高溫高壓高酸性氣井完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：近年來，隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進(jìn)，高溫高壓油氣井、深井超深井、含腐蝕性介質(zhì)氣井越來越多，完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)難度越來越大，安全環(huán)保的要求也越來越高。已完井
摘要：近年來，隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進(jìn)，高溫高壓油氣井、深井超深井、含腐蝕性介質(zhì)氣井越來越多，完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)難度越來越大，安全環(huán)保的要求也越來越高。已完井投產(chǎn)的氣井中有相當(dāng)比例都存在由各方面原因引起的生產(chǎn)套管壓力異常升高現(xiàn)象，具有一定的安全生產(chǎn)隱患，因此對(duì)該類氣井開展完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過總結(jié)高溫高壓高酸性氣井完井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入探討了封隔器管柱力學(xué)分析要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；提出了高溫高壓高酸性氣井完井管柱設(shè)計(jì)的原則——安全第一、有利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能、延長(zhǎng)氣井壽命、經(jīng)濟(jì)可行，明確了優(yōu)化設(shè)計(jì)階段需重點(diǎn)考慮的7項(xiàng)因素；形成了一套基于第四強(qiáng)度理論的不同工況條件下完井管柱三軸應(yīng)力強(qiáng)度校核方法，以及高溫高壓高酸性氣井封隔器完井管柱設(shè)計(jì)方法。該套設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于四川盆地龍崗氣田某井，取得了較好的效果。
關(guān)鍵詞：高溫高壓；高酸性；氣井；完井管柱；優(yōu)化設(shè)計(jì)；三軸應(yīng)力；第四強(qiáng)度理論；安全生產(chǎn)
    近幾年，隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進(jìn)，產(chǎn)能建設(shè)工作量增長(zhǎng)迅速，高溫高壓氣井、深井超深井、含腐蝕性介質(zhì)氣井越來越多，完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)難度越來越大，安全環(huán)保的要求也越來越高，出現(xiàn)的問題逐漸增多。已完井投產(chǎn)的氣井有相當(dāng)比例都存在由各方面原因引起的生產(chǎn)套管壓力異常升高現(xiàn)象，帶壓生產(chǎn)、帶“病”運(yùn)行，具有一定的安全生產(chǎn)隱患。因此，開展對(duì)于這類氣井的完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 完井管柱設(shè)計(jì)原則
    要根據(jù)高溫高壓高酸性氣藏特征和開發(fā)生產(chǎn)的要求，遵照安全第一、有利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能、延長(zhǎng)氣井壽命、經(jīng)濟(jì)可行的原則，采用現(xiàn)代完井工程的理論和方法，進(jìn)行完井管柱設(shè)計(jì)。重點(diǎn)應(yīng)考慮如下因素：
    1) 油管尺寸必須滿足配產(chǎn)、攜液、防沖蝕和壓力損失小的要求，原則上完井管柱應(yīng)采用內(nèi)徑相同的油管和井下工具，以便于作業(yè)和攜液。
    2) 對(duì)于需要進(jìn)行儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)的氣藏，設(shè)計(jì)的完井管柱結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足增產(chǎn)作業(yè)規(guī)模、施工壓力、施工排量等關(guān)鍵參數(shù)的要求。
    3) 對(duì)于高酸性氣藏，要在腐蝕因素分析、腐蝕機(jī)理研究和腐蝕程度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化選擇經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施。
    4) 高酸性氣井要設(shè)計(jì)應(yīng)用安全生產(chǎn)裝置(如井口安全控制裝置、井下安全閥、封隔器等)，防止因人為因素或自然災(zāi)害造成氣井失控。
    5) 高壓、高產(chǎn)、高含酸性氣體的氣井采用封隔器完井時(shí)，封隔器以上油管應(yīng)采用相應(yīng)的氣密封措施，要進(jìn)行油套管和井下工具氣密封性評(píng)價(jià)。
    6) 高溫、高壓、高酸性超深井完井管柱，尤其是封隔器完井管柱應(yīng)根據(jù)相關(guān)安全系數(shù)要求開展不同工況條件下的完井管柱力學(xué)分析，并確定相應(yīng)的臨界施]控制參數(shù)。
    7) 高溫、高壓、高酸性超深井應(yīng)注重管柱結(jié)構(gòu)完整性和一致性，為實(shí)現(xiàn)安全開采創(chuàng)造條件。
2 完井管柱力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
2.1 封隔器完井管柱力學(xué)分析要點(diǎn)
2.1.1分析工況
   根據(jù)實(shí)際的井眼軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)完井管柱下入、封隔器坐封、掏空、增產(chǎn)改造、排液測(cè)試、穩(wěn)定生產(chǎn)等工況進(jìn)行分析。
2.1.2分析方法
   采用第四強(qiáng)度理論，即三軸應(yīng)力校核方法對(duì)不同工況條件下的完井管柱力學(xué)性能進(jìn)行分析。三軸向應(yīng)力其實(shí)并不是一個(gè)真正概念上的應(yīng)力，而是一個(gè)可將廣義三維應(yīng)力狀態(tài)與單向破壞準(zhǔn)則(屈服強(qiáng)度)相比較的理論數(shù)值。換言之，如果三軸向應(yīng)力超過了屈服強(qiáng)度就將出現(xiàn)屈服破壞，三軸向安全系數(shù)是材質(zhì)的屈服強(qiáng)度與三軸向應(yīng)力之比。
2.1.3分析步驟
   首先分析油管柱在井下的構(gòu)型狀態(tài)，然后計(jì)算管柱變形、油管柱和封隔器的載荷，進(jìn)而分析油管柱和封隔器的受力及其安全性。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量確保所設(shè)計(jì)的管柱在各種工況下都不發(fā)生屈曲變形。
2.2 封隔器完井管柱力學(xué)分析模型
2.2.1管柱屈曲臨界載荷計(jì)算
   正弦屈曲臨界載荷計(jì)算公式如下：
 
