密闭环空热膨胀压力全尺寸模拟实验

胡志强， 李 鑫， 金 鑫， 曹 耐， 张 亢， 李舒展

(1.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究， 北京 100101； 2.中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院， 北京 102249; 3.页岩油气富集机理与有效开发国家重点试验室， 北京 100101)

由于地层压力剖面的不确定性和固井技术条件的限制，深水、深层油气井套管结构复杂、层次较多，易形成多层密闭环空结构。油气运移过程中井筒高温流体与地层低温环境间巨大的温差作用，会导致密闭环空内的流体介质吸热膨胀，产生较大热力载荷，从而导致套管挤毁变形，严重威胁井筒完整性。目前针对密闭环空热膨胀压力研究主要集中于模型预测，张波等[1]、胡志强等[2]研究建立了基于环空流体状态方程的预测模型，石小磊等[3]、胡志强等[4]研究了基于环空体积相容性原则的计算方法，主要包括套管刚性强度和敏感性参数分析等方面。但针对热效应引起的环空压力全尺寸模拟实验尚处于空白，导致预测模型结果缺少实验数据的对比。因此有必要开展环空热膨胀压力形成室内模拟实验，设计相关模拟实验装置和方案，分析高温热流体在井筒运移过程中对套管密闭环空温度和环空压力造成的影响，研究多层套管环空之间的相互作用机理，验证理论模型的计算结果和精度，以期为深水、深层油气井实际工程设计和环空压力防治措施优选提供实验数据支持。

1 实验设计

目前关于环空压力模拟实验较少，Williamson等[5]研制出一套测定环空流体热膨胀压力的实验装置，实验原理是通过加热小型高压釜内热电偶装置，使得环空流体升温至设定值，再通过压力计读取流体热膨胀压力，得到高压釜内流体环空压力与温度的变化关系，但是从深水井身结构特点和现场工况角度出发，该实验还存在以下不足。

(1)没有考虑层环空相互间的影响。深水、深层井身结构特点决定了密闭环空无法独立存在，必定会受到内部油管环空和外部套管环空的影响。

(2)忽略了套管结构尺寸效应。深水、深层井常用套管尺寸较大，内径和壁厚的变化会对环空应力造成影响。

(3)没有模拟实际的环空温升工况。实际生产中，密闭环空温度升高是由于油管内高温流体径向传热导致的，可以通过调节油井产量和生产时间来改变环空温度和压力。

(4)忽略了水泥环和地层边界限制。高压釜在温压耦合作用下产生形变，体积自由膨胀，降低环空压力。

针对上述问题，设计一种双环空井段井筒模拟实验装置，通过内层套筒循环高温流体，模拟实际油管生产过程，调节流体循环温度、循环时间和循环流量模拟实际生产措施的变化；外层两套筒分别模拟密闭A环空和B环空，环空内部填充满实验环空流体；将井筒模拟实验装置整体置于地层土中，利用水泥浆灌入设备向套筒装置与地层间隙内部注入水泥浆，使得实验套筒、水泥环和地层共同构成井筒地层模拟系统。实验过程中通过各类温度传感器、压力传感器和传输管线实现对数据采集和整理，实验整体方案设计如图1所示。

图1 环空压力全尺寸模拟实验方案设计图Fig.1 Design scheme of full-scale simulation experiment scheme for annular pressure buildup in deepwater wells

2 实验设备

2.1 实验套筒

为了模拟实际井身结构，实验使用三层管柱制作模拟双环空井段套筒：外层套管尺寸为339.7 mm，模拟封固段套管；中间层套管尺寸为244.5 mm，模拟自由段套管；内层套管尺寸为139.7 mm，模拟油管，套管高度均为80 cm，模拟生产过程中井筒单元体长度，表1为实验套管参数。

表1 实验套管参数

实验套管柱两端通过焊接方式与密封盖板连接，保证实验套筒的密封完整性；同时在套筒上端密封盖板预留出多个螺纹短节，分别与油管循环管路、环空插入式温度计和压力计连接，记录实验数据。实验套筒完整结构如图2所示。

