油套環(huán)空帶壓氣井漏點位置放壓診斷研究

舒 剛, 陳 浩, 馬輝運， 李玉飛, 汪傳磊, 朱達江, 周 浪

中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院

0 引言

環(huán)空帶壓是指油套環(huán)空、技套環(huán)空、表套環(huán)空的井口處壓力根據(jù)設(shè)計應(yīng)接近于0而實際上異常地帶有較高壓力的現(xiàn)象，在各地區(qū)氣井中都較常見。美國礦業(yè)管理局的環(huán)空帶壓統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在海灣外大陸架地區(qū)，環(huán)空帶壓的油氣井占比逐年增加，在15 500口井中，有6 692口井存在環(huán)空帶壓。墨西哥灣地區(qū)某油氣田26口生產(chǎn)井有22口井(占總數(shù)的85%)存在環(huán)空帶壓[1- 3]。國內(nèi)大慶油田的升深8、徐深10、徐深901、徐深606、達深斜5等存在技套環(huán)空帶壓情況，塔里木的克拉氣田有11口井環(huán)空帶壓，其中克拉2-10井套壓54 MPa，此外牙哈7X-1井套壓25.8 MPa,西南地區(qū)龍崗、普光等氣田也存在部分氣井環(huán)空帶壓的情況[4- 7]。

持續(xù)的環(huán)空帶壓一旦發(fā)生，處理辦法非常有限，壓力超過井筒或井口承壓能力的高壓含硫氣井存在含硫天然氣泄漏風(fēng)險，是影響氣井安全生產(chǎn)的難題之一[8- 12]。對于環(huán)空帶壓氣井的生產(chǎn)管理和措施制定，明確環(huán)空帶壓的機理和建立簡便有效的漏點位置診斷方法尤為重要。將漏點檢測儀器下入油管內(nèi)可確定漏點位置，但是影響生產(chǎn),費用高,存在一定施工風(fēng)險，目前國內(nèi)較少應(yīng)用。漏點位置的地面放壓診斷方法費用低,風(fēng)險小，目前尚處于起步階段，本文即是研究漏點位置的地面診斷方法。

1 油套環(huán)空帶壓原因與過程

1.1 帶壓原因

油套環(huán)空帶壓與鉆井作業(yè)、完井試油作業(yè)、采氣操作、油套管及采氣井口密封性能、水泥環(huán)性能等多種因素有關(guān)，主要原因可歸納為3方面。

(1)溫度變化會引起井內(nèi)流體、套管、水泥環(huán)熱脹冷縮，流體體積變化大于對應(yīng)的容積變化，導(dǎo)致環(huán)空帶壓。油管內(nèi)或環(huán)空的壓力變化引起管柱的鼓脹效應(yīng)導(dǎo)致環(huán)空容積變化，也會引起環(huán)空壓力變化。

(2)由于井筒或井口的某部分屏障發(fā)生泄漏使得氣體竄至井口環(huán)空引起環(huán)空帶壓。

(3)出于施工作業(yè)或工藝目的對環(huán)空人為加壓，施加的壓力如果不完全泄掉會引起環(huán)空帶壓，如酸化壓裂施工中加的平衡壓。

溫度變化和管柱鼓脹效應(yīng)引起的環(huán)空帶壓、人為加壓在放壓后基本就不再帶壓，安全風(fēng)險較小。氣竄引起的環(huán)空帶壓放壓后壓力會再次上升，形成持續(xù)的環(huán)空帶壓，這類環(huán)空帶壓難以處理，對高壓含硫氣井安全生產(chǎn)有較大影響，因此主要研究該類環(huán)空帶壓中的油套環(huán)空帶壓。

1.2 帶壓過程

高壓含硫氣井普遍采用氣密封扣油管和永久式完井封隔器進行完井，因此封隔器以上的油套環(huán)空是一個容積近似不變的密閉空間。完井后，正常情況下該密閉空間充滿液體，出現(xiàn)漏點后氣體才進入引起油套環(huán)空帶壓。下面闡述完井管柱泄漏引起的油套環(huán)空帶壓過程，從出現(xiàn)漏點開始，油套環(huán)空帶壓主要有5個過程：

