深水井筒环空压力计算模型适应性评价

张百灵　杨　进　黄小龙　胡志强　何　藜（.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京　049；.中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司，广东深圳　58067）

深水井筒环空压力计算模型适应性评价

张百灵1杨进1黄小龙2胡志强1何藜1
（1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司，广东深圳518067）

深水井筒在生产阶段受地层高温产出液的影响，温度场重新分布引起环空密闭空间的压力急剧上升，威胁井筒安全。为向深水油气井的井身设计和套管强度校核提供一定的依据，结合现场实例对基于状态方程和胡克定律计算模型和基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算模型进行对比，对模型机理和影响计算结果的因素进行了分析。深水井筒中的环空流体介质复杂，井底高温及异常压力使得深水井筒中的环空中流体热膨胀系数和压缩系数对套管体积的影响难以利用胡克定律简化计算。结果表明，基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算模型更适用于深水井筒的环空压力分析。

深水井筒；环空压力；计算模型；适应性评价

深水油气井的泥线温度和井底温度相差较大，较强的温度效应将引起的密闭环空内流体升温膨胀产生环空压力的现象，严重时会造成套管挤毁、变形或上顶井口等事故。在陆地油田和浅海油田的勘探开发实践中，可以通过打开套管头侧翼阀释放环空压力。但在深水油田开发中，水下井口和生产系统设计的特殊结构使得环空压力难以监测控制和调节释放，准确预测套管环空压力对于深水油气井测试和生产作业非常重要［1］。因此，准确计算深水油气井密闭环空中的压力对井身结构设计、套管强度校核以及实现油气的井长期安全生产具有重要的意义。国内外针对环空压力的上升机理开展了广泛的研究，但是针对深水钻井条件下的井筒传热及压力预测研究较少，国内的深水事业刚刚起步，国外公司因技术封锁未公布环空压力计算模型，因此仍需对深水井筒环空压力的预测方法作进一步的研究。国内学者建立了几种井筒环空压力预测模型，比较有代表性的模型主要分为基于状态方程和胡克定律的预测模型以及基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算预测模型，通过对2类模型的计算结果进行对比分析，推荐了适用于深水油气井的计算模型，为深水油气井井身结构设计提供了一定依据。

1　深水井筒环空压力计算模型基本原理

深水油气井通常会在测试管柱或油管与生产套管之间以及生产套管与技术套管间未被水泥浆封固段产生环空，由于深水油气井采用水下井口及采油树，套管环空为密闭空间。海底泥线温度一般在2~4℃，而储层温度通常较高，油气井进入测试或生产阶段，储层流体温度在由井底运移至井口的过程中，经过井筒热传递，环空内流体在密闭空间受热膨胀继而产生环空压力的升高。

国外许多学者围绕着井筒温度传递和压力问题进行了大量的研究，建立了关于井筒传热和压力问题的基础理论和方法（表1）。随着计算机技术的迅速发展，各种模拟井筒温度压力场的数值计算方法不断出现并逐步改进完善。但是对于深水钻井条件下的井筒传热及压力预测仍需进一步的研究。

表1　国外井筒温度及压力数值计算模型

国内学者对深水井筒环空压力计算模型开展了大量的研究工作，主要形成了基于状态方程和胡克定律的预测模型和基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算预测模型。

P. Oudeman和M. Kerem［2］基于PVT状态方程和胡克定律，认为密闭环空压力与该段环空内流体的平均温度DT、密闭环空体积Va及密闭环空内的流体或气体质量m成函数关系，车争安［3］等在P. Oudeman和M. Kerem模型的基础上，认为对于密闭的套管环空空间，Dm=0。假设套管环空不存在漏失，综合考虑环空内流体的热膨胀效应和环空体积变化的共同作用，建立了环空压力计算模型。

高宝奎［4］综合考虑套管径向热膨胀和压缩以及环空内流体的热膨胀和压缩效应的共同作用，建立了密闭环空附加载荷计算模型［4］。邓元洲［5］等人在高宝奎研究的基础上，充分考虑了环空压力的变化和环空体积的变化的耦合关系，建立了环空压力计算模型。黄小龙［6］通过分析套管环空体积随温度和压力的变化情况和耦合作用，通过迭代计算建立了典型深水井套管环空压力预测模型。

2　计算模型分析

现定义基于PVT状态方程和胡克定律建立的计算模型（文献［3］）为模型1，基于状态方程和温度压力耦合作用的模型（文献［6］）为模型2，分别对以下2个算例进行计算。水的膨胀系数及体积系数如表2所示。算例来自南中国海2个区域的2口生产井。

表2　水的膨胀系数及体积系数（0.1 MPa）

算例1井深2 500 m，环空A、环空B深度分别为567 m和1 246 m，海底泥线温度5 ℃，地温梯度4.6 ℃/100 m。算例2井深3 200 m，环空A、环空B深度分别为1 074 m和2 438 m，海底泥线温度5 ℃，地温梯度4.5 ℃/100 m。两算例井身结构如图1。

