生產(chǎn)數(shù)小時之后，過高的圈閉壓力將生產(chǎn)套管擠毀；墨西哥灣 Pompano A-31井在鉆井期間，圈閉壓力將?406.4 mm套管擠毀。

目前有多種圈閉壓力防治方法，主要分為增加結(jié)構(gòu)強度、井口或者地層壓力釋放、增加環(huán)空流體的可壓縮性、減少熱量傳遞四大類[5- 9]。各種防治方法的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 深水井環(huán)空圈閉壓力防治方法對比

注泡沫隔離液作為環(huán)空圈閉壓力防治方法之一，目前對注泡沫隔離液的理論模型、實驗驗證等研究工作較少，對注泡沫隔離液的應(yīng)用未有理論依據(jù)，制約了該方法的應(yīng)用。本文從基礎(chǔ)模型建立、理論分析、實驗驗證對注泡沫隔離液進行了研究，得出了注泡沫隔離液的最佳體積比，對注泡沫隔離液技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 注泡沫隔離液圈閉壓力計算方法

1.1 全液相圈閉壓力計算方法

考慮了高溫環(huán)境下管柱熱膨脹、流體膨脹性及壓縮性、各環(huán)空壓力耦合對環(huán)空體積的影響。

(1)

將圈閉壓力計算式(1)展開，可以寫為：

(2)

環(huán)空體積變化主要為套管的徑向變形造成，套管徑向變形對相鄰環(huán)空產(chǎn)生相互耦合作用。除考慮套管自由段徑向變形外，還需考慮地層、固井水泥環(huán)、套管相互作用產(chǎn)生的徑向變形，該部分采用參考文獻[10]中方法進行計算。

1.2 注泡沫隔離液圈閉壓力計算方法

假設(shè)氣體為理想狀態(tài)氣體，根據(jù)氣體和液體狀態(tài)方程，建立注泡沫隔離液圈閉壓力計算模型。

氣體狀態(tài)方程：

(3)

液體狀態(tài)方程：

ΔV=α1VlΔT

(4)

氣體體積變化等于液體體積變化，則可以得到環(huán)空含氣圈閉壓力為：

(5)

2 流體熱膨脹特性

流體的熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)可通過流體PVT實驗數(shù)據(jù)進行求取[11]。

膨脹系數(shù)為：

(6)

壓縮系數(shù)為：

(7)

式中:ρ0—常溫常壓下流體密度，kg/m3；ρp,T—在壓力p和溫度T下的密度，kg/m3；ΔT—溫差，℃；Δp—壓差，MPa。

實驗測得NaCl鹽水隨溫度、壓力的變化規(guī)律，進而求取了熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)隨溫度壓力的變化規(guī)律。

由表2可知，溫度、壓力對膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)有一定影響，在80～100 ℃條件下，NaCl鹽水升每高1 ℃，壓力升高約1.1 MPa。

表2 NaCl鹽水熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)表

3 實驗驗證

為了驗證不同環(huán)空氣液比對圈閉壓力影響，建立了一套高溫高壓圈閉壓力測試裝置。裝置采用?88.9 mm油管,?139.7 mm生產(chǎn)套管,?245.7 mm技術(shù)套管,?339.7 mm表層套管,組成A、B、C環(huán)空。A環(huán)空注入密度為1 150 kg/m3的NaCl鹽水，B環(huán)空注入密度為1 200 kg/m3的水基鉆井液，C環(huán)空注入密度為1 030 kg/m3的海水。

設(shè)置油管內(nèi)溫度由80 ℃開始升溫至130 ℃，A、B、C環(huán)空溫度隨之升高，環(huán)空壓力隨之增加。實驗過程實時記錄各環(huán)空內(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)。為了更好的模擬現(xiàn)場實際情況，設(shè)置A、C環(huán)空為全液相，且保持不放壓，B環(huán)空注入泡沫隔離液，注入泡沫隔離液體積含量分別設(shè)置為0、3%、5%、10%，分析B環(huán)空不同體積含量的泡沫隔離液對A、B、C各環(huán)空圈閉壓力的影響(圖1～圖4)。