(1)出現(xiàn)漏點。某一時刻油管出現(xiàn)漏點，在漏點處油管內(nèi)壓力大于油管外壓力的條件下，天然氣持續(xù)滲漏進入油套環(huán)空。

(2)第一次平衡。由于油套環(huán)空是一個密閉空間，天然氣持續(xù)進入將引起油套環(huán)空內(nèi)的壓力持續(xù)增加，直到漏點處油管內(nèi)外壓力相等后，天然氣停止進入油套環(huán)空，這是第一次平衡。進入的天然氣體積由油套環(huán)空的綜合容積變化確定，包括套管膨脹后增加的容積、油管壓縮后增加的容積、液體壓縮對應(yīng)的容積。由于油套環(huán)空是受限空間，油套管屬剛性體，其變形空間小，液體壓縮性也小，只能進入很小體積的高壓天然氣。

(3)天然氣上升并膨脹。進入油套環(huán)空后的天然氣在浮力作用下緩慢上升。對于微滲情況，只有微量氣體進入環(huán)空，無液體滲漏。對于滲漏較重的情況，漏點處的油套環(huán)空壓力持續(xù)增加，打破壓力平衡，引起油套環(huán)空內(nèi)的液體持續(xù)滲漏進入油管內(nèi)和天然氣體積持續(xù)膨脹。

(4)第二次平衡。天然氣上升至井口后繼續(xù)膨脹，漏點處的油套環(huán)空壓力持續(xù)減小，直到漏點處油管內(nèi)外壓力相等后，天然氣停止進入油套環(huán)空，這是第二次平衡。漏失進入油管內(nèi)的液體體積由天然氣的膨脹體積和油套環(huán)空的綜合容積變化確定。井口處的氣柱高度由油管內(nèi)外的壓力平衡關(guān)系確定。由于漏點處存在壓力平衡，漏點以上液柱靜壓力越小，套壓越大。漏點處的壓力由氣柱壓力、流動摩阻、流動油壓確定。

(5)打破平衡與再平衡。由于產(chǎn)量調(diào)整、環(huán)空放壓等操作，油管內(nèi)的壓力分布或油套環(huán)空內(nèi)的壓力分布將發(fā)生變化，從而漏點處油管內(nèi)外的壓力平衡被打破，引起油管內(nèi)天然氣進入油套環(huán)空或油套環(huán)空內(nèi)液體進入油管。與前面的過程相似，經(jīng)過一定時間后漏點處的油管內(nèi)外壓力將重新平衡。因此，產(chǎn)量調(diào)整、環(huán)空放壓等操作將導(dǎo)致環(huán)空內(nèi)的液體減少，環(huán)空帶壓情況有變得更嚴重的趨勢，當(dāng)漏點以上環(huán)空內(nèi)只剩氣體時環(huán)空帶壓值將達到最大。

2 漏點位置計算方法

當(dāng)產(chǎn)層上部某一層位的天然氣由水泥環(huán)、油層套管滲入油套環(huán)空時，可通過氣體組分分析和固井質(zhì)量數(shù)據(jù)確定環(huán)空帶壓的原因和大致滲漏位置。當(dāng)采氣井口密封失效導(dǎo)致產(chǎn)出氣體竄入油套環(huán)空時，油壓和套壓接近，同時二者有明顯的壓力聯(lián)動特征，比較容易判斷出來。對于產(chǎn)層天然氣由技套環(huán)空水泥環(huán)間隙上竄并通過封隔器以上某處油層套管滲入油套環(huán)空的情況，由于封隔器以下油層套管固井長度通常較長，并且油層套管常使用氣密封扣，天然氣通過這種途徑進入油套環(huán)空的概率很小。因此，對以上三種情況不作分析，主要是分析油管絲扣滲漏和封隔器失效滲漏引起的油套環(huán)空帶壓。

