高溫高壓含硫氣井環(huán)空流體熱膨脹帶壓機(jī)理

摘 要

摘要：在高溫高壓含硫氣井中，環(huán)空帶壓值過大將會(huì)影響正常生產(chǎn)，一旦超過允許值將誘發(fā)潛在的安全事故。針對開采過程中井筒溫度升高使密閉環(huán)空流體受熱膨脹而導(dǎo)致的環(huán)空帶壓問題，建
摘要：在高溫高壓含硫氣井中，環(huán)空帶壓值過大將會(huì)影響正常生產(chǎn)，一旦超過允許值將誘發(fā)潛在的安全事故。針對開采過程中井筒溫度升高使密閉環(huán)空流體受熱膨脹而導(dǎo)致的環(huán)空帶壓問題，建立了高溫高壓含硫氣井環(huán)空流體熱膨脹帶壓值的計(jì)算模型，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。結(jié)果表明，高溫高壓含硫氣井環(huán)空流體熱膨脹引起的帶壓值很有可能會(huì)引起生產(chǎn)管柱的失效，給油氣井安全生產(chǎn)帶來威脅。因此，有必要在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)與環(huán)空保護(hù)液優(yōu)選時(shí)，根據(jù)油氣井正常開采的工作制度，降低開采過程中環(huán)空帶壓值并開展有效的環(huán)空帶壓管理，確保高溫高壓含硫氣井的長期安全生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：環(huán)空帶壓；硫化氫；高溫高壓；套管；氣井；安全；熱膨脹
0 引言
    環(huán)空帶壓(油管與套管之間環(huán)空、油層套管與技術(shù)套管之間的環(huán)空等)對安全生產(chǎn)十分不利，是全世界石油工業(yè)界面臨的共同難題和安全問題[1～3]。環(huán)空帶壓是指井口環(huán)空壓力表非正常啟壓。如果該壓力在經(jīng)井口放噴閥門放噴后，關(guān)閉套管環(huán)空放噴閥門壓力又重新上升到一定的程度，這種情況國際上通常稱作持續(xù)套管壓力(sustained casing pressure)或持續(xù)環(huán)空壓力SAP(sustained annular pressure)。根據(jù)環(huán)空帶壓引起的原因可以將其分為：作業(yè)施加的環(huán)空壓力，受溫度、壓力變化使環(huán)空和流體膨脹引起的環(huán)空壓力以及由于油氣從地層經(jīng)水泥隔離層和環(huán)空液柱向上竄流引起的環(huán)空壓力(即環(huán)空帶壓SCP)，筆者重點(diǎn)探討了溫度變化導(dǎo)致的環(huán)空帶壓計(jì)算模型，開展了實(shí)例計(jì)算。環(huán)空帶壓值計(jì)算模型
    在一定的井深處，一段密閉在環(huán)空中的流體或是氣體柱的壓力，取決于該段環(huán)空的平均溫度(T)、密閉環(huán)空的體積(Vann)和密閉流體或是氣體的質(zhì)量(m)，密閉環(huán)空的壓力是它們?nèi)叩暮瘮?shù)[4]：
    p=p(T，Vann，m)    (1)
對上式求偏微分，可得到密閉環(huán)空壓力變化的表達(dá)式為：
 
式中：kT為環(huán)空流體等溫壓縮系數(shù)，MPa-1；α1為環(huán)空中流體的熱膨脹系數(shù)，℃-1；V1是環(huán)空中流體的體積，m3；Vann為環(huán)空的體積，m3；△Vann為環(huán)空的體積的變化量，m3；△T為套管平均溫度差，℃。式(2)表明：環(huán)空中流體的熱膨脹、環(huán)空體積的變化和環(huán)空中液體質(zhì)量的變化都將影響環(huán)空壓力的變化。對于密閉環(huán)空，△m=0，即可得密閉環(huán)空壓力的計(jì)算式為：
 
在密閉環(huán)空中，假設(shè)套管不發(fā)生形變，環(huán)空壓力的變化只受環(huán)空流體的熱膨脹作用，則溫度變化導(dǎo)致的環(huán)空帶壓值計(jì)算模型為：
 
式中：△pT為溫度變化單獨(dú)作用(假定環(huán)空體積不變)所導(dǎo)致的環(huán)空帶壓值，MPa。
    當(dāng)環(huán)空中的流體的溫度和壓力增加時(shí)，因?yàn)橐韵?個(gè)方面的原因，套管和套管之間(未注水泥)的環(huán)空體積將增加：①鋼材的熱膨脹系數(shù)小于流體的熱膨脹系數(shù)；②由于環(huán)空壓力的增加，內(nèi)層套管被擠壓收縮；③由于環(huán)空壓力的增加，外層套管被擠壓膨脹。
由于環(huán)空體積的變化引起的壓力變化量為：
 
式中：△pV為環(huán)空體積變化單獨(dú)作用(假定溫度不變)所導(dǎo)致的環(huán)空帶壓值，MPa。
也可寫成：
 
    環(huán)空體積的變化主要取決于生產(chǎn)套管內(nèi)部的壓力pint的瞬時(shí)變化，式(6)可變形為[5]：
   
式中：C為套管在一定載荷下的變形系數(shù)。
下面推導(dǎo)參數(shù)(C)的獲取方法：套管單位長度上的周向應(yīng)力，由下式給出：
 
式中：D為套管的直徑，mm；h為壁厚，mm；pi、po分別為管內(nèi)和管外的壓力，MPa。
    管內(nèi)和管外的壓力變化都會(huì)引起周向應(yīng)力的變化：
   
