可泄压环空的环空压力管理技术研究

同武军 刘和兴 吴旭东 郑金龙 刘 正 王志彬

(1. 中海油能源发展工程技术湛江分公司， 广东 湛江 524057；2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司， 广东 湛江 524057；3. 西南石油大学石油与天然气工程学院， 成都 610500)

可泄压环空的环空压力管理技术研究

同武军1刘和兴2吴旭东1郑金龙1刘 正1王志彬3

(1. 中海油能源发展工程技术湛江分公司， 广东 湛江 524057；2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司， 广东 湛江 524057；3. 西南石油大学石油与天然气工程学院， 成都 610500)

基于深水井生产套管与油管环空可泄压的事实，根据能量守恒定律及传热学基本原理，采取在生产套管外壁敷设太空反射隔热涂层的方式圈闭生产套管内部温度，减少温度扩散，减弱生产过程中的热增压效应，结合套管校核分析，优化套管选择及优选套管环空圈闭深度，最终形成完整的环空压力管理新工艺。

可泄压环空； 圈闭温度； 传热； 圈闭深度

对于深水井，一方面井底流体温度较高，另一方面泥面具有低温特性，在产出流体沿井筒传热过程中，在各层套管密闭环空内流体温度及压力会急剧上升，导致套管破裂或流体上顶井口[1-2]。与陆地或常规浅水干式井口不同，深水油气井测试或开发常采用水下测试树或水下采油树[3-4]。这对井筒完整性要求更高，且套管环空压力监测及控制难度更大。因此，设计阶段需提前做好环空压力管理分析，选取切实可行的环空压力管理措施。本次研究基于特定的环空压力管理措施，对套管环空压力变化进行分析。在传热分析的基础上，考虑不同的温度圈闭深度，应用成熟的环空压力、温度预测模型[5]，预测全井筒多管串环空压力场的变化，基于预测结果确定合适的圈闭隔热材料的下深。

1 环空圈闭材料的选择

由于深水井生产套管和油管环空可泄压，因此考虑圈闭井筒温度场，对生产套管外壁进行隔热保温，减少流体向生产套管外环空的传热量，减小外环空温度场的变化，从而减小生产套管外环空的压力变化。圈闭温度场使生产套管内环空泄压，从而保证井筒完整性(井筒完整性是指采用有效的技术、管理手段来降低开采风险，保证油气井在废弃前的整个开采期间的安全)。为实现控制生产套管隔热

圈闭内环空温度场的目的，通过大量调研，优选用于太空反射的隔热保温涂层对生产套管外环空进行隔热圈闭处理，该保温涂料具有较好的防腐性能且具有较好的隔水效果。太空反射隔热保温涂料主要热力学性质见表1。

表1 太空反射隔热保温涂料热力学性质

2 考虑圈闭的套管环空温度压力变化

图1为考虑圈闭套管环空的深水井井身结构示意图。其中，环空1为生产测试管柱与生产套管间的环形空间，环空2为生产套管与中间套管间形成的环形空间，环空3为生产套管与表层套管间形成的环形空间。生产或测试时，流体沿管柱向上流动。流体在流动过程中通过油管壁、太空反射隔热材料、套管壁及环形空间向地层传递热量。热量在传递过程中引起油套管壁温度升高，环空流体温度升高，生产管柱内流体温度降低。为降低环空压力变化对井筒完整性的影响，需预测产出流体沿井筒流动过程中环空压力的变化，为制定合理的环空压力管理方案提供指导。

图1 深水井井身结构示意图

本次研究基于已有的环空压力温度预测模型[2-3]，利用设计软件Wellcat对生产过程环空压力管理进行分析，重点研究在生产套管外壁敷设太空反射隔热涂层条件下的环空压力变化。

3 实例预测与分析

以南海某油田某深水井为例，水深1 534 m，产层埋深3 300 m，地温梯度4.34 ℃100 m，井底温度89 ℃。生产测试过程中套管环空压力增长问题较为突出，环空压力管理难度较大。为实现对套管环空压力的管理与控制，选取隔热效果较好的太空反射隔热保温涂层对生产套管进行隔热圈闭处理。实例井井身结构见图2。

图2 南海某深水井井身结构示意图

3.1 下入隔热层对比分析

在不下隔热涂层及在最佳隔热涂层下深条件下，对比环空2及环空3的环空压力变化值表明：对生产套管外壁敷设太空反射隔热涂层可有效圈闭产出流体温度，降低环空2及环空3的环空压力管理风险(见图3)。

