XX4井井口抬升及影响分析

摘要：XX4井是塔河油田第一口井口抬升的高压气井，本文通过调研分析认为造成井口抬升的主要原因是一定长度自由套管的存在及地层温度梯度过高，主要从理论结合实际生产情况进行了详细的分析，阐述了温度效应造成的热应力对套压及套管内压强度等的影响，对预防类似井井口抬升具有一定的指导意义。

关键词：高压气井;井口抬升;自由套管;温度效应

1.前言

根据调研，造成井口整体抬升的可能原因有：温度效应引起套管柱轴向伸长;内外压差鼓胀效应导致套管管柱伸长;油管柱轴向变形对采油树的作用力，引起套管头的抬升。

由于XX4井套压最初仅为15MPa，变化范围为11-24MPa，二套压不存在压力，其中外压差对套管伸长为正相关，由于最大仅有4 MPa，所以对井口抬升影响有限，因此基本排除套管内外压差鼓胀效应引起井口抬高的原因。

在试油及采油过程中，套管热膨胀产生高轴向热应力，环空流体体积膨胀引起密闭空间产生高压。这种情况下，套管的承温能力受到极大的考验，认为套管内外都没有被水泥固化的“自由段”，在一定条件下会发生抗内压/外挤破坏，或轴向压力增加过大而上顶井口[1]。

2.XX4井施工简况

开井前采气大四通两翼用木块支撑起，采气树左、右翼分别挂上铅垂线。开井前采气四通距地面高度186cm。开井7小时后井口温度由38-88℃，采气树生产翼距地面高度186-194cm;基敦上固定管线升高7cm，地面紧急关断阀底座升高3cm。

由于圆井坑被泥浆充填，清理干净后，未发现明显升高痕迹，10月7日10：00丈量13-3/8″套管双公上端距离圆井坑底部高41.8cm，此时采气生产翼距地面高度189.5cm;10月8日14：00丈量13-3/8″套管双公上端距离圆井坑底部高40.5cm，此时采气生产翼距地面高度188.6cm。

3.原因分析

3.1 温度效应，引起井口抬升

温度效应是引起井口抬升的主要原因，影响井口抬升高度的主要决于套管的温差大小和距离井口套管自由段的长度。

（1）套管温差大小主要是由井底介质的温度、介质的流量和流速、以及介质向地层的热散失等有关。介质的温度又与井深和地温梯度有关，介质的流量和流速与地层压力、油嘴大小、求产时间、介质类型（气、液）等有关，介质向地层的热散失与套管材料、水泥环、环空保护液、地层岩石的热传导系数有关。

（2）距离井口套管自由段的长度主要取决于套管悬空段长度和固井质量差的套管长度（如水泥与套管胶结质量差、水泥强度不够在热胀条件下与套管分离等）。套管自由段越长，在同等应力作用下，其伸长量就越大，从而导致井口抬升高度可能就越大。

3.1.1 套管温差的确定

采用油气井气液两相流条件的休和贝格思（Shiu & Beggs）井筒温度计算方法获取，详细见下：

Shiu和Beggs根井筒传热温降梯度方程，将松弛距离、定压比热、井底温度、地温梯度等视为常数，导出沿井深z的温度计算公式。

Shiu & Beggs将松弛距离考虑为单位时间内质量流量、原油、气、水相对密度、管径、井口油压和气液比的函数，应用线性回归得到了松弛距离A简化公式。

应用370口油气井现场测温资料回归获取了系数值，见表。

3.1.2 套管自由段确定

XX4井13-3/8″套管0-510m为空套管，9-5/8″套管0-55m为空套管，7″套管0-835m为空套管（13-3/8″、9-5/8″、7″套管液面不在井口）。

3.1.3 理论计算井口抬升高度

本井由于高产量持续时间长，地层流体带出热量多，井筒温度上升多。钢材具有热胀冷缩的特性，井筒套管受温度效应影响明显，又133/8″套管井口510m为空套管，处于无束缚状态，此套管温度效应伸长几乎为自由伸长。

从固井质量曲线看13-3/8″与9-5/8″、9-5/8″与7″套管之间均有水泥固结，故把7″套管13-3/8″套管之间看为整体，当做完全无束缚状态。

采用温度效应进行计算：

3.2 载荷初步分析

3.2.1 温差引起的轴向应力计算

3.2.2 温差引起的轴向载荷计算

3.2.3 距离井口套管自由段长度计算

因此，井口抬高量为8.3cm时，距离井口套管自由段长度约为457m。与13-3/8″套管自由段510m较接近。因此，理论计算具有一定的参考意义。

4.影响分析

4.1 温度对自由套管影响方式

温度对自由套管段的影响方式主要有以下几方面[2]：

（1）自由套管段的径向热膨胀：由于温度的变化，自由套管段发生膨胀，套管发生径向位移。

（2）钻井液热膨胀效应：在分析自由套管段中，没有被水泥顶替的环空空间将被其他液体取代，液体主要为钻井液，钻井液的膨胀性随温度的变化较大，钻井液的热膨胀力将对套管产生附加载荷力。

（3）套管的径向压缩：钻井液的热膨胀效应及套管管体的位移引起环空的内压力上升，使油层套管外表面发生径向位移。

（4）钻井液压缩效应：液体的性能随压力的变化也有很大的变化，压力的增加将使液体的体积压缩。

（5）套管轴向温度应变：自由套管段的管体因温度效应产生轴向温度应变。

（6）自由套管附加载荷引起的軸向力。

4.2 温度对自由套管附加载荷的影响

根据XX4井恢复试采后温度对井口抬升高度的影响分析（见下图），温度对自由套管响应很明显，在自由套管长度一定的情况下，温度升高，产生热应力越大，轴向载荷越大，套管伸长量越大;温度降低，产生热应力随之降低，轴向载荷降低，套管伸长量随之减小。

5.结论

（1）温度效应是影响井口抬升的主要原因，为了避免高温气井井口抬升情况的出现，在固井是必须要求水泥返高至井口或者尽量减小距离井口段自由套管长度。

（2）环空完井液受温度影响产生热膨胀，造成环空压力升高，增加了套管内压，可以采取泄套压的方式，避免套管受到破坏。

（3）缩小工作制度，降低井口温度，降低了自由套管的轴向载荷，同时也避免了环空压力过快的升高，从根本上解决了井口承受过大的上顶力及套管的抗内压破坏。

参考文献：

[1]张镇，高宝奎.悬空套管承温能力分析.西部探矿过程[J]，2009，（7）：53-55.

[2]王树平.高温气井温度对套管接头密封及套管附加载荷的影响分析[D]，原西南石油学院硕士论文，2005.

作者简介：

唐勇，男，1987年出生，2009年7月毕业于西南石油大学，现从事测试试油技术工作。