油套环空带压气井漏点位置放压诊断研究

舒 刚, 陈 浩, 马辉运， 李玉飞, 汪传磊, 朱达江, 周 浪

中国石油西南油气田分公司工程技术研究院

0 引言

环空带压是指油套环空、技套环空、表套环空的井口处压力根据设计应接近于0而实际上异常地带有较高压力的现象，在各地区气井中都较常见。美国矿业管理局的环空带压统计数据表明，在海湾外大陆架地区，环空带压的油气井占比逐年增加，在15 500口井中，有6 692口井存在环空带压。墨西哥湾地区某油气田26口生产井有22口井(占总数的85%)存在环空带压[1- 3]。国内大庆油田的升深8、徐深10、徐深901、徐深606、达深斜5等存在技套环空带压情况，塔里木的克拉气田有11口井环空带压，其中克拉2-10井套压54 MPa，此外牙哈7X-1井套压25.8 MPa,西南地区龙岗、普光等气田也存在部分气井环空带压的情况[4- 7]。

持续的环空带压一旦发生，处理办法非常有限，压力超过井筒或井口承压能力的高压含硫气井存在含硫天然气泄漏风险，是影响气井安全生产的难题之一[8- 12]。对于环空带压气井的生产管理和措施制定，明确环空带压的机理和建立简便有效的漏点位置诊断方法尤为重要。将漏点检测仪器下入油管内可确定漏点位置，但是影响生产,费用高,存在一定施工风险，目前国内较少应用。漏点位置的地面放压诊断方法费用低,风险小，目前尚处于起步阶段，本文即是研究漏点位置的地面诊断方法。

1 油套环空带压原因与过程

1.1 带压原因

油套环空带压与钻井作业、完井试油作业、采气操作、油套管及采气井口密封性能、水泥环性能等多种因素有关，主要原因可归纳为3方面。

(1)温度变化会引起井内流体、套管、水泥环热胀冷缩，流体体积变化大于对应的容积变化，导致环空带压。油管内或环空的压力变化引起管柱的鼓胀效应导致环空容积变化，也会引起环空压力变化。

(2)由于井筒或井口的某部分屏障发生泄漏使得气体窜至井口环空引起环空带压。

(3)出于施工作业或工艺目的对环空人为加压，施加的压力如果不完全泄掉会引起环空带压，如酸化压裂施工中加的平衡压。

温度变化和管柱鼓胀效应引起的环空带压、人为加压在放压后基本就不再带压，安全风险较小。气窜引起的环空带压放压后压力会再次上升，形成持续的环空带压，这类环空带压难以处理，对高压含硫气井安全生产有较大影响，因此主要研究该类环空带压中的油套环空带压。

1.2 带压过程

高压含硫气井普遍采用气密封扣油管和永久式完井封隔器进行完井，因此封隔器以上的油套环空是一个容积近似不变的密闭空间。完井后，正常情况下该密闭空间充满液体，出现漏点后气体才进入引起油套环空带压。下面阐述完井管柱泄漏引起的油套环空带压过程，从出现漏点开始，油套环空带压主要有5个过程：

(1)出现漏点。某一时刻油管出现漏点，在漏点处油管内压力大于油管外压力的条件下，天然气持续渗漏进入油套环空。

(2)第一次平衡。由于油套环空是一个密闭空间，天然气持续进入将引起油套环空内的压力持续增加，直到漏点处油管内外压力相等后，天然气停止进入油套环空，这是第一次平衡。进入的天然气体积由油套环空的综合容积变化确定，包括套管膨胀后增加的容积、油管压缩后增加的容积、液体压缩对应的容积。由于油套环空是受限空间，油套管属刚性体，其变形空间小，液体压缩性也小，只能进入很小体积的高压天然气。

(3)天然气上升并膨胀。进入油套环空后的天然气在浮力作用下缓慢上升。对于微渗情况，只有微量气体进入环空，无液体渗漏。对于渗漏较重的情况，漏点处的油套环空压力持续增加，打破压力平衡，引起油套环空内的液体持续渗漏进入油管内和天然气体积持续膨胀。

