石榆帆張 智肖太平周曉昱汪 鵬

（1．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610500；2.新疆油田采油一廠，克拉瑪依 834000）

氣井環(huán)空帶壓安全狀況評價方法研究

石榆帆1張 智1肖太平1周曉昱1汪 鵬2

（1．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都610500；2.新疆油田采油一廠，克拉瑪依 834000）

高溫高壓高含硫化氫天然氣井越來越多，環(huán)空帶壓現(xiàn)象逐漸增多。目前國內(nèi)對環(huán)空帶壓產(chǎn)生的原因、影響因素、補救措施等方面還沒有進行深入研究。為此，在國內(nèi)外油氣田持續(xù)環(huán)空壓力現(xiàn)狀調(diào)研和統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，建立井口允許最大帶壓值計算模型，并給出相應(yīng)安全狀況的評價方法和評價流程。

持續(xù)環(huán)空帶壓；氣井；套管；安全

隨著石油天然氣勘探開發(fā)工作不斷深入，大量油氣井在開發(fā)過程中相繼出現(xiàn)環(huán)空帶壓的現(xiàn)象。高溫高壓氣井的油管外環(huán)空或套管外環(huán)空帶壓引起的問題日益嚴(yán)重。本文在國內(nèi)外油氣田持續(xù)環(huán)空壓力現(xiàn)狀調(diào)研和統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，進一步對環(huán)空帶壓原因進行研究分析，建立了井口允許最大帶壓值計算模型，并給出了相應(yīng)的安全狀況的評價方法和評價流程，為制定相應(yīng)的環(huán)空帶壓的安全管理措施提供依據(jù)。其環(huán)空帶壓安全管理結(jié)論有助于現(xiàn)場生產(chǎn)，對油氣田安全高效開發(fā)具有重要的意義，同時也可以作為氣井環(huán)空帶壓管理的參考準(zhǔn)則。

1 環(huán)空帶壓的原因分析

環(huán)空帶壓產(chǎn)生的主要原因是：由于油管柱、套管串的滲漏，較差的固井質(zhì)量和后續(xù)作業(yè)對水泥環(huán)的傷害，造成氣層的氣體滲流到環(huán)空中，其壓力被傳導(dǎo)到了井口，從而在井口環(huán)空中產(chǎn)生一定的壓力，此現(xiàn)象被稱為環(huán)空帶壓。根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計中水泥漿返深的差異，氣體通過環(huán)空水泥環(huán)滲流到環(huán)空導(dǎo)致的環(huán)空帶壓現(xiàn)象可以分為兩種情況，一種是水泥漿返到井口的情況，不存在自由環(huán)空段；另一種是水泥漿未返到井口，固井后水泥環(huán)上部還滯留有鉆井液。溫度變化會引起井內(nèi)流體熱脹冷縮（溫度效應(yīng)），同樣會導(dǎo)致環(huán)空帶壓。油氣開采過程中井筒溫度會升高，但升高的幅度受油氣產(chǎn)量的影響較大。對于高壓高產(chǎn)氣井來說，井筒溫度升高幅度較大。所有的氣井在最初進行開采時都會發(fā)生溫度效應(yīng)引起的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。長期關(guān)井后的突然恢復(fù)正常生產(chǎn)，或者開采過程中的突然關(guān)井，會引起井筒溫度發(fā)生較大的波動，從而導(dǎo)致環(huán)空帶壓值發(fā)生比較明顯的變化。同時，關(guān)井前后的壓力差引起環(huán)空管柱的鼓脹效應(yīng)也會導(dǎo)致環(huán)空帶壓。

2 帶壓氣井安全管理研究

根 據(jù) API R P90 （Annular Casing Pressure Management for Offshore Wells）標(biāo)準(zhǔn)，計算最大允許環(huán)空帶壓值。允許的最大環(huán)空壓力值是根據(jù)管柱強度的最小值 （比如套管/油管的抗內(nèi)壓和抗擠強度）和套管鞋所在的地層應(yīng)力計算出來的。由于環(huán)空帶壓安全風(fēng)險較大，有必要設(shè)立一個上限值，一旦超出該限度，就必須采取相應(yīng)的補救措施，甚至棄井。一般情況下，需要對每口高壓氣井開展井口環(huán)空帶壓安全評價。井口允許最大帶壓值是針對某一特定環(huán)空的最大允許工作壓力值，反映環(huán)空能夠承受的壓力級別。其計算方法為：對于油套環(huán)空（A環(huán)空），取生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強度的50%、技術(shù)套管抗內(nèi)壓強度的80%和油管抗外擠強度的75%三者之間的最小值，即：

式中：MAWOP—井口允許最大帶壓值，MPa；Pbcur—待評價環(huán)空套管考慮腐蝕、磨損后的抗內(nèi)壓強度，MPa；Pcout—上一層（外面）套管考慮腐蝕、磨損后的抗擠強度，MPa；Pcin—下一層（里面）套管考慮腐蝕、磨損后的抗擠強度，MPa。

