氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展與展望

李昱杉

摘要：氣井完整性管理是一種用于生產(chǎn)控制的新技術(shù)和新概念。這不僅是對(duì)油氣井整個(gè)生命周期的管理，而且是對(duì)有效減少井中地下流體量的應(yīng)用技術(shù)、運(yùn)營(yíng)和組織措施的綜合管理。氣井建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的安全隱患在合理可接受的范圍內(nèi)，從經(jīng)濟(jì)上，合理地降低了氣井建設(shè)的可能性，確保氣井的安全運(yùn)行。本文對(duì)氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行分析，以供參考.

關(guān)鍵詞：氣井管柱;完整性技術(shù);研究進(jìn)展

引言

近年來(lái)，中國(guó)在深層-超深層天然氣勘探領(lǐng)域取得了一系列重大突破，在東部盆地突破5000m，西部盆地突破8000m。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)石油天然氣股份有限公司深層-超深層新增探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量占比由“十一五”的平均38.8%增長(zhǎng)至“十二五”的平均59.6%，深層-超深層已經(jīng)成為中國(guó)陸天然氣儲(chǔ)量、產(chǎn)量增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域。隨著井深增加，井底溫度增高，龍崗70井井底溫度為161℃，五探1井井底預(yù)計(jì)溫度為180℃，塔探1井最高井底溫度超過(guò)200℃。

1油管柱結(jié)構(gòu)沖蝕完整性

油氣井管材及管柱結(jié)構(gòu)完整性管理指通過(guò)測(cè)試和監(jiān)控等方式獲取與管柱結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息，并進(jìn)行集成和整合，對(duì)有可能會(huì)造成井筒完整性失效的危害因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有針對(duì)性地實(shí)施管柱結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)。為了避免或減少油氣井完整性破壞事故的發(fā)生，保障油氣井安全高效生產(chǎn)，應(yīng)該制定有效的管理制度及技術(shù)措施?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)只適用于常規(guī)井的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)，但近20年來(lái)，油氣井井深平均增加了1倍以上，井內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高，大規(guī)模交替注采、壓力循環(huán)波動(dòng)易造成地質(zhì)構(gòu)造失穩(wěn)出砂使管柱完整性失效和井屏障退化，甚至導(dǎo)致泄漏、燃燒或爆炸等事故發(fā)生，對(duì)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。而失效事故頻發(fā)的根本原因是對(duì)管柱系統(tǒng)的完整性和可靠性缺乏系統(tǒng)、全面的考慮和管理。在嚴(yán)酷的井下環(huán)境中，高溫高產(chǎn)氣井管內(nèi)固、液混合多相流沖蝕損傷管柱，使其承載能力降低，而在實(shí)際工況中沖蝕導(dǎo)致管柱失效的形式是多種多樣的，建立完整、全面的沖蝕管控和相應(yīng)措施至關(guān)重要。

2不同開(kāi)井產(chǎn)量和開(kāi)井時(shí)間對(duì)水合物生成區(qū)域的影響

井筒中的溫度接近外界環(huán)境溫度（泥線處井筒內(nèi)的溫度最低為3℃），井筒內(nèi)溫度低、壓力高，滿足水合物生成所需條件。對(duì)于不同開(kāi)井產(chǎn)量，井筒中溫度都隨著開(kāi)井時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸上升，但上升幅度逐漸變小，最終管柱溫度和地層環(huán)境溫度達(dá)到傳熱穩(wěn)定狀態(tài)后不再變化，井筒中的水合物生成區(qū)域達(dá)到最小。這種現(xiàn)象出現(xiàn)是因?yàn)樵诔蹰_(kāi)井時(shí)井筒內(nèi)部的溫度低，地層熱流體進(jìn)入井筒之后，初始溫度升高較快，隨著井筒內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度的傳熱趨于穩(wěn)定，傳熱速率減小，因此溫度升高幅度隨時(shí)間減小。結(jié)合水合物相平衡曲線，可以得到初開(kāi)井過(guò)程中的水合物生成區(qū)域變化情況，可以看出開(kāi)井時(shí)間越長(zhǎng)，管柱中水合物生成區(qū)域越小，且管柱內(nèi)溫度與水合物相平衡溫度之間的橫向距離（過(guò)冷度）越小，水合物生成風(fēng)險(xiǎn)越小，以初開(kāi)井時(shí)的水合物生成區(qū)域最大。例如當(dāng)產(chǎn)量為120×104m3/d時(shí)，開(kāi)井時(shí)的水合物生成區(qū)域?yàn)榫谄脚_(tái)至泥線以下457m（0～1934m），開(kāi)井2h后，井筒中的溫度高于水合物生成溫度，不滿足水合物生成條件，水合物生成風(fēng)險(xiǎn)消失。為深水氣井NH-AX開(kāi)井1h不同產(chǎn)量的水合物生成區(qū)域?？梢钥闯霎a(chǎn)量越大，流體在管柱及泥線處的溫度越高，水合物生成的風(fēng)險(xiǎn)也越小。例如當(dāng)開(kāi)井產(chǎn)量為40×104m3/d時(shí)，從測(cè)試平臺(tái)到井深1720m處均有水合物生成風(fēng)險(xiǎn);而當(dāng)開(kāi)井產(chǎn)量為120×104m3/d時(shí)，水合物生成僅存在于測(cè)試平臺(tái)到820m的井深處，高產(chǎn)量下的水合物生成風(fēng)險(xiǎn)降低了。

