高压气井环空压力预测与控制措施

张波，管志川，张琦，韩冬

（中国石油大学（华东）石油工程学院）

高压气井环空压力预测与控制措施

张波，管志川，张琦，韩冬

（中国石油大学（华东）石油工程学院）

气窜引起的高压气井套管环空压力严重影响气井的安全生产。基于对含微裂隙水泥环结构特征和高压气体渗流过程的分析，用水泥环综合渗透率和一维不稳定渗流来描述高压气体的窜流过程，根据质量守恒定律和体积相容性原则，建立了气体侵入状态下含液密闭环空压力计算模型，并用该模型研究了各个因素对环空压力的影响。环空压力的上升过程分为快速上升期和平稳上升期，环空压力的影响因素有环空液体的气体溶解度和可压缩性、水泥返高、水泥环综合渗透率以及环空体积。环空压力的上升速度随环空液体可压缩性的提高而降低；环空压力的极限值和上升速度随着水泥返高的增加而增大；水泥环综合渗透率越大，环空压力上升速度越快；环空体积的增加能够有效延长压力上升时间。从工程角度，高压气井应合理配置环空液体的可压缩性，全井段固井的高压气井应采用自修复水泥以提高固井质量，如有必要应采取相应的措施来降低水泥环的综合渗透率，同时适当增加环空体积。图7参12关键词：高压气井；气体窜流通道；压力上升速度；环空压力预测；压力控制措施

0 引言

气窜引起的套管环空压力一直是高压气井面临的难题之一[1]，严重影响气井的安全生产，阻碍后续酸化压裂等增产措施的实施，降低气藏采收率。随着中国天然气勘探开发力度的不断加大，以四川盆地普光、塔里木盆地克拉2以及莺歌海盆地东方13-2为代表的一批高压气田相继投入生产，然而气井均不同程度地存在套管环空带压的问题[2]。

相关研究和现场实践表明，环空压力过高严重威胁气井管柱的安全性和井筒完整性[3]。现有的环空压力治理措施如挤水泥大修井和化学堵漏等措施存在成本高、效果差和作业难度大的问题[4-5]，而频繁的放喷作业增加了气井的管理难度和生产成本。因此准确预测

环空压力的变化规律并采取合理的控制方法对实现高压气井的安全稳产具有重要意义。本文在分析气体窜流通道成因和气体窜流过程的基础上，建立了气体侵入状态下含液密闭环空压力计算模型，研究了不同因素对环空压力的影响规律，从环空压力产生后的控制角度提出了一些措施方法，为高压气井的生产管理和风险控制提供一定的理论依据。

1 气体窜流通道成因

理想状态下的水泥环渗透率极低、孔隙度极小，能够有效封隔地下流体，确保油气井管柱的安全。但在生产过程中水泥环有可能产生微裂隙（包括微裂缝和微环隙），根据现场施工经验和相关理论研究[6-7]，水泥环产生微裂隙的原因主要有：①施工作业的影响。憋压候凝、试井测试以及气井投产会对井筒内温度、压力条件产生较大的影响，水泥环与套管的弹塑性和热物性差异导致两者之间出现位移差，进而产生环隙。作业中的外载（如射孔作业等）超过水泥环的强度时，水泥环内部也会产生微裂缝。②地层条件的影响。较差的地层条件会引起井眼的井径不规则，致使水泥浆分布不均；多数高压气藏压力体系复杂、地层上下温差大，水泥浆易发生超缓凝现象，某些井段水泥浆容易失水干缩。③环空内流体分布的影响。水泥浆柱过长往往会发生胶结失重，凝固后形成微裂缝；顶替效率低下致使残留的钻井液污染水泥浆，影响水泥环封固质量；地层酸性流体的侵入导致水泥环的部分颗粒被腐蚀。

根据随机裂缝理论[8]，水泥环中的微裂隙有可能形成相互连通的气体窜流通道。根据通道的构成形式和分布特征，可把窜流通道分为3类：环隙贯穿式、网状裂缝式和裂缝-环隙组合式（见图1）。天然气低密度、低黏度的性质使其相对于液体具有更强的扩散能力，容易在裂隙中发生渗流，最终到达环空上部形成高压。