根據(jù)胡克定律，周向應(yīng)力的變化會(huì)使套管的外徑產(chǎn)生一個(gè)變化，如下：
 
式中：E是彈性模量，MPa。
考慮到套管兩端是固定的，套管的體積變化為：
 
    由式(11)可得套管的變形系數(shù)為：
   
上式是在假設(shè)整個(gè)套管是均勻的，而且在整個(gè)長度上都能變形的條件下得到的。在總長為L1的套管上，有長度為L2的套管段被水泥漿固結(jié)，此時(shí)總的變形系數(shù)為：
 
式中：L1為套管的總長，m；L2為被水泥固結(jié)的套管段長度，m。
考慮到環(huán)空為密閉的，忽略環(huán)空中流體的漏失，并且假設(shè)環(huán)空內(nèi)(套管內(nèi))、外(套管外)的壓力為常數(shù)，可以得到密閉環(huán)空的壓力為：
 
式中：α2為鋼的熱膨脹系數(shù)，℃-1；C1是套管總的變形系數(shù)，MPa-1。
    考慮到內(nèi)層套管被壓縮，同時(shí)也考慮到外層套管的膨脹的作用。將式(14)重新整理可得：
   
    式(15)即為在假設(shè)密閉環(huán)空絕對密封，不存在漏失的情況下，且不考慮溫度變化引起環(huán)空壓力的變化，密閉環(huán)空中壓力的計(jì)算公式，其中套管總的變形系數(shù)(C1)可以通過式(13)求得。
假設(shè)環(huán)空是完全密閉的，即不存在漏失，考慮到環(huán)空流體的熱膨脹和環(huán)空體積的變化兩者共同作用下，環(huán)空的壓力總的變化為：
 
式中：△p為溫度升高產(chǎn)生的環(huán)空液體膨脹壓，MPa。
2 現(xiàn)場應(yīng)用
    某高溫高壓含硫氣井完鉆井深5002m，地層孔隙壓力當(dāng)量密度為1.65g/cm3。該井的油層套管下深為5000m，油層套管和技術(shù)套管之間的環(huán)空中，水泥返高2000m，水泥之上的環(huán)空中充滿液柱。圖1是該高溫高壓含硫氣井的井身結(jié)構(gòu)圖，下面將以這個(gè)井為例，對該井的油層套管和技術(shù)套管之間的密閉環(huán)空中的帶壓值進(jìn)行計(jì)算。
    表1給出了套管和鉆井液的材料力學(xué)性質(zhì)，表2給出了外徑為Ø139.7mm的兩種不同鋼級的油層套管的技術(shù)參數(shù)，表3為開采過程中井筒溫度升高導(dǎo)致的環(huán)空帶壓情況。
從表3中可以看出，對于高溫高壓高產(chǎn)氣井來說，開采過程中井筒溫度較高，溫度升高引起較大的密閉環(huán)空壓力。當(dāng)溫度升高60℃時(shí)，密閉環(huán)空的帶壓值已經(jīng)達(dá)到86.61MPa，超過鋼級為P110的油層套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度為85.2MPa。因此，高溫高壓高產(chǎn)氣井鉆完井工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮后期工作制度對井筒安全的影響。
表1 套管和鉆井液的材料力學(xué)性質(zhì)表
參數(shù)
取值
E
20500MPa
α1
0.0007℃-1
kT
0.000485MPa-1
α1
0.000012℃-1
表2 油層套管技術(shù)參數(shù)表
參數(shù)
鋼級
外徑/mm
壁厚/mm
抗外擠強(qiáng)度/MPa
抗內(nèi)壓強(qiáng)度/MPa
油層
P110
139.70
10.54
100.20
85.20
套管
VM125HC
139.70
10.54
120.80
110.80
表3 溫度變化引起的環(huán)空壓力表
溫差/℃
20
30
40
50
60
70
環(huán)空壓力/MPa
28.9
43.3
57.7
72.2
86.6
101.0
3 結(jié)論及建議
1) 在高溫高壓含硫氣井中，環(huán)空帶壓值多大將會(huì)影響正常生產(chǎn)，一旦超過允許值將誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故，在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)與環(huán)空保護(hù)液優(yōu)選時(shí)，需要根據(jù)油氣井正常開采的工作制度，降低開采過程導(dǎo)致的環(huán)空帶壓值并開展有效的環(huán)空帶壓管理，確保高溫高壓含硫氣井的長期安全生產(chǎn)。
2) 引起環(huán)空帶壓的因素主要有：作業(yè)施加的環(huán)空壓力，受溫度、壓力變化使環(huán)空和流體膨脹引起的環(huán)空壓力以及由于油氣從地層經(jīng)水泥隔離層和環(huán)空液柱向上竄流引起的環(huán)空壓力。
3) 筆者主要建立了高溫高壓含硫氣井環(huán)空流體熱膨脹帶壓值計(jì)算模型，開展了實(shí)例計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：部分高溫井產(chǎn)量過大可能導(dǎo)致較高的井筒溫度，導(dǎo)致環(huán)空流體受熱膨脹而出現(xiàn)較大的環(huán)空帶壓值，威脅氣井的正常開采。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：車爭安1，2 張智1 施太和1 涂軍軍3 向亮1，4 劉乃震4 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司；3.中國石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心；4.中國石油長城鉆探工程公司)