图2 实验套筒结构Fig.2 Experimental casing structure

2.2 实验仪器

实验主要使用的仪器包括流体循环设备和数据采集设备两大类：循环设备主要包括高温循环泵、恒温加热水浴炉、涡轮流量计以及循环软管。高温循环泵为实验内部油管提供流体循环动力，额定功率1 100 W，额定流量11 m3/h；恒温加热水浴炉可多档自动加热，长时间保持流体温度的稳定，额定功率2 800 W，实际容量41L，可调节温度范围30～120 ℃；涡轮流量计耐温范围-20～100 ℃，测量精度高，流量量程范围0.1～1.2 m3/h，精度等级0.5级。

3 实验流程与步骤

实验设定了3组温度变量(50、60、70 ℃)、4组流量变量(2、5、8、10 L/min)，同时，根据文献[6]分析，环空升温升压导致井筒地层产生弹性变化，在停止循环加热后，环空温度、压力和套管形变量均会恢复，因此为了测量套管自然散热过程中环空温度和压力的变化情况，实验一共分为高温加热和自然散热两部分，每次实验全程持续时间约为7 h。环空热膨胀压力全尺寸模拟实验具体测试步骤如下。

(1)首先将实验套筒放置入地层，采用吊装设备扶正套筒居中，利用水泥浆灌入设备向套筒装置与地层间隙内部注水泥浆，等待水泥浆候凝。在固井完成后，连接好实验中所需的流体循环设备和数据采集设备，调节好仪器参数，准备循环加热。

(2)在开始加热循环之前，需要先测定实验套筒各层环空的初始温度、压力。在确认初始条件后，首先将水浴炉中的流体加热升温至设定温度，并维持恒定，然后通过循环软管先将油管内部低温流体排出，防止低温流体在循环中对实验的干扰，再开始正式循环实验。记录仪每隔1 min自动记录一组数据点。

(3)当高温流体循环一段时间后(2～3 h)，实验套筒A、B环空温度和压力维持稳定，读数不再上升，这时可认为实验井筒内部的传热过程达到了拟稳态状态，各部分介质温度和压力上升到了最大值，此时可以停泵关闭循环阀门，结束高温加热阶段实验。

(4)在停止循环后，让实验套筒自然散热泄压，仍然通过数据采集设备记录环空内部的温度和压力变化，直至实验结束(7 h)。

(5)在下一次实验开始前，首先需要检查环空液体是否渗漏，若有，则需要通过环空液补给设备使环空再次填满液体。然后检查流体循环设备和数据采集设备，调节好仪器参数，准备再次实验。

4 实验结果分析

4.1 环空温度变化规律

图3为不同循环温度和流量条件下，环空温度随测试时间的变化情况。可以看出，在加热循环阶段，随着循环流量持续的增加，A环空和B环空的温度随之显著上升，由于热阻效应和井筒拟稳态传热，A环空比B环空升温速率更快，温度峰值更高；此外，循环温度越高，环空温度上升越高，环空温度达到峰值所耗时间越短。在自然散热阶段，A环空温度始终高于B环空，该阶段的散热速率要低于加热阶段，随着实验测试时间的延长，实验各层套筒环空温度趋于平稳，直至恢复到地层温度。

图3 环空温度随测试时间的变化规律Fig.3 The variation of annulus temperature with test time

4.2 环空压力变化规律

图4为不同循环温度和流量条件下，环空压力随测试时间的变化情况。可以看出，与环空温度规律类似，在加热循环阶段，随着循环流量的增加，A环空和B环空压力显著上升；循环流量越大、循环温度越高，环空压力上升速率越快，越早达到峰值。在自然泄压阶段，A环空比B环空压力泄压速率快，随着实验测试时间的延长，实验各层套筒环空内压力趋于平稳。此外在高温加热和自然泄压两个阶段，环空压力上升和下降速率基本保持一致。

