液態(tài)二氧化碳注入井環(huán)空帶壓規(guī)律研究

王發(fā)清，秦德友，王 鵬，王方智，余福春

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆庫爾勒 841000）

CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)是一項(xiàng)針對(duì)溫室氣體的減排技術(shù)，能夠大幅減少使用化石燃料引起的溫室氣體排放。CCUS 技術(shù)涵蓋二氧化碳（CO2）捕集、運(yùn)輸、利用與封存4 個(gè)環(huán)節(jié)。在利用與封存環(huán)節(jié)，均需要將大量二氧化碳注入地下[1-3]。為確保注入泵有較高的效率，要求泵注時(shí)二氧化碳保持為液態(tài)。故現(xiàn)場(chǎng)施工采用的是低溫（約-10 ℃）液態(tài)二氧化碳，注入時(shí)易導(dǎo)致井口附近發(fā)生油管凍裂[4-7]。一旦油管發(fā)生泄漏，油套環(huán)空壓力急劇上升，伴隨著二氧化碳?xì)怏w等腐蝕性介質(zhì)竄入環(huán)空，泄漏程度擴(kuò)大，井筒屏障失效；倘若環(huán)空氣體泄漏至地面，則會(huì)導(dǎo)致井筒報(bào)廢，危及人員生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)完井管柱泄漏引起的環(huán)空異常起壓規(guī)律，對(duì)二氧化碳注入井的安全生產(chǎn)具有重要的意義[3-9]。

目前國(guó)內(nèi)外環(huán)空帶壓方面的研究，多針對(duì)采出井的診斷分析[8-14]，而有關(guān)液態(tài)二氧化碳注入導(dǎo)致的井筒失效方面的較少。本文首先分析了油管柱完好情況下，某油田注入低溫二氧化碳引起的環(huán)空壓降現(xiàn)象。接著基于商業(yè)軟件OLGA[15-20]，研究了油管柱發(fā)生一處漏失不同漏點(diǎn)深度、漏點(diǎn)等效直徑對(duì)油套環(huán)空壓力的影響規(guī)律。最后分析先后發(fā)生兩處漏點(diǎn)，油套管間流體擴(kuò)散與環(huán)空壓力的上升規(guī)律；總結(jié)出三條環(huán)空帶壓規(guī)律，期望對(duì)快速評(píng)價(jià)環(huán)空安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為二氧化碳注入井的完整性評(píng)價(jià)、修井作業(yè)安全提供技術(shù)支撐。

1 油管柱未發(fā)生漏失

施工現(xiàn)場(chǎng)為確保注入效率，要求泵注時(shí)二氧化碳為液態(tài)，故常常采用的是低溫（-10 ℃左右）液態(tài)二氧化碳。又因其定容比熱較高（為純水的0.218 倍），導(dǎo)致注入過程中井筒溫度均低于地溫（見圖1）（三口液態(tài)二氧化碳注入井的流溫梯度曲線）。因此，在注入過程中，環(huán)空保護(hù)液會(huì)發(fā)生冷卻而引起井口套壓降低（見圖2）。從圖2 中可以看出，隨著注入排量的逐漸增大，套壓不斷降低。這是因?yàn)樽⑷肱帕吭礁?，井筒溫度越低、且與周圍地層的溫度相差越大。因此，通過在投注前環(huán)空補(bǔ)壓，可以有效補(bǔ)償此溫降引起的壓降。

圖1 三口液態(tài)二氧化碳注入井的流溫梯度曲線

圖2 塔里木DH6 井注二氧化碳井口參數(shù)曲線

2 油管柱存在一處漏失

2.1 漏失點(diǎn)深度的影響

研究了油管柱中僅有一處漏失，且漏失點(diǎn)深度分別為532 m、1 530 m、2 525 m 和4 025 m，對(duì)應(yīng)的井口套壓值（見圖3（左））。從該圖可以看出，漏失點(diǎn)越淺，井口套壓越高；也就是說，漏失點(diǎn)越接近井口，對(duì)應(yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)就越大，這一規(guī)律與深層產(chǎn)氣井的單點(diǎn)泄漏規(guī)律一致[4-10]。因此，保證井口密封完整性，提高氣密扣油管（特別是上部油管）的入井質(zhì)量，都是降低井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的有效辦法。這一規(guī)律對(duì)于低溫二氧化碳注入井尤為重要，因?yàn)榫诟浇牡蜏厝菀资褂凸軆隽裑4-7]。