图1 气体窜流通道类型示意图

2 环空压力计算模型

2.1 气体侵入状态下环空压力计算方法

环空压力的大小取决于气体在密闭环空中的分布状态。进入环空中的气体一部分溶解到环空液体中，另一部分在环空上部聚集形成气柱。根据质量守恒定律，这两部分气体体积之和应等于进入环空中的气体总体积，即：

按照体积相容性原则，环空中的液体体积和气柱体积之和应等于环空的总体积。考虑到实际气体的状态变化和环空液体的压缩性，推导公式得：

已有的研究证明[9]，（1）式中的气体溶解度随着环空压力的增加而增加，同时还受液体密度、固相含量以及矿化度等性质的影响，因此气体溶解度一般通过实验分析确定。将实验测得的气体溶解度随环空压力的变化规律代入（1）式和（2）式构成的方程组中，就可计算出相应条件下环空压力。

2.2 气体渗流过程分析

水泥环中的微裂隙具有高传导、低储存能力的特点，水泥石则是一种低传导、低储存能力的渗流介质，两者共同构成了气体窜流通道。鉴于水泥石不具备大量吸附和传导气体的能力，因此含有微裂隙的水泥环并不是双重渗流介质。基于上述分析，利用水泥环的综合渗透率来表征其允许气体通过的能力，气体窜流过程即可转化为单一介质中的一维渗流问题。渗流方程如下[10]：

分析可知环空压力是一个关于时间的函数，因此气体在水泥环中的渗流过程属于一维非稳态渗流，其精确解尚无法求取。在较短的ta时间内可认为环空压力保持不变，即（3）式右侧为零，把非稳态渗流转化为稳态渗流来求取气体渗流速度和对应时刻的环空压力，最终通过迭加获得进入环空的气体总体积。气体稳态渗流问题的求解过程见文献[10]，最终解得：

则累计进入环空的气体体积为：

（3）式、（4）式中的综合渗透率是水泥石与微裂隙渗透率的迭加值。理论上微裂隙渗透率可用光滑平板模型和立方定律来计算[11]，但由于微裂隙的连通形式复杂且表面并非光滑，所以上述2种方法难以应用。在实际生产中可利用环空压力的初期数据来计算水泥环的综合渗透率，具体方法为：①记录环空压力由pan上升到pan+1经历的时间t1；②放喷环空气体使环空压力由pan+1降低至pan，测量放喷气体的体积V1；③令Qj= V1/ t1，panj−1= pan+0.5，代入（4）式反推计算综合渗透率。

3 模型算例

某高压气井完钻井深4 127 m，气藏压力78.9 MPa，地层温度137.05 ℃。产出气黏度0.035 mPa·s，气体压缩因子0.89。投产后发现生产套管与技术套管之间的环空（通常称为B环空）发生压力异常，经超声波检测和理论推导认为B环空出现微环隙。生产套管与技术套管尺寸分别为139.7 mm和244.5 mm，水泥返高为2 550 m，环空液柱长度为1 576 m，环空液体密度为1.62 g/cm3，等温压缩系数为5.2×10−4MPa−1。环空体积（包含井口设备）为50.20 m3。计算得综合渗透率为34.5×10−3μm2，溶解度随环空压力的变化规律拟合如下（初始溶解度为0.771 8 m3/m3）：

图2为利用本文模型得到的该高压气井环空压力和环空气体体积的变化规律。由图可见，环空压力的上升过程可分为快速上升期和平稳上升期。在快速上升期，环空压力和气体体积随着时间延长不断增加，上升速度快，之后上升速度和增长幅度均减小，趋势逐渐变缓，压力曲线无限接近一个定值，该值为环空极限压力。环空极限压力等于气藏压力与环空液柱压力之差，可据此判断气源位置。该井环空压力在生产300 d时达到53.82 MPa，超过了环空压力最大允许值（42 MPa），严重威胁了气井的安全生产。

图2 环空压力和气体体积随时间变化曲线

4 环空压力影响因素分析及控制措施

环空压力上升过快严重威胁气井管柱的安全[12]，并给气井的日常管理维护带来沉重的负担。为控制环空压力的上升速度、保证气井的管柱安全，有必要对各影响因素进行分析以制定合理的控制措施。

