深水水下井口抬升預(yù)防方案研究

龐東豪

（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，天津 300450）

油氣井在勘探開發(fā)過程中，地層油氣水流將井底的熱量攜帶至井口，導(dǎo)致井口管柱受熱膨脹伸長并形成軸向上頂力。同時圈閉流體溫度升高，造成圈閉壓力，井口管柱在圈閉壓力條件下也會產(chǎn)生軸向上頂力，進而造成井口抬升，對油氣井生產(chǎn)造成重大安全隱患[1-8]。井口抬升現(xiàn)象嚴(yán)重影響了油氣井正常生產(chǎn)作業(yè)，與生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的復(fù)雜的溫度變化和壓力變化密切相關(guān)[9-11]。

1 主流水下井口系統(tǒng)

1.1 Vetco公司

Vetco公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于世界各地，生產(chǎn)水下井口系統(tǒng)的開始時間較早。該公司的水下井口系統(tǒng)主要有2種結(jié)構(gòu)，分別可以掛四層和三層套管，“四掛”比“三掛”增加了非傳統(tǒng)尺寸套管掛，鉆井作業(yè)可以適應(yīng)更多的套管層次和更小的壓力窗口。

該公司的產(chǎn)品主要有SG-5、SG-5XP、MS-700和MS-800等不同系列。

1.2 Dril-Quip公司

Dril-Quip公司產(chǎn)品同樣廣泛應(yīng)用于世界各地，在南中國海的深水油氣勘探開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)中應(yīng)用較多。該公司的水下井口系統(tǒng)的額定工作壓力有69 MPa和103.5 MPa，在不同海洋環(huán)境中均可以很好地完成鉆完井作業(yè)。該公司的產(chǎn)品主要有SS-10和SS-15等不同型號。SS-15高壓井口頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。這2種型號的水下井口系統(tǒng)，主要是強度和適合水深不一樣，SS-10的額定壓力為69 MPa，SS-15的額定壓力為103.5 MPa，SS-10更適合淺水鉆完井作業(yè)，SS-15更適合深水鉆完井作業(yè)。

圖1 SS-15高壓井口頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 FMC公司

相比較于前兩家公司，F(xiàn)MC公司的產(chǎn)品有如下特點：（1）安裝密封沒有額定扭矩的要求；（2）作業(yè)過程中的起下鉆次數(shù)較少，因為其下放工具集合成了模塊；（3）起下難度較小，受井口傾斜角的限制較小；（4）安裝快，鉆完井效率更高。

該公司的產(chǎn)品主要有UWD-15、UWD-10和UWD-HC等型號，HC型號又包括HC-15和HC-20等不同壓力等級，15型號也包括標(biāo)準(zhǔn)型、帶流道型和預(yù)載荷型等不同產(chǎn)品。

1.4 Aker公司

Aker公司的產(chǎn)品最主要特點是采用了金屬密封，其主要優(yōu)點是：（1）密封總成可承受載荷較高；（2）套管受力可以直接作用于高壓井口頭；（3）環(huán)空密封鎖緊裝置設(shè)計成2個方向鎖緊，更適用于深水或高壓油氣井的勘探開發(fā)。

該公司的產(chǎn)品主要是S-B型水下井口系統(tǒng)，額定壓力是103.5 MPa。

2 預(yù)防井口抬升監(jiān)測和預(yù)測

為了有效防止井口抬升事故的出現(xiàn)，必須對可能產(chǎn)生井口抬升的種種跡象進行監(jiān)測或預(yù)測。井口產(chǎn)生明顯的軸向位移、井口的溫度明顯升高和氣井產(chǎn)量較大以及環(huán)空壓力升高都是較為敏感的影響因素，密切監(jiān)視這些敏感因素或在作業(yè)前的設(shè)計階段進行軟件仿真模擬預(yù)測，都是減小井口抬升風(fēng)險的有效方式[12-15]。

2.1 水下井口應(yīng)力數(shù)據(jù)采集

在陸地油田或海上作業(yè)的水上井口，井口抬升產(chǎn)生的軸向位移的跟蹤監(jiān)測通?？梢杂矛F(xiàn)場可視化甚至人工的方式進行，較為常見的方式是在位移敏感部件參照物上標(biāo)識刻度、安裝位移傳感裝置或安裝位移監(jiān)測警報系統(tǒng)，當(dāng)井口的軸向位移超過某一邊界值，即視為井口抬升風(fēng)險過高，需要進行必要的應(yīng)對。