從圖3（左）的最小二乘法擬合曲線看，R2為0.998 9。因此，對(duì)于案例中的這口井，如果通過分析認(rèn)為僅有一處漏失點(diǎn)，便可以用井口套壓值推算此漏失點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度。對(duì)于出現(xiàn)漏失點(diǎn)深度與井口套壓直線關(guān)系的原因，分析認(rèn)為：如果漏失點(diǎn)越深，其所在深度處的平衡壓力越大（見圖3（右），4 025 m 與532 m 分別為44.8 MPa、18.1 MPa）。但由于漏入環(huán)空的二氧化碳工況體積近似相等，故漏失點(diǎn)越深，其對(duì)應(yīng)的環(huán)空保護(hù)液柱也越長(zhǎng)。所以，對(duì)應(yīng)的井口套壓也越低。

圖3 漏失點(diǎn)深度與井口套壓的關(guān)系（左）、漏失點(diǎn)油管和環(huán)空壓力與井深的關(guān)系（右）

2.2 漏失點(diǎn)等效直徑

用OLGA 軟件模擬了532 m 處漏失點(diǎn)等效直徑分別為0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm，井口環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間（見圖4）。從該圖中可以看出：（1）在等效直徑超過3 mm 后，穩(wěn)定時(shí)間均為0.1 h；（2）隨著等效直徑的增大，環(huán)空壓力的上升速度也越快，環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越短。因此，如果有條件采取環(huán)空化學(xué)堵漏的方式降低漏失點(diǎn)的等效直徑，也是控制井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

圖4 漏失點(diǎn)等效直徑對(duì)環(huán)空壓力上升的影響

3 油管柱先后發(fā)生兩處漏失

根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)漏點(diǎn)檢測(cè)資料以及生產(chǎn)情況反映[11-19]，完井管柱泄漏往往不是以單漏點(diǎn)的形式存在，通常是同時(shí)存在多個(gè)漏點(diǎn)。對(duì)于多漏點(diǎn)的情形，其環(huán)空壓力上升規(guī)律并不是由某一個(gè)漏點(diǎn)單獨(dú)決定，而是由所有漏點(diǎn)共同控制，相對(duì)于單漏點(diǎn)情形，多漏點(diǎn)泄漏還存在一個(gè)顯著的特征，就是在引起環(huán)空壓力上升的同時(shí)，油套環(huán)空液面也在不斷降低，這一點(diǎn)已經(jīng)在多口高含硫氣井中得到了證實(shí)。一旦環(huán)空液面下降，油套環(huán)空上部抗硫套管將處于無環(huán)空保護(hù)液狀態(tài)，將面臨在含H2S、CO2及水汽的復(fù)雜氣相中的嚴(yán)重腐蝕，威脅管柱與油氣井的安全。因此開展完井管柱多漏點(diǎn)泄漏規(guī)律分析、并提出合理的控制措施，對(duì)于注入井的安全生產(chǎn)具有重要意義。研究了2 525 m 泄漏后，分別在其上部（井深為1 530 m）、其下部（井深為4 025 m）又發(fā)生了二次漏失的流體擴(kuò)散和環(huán)空井口壓力上升的規(guī)律。

3.1 2 525 m 泄漏后1 530 m 又發(fā)生新的泄漏

這種雙漏點(diǎn)的油管與套管間流體的交換過程（見圖5），相應(yīng)的井口套壓上升規(guī)律（見圖7）。開始時(shí)，上漏點(diǎn)（1 530 m）處的油壓大于套壓，因而液態(tài)二氧化碳從油管泄漏入環(huán)空；而下漏點(diǎn)（2 525 m）處的流動(dòng)壓力則小于環(huán)空壓力，使得環(huán)空保護(hù)液漏入油管。隨著泄漏過程的不斷進(jìn)行，漏入環(huán)空的液態(tài)二氧化碳同時(shí)向上、向下擴(kuò)散，井口套壓也逐漸上漲，直到達(dá)到壓力P1。此時(shí)，二氧化碳將抵達(dá)下漏點(diǎn)，并開始從此處返回至油管。之后，從環(huán)空流出的保護(hù)液不斷減少，直至井口套壓等于P2，并完全停止，而僅有二氧化碳流出。隨著上漏點(diǎn)處油壓與套壓間的壓差不斷縮小，直到為零。這時(shí)，井口環(huán)空壓力為P3，下漏點(diǎn)至套管頭間的油套環(huán)空全為二氧化碳所充填。

