高压气井环空带压可视化实验

高文祥 李皋 郑如森 李红涛

摘  要：高压气井在采气过程中环空带压现象非常普遍，环空压力过高会严重影响气井的产量，降低采收率，对气田开发后续作业造成不利影响。针对高压气井采气过程中的A环空带压问题，通过可视化模拟试验台架开展了油管穿孔及封隔器失效引起的A环空带压模拟实验，模拟了不同压差、穿孔几何尺寸等情况下环空压力的动态变化规律及环空的气-液两相流动规律。

关键词：高压气井;环空带压;A环空;实验测试

中图分类号：TE37         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）14-0007-03

Abstract： In the high-pressure gas wells， the annulus pressure phenomenon is very common during the gas production process. The high pressure of the annulus will seriously affect the gas well production and reduce the oil recovery， which will adversely affect the subsequent operation of the gas field development. Aiming at the problem of A-ring pressure in the gas production process of high-pressure gas wells， the simulation experiment of A-ring and air-belt pressure caused by the failure of tubing perforation and packer was carried out through visual simulation test bench， simulating different pressure difference， perforation geometry and so on. The dynamic variation law of the annulus pressure and the gas-liquid two-phase flow law of the annulus.

Keywords： high pressure gas well; annular zone pressure; A annulus; experimental test

1 概述

隨着油气勘探开发工作的深入开展，环空带压现象经常发生在大量油气井的开发过程中。环空带压对生产安全十分不利，是全世界石油工业界面临的共同难题和安全问题。环空带压不但影响了气井的后期施工，而且为气井的生产带来了安全隐患，造成了不必要的人力、物力和财力损失。环空带压是指气井环空压力在泄压后短时间内又恢复到泄压前压力水平的现象[1，2]。引起环空带压的本质是井下气体在环空中窜流、积聚，引起环空压力上升，造成气井环空带压的主要原因中，油套管、油管柱、井下封隔器失效导致气体窜至环空引起的环空带压[3]最为普遍，其风险也是最大的。

以塔里木油田库车山前地区为例，截止到2017年5月，库车山前（克拉、迪那、大北、克深、零散试采）共有140口气井先后投入生产，其中31口井环空异常带压，占已投产井的22.14%。

针对压气井油管穿孔等原因造成的A环空带压问题，为保证气井生产安全则必须掌握高压气井环空压力及气液两相流动流型变化规律。以此为目标，使用可视化模拟试验台架研究了不同压差、穿孔几何尺寸等情况下环空压力的动态变化规律及环空的气-液两相流动规律，为实际生产提供一定的理论依据。

2 环空带压可视化实验装置与实验方法

2.1 实验装置

为满足环空带压可视化实验要求，设计了一套模拟气井A环空的实验装置。实验装置结构图如图1所示，该装置由供液系统、供气系统、放空系统、套管和油管以及数据采集系统组成，均由计算机自动控制。供液系统由注液泵、节流阀、流量计和压力表组成，油管和环空各有一套供液装置，互不影响;供气系统由高压气瓶、压力表、流量计和节流阀组成，气瓶压力达16MPa可满足实验要求，压力表和流量计可获取注气过程中的注气管线压力和气体流量，节流阀可改变气体流量大小;放空系统是指在环空和油管底部各有一条管线与其想通，可充分排出环空和油管中的液体与气体;套管和油管由两个同心不同直径的有机玻璃管和不锈钢管组成。

可视化模拟实验装置能够满足以下要求：用电磁阀自动控制从顶端向油管及环空注液;心管上钻一定尺寸的圆孔，以模拟油管穿孔的情况;实验管路底部封隔器上有两个可分别向环空及油管内部注气的管线，可通过高压气瓶进行注气;能够精确地采集各项实验参数;有可靠的摄像装置。

2.2 实验方法

利用环空带压可视化实验装置，通过改变环空注液高度、注气管线模拟产气的注气压力及套管底部封隔器注气孔尺寸来研究环空两相流动规律和压力变化规律。打开注液泵和阀门，向环空中注入一定量的液体，达到预定高度后关泵关阀，稳定一段时间后测得环空内液体高度;打开注气管线阀门，用高压气瓶从套管底部注气孔向环空中去注入气体，注气孔可设置为2mm或4mm，注气管线上的压力表和流量计可实时显示注气管线内气体流量和压力，通过节流阀调节气体流量和注气压力;通过安装在环空上的压力表获取环空内压力变化规律，摄像装置可实时连续拍摄环空中的流动情况。实验完成后通过与环空底部相连的放空管线将环空内的液体排空，为下一组实验提供条件。

表1为封隔器失效环空带压的实验参数。

3 实验结果与分析

3.1 实验现象

环空注液至一定高度，稳定一段时间后通过封隔器上的小孔向环空注气，气体经封隔器穿孔侵入环空时，在第一股气（泰勒泡）到达气液界面前液面已开始上升，随后连续小气泡向上滑脱，界面持续缓慢上升，随后有所下降，气液两相流流型为泡状流，如图2所示。

当气体进入环空时环空中存在液体，在液體自身的重力作用下环空下部压力很高，注入的气体以溶解气的形式存在于液体中导致环空液面升高。随着气体的不断注入，环空液体压力下气体溶解度将要达到饱和状态，溶解气在环空底部最高压力下不断集聚，当气体溶解度达到饱和，部分集聚的溶解气从底部逸出，向上逃逸过程中随着液体压力变小而不断增大形成泰勒泡。第一个泰勒泡到达环空液面之后，气泡不断地从底部逸出至液面，液面仍持续上涨。当上部气体集聚形成高压，虽然气体溶解度增大，但源源不断的环空注入气大于溶解的气体量，在压力的作用下气泡体积减小，液面有所下降。换句话说，实验过程中存在“置换现象”，高压作用下气液两相流均为泡状流。

3.2 实验分析

7组实验中的环空压力变化曲线如图3所示，每组曲线第一个上升段为环空注液引起的压力上升，第二个上升段为环空注气引起压力上升，之后为放水泄压过程。第五组未进行注液，而使用第四组实验完成后未排完液体。

实验结果表明了封隔器失效引起环空带压时，环空压力的上升速率与穿孔处的压差和孔径相关，压差越大、孔径越大，环空压力的上升速率越快。

4 结论

（1）提出了一种模拟封隔器或油管穿孔导致A环空带压的实验方法，开展了不同压差、不同孔径的A环空带压实验，获取了环空中压力的变化规律。

（2）环空带压时，高压作用下气体在环空中的两相流动为泡状流，环空中液面先升高后降低，出现明显的“置换效应”。

（3）环空压力的上升速率与穿孔处的压差和孔径相

关，压差越大、孔径越大，环空压力的上升速率越快。

参考文献：

[1]Kinik K，Wojtanowicz A K.Identifying Environmental Risk of Sustained Casing Pressure[R].SP173713，2011.

[2]朱红钧，唐友波，李珍明，等.气井A环空压力恢复与泄压实验[J].石油学报，2016，37（9）：1171-1178.

[3]彭建云，周理志，阮洋，等.克拉2气田高压气井风险评估[J].天然气工业，2008，28（10）：110-112.