目前，關(guān)于管柱螺旋屈曲的計(jì)算模型仍未有一致意見，根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[1-2]確定螺旋屈曲臨界載荷計(jì)算公式如下：
 
2.2.2三軸應(yīng)力計(jì)算
   采用Von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，考慮軸向、徑向和周向應(yīng)力。三軸應(yīng)力計(jì)算公式如下：
   1) 軸向應(yīng)力計(jì)算公式如下：
 
   任何一點(diǎn)的有效軸向力應(yīng)包含自重、浮力、壓力、井眼彎曲、下入沖擊、摩擦、溫度和管柱屈曲造成的軸向力[3～9]。
其中井眼彎曲引起的軸向力計(jì)算公式如下：
 
其中下入沖擊引起的軸向力計(jì)算公式如下：
 
    2) 徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力依據(jù)Lame′公式其計(jì)算方法如下[10]：
 
2.2.3軸向應(yīng)力條件下的屈服強(qiáng)度
在力學(xué)校核過程中，尤其應(yīng)注意軸向應(yīng)力條件下的強(qiáng)度校核，軸向應(yīng)力條件下的屈服強(qiáng)度計(jì)算公式為：
 
2.3 力學(xué)分析結(jié)果
    通過上述力學(xué)分析方法可以對(duì)單井在不同工況條件下的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算，主要得出的計(jì)算結(jié)果包括：管柱變形總長(zhǎng)度(包括各項(xiàng)效應(yīng)值)，油管柱受力大小和方向，封隔器受力大小和方向，封隔器所受壓差，油管強(qiáng)度安全系數(shù)最低位置及三軸、抗拉、抗壓、抗外擠安全系數(shù)等。
2.4 封隔器完井管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
    根據(jù)力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果，一方面優(yōu)化調(diào)整相應(yīng)的封隔器完井管柱結(jié)構(gòu)，主要確定以下內(nèi)容：油管壁厚和鋼級(jí)、油管組合、封隔器的壓力等級(jí)和錨定力等級(jí)、是否采用油管伸縮節(jié)以及伸縮節(jié)的下入位置和狀態(tài)等。另一方面，確定不同工況下確保完井管柱力學(xué)安全的臨界控制參數(shù)，主要確定以下內(nèi)容：增產(chǎn)改造最高泵壓及平衡壓力、液氮最大掏空深度、生產(chǎn)過程套管壓力控制范圍等。
3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析
3.1 基本參數(shù)
    四川盆地龍崗氣田某井的井身結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用Φ339.7mm+Φ244.5 mm+Φ177.8mm+Φ127mm井身結(jié)構(gòu)，打開儲(chǔ)層鉆井液的密度為1.31g/cm3，折算地層壓力為65MPa。根據(jù)鄰井地溫梯度推測(cè)地層溫度為114℃，地層流體為天然氣，高含H2S，不產(chǎn)地層水。

3.2 效果分析
    采用本文所述的設(shè)計(jì)方法對(duì)該井進(jìn)行了完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過不同工況下完井管柱力學(xué)分析及伸縮器等井下工具的反復(fù)論證，最終設(shè)計(jì)出射孔-完井-酸化投產(chǎn)一體化的完井管柱結(jié)構(gòu)為(圖1)：Φ88.9mm的G3-125油管+井下安全閥(材質(zhì)718)+Φ73mm的BG2830-110油管+永久式封隔器(材質(zhì)718，壓差70MPa，錨定力117t)+Φ73mm的BG 2830-110油管+丟槍接頭+篩管+減震器+射孔槍，并制訂了相應(yīng)的不同工況條件下確保完井管柱強(qiáng)度安全的施工控制參數(shù)和確保完井管柱絲扣氣密封性能的技術(shù)措施。上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于該井，取得了較好的生產(chǎn)效果(圖2)。

    該井于2010年成功完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，測(cè)試獲日產(chǎn)天然氣76×104m3，自投產(chǎn)以來，環(huán)空壓力無異?，F(xiàn)象，完井管柱絲扣密封性能良好。該井的生產(chǎn)壓力曲線如圖2所示。
符號(hào)說明
    Fycr表示正弦屈曲臨界載荷；E表示楊氏模量；I表示油管的慣性矩；α表示井斜角；r表示油管任意位置處的半徑；Fyck表示螺弦屈曲臨界載荷；Fy表示有效軸向力；ro表示油管外徑；ri表示油管內(nèi)徑；D表示管柱名義外徑；為狗腿度，(°)/單位長(zhǎng)度；As表示管柱截面積；vav表示平均下入速度慨表示管材密度；As表示內(nèi)壓；po表示外壓；Ypa表示在拉伸應(yīng)力作用下的當(dāng)量屈服強(qiáng)度；Sa表示軸向應(yīng)力；Yp表示最小屈服強(qiáng)度。
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(本文作者：郭建華1，2 佘朝毅1，2 唐庚1 陳艷1 施太和2 1.中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.西南石油大學(xué))