而在海上深水作業(yè)或淺水水下作業(yè)工況下，采取上述方式不經(jīng)濟甚至無法完成。較為可行的方式是采集和監(jiān)測井口的應(yīng)力，再用配套的軟件對采集到的應(yīng)力進行受力分析，當(dāng)受力超過某一邊界值，即視為井口抬升風(fēng)險過高，即啟動相應(yīng)的處理程序。

2.2 水下井口溫度數(shù)據(jù)采集

油氣井生產(chǎn)過程中，如果地層溫度較高，產(chǎn)出的地層油氣水流攜帶的熱量會逐步加熱井口及附近的管柱。通常情況下，未進行固井水泥封固的套管自由段的軸向伸長和相應(yīng)的上頂力是造成井口抬升的敏感因素。而溫度升高造成的環(huán)空壓力升高，其軸向的分力也會產(chǎn)生上頂力，對井口抬升形成部分誘因。

如果把套管自由段的軸向伸長和環(huán)空壓力看作抬升上頂力的自變量，把上頂力看作井口抬升風(fēng)險邊界值的自變量，而井口溫度就是套管軸向伸長和環(huán)空壓力的自變量，所以水下井口溫度數(shù)據(jù)的采集則是減小井口抬升風(fēng)險的有效方式。

2.3 產(chǎn)量和環(huán)空壓力數(shù)據(jù)采集

如上所述，環(huán)空壓力可能間接造成井口抬升。如果未產(chǎn)生環(huán)空壓力的影響（即環(huán)空壓力產(chǎn)生的軸向上頂力接近0），產(chǎn)量較大時可能發(fā)生井口抬升，因此需要密切監(jiān)測產(chǎn)量；如果存在環(huán)空壓力時，生產(chǎn)過程中的井口抬升風(fēng)險同時受到產(chǎn)量和環(huán)空壓力影響，因此需要充分評估和統(tǒng)籌考慮產(chǎn)量和環(huán)空壓力的綜合影響。

對于深水水下井口系統(tǒng)，只有A環(huán)空的環(huán)空壓力可以監(jiān)測和控制，水下生產(chǎn)系統(tǒng)A環(huán)空壓力管理方式，如圖2所示。實際作業(yè)過程中需要結(jié)合不同工況進行分析計算，結(jié)合實際產(chǎn)量進行井口抬升風(fēng)險評估。

圖2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)A環(huán)空壓力管理方式

2.4 軟件仿真模擬預(yù)測

評價和減小井口抬升風(fēng)險，是海上深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)設(shè)計階段不可或缺的內(nèi)容。通過軟件進行建模，然后對沒有環(huán)空壓力管理及井口抬升預(yù)防措施進行可行性分析，繼而對不同產(chǎn)量、不同地層溫度壓力和不同環(huán)空壓力管理方式進行敏感性分析，充分評估井口抬升的風(fēng)險，進而在設(shè)計階段采取不同的方案進行防范，以達到安全高效生產(chǎn)的目的。Workbench平臺下有限元模擬分析的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如圖3所示。

圖3 Workbench平臺下有限元模擬分析的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

3 水下井口抬升預(yù)防方案

3.1 保證表層套管下深和上返

水下井口抬升的預(yù)防，首先需要防止整體抬升，而大尺寸的導(dǎo)管和表層套管有決定性的影響。表現(xiàn)在導(dǎo)管和表層套管本身的重力較大，可以部分克服中間套管和生產(chǎn)套管受熱伸長產(chǎn)生的上頂力。其次，大尺寸的導(dǎo)管和表層套管與井壁的接觸面積較大，軸向摩阻可以很大程度減小井口整體抬升的風(fēng)險。

而導(dǎo)管的入泥深度受到淺層地層強度的影響，同時需要考慮井口穩(wěn)定性，其下入深度通常受到限制。而表層套管下入深度較大，且水泥返高盡量上返至泥線并保證固井質(zhì)量，一方面可以增加軸向的摩阻，另一方面可以減少套管自由段造成的軸向上頂力，進而降低水下井口抬升的風(fēng)險。

