祝效華 郭大強(qiáng) 童 華 敬 俊

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提高海相氣藏鹽巖夾層套管服役的安全性

祝效華 郭大強(qiáng) 童 華 敬 俊

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

祝效華等.采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提高海相氣藏鹽巖夾層套管服役的安全性.天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 93-101.

隨著以南方海相碳酸鹽巖儲層為主要勘探目標(biāo)的中國石油工業(yè)二次創(chuàng)業(yè)的展開，氣井服役套管全壽命期內(nèi)的完整性管理必將成為長期、高效開采海相氣藏資源過程中一個不可回避的難點(diǎn)。為此，基于四川盆地川東地區(qū)三疊系現(xiàn)場地質(zhì)資料和巖心蠕變試驗數(shù)據(jù)建立了套管、水泥環(huán)和鹽巖夾層耦合三維力學(xué)模型，耦合應(yīng)力場、溫度場及非線性蠕變，研究了深部海相氣藏鹽巖夾層服役套管的安全性變化規(guī)律；提出了采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提高海相氣藏鹽巖夾層服役套管安全性的新思路、基于附加載荷和等效抵抗強(qiáng)度的擴(kuò)眼尺寸設(shè)計方法，以及海相氣藏鹽巖夾層服役套管剩余強(qiáng)度和剩余壽命的定量預(yù)測方法，研究了擴(kuò)眼對套管服役安全性的影響情況。結(jié)果表明：①擴(kuò)眼可增大服役套管的剩余強(qiáng)度，擴(kuò)眼率40%時的完整套管剩余強(qiáng)度為無擴(kuò)眼時的1.57倍，且在一定程度上能改善腐蝕套管應(yīng)力集中的狀況；②套管設(shè)計服役壽命越長，擴(kuò)眼對提高服役套管安全性的貢獻(xiàn)就越明顯。該研究成果可為海相氣藏井服役套管全壽命期內(nèi)的完整性管理提供新的思路及定量決策依據(jù)。

中國 石油工業(yè)二次創(chuàng)業(yè) 海相氣藏 隨鉆擴(kuò)眼 鹽巖夾層 套管 剩余強(qiáng)度 剩余壽命 服役安全性

2013年我國原油的對外依存度已高達(dá)58.1%。在陸相油氣產(chǎn)量和儲量難以大幅增加、油氣消費(fèi)量迅猛增長的嚴(yán)峻形勢下，2002年起我國開展了以南方碳酸鹽巖海相儲層為主要勘探目標(biāo)的石油工業(yè)二次創(chuàng)業(yè)[1]。從世界范圍來看，海相地層是油氣資源勘探的一個重要領(lǐng)域，海相碳酸鹽巖儲層蘊(yùn)藏了世界50%以上的油氣資源[2]，油氣產(chǎn)量約占全球總量2/3的中東地區(qū)，其80% 的油氣產(chǎn)于海相碳酸鹽巖[3]；而我國在海相碳酸鹽巖儲層的油氣探明率僅為8.7%[4]，克拉通含油氣盆地獨(dú)特的石油地質(zhì)構(gòu)造給中國海相油氣勘探提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。隨著石油工業(yè)二次創(chuàng)業(yè)的提出，海相油氣勘探呈現(xiàn)出快速發(fā)展的大好勢頭，特別是普光和安岳（龍王廟組）特大型海相碳酸鹽巖整裝氣藏的重大發(fā)現(xiàn)[6-7]，初步展示出中國海相天然氣巨大的勘探潛力。

中國海相氣藏普遍含硫（最高H2S含量16.89%）[8]，H2S所具有的毒性和腐蝕性使得海相氣藏的開采承擔(dān)著常規(guī)天然氣開采無法比擬的高風(fēng)險與高成本。避免安全事故，延長海相氣井生產(chǎn)壽命，減少因建井質(zhì)量差導(dǎo)致的產(chǎn)量下降和氣井大修周期增加所引起的單位作業(yè)成本增加、環(huán)境污染等問題是長遠(yuǎn)、高效利用海相氣藏資源的關(guān)鍵性問題，而提高服役套管的安全性則是解決該類問題最基本的前提。針對海相氣藏開采的特殊性，已攻關(guān)、應(yīng)用井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、腐蝕與防護(hù)技術(shù)及酸性環(huán)境固井技術(shù)來確保套管的服役安全，但形勢仍不容樂觀。普光氣田24口井的測井資料表明，套管變形井高達(dá)22口，主要分布在井深3 829～5 246 m的鹽巖、膏鹽巖，其中套管中度變形及嚴(yán)重變形井就占了總井?dāng)?shù)的66.7%[9]。