图3 有无隔热层环空压力对比图

[6]研究成果，结合生产套管与技术套管的环空半径大小，最终选取6 mm壁厚涂层。在隔热涂层厚度相同时，在井口附近对不同的涂层深度进行敏感性分析，优选最佳涂层深度。不同涂层深度敏感性分析如图4所示。

图4 隔热涂层下深敏感性分析曲线

隔热涂层厚度为6 mm。不同隔热涂层下深敏感性分析结果表明：最优隔热层下深为850 m，此时环空2与环空3压差最小，且随下深增加环空2的环空压力增量基本保持恒定。

3.3 基于圈闭环空的套管校核分析

取套管抗外挤安全系数为1.000～1.125，抗内压安全系数为1.050～1.250，三轴安全系数为1.125～1.250，轴向抗拉及抗压安全系数为1.600～1.800[7-8]。按照目前套管强度校核常用标准对所选用的套管强度进行校核[9-10]，结果如表2所示。

由表2可知，生产过程中套管环空压力增长较快，环空压力较高，套管强度无法满足安全作业要求。因此需采取有效的环空压力管理措施控制套管环空压力变化，以保证套管柱安全，确保井筒的完整性。

表2 套管强度校核结果

4 结 语

从热力学角度出发，基于油管与生产套管环空可泄压这一事实，通过在生产套管加隔热涂层的方式圈闭温度，然后对环空压力的管理措施进行研究。研究表明：基于可泄压环空的环空压力管理技术可较好解决深水油气井开发过程中的环空压力管理难题。

针对基于可泄压环空的环空压力管理技术，有以下意见及建议：

(1) 进一步调研生产套管圈闭温度的隔热材料，以获得性能更加优良的隔热圈闭保温材料，圈闭生产套管温度。

(2) 结合可泄压环空实际，开展实际深水井圈闭隔热管理环空压力技术的应用，并拓展其应用范围。

参考文献

[1] 杨进,曹式敬.深水石油钻井技术现状及发展趋势[J].石油钻采工艺，2008,30(2):10-13.

[2] 杨进,唐海雄,刘正礼,等.深水油气井套管环空压力预测模型[J].石油勘探与开发，2013，40(5):616-619.

[3] HASAN A R,IZGEC B，KABIR C S.Ensuring sustained production by managing annular-pressure buildup[G].SPE 121754,2009.

[4] 胡伟杰.浅析深水钻井中密闭环空圈闭压力的预测方法[J].科技创新与应用，2012(18)：128.

[5] 黄小龙,严德,刘正礼,等.深水套管环空圈闭压力计算与控制技术分析[J].中国海上油气，2014，26(6)：61-65.

[6] 刘正.注热水井地面及井筒管流动态模拟与分析[D].成都:西南石油大学,2012:50-51.

[7] RAMEY H J.Wellbore heat transmission[J].Journal of Petroleum Technology,1962,14(4)：427-435.

[8] WILLHITE, JR G P. Over-all heat transfer coefficients in steam and hot water injected wells[J].Journal of Petroleum Technology, 1967，19(5):607-615.

[9] 车争安,张智,施太和,等.高温高压含硫气井环空流体热膨胀带压机理[J].天然气工业，2010,30(2)：88-90.

[10] 邓元洲，陈平，张慧丽.迭代法计算油气井密闭环空压力[J].海洋石油，2006，29(6)：149-152.

Study on Annular Pressure Management Based on Pressure Released Annular

TONGWujun1LIUHexing2WUXudong1ZHENGJinlong1LIUZheng1WANGZhibin3

(1. Zhanjiang Branch, CNOOC EnerTech-Drilling & Production Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China;2. Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China;3. School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Base on the pressure released annular between the production casing and the tubing in deep well, this article takes account of capping the temperature with the method of caking the production casing outer wall with the space reflection heat insulation coat to reduce the temperature diffusion and weaken the pressure increasing process, according to the law of conservation of energy and wellbore heat transfer analysis. Combined with casing checking analysis, it optimizes the selection of annular tubes and its the trap depth to form a completely new annulus pressure buildup technology eventually.

pressure released annular; capping temperature; heat transfer; trap depth

2016-04-01

国家自然科学基金项目“垂直气井井筒环状流场中液滴的动力学模型及其特征研究”(51504205)；中海油能源发展“英才计划”资助项目(单位内部项目，无课题编号)

同武军(1981 — )，男，陕西渭南人，工程师，研究方向为深水井及常规井钻完井工程。

TE37

B

1673-1980(2017)01-0082-03