4.1 环空液体气体溶解度和可压缩性的影响及控制措施

图3为不同初始溶解度和等温压缩系数条件下环空压力随时间的变化曲线。由图3可见，初始溶解度为3.0 m3/m3的压力曲线相对基础数据（均来自算例，初始溶解度为0.771 8 m3/m3）曲线向右平移，而压力的上升过程未发生改变。图3中环空液体等温压缩系数为0.002 MPa−1时的压力上升速度明显低于其值为0的曲线，同一时刻的压差最高达到26 MPa。由于环空压力在平稳上升期只是无限接近但无法达到极限压力，因此选取0.95倍的环空极限压力作为指标计算环空压力达到指定值所需要的时间。由图4中可见，环空压力达到0.95倍环空极限压力所需时间和对应的环空气体体积随着环空液体压缩系数的增加呈线性增长趋势。

图3 不同初始溶解度和等温压缩系数条件下环空压力随时间的变化曲线

基于以上分析，环空液体的气体初始溶解度对压力上升过程没有影响，而增加环空液体的压缩系数能够有效延长环空压力到达指定压力所需的时间，也就意味着环空压力上升速度的减缓。从控制环空压力上升的角度，环空中应配置压缩系数较高的液体，考虑到环空中的气体体积也随着压缩系数的提高而增加，

并且过多的气体会增加放喷作业的风险和难度，环空液体的压缩系数也不宜无限制地增加。

图4 达到指定压力所需时间和气体体积随压缩系数变化曲线

4.2 水泥环参数的影响及控制措施

图5为水泥返高和水泥环综合渗透率对环空压力的影响。对比图中不同水泥返高条件下的曲线可知，环空压力的上升速度和极限值随着水泥返高的增加而增加。对比不同渗透率条件下的曲线可知，渗透率的增加对压力的上升过程产生了显著的影响，水泥环综合渗透率较大的曲线其环空压力的上升速度较快。

图5 不同水泥返高和水泥环综合渗透率条件下环空压力随时间的变化曲线

为对地层高压气体进行有效的封堵，高压气井一般采用全井段固井，即环空水泥返至井口。因此高压气井中的水泥环一旦遭到破坏形成窜流通道，所产生的环空压力远大于水泥返高较低的情况。所以全井段固井的高压气井要格外重视水泥环的封固质量，尽量选用具有自修复功能的水泥，把水泥环的综合渗透率控制在较低的范围以内。在环空压力产生以后，如有必要应采取大修井或者化学堵漏的方式来降低水泥环的综合渗透率，从而控制环空压力的上升速度。

4.3 环空体积的影响及控制措施

环空容纳了固井以后残留的液体和窜流产生的气体，其体积大小会对环空压力的上升过程产生影响。由图6可见，同一时刻环空体积为52.85 m3的曲线其压力值明显低于环空体积49.85 m3的曲线。图7中当环空体积与液柱体积的差值从0增长到3.0 m3时（此时环空体积从49.85 m3增加到52.85 m3），环空压力达到0.95倍极限压力所需的时间呈线性增长趋势。

图6 不同环空体积条件下环空压力随时间的变化曲线

图7 达到指定压力所需时间和气体体积随环空体积与液柱体积差值的变化曲线

上述分析表明，通过增加环空体积来提高环空体积与环空液柱体积的差值能够有效延长环空压力的上升时间。但图7也表明环空气体体积同样随着环空体积与环空液柱体积差值的增加而增加。考虑到环空气体过多会增加放喷的难度，环空体积不能无限增加，应具有一个最佳值。基于延缓环空压力上升过程和控制放喷作业难度的考虑，环空体积的确定方法如下：①确定最大环空压力允许值和气体体积；②根据环空液体性质和井身结构数据，绘制如图7所示的曲线；③根据环空最大允许气体体积确定对应的环空体积和液柱体积差值；④根据环空体积确定相应条件下的压力上升规律，便于气井的维护管理。

5 结论

受施工作业、地层性质和环空内部流体分布等因

素的影响，高压气井的水泥环内有可能形成气体窜流通道。根据通道的构成形式和分布特征，把窜流通道分为3类：环隙贯穿式、网状裂缝式和裂缝-环隙组合式。

套管环空压力的上升过程可分为快速上升期和平稳上升期两个阶段。环空压力的极限值等于气藏压力与环空液柱之间的差值。环空压力在快速上升期的上升速度快、压力数值大，对管柱安全会产生较大的威胁。