深部小井眼井段環(huán)空間隙小導(dǎo)致的固井質(zhì)量不能保證、酸性腐蝕引發(fā)的套管壁厚局部減薄及鹽巖夾層的非均勻蠕變流動是導(dǎo)致安全設(shè)計條件下海相氣田服役套管提前失效的主要原因。以地層—水泥環(huán)—套管組合系統(tǒng)的視角來研究服役套管的安全性來看，作為保護(hù)產(chǎn)層、封固地層、支撐和保護(hù)套管的重要介質(zhì)，水泥環(huán)的重要作用可謂不言而喻，在井身結(jié)構(gòu)已優(yōu)化、防腐套管已科學(xué)選取的情況下，采用隨鉆擴(kuò)眼器實施隨鉆擴(kuò)眼作業(yè)來提高深部小井眼井段固井質(zhì)量、加厚水泥環(huán)厚度是解決海相氣田服役套管安全性可行、有效的手段之一。雖然隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)已在優(yōu)化復(fù)雜井井身結(jié)構(gòu)、提高鉆井效率和固井質(zhì)量以及解決鹽膏層、易縮徑地層所帶來的勘探和鉆井問題中取得了成功應(yīng)用[10-11]，但有關(guān)隨鉆擴(kuò)眼提高海相氣田服役套管安全性的研究卻未見報道，作為提高海相氣田服役套管安全性的新思路，有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。為此，筆者以海相氣藏鹽巖夾層的服役套管為例，系統(tǒng)研究隨鉆擴(kuò)眼對提高套管安全性做出的積極影響，以期為長遠(yuǎn)、高效開采海相氣藏資源提供新的思路和對策。

1 套管安全性分析的基本理論

1.1 鹽巖的蠕變模型

作為一種黏性、緩慢流動的材料，由于具有較好的密封性和較小的滲透性，鹽巖、膏鹽巖常常成為深部油氣藏的覆蓋層。蠕變是指在外部條件不變的情況下，應(yīng)變隨時間延長而緩慢增加的現(xiàn)象，作為鹽巖的一種固有特性，其蠕變速率與溫度、時間及應(yīng)力場有關(guān)。采用虛位移原理建立鹽巖的蠕變有限元列式，表達(dá)式如下[12]：

1.2 安全評價

式（6）～（9）中h0表示一定腐蝕模型下對應(yīng)套管失效時的臨界腐蝕深度；h表示測量時的套管腐蝕深度；

表示無擴(kuò)眼井眼服役套管剩余強(qiáng)度。米塞斯屈服準(zhǔn)則表達(dá)式如下：

2 隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)

隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)充分整合隨鉆擴(kuò)眼工具與常規(guī)鉆頭的技術(shù)優(yōu)勢，在全面鉆進(jìn)的同時實施擴(kuò)眼操作，由于在提高鉆速、擴(kuò)大深部小井眼環(huán)空間隙、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、提高固井質(zhì)量等方面的良好表現(xiàn)，隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)已在優(yōu)化復(fù)雜井井身結(jié)構(gòu)、提高鉆井效率和固井質(zhì)量以及解決鹽膏層、易縮徑地層所帶來的勘探和鉆井問題中取得了成功應(yīng)用。圖1為廣泛應(yīng)用的三刀翼液壓隨鉆擴(kuò)眼器及典型的工作狀況示意圖[10-11,13]。

圖1 三刀翼液壓隨鉆擴(kuò)眼器及典型的工作狀況示意圖

3 鹽巖夾層服役套管的數(shù)值模擬分析

3.1 鹽巖的蠕變行為

油氣井服役期間，鹽巖、膏鹽巖主要經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)蠕變階段，盡管其蠕變行為較為復(fù)雜，但眾多學(xué)者對穩(wěn)態(tài)蠕變階段的幾個主要特征卻達(dá)成了共識[14]：