(4)第二次平衡。天然气上升至井口后继续膨胀，漏点处的油套环空压力持续减小，直到漏点处油管内外压力相等后，天然气停止进入油套环空，这是第二次平衡。漏失进入油管内的液体体积由天然气的膨胀体积和油套环空的综合容积变化确定。井口处的气柱高度由油管内外的压力平衡关系确定。由于漏点处存在压力平衡，漏点以上液柱静压力越小，套压越大。漏点处的压力由气柱压力、流动摩阻、流动油压确定。

(5)打破平衡与再平衡。由于产量调整、环空放压等操作，油管内的压力分布或油套环空内的压力分布将发生变化，从而漏点处油管内外的压力平衡被打破，引起油管内天然气进入油套环空或油套环空内液体进入油管。与前面的过程相似，经过一定时间后漏点处的油管内外压力将重新平衡。因此，产量调整、环空放压等操作将导致环空内的液体减少，环空带压情况有变得更严重的趋势，当漏点以上环空内只剩气体时环空带压值将达到最大。

2 漏点位置计算方法

当产层上部某一层位的天然气由水泥环、油层套管渗入油套环空时，可通过气体组分分析和固井质量数据确定环空带压的原因和大致渗漏位置。当采气井口密封失效导致产出气体窜入油套环空时，油压和套压接近，同时二者有明显的压力联动特征，比较容易判断出来。对于产层天然气由技套环空水泥环间隙上窜并通过封隔器以上某处油层套管渗入油套环空的情况，由于封隔器以下油层套管固井长度通常较长，并且油层套管常使用气密封扣，天然气通过这种途径进入油套环空的概率很小。因此，对以上三种情况不作分析，主要是分析油管丝扣渗漏和封隔器失效渗漏引起的油套环空带压。

油套环空带压过程复杂，若采用多相流方法计算漏点位置，难度将很大。根据带压过程分析结果，进入第二次压力平衡后，天然气停止进入环空，环空上部是静止气柱，环空下部是静止液柱，漏点位置计算简化为单相流问题。

如图1(a)，油管出现漏点后，气体进入环空。经过一定时间后，油压、套压趋于稳定，气体停止进入环空，漏点处压力满足以下关系：

p油内=p油外

(1)

即：pt+pfric+ptg=pc+pcg+pcL

(2)

如图1(b)，封隔器失效后，气体进入环空。经过一定时间后，油压、套压趋于稳定，气体停止进入环空，封隔器上下压力满足以下关系：

图1 油管丝扣渗漏和封隔器失效渗漏的压力平衡示意图

p封下=p封上

(3)

即：pr-Δpprod-pwg-pfric=pc+pcg+pcL

(4)

式中：p油内—油管内的压力；p油外—油管外的压力，即油套环空内的压力；pt—油压；pfric—流动摩阻；ptg—油管内的气柱压力；pc—套压；pcg—油套环空内的气柱压力；pcL—油套环空内的液柱压力；p封下—油套环空封隔器下部压力；p封上—油套环空封隔器上部压力；pr—产层压力；Δpprod—生产压差；pwg—井筒内气柱压力。

式(2)和式(4)表明，油压、套压趋于稳定后，天然气停止进入环空，环空内无气液两相流，封隔器上部油套环空内的压力与油管内的压力(或封隔器下部的环空压力)一定在渗漏点对应井深处相等，即井深—压力曲线在渗漏点井深处相交。要获得渗漏点井深位置，就需要计算出对应的井深—压力曲线，包括p油内(H)、p油外(H)、p封下。

求解p油内(H)需要计算管内气体流动压力，求解p油外(H)需要计算pcg、pcL，求解p封下需要计算Δpprod、pwg[13]，以上气体流动压力、气柱压力、液柱压力、生产压差的计算已有成熟计算模型和商业软件可以实现，不再阐述。