油套環(huán)空帶壓過程復(fù)雜，若采用多相流方法計算漏點位置，難度將很大。根據(jù)帶壓過程分析結(jié)果，進入第二次壓力平衡后，天然氣停止進入環(huán)空，環(huán)空上部是靜止氣柱，環(huán)空下部是靜止液柱，漏點位置計算簡化為單相流問題。

如圖1(a)，油管出現(xiàn)漏點后，氣體進入環(huán)空。經(jīng)過一定時間后，油壓、套壓趨于穩(wěn)定，氣體停止進入環(huán)空，漏點處壓力滿足以下關(guān)系：

p油內(nèi)=p油外

(1)

即：pt+pfric+ptg=pc+pcg+pcL

(2)

如圖1(b)，封隔器失效后，氣體進入環(huán)空。經(jīng)過一定時間后，油壓、套壓趨于穩(wěn)定，氣體停止進入環(huán)空，封隔器上下壓力滿足以下關(guān)系：

圖1 油管絲扣滲漏和封隔器失效滲漏的壓力平衡示意圖

p封下=p封上

(3)

即：pr-Δpprod-pwg-pfric=pc+pcg+pcL

(4)

式中：p油內(nèi)—油管內(nèi)的壓力；p油外—油管外的壓力，即油套環(huán)空內(nèi)的壓力；pt—油壓；pfric—流動摩阻；ptg—油管內(nèi)的氣柱壓力；pc—套壓；pcg—油套環(huán)空內(nèi)的氣柱壓力；pcL—油套環(huán)空內(nèi)的液柱壓力；p封下—油套環(huán)空封隔器下部壓力；p封上—油套環(huán)空封隔器上部壓力；pr—產(chǎn)層壓力；Δpprod—生產(chǎn)壓差；pwg—井筒內(nèi)氣柱壓力。

式(2)和式(4)表明，油壓、套壓趨于穩(wěn)定后，天然氣停止進入環(huán)空，環(huán)空內(nèi)無氣液兩相流，封隔器上部油套環(huán)空內(nèi)的壓力與油管內(nèi)的壓力(或封隔器下部的環(huán)空壓力)一定在滲漏點對應(yīng)井深處相等，即井深—壓力曲線在滲漏點井深處相交。要獲得滲漏點井深位置，就需要計算出對應(yīng)的井深—壓力曲線，包括p油內(nèi)(H)、p油外(H)、p封下。

求解p油內(nèi)(H)需要計算管內(nèi)氣體流動壓力，求解p油外(H)需要計算pcg、pcL，求解p封下需要計算Δpprod、pwg[13]，以上氣體流動壓力、氣柱壓力、液柱壓力、生產(chǎn)壓差的計算已有成熟計算模型和商業(yè)軟件可以實現(xiàn)，不再闡述。

3 漏點位置放壓診斷

漏點位置計算中需要用到環(huán)空氣柱高度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通常是未知的，需要利用聲波測液面設(shè)備直接測量氣柱高度，或者采用環(huán)空放壓測試估算出氣柱高度值，本文以環(huán)空放壓測試為例進行診斷分析。通常情況下，環(huán)空放壓的時間短，并且放出氣流量遠大于放壓期間通過滲漏點進入環(huán)空的氣流量，滲漏進入的氣量忽略不計，因此假設(shè)放壓過程中環(huán)空內(nèi)沒有氣體補充。環(huán)空放壓后，依據(jù)氣體PVT方程，結(jié)合放出的氣量、放壓前后的壓力變化可計算出環(huán)空氣柱高度。

PV=ZnRT

(5)

n放前=n放后+n放

(6)

式(5)帶入式(6)，整理后得到含氣柱高度Hg的計算式：

(7)