1）穩(wěn)態(tài)蠕變階段占整個鹽巖蠕變過程的比例較大，其蠕變應(yīng)變不可恢復(fù)。

2）蠕變曲線可通過鹽巖試樣在實驗室的單軸或三軸蠕變試驗獲取，且具有一定的工程適用性。

3）蠕變速率主要由偏應(yīng)力和溫度決定，隨著偏應(yīng)力和溫度的增加，蠕變速率非線性升高。

根據(jù)深部巖心的蠕變試驗，其鹽巖、膏鹽巖的穩(wěn)態(tài)蠕變?yōu)榫Ц竦奈诲e滑移占優(yōu)勢，故其蠕變特性可用Heard模型來描述[15-16]：

根據(jù)四川盆地川東地區(qū)海相碳酸鹽巖氣藏下三疊統(tǒng)嘉陵江組鹽巖的蠕變試驗，其試驗數(shù)據(jù)如表1所示[]。

3.2 三維有限元模型

為研究隨鉆擴(kuò)眼對海相氣藏鹽巖夾層服役套管安全性的影響，在川東嘉陵江組地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，建立套管、水泥環(huán)和鹽巖夾層耦合三維力學(xué)模型如圖2-a所示。為簡化計算，此處假設(shè)套管、水泥環(huán)為壁厚均勻的理想圓筒，且與井眼同心；水泥環(huán)與套管、鹽巖、砂巖緊密接觸。模擬分析中以川東嘉陵江組井深3 950～3 952 m地層處某氣井為例，將地表溫度視為20 ℃，地溫梯度為2.21℃/100 m，下入套管為SM2242-110鋼級，外徑為146.1 mm，壁厚為12.65 mm，根據(jù)圣維南原理，地層邊界超過井眼半徑的6倍后，對井眼周圍應(yīng)力的影響很小，據(jù)此假設(shè)地層直徑為1 000 mm，選取不同擴(kuò)眼率井段建立模型，模型參數(shù)如表2所示。由于工程上主要關(guān)心的是井筒附近力學(xué)性能的變化，因此，在徑向上對井筒附近網(wǎng)格進(jìn)行了精細(xì)劃分，計算中采用具有蠕變和大變形功能的三維20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實體單元SOLID186模擬鹽巖單元，耦合系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格模型如圖2-b所示。

表1 川東海相碳酸鹽巖氣藏鹽巖蠕變試驗參數(shù)表

圖2 套管、水泥環(huán)和鹽巖夾層耦合三維力學(xué)模型及有限元網(wǎng)格劃分圖

表2 計算模型的材料參數(shù)表

為驗證模型的可靠性，此處計算了?301.5 mm完整井筒中套管和水泥環(huán)的外擠載荷。套管參數(shù)為：API P110套管，外徑為244.48 mm，壁厚為11.99 mm。將數(shù)值模擬結(jié)果與本文參考文獻(xiàn)[17]完整套管的解析解進(jìn)行對比，為方便比較，仿真計算過程中施加了與文獻(xiàn)分析中相一致的均勻地應(yīng)力，計算結(jié)

果如表3所示，其最大偏差小于3%，證實了模型的可行性，后續(xù)的研究將在此模型的基礎(chǔ)上展開。

表3 本文計算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果對比表

3.3 鹽巖蠕變引起的井眼縮徑

為研究鹽巖夾層蠕變對裸眼變形的影響，基于上述川東海相氣藏巖心蠕變試驗及力學(xué)模型，系統(tǒng)研究了裸井眼井徑隨蠕變時間的變化關(guān)系（圖3）。由于上下砂巖的約束，井眼縮徑最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在鹽巖層中間位置，且隨著蠕變時間的增加，井眼縮徑愈加嚴(yán)重。因此，在鉆遇鹽巖夾層地段時，為保證設(shè)計井筒的安全性，蠕變引起的井眼縮徑不可忽略[18]。