3氣井管柱完整性的主要研究進(jìn)展

3.1鉆桿適用性評(píng)價(jià)方法研究與應(yīng)用

在“九五”期間，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管道技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“管理研究院”）將與有關(guān)部門(mén)合作。研究開(kāi)發(fā)技術(shù)和軟件，以評(píng)估鉆桿的安全性和可靠性。本標(biāo)準(zhǔn)適用于氣井鉆桿的失效分析和安全評(píng)估。主要功能包括評(píng)估損壞的鉆桿的安全性（FAD估算和缺陷尺寸曲線），預(yù)測(cè)鉆桿的疲勞壽命以及評(píng)估鉆桿的安全性和可靠性。性能和風(fēng)險(xiǎn)，鉆桿的操作限制（包括APIRP7G含量），用于定量分析鉆桿破裂事故的原因。主要?jiǎng)?chuàng)新包括：解決鉆桿斷裂缺陷和損傷評(píng)估圖的關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括計(jì)算粘度比（Kr）和載荷系數(shù)（Lr）的方法;使用有限元法的系統(tǒng)鉆桿執(zhí)行大量計(jì)算和應(yīng)力分析，以在鉆桿中產(chǎn)生裂紋，解決形狀缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)。

3.2基于應(yīng)變的熱采井管柱設(shè)計(jì)與選材技術(shù)

根據(jù)彈塑性變形理論，以變形為主要控制參數(shù)，引入了統(tǒng)一的伸長(zhǎng)率和蠕變速度等技術(shù)指標(biāo)。建立了用于計(jì)算管柱效率指示器系統(tǒng)，螺紋連接合格率的評(píng)定方法。共同開(kāi)發(fā)了新的殼牌80SH，并制定了四個(gè)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。新疆油田采用傳統(tǒng)固井技術(shù)，已完成8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和7輪注蒸汽后測(cè)井。闡明了熱采井中套管的破壞機(jī)理，從熱套管的構(gòu)造出發(fā)，提出了防止熱回收井的塑性變形所引起的套管在套管中的變形，收縮，破壞和運(yùn)行的問(wèn)題。熱采井中套管剪切的主要原因是泥巖膨脹和蒸汽泄漏引起的高溫密封失效?；趶椝苄岳碚?，充分考慮塑性變形的特性，開(kāi)發(fā)出了一種能夠充分發(fā)揮材料潛力的基于變形的量規(guī)計(jì)算方法，并保證套管柱在其整個(gè)生命周期中的安全性。在繼承現(xiàn)有應(yīng)力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，確定管柱的基礎(chǔ)材質(zhì)必須符合鉆井和完井要求，并符合三軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。三軸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，管柱載荷需在應(yīng)力橢圓VME的80%以內(nèi)，并且整個(gè)載荷線都在安全范圍內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

1）沖蝕失效是沖蝕與載荷綜合作用的結(jié)果，破壞管柱結(jié)構(gòu)完整性，現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并不能完全保證在服役過(guò)程中的管柱結(jié)構(gòu)完整。因此需要在管柱結(jié)構(gòu)完整性標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研究油管柱結(jié)構(gòu)沖蝕完整性，并建立考慮沖蝕管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。2）當(dāng)日產(chǎn)量固定時(shí)，在油管下部適當(dāng)選用內(nèi)徑大壁厚較薄組合油管，可降低臨界沖蝕流量，提高油管抗沖蝕能力。相比改變組合油管上部壁厚，改變下部油管壁厚能明顯提高抗沖蝕能力。

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