4.3 环空压力增量

图5为不同循环温度和循环流量条件下，环空压力与环空温度增量之间的变化情况。从实验过程和结果发现，环空压力上涨幅度比环空温度要小，在实验测试初期，随着环空温度的上升，压力并未出现明显变化，当温度超过某一阈值时，环空压力快速增加，接近线性变化趋势。分析原因，主要是由于环空流体中含有部分可压缩溶解气体所导致[7]。在实验开始阶段，环空流体受热膨胀，体积发生变化，挤压流体内部含有的可压缩性溶解气，导致环空压力没有显著上升；随着环空温度的逐步升高，溶解气体积无法进一步被压缩，环空流体热膨胀开始挤压套筒，从而产生环空压力。此外，循环流量越小，环空压力线性增长部分斜率越高，这是由于在低流速情况下，系统内部介质对流换热过程更充分，单位温度增量导致环空压力变化更剧烈。

图5 环空压力与环空温度增量之间的关系Fig.5 The variation of annulus pressure with test time

根据环空压力理论和实验结果分析得到，在井筒地层弹性系统中，环空压力上升和下降过程可视作可逆反应，其中在升温增压后期和散热泄压前期，溶解气已基本被完全压缩，对环空压力产生的影响较小，环空流体产生的压力随温度呈线性变化。因此，为了能够更加准确地评估实验过程中环空流体自身产生环空压力的能力，尽可能排除可压缩溶解气体的干扰，实验可选取环空压力随温度线性增加和下降部分进行研究。同时，由于实验数据记录具有不连续性，无法直接比较各种工况下的环空压力大小，因此引入环空压温比的概念[8]来表征环空压力随温度变化的波动程度，其定义为套管环空中单位温度增量引起的压力变化，可表示为

(1)

式(1)中：ΔPann为套管环空的压力增量， MPa；ΔTann为套管环空的温度增量， ℃；

根据计算模型并结合实验数据，可以得到实验中高温加热阶段，自然散热阶段，双环空压力预计模型和纯水受热膨胀四类环空压温比的数据，如图6所示。可以看出，因为温度对纯水的热力学性质受影响较大，纯水受热膨胀所产生的环空压温比最高，随着循环温度和流量的增加，环空压温比依次上升；实验流体为含有部分溶解气的水，由于气体的可压缩性缘故和实验套管的弹性变形，导致测试得到的环空压温比比理论计算值偏低；此外，随着实验循环流量持续的增加，环空压温比略有下降，这也说明在低流速情况下，环空内部换热更为充分，单位温度产生的环空压力更大；由于热阻和井筒拟稳态传热效应影响，A环空比B环空的环空压温比大，随着实验循环温度的升高，环空压温比均会上升。

图6 环空温度随测试时间的变化规律Fig.6 The variation of annulus temperature with test time

同时，可以看出，自然散热阶段比高温加热阶段的环空压温比要略高，这是由于高温加热后期，已被压缩的溶解气仍然会继续被压缩，吸收部分环空压力；在散热泄压阶段，环空温度下降缓慢，使得环空流体体积与环空压力更容易恢复完全，溶解气的干扰更小。此外，通过对比环空实验数据与双环空压力预计模型计算结果，发现相对偏差精度均在10%以内，满足理论和现场实际需求，进一步验证了本文构建的理论模型的准确性和适用性。

5 结论

(1)实验分为高温加热和自然散热测试两部分，在加热循环阶段，随着循环流量的增加，A环空和B环空的温度压力显著上升，A环空比B环空升温增压速率更快，温度压力峰值更高；在自然散热阶段，A环空和B环空散热速率基本一致，A环空压力下降更快，随着测试时间的延长，实验套筒环空内温度压力基本恢复初始状态。

(2)由于环空流体中含有部分无法消除的可压缩溶解气体，导致环空压力上涨幅比环空温度要小。在升温增压后期和散热泄压前期，溶解气已基本被完全压缩，对环空压力影响较小，环空流体产生的压力随温度呈线性变化。

(3)利用环空压温比的概念来比较高温加热阶段、自然散热阶段、双环空压力预计模型和纯水受热膨胀过程中单位温度增量产生的环空压力大小。其中纯水受热膨胀所产生的环空压温比最高；自然散热前期的环空压温比更能反映出环空流体产生的压力的能力大小；双环空压力预计模型计算结果与实验测试数据偏差均在10%以内，满足理论和现场实际需求。