3.4 隨鉆擴(kuò)眼提高完整套管服役安全性的研究

為研究隨鉆擴(kuò)眼對海相氣藏鹽巖夾層服役套管安全性的影響，基于前文建立的安全評價方法，系統(tǒng)研究了無擴(kuò)眼、擴(kuò)眼率分別為10%、20%、30%及40%工況下服役套管的剩余強(qiáng)度分布，圖4為蠕變30 d、1 200 d時鹽巖層中間位置處套管的剩余強(qiáng)度大小。由圖4可知，擴(kuò)眼改善了服役套管承載不均的狀況，擴(kuò)眼率為10%、40%時套管的剩余強(qiáng)度分別為無擴(kuò)眼時的1.21倍和1.57倍，擴(kuò)眼率越大，套管剩余強(qiáng)度越高，套管承載愈趨于均勻，且套管設(shè)計服役壽命愈長，擴(kuò)眼對提高服役套管安全性的貢獻(xiàn)愈加明顯。

圖3 井眼縮徑隨鹽巖夾層蠕變時間的變化關(guān)系圖

圖4 不同擴(kuò)眼率下服役套管的剩余強(qiáng)度關(guān)系圖

圖5 不同擴(kuò)眼率下服役套管的等效抵抗強(qiáng)度及附加載荷關(guān)系圖

圖5 為蠕變30 d、1 200 d時鹽巖層中間位置處不同擴(kuò)眼率下服役套管的等效抵抗強(qiáng)度及附加載荷的大小，可見，擴(kuò)眼貢獻(xiàn)的等效抵抗強(qiáng)度隨著擴(kuò)眼率的增加而增大，然而，隨著蠕變時間的增加，套管承受的附加載荷也在增大，服役30 d，擴(kuò)眼率為10%貢獻(xiàn)的等效抵抗強(qiáng)度已高于了此時鹽巖蠕變產(chǎn)生的附加載荷，然而服役1 200 d后，鹽巖蠕變產(chǎn)生的附加載荷已需要擴(kuò)眼率為20%貢獻(xiàn)的等效抵抗強(qiáng)度方能補(bǔ)償。因此，鉆遇鹽巖夾層，為保證在整個壽命周期內(nèi)服役套管的安全性，在現(xiàn)行套管設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，可根據(jù)套管的設(shè)計服役壽命確定擴(kuò)眼尺寸的大小，確保井筒的安全性。

3.5 隨鉆擴(kuò)眼提高腐蝕套管服役安全性的研究

海相氣藏多含酸性氣體，如CO2、H2S等，這類酸性氣體遇水后極易腐蝕套管壁面，造成套管壁厚減薄、質(zhì)量減輕、強(qiáng)度降低，腐蝕坑是這類酸性氣體腐蝕套管的典型形態(tài)，為表征不同腐蝕程度對服役套管安全性的影響，定義T（圖6）表示套管壁厚，a表示腐蝕坑半徑、h表示深度、d表示幅度，可得：

圖6 腐蝕套管模型示意圖

根據(jù)腐蝕坑半徑和腐蝕深度的關(guān)系，將該類腐蝕分為淺型（h＜a）、半球型（h＝a）及深型腐蝕（h＞a）3類進(jìn)行系統(tǒng)研究[19]，腐蝕套管模型如圖6所示。

圖7 不同擴(kuò)眼尺寸下腐蝕坑的米塞斯應(yīng)力分布云圖

為研究隨鉆擴(kuò)眼對鹽巖夾層腐蝕套管服役安全性的影響，建立缺陷套管、水泥環(huán)和鹽巖夾層耦合三維力學(xué)模型，研究了不同擴(kuò)眼尺寸下3類腐蝕套管模型的應(yīng)力分布（圖7），由于腐蝕坑的應(yīng)力集中作用，腐蝕套管的最大米塞斯應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕坑部位。由圖7可知，隨著擴(kuò)眼率增加，腐蝕坑的最大米塞斯應(yīng)力逐漸降低、應(yīng)力集中現(xiàn)象得到大幅改善，隨鉆擴(kuò)眼可以有效緩解含缺陷套管的服役安全性；同一井身結(jié)構(gòu)下，深型腐蝕模型的應(yīng)力集中狀況較淺型腐蝕模型嚴(yán)重，可見，海相鹽巖夾層氣藏井應(yīng)加強(qiáng)服役套管的安全監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)套管腐蝕初期采取有效措施最為有效。