如果環(huán)空帶壓值大于上述計算值，說明存在安全風(fēng)險，需采取治理措施。假設(shè)不考慮溫度效應(yīng)和井下作業(yè)所施加的環(huán)空套壓等因素的影響，此時A環(huán)空帶壓僅僅受到地層流體竄流的影響，其環(huán)空帶壓風(fēng)險評價流程見圖1，其他環(huán)空帶壓風(fēng)險評價見圖2。

圖1 A環(huán)空帶壓風(fēng)險評價流程

3 實例計算

某井一開 Ф660.4mm井眼下入 Ф508mm J55（壁厚12.7mm）表層套管至井深91m，水泥返至地面 ； 二 開 Ф406.4mm井 眼 下 入 Ф339.73mm VM125HC（壁厚13.06mm）技術(shù)套管至井深1853m，水泥返至地面；三開Ф308mm井眼下入Ф244.5mm P110（壁厚11.99mm）技術(shù)套管至井深2 478m固井，水泥上返1 700m；四開Ф215.9mm井眼的井深2 850m，下入 Ф139.70mm VM125HC （壁厚10.54 mm）油層套管至井深2 848m，水泥返高1 497m。根據(jù)上述條件，利用上述模型可以計算出各個還空最大允許的帶壓值，其中油層套管和油管之間環(huán)空（以下簡稱：A環(huán)空）的最大允許帶壓值見表1。

圖3給出了油層套管和技術(shù)套管之間環(huán)空的帶壓值變化情況。2008年1月到2011年5月期間，A環(huán)空的最大環(huán)空帶壓值為32MPa，油層套管和技術(shù)套管之間環(huán)空的最大帶壓值為31MPa，井口溫度最高為30℃。結(jié)合表1和圖3可知，該井A環(huán)空的最大允許環(huán)空帶壓值為53.65MPa，而A環(huán)空實測壓力小于最大允許環(huán)空帶壓值 （31MPa），說明A環(huán)空處于安全狀態(tài)，可以正常開采，但需要加強現(xiàn)場監(jiān)測。

圖2 其他環(huán)空帶壓風(fēng)險評價流程

表1 A環(huán)空最大允許帶壓值計算表

圖3 油層套管和技術(shù)套管之間環(huán)空的帶壓值變化情況

4 結(jié) 論

（1）誘發(fā)環(huán)空帶壓的因素較多并且復(fù)雜，包括：油管柱和套管串的滲漏或較差的固井質(zhì)量導(dǎo)致氣體竄至環(huán)空、因產(chǎn)量波動而誘發(fā)的環(huán)空熱膨脹效應(yīng)、井下作業(yè)誘發(fā)的環(huán)空鼓脹效應(yīng)等。

（2）在油套管腐蝕、磨損的基礎(chǔ)上，結(jié)合油套管強度的衰減狀況，給出了環(huán)空允許帶壓值計算方法，并開展了實例計算。結(jié)合現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，給出了環(huán)空帶壓氣井安全狀況的評價方法。

（3）現(xiàn)場環(huán)空帶壓的實時監(jiān)測至關(guān)重要，優(yōu)化采氣井的配置和提升油田信息化工作，能進一步加強環(huán)空帶壓井的實時監(jiān)測和診斷，做到提前預(yù)警，屆時可以視情況開展泄壓/壓力恢復(fù)治理措施。

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Research of Evaluation Method of Safety Condition of SCP in Gas Well

SHI Yufan1ZHANG Zhi1XIAO Taiping1ZHOU Xiaoyu1WANG Peng2
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500；2.Xinjiang Oilfield No.1 Production Plant，Karamay 834000)

With the development of natural gas industry,more and more HPHT and high hydrogen sulfide-bearing well have been built.About 25%of wells of the global turn up SCP more or less.An increasing number of air pressure phenomena exiting in the annulus between tubing and casing,as well as casing and technical casing,have been an important problem that impact production safety.It has been realized that SCP of the gas well in high pressure may lead to huge damage,but the reason,effect factor and measures of remediation about SCP have never been put in depth study interiorly.Therefore,a model of SCP has been built,and at the same time corresponding safety situation evaluation method and process has been provided,based on a present situation investigation and statistic analysis about SCP in field at home and abroad.Thus,it can provide basis for formulating the corresponding measures of safety management for SCP.

SCP；gas well；casing；safety

TE32+9

A

1673-1980（2012）01-0097-03

2011-10-18

國家自然科學(xué)基金項目（50904050）；四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)計劃項目（2011JY0106）；博士后科學(xué)基金項目（20110490810）

石榆帆（1982-），男，四川南部人，西南石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為油氣井工程。