图1　算例1和算例2的井身结构

根据实际地层流体物性、套管导热系数、套管尺寸等参数，分别采用以上3个模型对环空压力进行预测，并与现场实际监测值进行了对比。计算结果（图2、图3）表明：生产过程中随着环空温度的上升，环空压力大幅上升。但随着环空温度的升高，模型1计算结果偏差明显。根据现场监测数据（表3），模型1的预测结果和监测值相对误差非常大，而模型2的预测结果和监测值的相对误差均在10%以内。

图2　算例1环空压力随温度的变化结果

图3　算例2环空压力随温度的变化结果

表3　模型的预测值与现场检测值的相对误差

3　计算模型适应性评价

3.1模型适用条件

2类模型对深水井筒环空压力预测值差别较大，深入分析2类模型的理论基础，得出其主要区别（表4）：模型1随着环空流体受热膨胀，环空体积将增加，环空体积变化主要取决于生产套管内部压力的瞬时变化，基于胡克定律，用套管变形系数建立套管体积变化量和生产套管内部压力瞬时变化量的函数关系，适用于陆地高温高压分硫气井［3］；模型2考虑环空流体受热膨胀后，套管体积变化和环空流体体积变化是相互影响的耦合作用，环空体积变化情况受环空流体性质的影响，最终遵照体积相容性原则采用迭代方法建立模型，适用于深水油气井［6］。

3.2模型适用性评价

模型1是建立在不考虑气泡存在，充满液体的金属密封环空环境条件下，利用弹性模量、液体热膨胀系数和金属热膨胀系数进行函数简化计算。该模型中，套管环空流体等温压缩系数K和热膨胀系数α是环空压力关键影响因素。

而深水钻井作业中，由于海底泥线温度低，井口和井底温差大，深水固井的环空流体多为多种流体的混合体，有时还会注入可压缩介质，使得深水井筒中的环空中流体热膨胀系数和压缩系数通常是不确定的。加之流体本身具有非线性关系［7］，真实的深水作业环境下，在井底高温及异常压力的作用下，环空内流体性能会发生变化，且管径较小时，流体温度作用和套管变形的耦合关系更加明显。因此，深水环境下，如果采用模型1，利用弹性模量和热膨胀系数等参数简化计算，将造成很大的误差。模型计算结果也反映出上述特点（图4、图5）。

表4　模型1和模型2对比分析

图4　算例1中模型1参数随温度的变化关系

图5　算例2中模型1参数随温度的变化关系

4　结论

（1）深水作业环境下，环空流体多为混合介质，在井底高温及异常压力的作用下，环空内流体性能会发生变化，更适合采用基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算预测模型，因此，推荐模型2作为深水井筒环空压力计算模型。

（2）深水油气井的密闭环空压力会随着温度的升高而增大，应作为井身设计中考虑的因素，防止套管发生损坏危及井筒完整性。

（3）环空流体介质对温度的敏感度差异较大，介质的不同对于环空压力的影响机制复杂，其原理和对井筒完整性产生的影响有待进一步研究。

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〔编辑付丽霞〕

Adaptability evaluation of calculation model of annular pressure of deepwater wellhole

ZHANG Bailing1, YANG Jin1, HUANG Xiaolong2, HU Zhiqiang1, HE Li1
（1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2.Shenzhen Branch of CNOOC Energy Techonnology & Services Limited, Shenzhen 518067, China）

The deepwater wellhole is affected by high-temperature produced liquid of stratum in the production stage, and the redis

tribution of temperature field causes the sharp increase of pressure of annular confined space, threatening the wellhole safety. In order to provide certain bases for the wellbore design and casing intensity check of deepwater oil and gas wells, according to two kinds of calculation models, namely, calculation model based on equation of state and Hooke's law and iterative calculation model based on equation of state and temperature and pressure coupling, as well as living examples on site, these two kinds of models are compared, the model mechanism and factors affecting the calculation results are analyzed, the annular fluid media in the deepwater wellhole are complicated, and it is difficult to conduct the simplified calculation of effects of coefficient of thermal expansion and coefficient of compressibility of annular fluid in the deepwater wellhole on the casing volume by virtue of Hooke's law due to downhole high temperature and abnormal pressure. Pursuant to the results, the iterative calculation model based on equation of state and temperature and pressure coupling is more suitable for the annular pressure analysis of deepwater wellhole.

deepwater wellhole; annular pressure; calculation model; adaptability evaluation

TE5

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0056 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.014

国家自然科学基金“深水钻井表层导管喷射钻进机理研究”（编号：51274215）；国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）。

张百灵，1984年生。油气井工程专业博士研究生，现主要从事海洋钻完井工程方面的研究工作。电话：15101173681。E-mail：zhangbailing@163.com。

2015-01-01）

引用格式：张百灵，杨进，黄小龙，等. 深水井筒环空压力计算模型适应性评价［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：56-59.