环空压力的影响因素有环空液体的气体溶解度和可压缩性、水泥返高、水泥环综合渗透率以及环空体积。环空压力的上升速度随着环空液体可压缩性的提高而降低，环空压力的极限值和上升速度随着水泥返高的增加而上升，水泥环的综合渗透率越大，环空压力上升速度越快。环空体积的增加可以延长压力上升时间，降低压力上升速度。

基于对环空压力影响因素的分析，高压气井可以采用以下措施控制环空压力：合理配置环空液体的可压缩性；全井段固井的高压气井应优先选用自修复水泥以提高固井质量；在出现环空压力以后如有必要需采取相应的措施来降低水泥环综合渗透率；适当增加环空的体积，增大环空与环空液体之间的体积差值。

符号注释：

A——水泥环横截面积，cm2；C(p)——气体等温压缩系数，(105Pa)−1；Hl——液柱高度，m；Ke——水泥环综合渗透率，μm2；KT——环空液体的等温压缩系数，MPa−1；L——水泥环长度，cm；m——迭代次数；p——压力，105Pa；pa——标准状态下气体压力，MPa；pan——环空压力，MPa；pe——气藏压力，MPa；pl——环空液柱压力，MPa；panj−1——第j−1次迭代所得的环空压力，MPa；Qj——第j次迭代得的气体流量，m3/s；Rs——气体在环空液体中的溶解度，m3/m3；t——时间，s；ta——迭代步长，s；Ta——标准状态下气体温度，K；Tan——环空上部温度，K；Van——环空总体积，m3；Vgan——环空上部的气柱体积，m3；Vg——标准状态下进入环空中的气体总体积，m3；x——沿渗流方向建立的坐标系，cm；Z——气体压缩因子，无因次；Za——标准状态下气体压缩因子，无因次；Zan——环空中气体的压缩因子，无因次；——平均渗流压差下的气体压缩因子，无因次；μ——气体黏度，mPa·s；——平均渗流压差下的气体黏度，mPa·s；φ——孔隙度，f。

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（编辑 郭海莉）

Prediction of sustained annular pressure and the pressure control measures for high pressure gas wells

Zhang Bo,Guan Zhichuan,Zhang Qi,Han Dong
(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

The sustained annular pressure caused by channeling threatens the casing safety significantly.Cement mantle composite permeability and one-dimension unstable seepage were used to describe the channeling of high pressure gas based on the analysis of the structure of the cement mantle containing micro-fractures and the seepage process of high pressure gas.According to the mass conservation law and volume accordance principle,a model was built to predict and analyze the pressure rising process when gas invades into the trapped annulus,and then this model was used to study the impacts of different factors on the annular pressure.The pressure rising process can be divided into rapid rising stage and stable rising stage,and the factors affecting annular pressure include the gas solubility and compressibility of annular liquid,height of cement return,composite permeability of cement mantle and annular volume; the rising velocity of annular pressure declines with the increase of annular liquid compressibility; the ultimate value and rising velocity of annular pressure increase with the increase of cement return height; the higher the composite permeability of the cement mantle,the faster the annular pressure increase; the increase of annular volume can prolong the rising time of pressure.From the viewpoint of engineering,high pressure gas wells should take annular liquid with proper compressibility,self-repairing cement should be used in high pressure gas wells cemented whole to improve cement quality,the composite permeability of cement mantle should be reduced by using proper measures if necessary,and annulus volume is properly increased to prevent the pressure from rising up too quickly.

high pressure gas well; channeling passageway; pressure rising velocity; annular pressure prediction; pressure control measures

国家科技重大专项“西部山前复杂地层安全快速钻井技术”（2011ZX05021-001）；教育部长江学者创新团队“海洋油气井钻完井理论与工程”（IRT1086）

TE25

A

1000-0747(2015)04-0518-05

10.11698/PED.2015.04.15

张波（1990-），男，山东济南人，中国石油大学（华东）在读博士研究生，主要从事油气井流体力学和深水油气井领域的相关研究工作。地址：山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号，中国石油大学（华东）石油工程学院，邮政编码：266580。E-mail: zhangboupc@126.com

联系作者：管志川（1959-），男，山东单县人，博士，中国石油大学（华东）教授，现从事油气井力学、井下测控技术、深井超深井钻井和深水钻井等方面的教学与研究工作。地址：山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号，中国石油大学（华东）石油工程学院，邮政编码：266580。E-mail: guanzhch@upc.edu.cn

2014-11-25

2015-06-02