圖1 環(huán)空溫度隨時間變化曲線圖

圖2 環(huán)空壓力隨時間變化曲線圖

圖3 環(huán)空壓力隨溫度變化曲線圖

圖4 注泡沫隔離液后環(huán)空壓力隨溫度變化曲線圖

A、B、C環(huán)空初始全為液相，分別為隔離液—水基鉆井液—海水，當油管內(nèi)的溫度由80 ℃升高到130 ℃過程中，A環(huán)空溫度上升了33 ℃，B環(huán)空升高了23 ℃，C環(huán)空升高了8 ℃，相對應(yīng)的A、B、C環(huán)空壓力分別增加了33.33 MPa、16.33 MPa、4.88 MPa，A環(huán)空每上升1 ℃壓力上升1.01 MPa，B環(huán)空每上升1 ℃壓力上升0.71 MPa，C環(huán)空每上升1 ℃壓力上升0.61 MPa。溫度每升高1 ℃壓力升高值不僅與流體熱物性有關(guān)，還與套管的徑向變形有關(guān)。

B環(huán)空分別注入不同體積含量的氣體后，B環(huán)空壓力顯著降低。全液相時，溫度每升高1 ℃，環(huán)空壓力升高0.7 MPa；當B環(huán)空氣體體積為15%時，溫度每升高1 ℃，環(huán)空壓力升高0.06 MPa。不同氣液比情況下，各環(huán)空溫度和壓力情況如表3所示。隨著氣液比增加，各環(huán)空溫度升高值基本不變；B環(huán)空壓力顯著降低，由全液相時的17.98 MPa降低為1.67 MPa；A環(huán)空和C環(huán)空壓力逐漸降低，主要是因為B環(huán)空壓力降低，套管徑向變形造成A、C環(huán)空壓力降低。

表3 注泡沫隔離液后環(huán)空溫度和壓力變化表

環(huán)空氣體體積比增加時，環(huán)空壓力逐漸降低，當環(huán)空氣體體積比增加到5%后，隨著氣體體積增加，環(huán)空圈閉壓力降低幅度趨于穩(wěn)定，與理論分析結(jié)果一致(圖5)。

圖5 環(huán)空氣液比與環(huán)空壓力關(guān)系

4 計算實例

南海氣田某井水深1 345 m，設(shè)計井深3 450 m，地溫梯度：3.87 ℃/100 m，儲層溫度：71.0～95.1℃，儲層壓力系數(shù)：1.19～1.21，儲層壓力：37.4～40.3 MPa，氣井產(chǎn)量70×104m3/d。?914.4 mm導管下深1 325 m；?508 mm表層套管下深2 100 m，水泥返高至泥線；?339.1 mm技術(shù)套管下深2 980 m，水泥返高至2 200 m；?245.7 mm生產(chǎn)套管下深3 780 m，水泥返高至2 800 m。

根據(jù)參考文獻[12]中的模型，可以得到A環(huán)空井口處溫度為70 ℃，B環(huán)空井口處溫度為62 ℃。

當井筒內(nèi)全為液體時，計算得到B環(huán)空圈閉壓力為29.45 MPa，當含氣量增加到5%時，環(huán)空圈閉壓力降低為10.52 MPa，當含氣量增加到7.5%時，圈閉壓力趨于穩(wěn)定(表4)。理論計算結(jié)果與實驗結(jié)論相符合。

表4 環(huán)空氣液比與環(huán)空圈閉壓力表

5 結(jié)論

(1)基于氣、液兩相狀態(tài)方程，考慮套管柱徑向變形影響，建立注泡沫隔離液環(huán)空圈閉壓力計算模型，得到不同含氣量情況下的環(huán)空圈閉壓力大小。

(2)環(huán)空流體熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)隨溫度、壓力改變發(fā)生變化，采用實驗測定的熱物性參數(shù)可提高圈閉壓力計算精度。

(3)通過理論分析和室內(nèi)試驗表明，當環(huán)空內(nèi)氣體體積比趨近5%時，環(huán)空圈閉壓力趨于穩(wěn)定。