式中：n放前—放壓前環(huán)空中氣體的物質(zhì)的量；n放后—放壓后環(huán)空中氣體的物質(zhì)的量；n放—放出氣體的物質(zhì)的量；p放前i—放壓前第i個節(jié)點處的氣壓；p放后i—放壓后第i個節(jié)點處的氣壓；ps—標況壓力；Ti—第i個節(jié)點處的溫度；Ts—標況溫度；Z放前i—放壓前第i個節(jié)點處的氣體壓縮系數(shù)；Z放后i—放壓后第i個節(jié)點處的氣體壓縮系數(shù)；Zs—標況下的氣體壓縮系數(shù)；V放—放出的氣體標況體積；S環(huán)空—環(huán)空截面積；Hg—環(huán)空氣柱高度；R—普適氣體常數(shù)；k—計算節(jié)點數(shù)。

在西南地區(qū)A、B兩個高壓含硫氣田開展了20余井次的油套環(huán)空放壓測試，進行了漏點位置放壓診斷。其中的個別井開展了井下漏點聲波測井，與測井結(jié)果對比表明，計算的漏點位置誤差在15%以內(nèi)。以X井為例進行分析，該井是一口斜井，完井管柱下深5 740 m，產(chǎn)層溫度150 ℃，產(chǎn)層壓力59.1 MPa，產(chǎn)氣量27×104m3/d，油壓40.7 MPa，套壓27.9 MPa，氣質(zhì)分析顯示油套環(huán)空天然氣屬于產(chǎn)層氣。放壓期間，套壓在40 min內(nèi)由27.9 MPa下降至8.5 MPa，放出氣量290 m3。壓力恢復(fù)期間，套壓在24 h內(nèi)由8.5 MPa上升至13.8 MPa，表明氣體滲入速度較慢。計算得到p油內(nèi)(H)、p油外(H)以及封隔器下部壓力(圖2)，p油內(nèi)(H)與p油外(H)曲線相交于1 930 m，表明滲漏點在垂深1 930 m附近。井下漏點聲波測井結(jié)果顯示垂深2 211 m油管接箍處存在顯著的低到中頻噪音，即存在漏點，計算結(jié)果與測井結(jié)果基本相符。

圖2 X井油管內(nèi)外壓力曲線

該井油套環(huán)空的氣量相對較少，并且漏點為井筒中部油管接箍處，暫時不影響安全生產(chǎn)，可不進行環(huán)空補液和采取其它重大措施。根據(jù)前面的環(huán)空帶壓機理分析，該井需要盡量減少產(chǎn)量調(diào)整，在滿足環(huán)空允許承壓能力的條件下，減少環(huán)空放壓次數(shù)，避免更多天然氣進入環(huán)空和漏點增大。后期，該井套壓沒有繼續(xù)增大，表明環(huán)空壓力管理建議起到作用。漏點位置放壓診斷結(jié)果受環(huán)空液體密度、氣體組分、油套壓穩(wěn)定情況、井筒與地層參數(shù)的選取等因素影響產(chǎn)生一定誤差，但是對于漏點位置粗略確定、環(huán)空帶壓原因判斷及氣井生產(chǎn)管理具有參考意義。

4 結(jié)論

(1)油套環(huán)空帶壓主要有5個過程：出現(xiàn)漏點、第一次平衡、天然氣上升并膨脹、第二次平衡、打破平衡與再平衡。產(chǎn)量調(diào)整、環(huán)空放壓等將導(dǎo)致環(huán)空內(nèi)的液體減少，環(huán)空帶壓情況有變嚴重的趨勢，漏點以上環(huán)空內(nèi)只剩氣體時的環(huán)空帶壓值達到最大。

(2)在油壓、套壓穩(wěn)定的條件下，基于長時間滲漏后達到壓力平衡的原理，即井深—壓力曲線在滲漏點井深處相交，建立起漏點位置計算方法。

(3)結(jié)合現(xiàn)場油套環(huán)空放壓、井筒與生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進行了油套環(huán)空帶壓氣井的漏點位置放壓診斷，確定了漏點大致位置。與下入漏點檢測儀器相比，該方法不影響生產(chǎn)，費用低，風(fēng)險小，為簡便有效地粗略確定漏點位置提供了途徑，對油套環(huán)空帶壓氣井的生產(chǎn)管理和措施制定起到重要作用。