海上油田负压作业有效负压值分析与管柱优化探讨

2020-07-01武广瑷

科技和产业 2020年6期

武广瑷

(中海油研究总院有限责任公司；海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028)

目前中国海上油气田常采用负压射孔或平衡射孔负压返涌技术，以尽量解除射孔作业对储层的污染问题[1-2]。通常制造负压的方法是在负压射孔管柱/返涌管柱内替入一段空气或低密度完井液，配合管柱上的负压开孔装置及环空封隔器，实现射孔后封隔器以下管柱与环空内外连通，诱导储层流体反向冲洗射孔孔眼。

RTTS封隔器是一种全通径套管封隔器，带有胶筒、水力锚和卡瓦，可实现双向锁定，保持胶筒与套管之间的密封[3]。由于该封隔器坐封、解封非常方便，且可多次重复使用，并能承受较大的上下压差，因此在负压射孔或负压返涌中得到了广泛的应用。但是，由于RTTS封隔器自身结构的原因，导致作业中封隔器胶筒脱落、解封困难、中心管接头断裂、附件落井等问题时有发生[4—7]，由此增加了非生产作业时间。

此外，当前业界采用的负压值设计方法多是根据渗透率、声波时差及地层出砂情况等因素来确定[8—10]，并未考虑负压作业时管柱结构对实际负压值的影响，导致实际有效负压值可能与预设值不一致，影响负压作业效果。

本文通过分析负压返涌过程中管柱与环空的变形对负压效果的影响，讨论了简化改进负压管柱结构的可行性，对改进后的管柱结构进行了风险分析并提出解决方案，有助于提高现场作业效率。

1 常用负压作业管柱及存在问题

图1为海上常用负压作业管柱结构示意图。其中，a为投棒造负压射孔管柱，管柱下入并校深后，关闭环空防喷器，环空加压点火，射孔后快速将射孔枪起出射孔段，旋转下压坐封RTTS封隔器，井口投棒打开井下负压阀，实现负压返涌。该管柱也可在下入到位坐封隔器后，井口投棒直接打开负压阀并激发点火头，实现负压射孔作业，不过若地层较为疏松，射孔时出砂量较大，则有卡枪的风险[11]。b为环空加压造负压射孔管柱，主要用于无法投棒的大斜度井作业。c为负压返涌管柱，用于避免b管柱作业中可能面临的环空加压导致的误操作(负压开孔装置提前打开)。

图1 不同类型负压作业管柱

3种管柱均需采用RTTS封隔器隔离环空上下压力系统，并将负压阀置于RTTS封隔器之下，以实现储层与钻杆内低压系统的沟通。一旦RTTS封隔器出现故障，则负压射孔或负压返涌作业将无法完成，现场往往需要起出管柱重新作业，导致作业时间大大增加。

2 负压作业前后井筒压力变化

无论负压射孔还是负压返涌作业，均有一个打开负压装置释放压力的过程，本文将其统称为负压作业。图2为负压作业前后井筒压力变化示意图。作业前负压阀始终处于关闭状态(图2-a)，射孔管柱内空气段高度取决于预设负压值Pn。若作业过程中无井涌井漏事故，则RTTS封隔器坐封前后井底压力保持恒定(一般略大于储层压力Pr)。负压作业阶段(图2-b)，负压阀打开，井底与管柱连通，井底压力下降为Pr-Pn，在负压作用下储层流体进入井筒，管柱内液面逐渐升高，井底压力逐渐增加，压差逐渐降低，返涌速度逐渐趋缓。达到预定返涌时间或返涌量后，上提解封RTTS，反循环洗压井。

显然，RTTS封隔器以下的井筒区域(图2-b中红色粗线范围内，本文称之为有效井筒区域)在负压作业前后受力状态不同，在负压作用下此区域将有收缩量ΔV，由此将影响井底有效负压值的大小。缩小该区域有助于减小ΔV，故现场常将RTTS封隔器下至射孔段顶部，尽量缩小Hpb长度。

图2 负压作业前后井筒压力变化示意图

3 负压作业初期有效负压值计算

3.1 计算模型

为计算负压作业初期有效井筒容积的变化，做以下假设：

1)不考虑井筒内压力的传递时间。

2)所有工具的变形均为弹性变形。

3)不考虑RTTS封隔器及井底水泥塞的变形。

4)不考虑套管轴向变形。

负压作业过程中钻杆、套管受力情况如图3所示。

图3 负压作业过程中钻杆、套管受力示意图

对于圆柱形空心容器，内部压力将同时作用在四周内壁和底部端面，四周内壁的压力使管柱膨胀缩短，底部端面的压力使管柱收缩伸长，计算时需综合考虑。推算得到在负压作业下，有效井筒区域缩小体积如下：

ΔV=ΔVc+ΔVd

(1)