圖7 雙漏點(diǎn)井口套壓上升規(guī)律

3.2 2 525 m 泄漏后4 025 m 又發(fā)生新的泄漏

這種第二漏點(diǎn)發(fā)生在第一漏點(diǎn)以下井段的擴(kuò)散規(guī)律，與上一種漏失情形（即第二漏點(diǎn)發(fā)生在第一漏點(diǎn)以上井段）類似。其流體擴(kuò)散規(guī)律（見圖5）：液體二氧化碳也從上漏點(diǎn)泄入環(huán)空，與此同時(shí)，環(huán)空保護(hù)液從環(huán)空流入油管柱。進(jìn)入環(huán)空的二氧化碳同時(shí)向上、向下突進(jìn)，向上直至套管頭，向下流至下漏點(diǎn)，并從此處返回油管柱。二氧化碳與環(huán)空保護(hù)液的質(zhì)量流量（見圖6）（圖中正值表示從油管流入環(huán)空，負(fù)值表示從環(huán)空漏出油管），兩者均從一個(gè)較高值不斷減小，直至為零。進(jìn)入油管的環(huán)空保護(hù)液，隨著二氧化碳一起向下流動(dòng)，最后被注入地層。從圖6 中可以看出，由上漏點(diǎn)流入環(huán)空的二氧化碳與從下漏點(diǎn)漏出至油管的環(huán)空保護(hù)液，近似呈現(xiàn)對(duì)稱曲線，但其值略高于二氧化碳。因此在環(huán)空保護(hù)液停止流出后一段時(shí)間，二氧化碳還有一個(gè)從上漏點(diǎn)進(jìn)入環(huán)空、從下漏點(diǎn)流出油管柱的微循環(huán)期。直至整個(gè)環(huán)空全為液態(tài)二氧化碳所置換。

圖5 雙漏點(diǎn)油管與套管間流體擴(kuò)散過程

圖6 雙漏點(diǎn)漏失速率變化規(guī)律

3.3 二次泄漏井口套壓變化的共同點(diǎn)

雙漏點(diǎn)井口套壓上升規(guī)律（見圖7）。無論二次漏點(diǎn)位于其上（如1 530 m）、還是其下（如4 025 m），均是隨著泄漏的不斷發(fā)展，漏點(diǎn)以上環(huán)空內(nèi)的二氧化碳體積逐漸增大，又由于其密度小于被其驅(qū)替的環(huán)空保護(hù)液（為清水+5%緩蝕劑），所以井口套壓越來越高，直到泄漏點(diǎn)兩側(cè)的壓力平衡，兩處停止發(fā)生流體交換。此時(shí)，漏點(diǎn)以上全部置換為二氧化碳，故井口套壓相等（全為P3），且均為注入油壓。

4 結(jié)論

在總結(jié)某油田液態(tài)二氧化碳注入實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)油管柱泄漏與否，用商業(yè)軟件OLGA 反演出三條規(guī)律。

（1）當(dāng)油管柱未發(fā)生漏失，由于注入二氧化碳的低溫效應(yīng)，使得整個(gè)井筒溫度剖面均低于地溫，故環(huán)空壓力會(huì)因其內(nèi)保護(hù)液的冷卻而降低。因此，投注前應(yīng)進(jìn)行環(huán)空補(bǔ)壓，以補(bǔ)償此壓降。

（2）當(dāng)油管柱存在一處漏失點(diǎn)時(shí)，漏點(diǎn)越淺，井口套壓越高，直至接近于注入油壓；漏失點(diǎn)等效直徑越大，環(huán)空壓力上升越快、達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越短。因此，采用環(huán)空化學(xué)堵漏降低等效直徑，也是控制井口套壓上升的有效方法。

（3）當(dāng)先后出現(xiàn)兩處泄漏時(shí)，液態(tài)二氧化碳總是從淺的漏點(diǎn)由油管漏入環(huán)空，與此同時(shí)，環(huán)空保護(hù)液從深的漏點(diǎn)泄漏到油管；到漏失停止時(shí)，各漏點(diǎn)處環(huán)空與油管壓力平衡，漏點(diǎn)以上的環(huán)空全部為液態(tài)二氧化碳所充填，井口套壓等于注入油壓，且與兩處漏點(diǎn)的深度無關(guān)。