3.2 安裝套管熱補償裝置

在高溫高壓氣井生產(chǎn)過程中可以采用套管熱補償裝置來避免由于套管溫度升高所帶來的井口抬升而引起的危害。熱補償裝置的工作原理是當(dāng)套管受熱伸長產(chǎn)生軸向力，軸向力達到一定邊界值時剪斷銷釘，中心管和外管產(chǎn)生相對位移，從而減小套管的軸向伸長。在海上深水作業(yè)中，日趨成熟的配套技術(shù)，讓這項陸地應(yīng)用成熟的技術(shù)應(yīng)用到海上深水成為可能。

3.3 限定測試或生產(chǎn)產(chǎn)量

如前所述，海上探井的測試產(chǎn)量或生產(chǎn)井的生產(chǎn)產(chǎn)量較大時，攜帶地層的熱量更快更多，可能發(fā)生井口抬升，需要密切監(jiān)測產(chǎn)量；而產(chǎn)量較大可能造成環(huán)空壓力升高，進而間接升高井口抬升風(fēng)險，生產(chǎn)過程中的井口抬升風(fēng)險受到產(chǎn)量影響最大。因此，需要嚴(yán)格控制探井測試和生產(chǎn)井生產(chǎn)的產(chǎn)量。

3.4 使用隔熱技術(shù)

在深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，井口抬升的原因歸根結(jié)底是地層熱量攜帶至井口，并在井口附近傳遞熱量，繼而造成熱膨脹產(chǎn)生了軸向的上頂力。如果在油套環(huán)空試用隔熱完井液，最大程度地減小熱傳遞，則可有效避免井口抬升的發(fā)生。

另外，使用隔熱套管、隔熱水泥材料，充填隔熱氣體、隔環(huán)空保護液等措施也是很好的隔熱措施，不過材料成本較高，限制了其應(yīng)用和推廣。隔熱油管及結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 隔熱油管及結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 減少套管自由段

相對于套管的水泥封固段，套管自由段的軸向上頂力和伸長量更大。在預(yù)防海上油氣井井口抬升時，可以在設(shè)計階段提高水泥返高，特別是表層套管，因為尺寸較大繼而相應(yīng)的自由段受熱上頂力更大，從而更需要減少套管自由段，沒有特殊情況下，應(yīng)盡量返高到泥線。中間套管和生產(chǎn)套管的水泥返高，應(yīng)統(tǒng)籌考慮環(huán)空圈閉壓力的影響，避免水泥返高過高導(dǎo)致的環(huán)空壓力過大。

3.6 提高固井質(zhì)量

類似于上述減少套管自由段的理論，相對于套管的水泥封固段，套管自由段的軸向上頂力和伸長量更大。套管水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量不好的比例越大，相當(dāng)于自由段套管長度越長，井口抬升的風(fēng)險越大，因此應(yīng)該盡量保證套管的固井膠結(jié)質(zhì)量。

3.7 使用水下井口防抬升鎖緊環(huán)

帶鎖緊環(huán)的深水水下井口系統(tǒng)包含高壓井口頭、套管掛（套管掛個數(shù)根據(jù)套管層數(shù)確定）、環(huán)空密封（本體及鎖緊環(huán)）、鎖緊補心裝置（本體、驅(qū)動環(huán)及鎖緊環(huán)），緊鄰鎖緊補心的套管掛上端面與鎖緊補心本體接觸，鎖緊補心下端面與緊鄰套管掛不接觸，存在縫隙。水下井口防抬升鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 水下井口防抬升鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)空密封的鎖緊環(huán)座于高壓井口的限位槽內(nèi)，鎖緊補心的鎖緊環(huán)座于高壓井口的鎖緊槽內(nèi)，從而限制套管掛上移，達到預(yù)防井口抬升的目的。水下井口防抬升鎖緊環(huán)實物圖如圖6所示。

圖6 水下井口防抬升鎖緊環(huán)實物圖

4 結(jié)論

（1）世界范圍內(nèi)，主流水下井口系統(tǒng)的生產(chǎn)商包括Vetco公司、Dril-Quip公司、FMC公司和Aker公司等。

（2）預(yù)防井口抬升監(jiān)測和預(yù)測方式，包括井口位移監(jiān)測、井口溫度監(jiān)測、產(chǎn)量及環(huán)空壓力監(jiān)測和軟件仿真模擬預(yù)測等。

（3）水下井口抬升預(yù)防方案，包括保證表層套管下深和上返、安裝套管熱補償裝置、限定測試或生產(chǎn)產(chǎn)量、使用隔熱技術(shù)、減少套管自由段、提高固井質(zhì)量和使用水下井口防抬升鎖緊環(huán)等。