根据弹性材料变形理论，可推算出套管周长变化量为：

(2)

进而得到套管内容积减小量：

(3)

同理，得到钻杆外体积增大量：

(4)

由于有效井筒区域体积变化导致钻杆内液柱高度变化情况为：

(5)

由于有效井筒区域体积变化导致有效负压降低值ΔP为：

ΔP=ρgΔH

(6)

(7)

式(1)—(7)中，ΔVc为套管内容积减小量，m3；ΔVd为钻杆外体积增大量，m3；Dci为套管内径，m；Dco为套管外径，m；Dci为钻杆内径，m；Dci为钻杆外径，m；Pn为预设负压值，Pa；E为弹性模量，Pa；Lc为封隔器以下非固井段套管长度，m；Ld为封隔器至负压阀之间钻杆长度，m；ε为泊松比；θ为井斜角，°；ρ为完井液密度，g.cm-3。

3.2 算例

考虑到负压作业初始时刻T对应的负压值最大且直接影响整个负压作业的效果，本文针对此时刻的状态进行具体计算分析。

取负压值为10 MPa，9-5/8”生产套管，5-1/2”钻杆，负压阀距井底100 m，钢材弹性模量2.06×1011Pa，泊松比0.31，完井液密度1.05 g.cm-3，造斜点位于垂深400 m处。

取套管内径0.226 6 m，钻杆内径0.121 4 m，计算不同预设负压值条件下有效负压降低值ΔP如图4所示。ΔP与预设负压值大小呈线性正相关，有效井筒区域内套管和钻杆长度越大，ΔP随预设负压值的变化就越迅速，比例系数就越大。以RTTS封隔器以下套管长度为150 m、钻杆为50 m、预设负压值为10 MPa的井为例，负压作业初期有效负压降低值为0.004 MPa(0.04%)。而当其他条件不变，套管及钻杆长度分别增加至5 000 m和4 500 m时，ΔP将增加至0.133 MPa(1.33%)。可以认为该工况下RTTS封隔器位于井口位置，且井深处于相对极限工况，此时有效负压降低值最大，有效负压值为预设负压值的98.67%。

图4 预设负压值对有效负压降低值的影响

计算不同尺寸钻杆条件下ΔP如图5所示。可以看出，钻杆外径越大，ΔP越小，同样钻杆外径条件下，钻杆内径越大，ΔP越小，ΔP与钻杆内径呈二次负相关。虽然钻杆内径增大导致在同样负压条件下钻杆的形变会增大(增大ΔVd)，但内径增加的同时也导致了钻杆内横截面积增大(减小ΔH)，根据计算结果，显然钻杆内横截面积的影响更大。

图5 钻杆尺寸对有效负压降低值的影响

计算不同尺寸套管条件下ΔP如图6所示。可以看出，套管内径越大，ΔP越大，两者呈二次方正相关。这是由于套管内径增大导致在同样负压条件下套管的形变会增大(增大ΔVc)，增加了有效井筒区域的总体积变化量ΔV。

图6 生产套管尺寸对有效负压降低值的影响

取负压值为10 MPa，其他参数不变，计算封隔器距井底距离Hpb不同条件下ΔP如图7所示。可以看出，ΔP与Hpb呈线性正相关，封隔器距井底距离越远，ΔP越大。

图7 封隔器距井底距离对有效负压降低值的影响

取封隔器距井底距离为3 000 m，其他参数不变，计算封隔器距负压阀距离Hpn不同条件下ΔP如图8所示。可以看出，ΔP与Hpn呈线性正相关，同样条件下封隔器距负压阀距离越远，ΔP越大。不过，Hpn的影响力相对较小，其他因素不变的条件下，Hpn由50 m增加至5 000 m，ΔP由0.066 MPa增加至0.091 MPa，比例系数仅为5.0×10-6。

图8 封隔器距负压阀距离对有效负压降低值的影响

3.3 小结

通过以上分析得出结论如下：

1)若将RTTS封隔器置于井口位置，则有效负压值较预设值最高降幅为1.33%。

2)封隔器以下钻杆内径越大，有效负压降低值越小，两者呈二次负相关。

3)封隔器以下套管内径越大，有效负压降低值越大，两者呈二次正相关。

4)封隔器距井底越远，有效负压降低值越大，两者呈线性正相关。

5)封隔器距负压阀的距离会影响有效负压降低值，但作用有限。

4 负压作业管柱结构优化探讨

从现场作业角度及负压值计算方法上来讲，1.33%的负压值降幅可以接受。此外，在满足负压值的前提下，负压阀的下入深度对有效负压值的影响也可以忽略不计。因此，建议考虑取消当前负压作业管柱上的RTTS封隔器，改用环形防喷器实现原目的功能，同时在满足循环压井的前提下适当提高负压阀的位置，降低其对应的井斜。改进后的管柱示意图如图9所示。