3 漏点位置放压诊断

漏点位置计算中需要用到环空气柱高度数据，该数据通常是未知的，需要利用声波测液面设备直接测量气柱高度，或者采用环空放压测试估算出气柱高度值，本文以环空放压测试为例进行诊断分析。通常情况下，环空放压的时间短，并且放出气流量远大于放压期间通过渗漏点进入环空的气流量，渗漏进入的气量忽略不计，因此假设放压过程中环空内没有气体补充。环空放压后，依据气体PVT方程，结合放出的气量、放压前后的压力变化可计算出环空气柱高度。

PV=ZnRT

(5)

n放前=n放后+n放

(6)

式(5)带入式(6)，整理后得到含气柱高度Hg的计算式：

(7)

式中：n放前—放压前环空中气体的物质的量；n放后—放压后环空中气体的物质的量；n放—放出气体的物质的量；p放前i—放压前第i个节点处的气压；p放后i—放压后第i个节点处的气压；ps—标况压力；Ti—第i个节点处的温度；Ts—标况温度；Z放前i—放压前第i个节点处的气体压缩系数；Z放后i—放压后第i个节点处的气体压缩系数；Zs—标况下的气体压缩系数；V放—放出的气体标况体积；S环空—环空截面积；Hg—环空气柱高度；R—普适气体常数；k—计算节点数。

在西南地区A、B两个高压含硫气田开展了20余井次的油套环空放压测试，进行了漏点位置放压诊断。其中的个别井开展了井下漏点声波测井，与测井结果对比表明，计算的漏点位置误差在15%以内。以X井为例进行分析，该井是一口斜井，完井管柱下深5 740 m，产层温度150 ℃，产层压力59.1 MPa，产气量27×104m3/d，油压40.7 MPa，套压27.9 MPa，气质分析显示油套环空天然气属于产层气。放压期间，套压在40 min内由27.9 MPa下降至8.5 MPa，放出气量290 m3。压力恢复期间，套压在24 h内由8.5 MPa上升至13.8 MPa，表明气体渗入速度较慢。计算得到p油内(H)、p油外(H)以及封隔器下部压力(图2)，p油内(H)与p油外(H)曲线相交于1 930 m，表明渗漏点在垂深1 930 m附近。井下漏点声波测井结果显示垂深2 211 m油管接箍处存在显著的低到中频噪音，即存在漏点，计算结果与测井结果基本相符。

图2 X井油管内外压力曲线

该井油套环空的气量相对较少，并且漏点为井筒中部油管接箍处，暂时不影响安全生产，可不进行环空补液和采取其它重大措施。根据前面的环空带压机理分析，该井需要尽量减少产量调整，在满足环空允许承压能力的条件下，减少环空放压次数，避免更多天然气进入环空和漏点增大。后期，该井套压没有继续增大，表明环空压力管理建议起到作用。漏点位置放压诊断结果受环空液体密度、气体组分、油套压稳定情况、井筒与地层参数的选取等因素影响产生一定误差，但是对于漏点位置粗略确定、环空带压原因判断及气井生产管理具有参考意义。

4 结论

(1)油套环空带压主要有5个过程：出现漏点、第一次平衡、天然气上升并膨胀、第二次平衡、打破平衡与再平衡。产量调整、环空放压等将导致环空内的液体减少，环空带压情况有变严重的趋势，漏点以上环空内只剩气体时的环空带压值达到最大。

(2)在油压、套压稳定的条件下，基于长时间渗漏后达到压力平衡的原理，即井深—压力曲线在渗漏点井深处相交，建立起漏点位置计算方法。

(3)结合现场油套环空放压、井筒与生产数据，进行了油套环空带压气井的漏点位置放压诊断，确定了漏点大致位置。与下入漏点检测仪器相比，该方法不影响生产，费用低，风险小，为简便有效地粗略确定漏点位置提供了途径，对油套环空带压气井的生产管理和措施制定起到重要作用。