深水井注泡沫隔离液井口环空圈闭压力计算研究

2021-09-22张兴全刘书杰范白涛

钻采工艺 2021年4期

张兴全，刘书杰，范白涛，王昊

1中海油研究总院有限责任公司 2中国石油大学(北京)

0 引言

由于温度升高导致密闭的各层套管间环空内的流体膨胀，从而使环空圈闭压力升高，称为井口环空圈闭压力[1-2]。井口环空圈闭压力在油气井测试和开发阶段普遍存在，尤其在高温高压井、深水井中尤为突出，但由于深水水下井口的特殊性，B、C环空目前尚无有效手段实现压力释放。圈闭压力对油气井套管强度校核有较大影响，在进行套管柱设计过程中，应充分考虑圈闭压力的影响，如预测不准确会造成严重的套管挤毁事故[3-4]。墨西哥湾Marlin 油田A-2 井在生产数小时之后，过高的圈闭压力将生产套管挤毁；墨西哥湾 Pompano A-31井在钻井期间，圈闭压力将Ø406.4 mm套管挤毁。

目前有多种圈闭压力防治方法，主要分为增加结构强度、井口或者地层压力释放、增加环空流体的可压缩性、减少热量传递四大类[5- 9]。各种防治方法的优缺点如表1所示。

表1 深水井环空圈闭压力防治方法对比

注泡沫隔离液作为环空圈闭压力防治方法之一，目前对注泡沫隔离液的理论模型、实验验证等研究工作较少，对注泡沫隔离液的应用未有理论依据，制约了该方法的应用。本文从基础模型建立、理论分析、实验验证对注泡沫隔离液进行了研究，得出了注泡沫隔离液的最佳体积比，对注泡沫隔离液技术提供理论依据。

1 注泡沫隔离液圈闭压力计算方法

1.1 全液相圈闭压力计算方法

考虑了高温环境下管柱热膨胀、流体膨胀性及压缩性、各环空压力耦合对环空体积的影响。

(1)

将圈闭压力计算式(1)展开，可以写为：

(2)

环空体积变化主要为套管的径向变形造成，套管径向变形对相邻环空产生相互耦合作用。除考虑套管自由段径向变形外，还需考虑地层、固井水泥环、套管相互作用产生的径向变形，该部分采用参考文献[10]中方法进行计算。

1.2 注泡沫隔离液圈闭压力计算方法

假设气体为理想状态气体，根据气体和液体状态方程，建立注泡沫隔离液圈闭压力计算模型。

气体状态方程：

(3)

液体状态方程：

ΔV=α1VlΔT

(4)

气体体积变化等于液体体积变化，则可以得到环空含气圈闭压力为：

(5)

2 流体热膨胀特性

流体的热膨胀系数和压缩系数可通过流体PVT实验数据进行求取[11]。

膨胀系数为：

(6)

压缩系数为：

(7)

式中:ρ0—常温常压下流体密度，kg/m3；ρp,T—在压力p和温度T下的密度，kg/m3；ΔT—温差，℃；Δp—压差，MPa。

实验测得NaCl盐水随温度、压力的变化规律，进而求取了热膨胀系数和压缩系数随温度压力的变化规律。

由表2可知，温度、压力对膨胀系数和压缩系数有一定影响，在80～100 ℃条件下，NaCl盐水升每高1 ℃，压力升高约1.1 MPa。

表2 NaCl盐水热膨胀系数和压缩系数表

3 实验验证

为了验证不同环空气液比对圈闭压力影响，建立了一套高温高压圈闭压力测试装置。装置采用Ø88.9 mm油管,Ø139.7 mm生产套管,Ø245.7 mm技术套管,Ø339.7 mm表层套管,组成A、B、C环空。A环空注入密度为1 150 kg/m3的NaCl盐水，B环空注入密度为1 200 kg/m3的水基钻井液，C环空注入密度为1 030 kg/m3的海水。

设置油管内温度由80 ℃开始升温至130 ℃，A、B、C环空温度随之升高，环空压力随之增加。实验过程实时记录各环空内的温度和压力数据。为了更好的模拟现场实际情况，设置A、C环空为全液相，且保持不放压，B环空注入泡沫隔离液，注入泡沫隔离液体积含量分别设置为0、3%、5%、10%，分析B环空不同体积含量的泡沫隔离液对A、B、C各环空圈闭压力的影响(图1～图4)。

图1 环空温度随时间变化曲线图

图2 环空压力随时间变化曲线图

图3 环空压力随温度变化曲线图

图4 注泡沫隔离液后环空压力随温度变化曲线图

A、B、C环空初始全为液相，分别为隔离液—水基钻井液—海水，当油管内的温度由80 ℃升高到130 ℃过程中，A环空温度上升了33 ℃，B环空升高了23 ℃，C环空升高了8 ℃，相对应的A、B、C环空压力分别增加了33.33 MPa、16.33 MPa、4.88 MPa，A环空每上升1 ℃压力上升1.01 MPa，B环空每上升1 ℃压力上升0.71 MPa，C环空每上升1 ℃压力上升0.61 MPa。温度每升高1 ℃压力升高值不仅与流体热物性有关，还与套管的径向变形有关。

B环空分别注入不同体积含量的气体后，B环空压力显著降低。全液相时，温度每升高1 ℃，环空压力升高0.7 MPa；当B环空气体体积为15%时，温度每升高1 ℃，环空压力升高0.06 MPa。不同气液比情况下，各环空温度和压力情况如表3所示。随着气液比增加，各环空温度升高值基本不变；B环空压力显著降低，由全液相时的17.98 MPa降低为1.67 MPa；A环空和C环空压力逐渐降低，主要是因为B环空压力降低，套管径向变形造成A、C环空压力降低。

表3 注泡沫隔离液后环空温度和压力变化表

环空气体体积比增加时，环空压力逐渐降低，当环空气体体积比增加到5%后，随着气体体积增加，环空圈闭压力降低幅度趋于稳定，与理论分析结果一致(图5)。

图5 环空气液比与环空压力关系

4 计算实例

南海气田某井水深1 345 m，设计井深3 450 m，地温梯度：3.87 ℃/100 m，储层温度：71.0～95.1℃，储层压力系数：1.19～1.21，储层压力：37.4～40.3 MPa，气井产量70×104m3/d。Ø914.4 mm导管下深1 325 m；Ø508 mm表层套管下深2 100 m，水泥返高至泥线；Ø339.1 mm技术套管下深2 980 m，水泥返高至2 200 m；Ø245.7 mm生产套管下深3 780 m，水泥返高至2 800 m。

根据参考文献[12]中的模型，可以得到A环空井口处温度为70 ℃，B环空井口处温度为62 ℃。

当井筒内全为液体时，计算得到B环空圈闭压力为29.45 MPa，当含气量增加到5%时，环空圈闭压力降低为10.52 MPa，当含气量增加到7.5%时，圈闭压力趋于稳定(表4)。理论计算结果与实验结论相符合。