4 案例分析

A井為川東嘉陵江組海相碳酸鹽巖氣藏所鉆井，井筒參數(shù)如表1、2所示。生產(chǎn)套管在模擬服役工況下為均勻腐蝕模型，腐蝕速率為0.076 mm/a，氣井設(shè)計壽命為20年[20]?；诒疚奶岢龅暮Ｏ鄽獠鼐厶坠馨踩栽u價方法，計算了該生產(chǎn)套管全壽命期內(nèi)的剩余強(qiáng)度大小，如圖8所示。在腐蝕和鹽巖非均勻蠕變的聯(lián)合作用下套管在服役第10年時已出現(xiàn)了失效點(diǎn)，無法滿足服役20年的預(yù)期設(shè)計壽命時間。

圖8 不同服役時間下套管的剩余強(qiáng)度關(guān)系圖

為了盡可能少的改變其他原有設(shè)計、降低成本，基于本文提出的采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提高海相氣藏鹽巖夾層服役套管安全性的思路和計算方法，不同擴(kuò)眼率下服役套管的等效抵抗強(qiáng)度及附加載荷關(guān)系如圖9所示。在現(xiàn)行井身結(jié)構(gòu)及套管設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，可應(yīng)用隨鉆擴(kuò)眼工藝，對該井眼進(jìn)行擴(kuò)眼率不低于40%的擴(kuò)眼工序操作。

圖9 擴(kuò)眼率在20%～50%的服役套管的等效抵抗強(qiáng)度及附加載荷關(guān)系圖

假設(shè)應(yīng)用隨鉆擴(kuò)眼工藝對A氣井進(jìn)行了擴(kuò)眼率40%的擴(kuò)眼操作，然而由于該井地質(zhì)條件復(fù)雜，套管腐蝕嚴(yán)重，在投產(chǎn)后檢測到某處生產(chǎn)套管遭受腐蝕，此時測量腐蝕坑深度為7.59 mm、幅度為12.39 mm?；诒疚奶岢龅挠嬎惴椒ǎ纱_定該腐蝕為深型腐蝕模型，取CO2和H2S共存條件下套管鋼的均勻腐蝕速率0.5 mm/a[21]，應(yīng)用深型腐蝕模型計算此時的臨界腐蝕深度11.26 mm，由此可初步確定該腐蝕套管處于安全狀態(tài)，可繼續(xù)服役，并預(yù)測該服役腐蝕套管的剩余壽命為7.34年，若A氣井的剩余生產(chǎn)年限大于7.34年，則需對其進(jìn)行嚴(yán)格檢測，并根據(jù)生產(chǎn)要求對該套管進(jìn)行有效的防腐或修復(fù)等補(bǔ)救措施，以保障整個生產(chǎn)周期內(nèi)的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

基于川東嘉陵江組海相碳酸鹽巖氣藏地質(zhì)資料建立了套管、水泥環(huán)和鹽巖夾層耦合三維力學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)場巖心的蠕變試驗，系統(tǒng)研究了隨鉆擴(kuò)眼對海相氣藏鹽巖夾層服役套管安全性的影響規(guī)律，可得到如下結(jié)論：

1）鹽巖蠕變易導(dǎo)致裸眼縮徑，一個月的時間裸井眼縮徑率就可高達(dá)11.52%，且隨著蠕變時間的增加，井眼縮徑愈加嚴(yán)重?？梢姡阢@遇鹽巖夾層地段時，鹽巖蠕變引起的裸眼縮徑是影響井筒安全性的重要因素。

2）腐蝕及鹽巖夾層的非均勻蠕變流動極易導(dǎo)致安全設(shè)計條件下海相氣藏服役套管提前失效，提出了采用隨鉆擴(kuò)眼技術(shù)提高海相氣藏鹽巖夾層服役套管安全性的思路及基于附加載荷和等效抵抗強(qiáng)度的擴(kuò)眼尺寸設(shè)計方法。

3）擴(kuò)眼可增大服役套管的剩余強(qiáng)度，擴(kuò)眼率40%時的完整套管剩余強(qiáng)度為無擴(kuò)眼時的1.57倍，且在一定程度上能改善腐蝕套管應(yīng)力集中的狀況，套管設(shè)計服役壽命愈長，擴(kuò)眼對提高服役套管安全性的貢獻(xiàn)愈加明顯。

4）提出了海相氣藏鹽巖夾層套管不同服役工況下剩余強(qiáng)度和剩余壽命的定量預(yù)測方法。

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(修改回稿日期 2016-07-07 編 輯 凌 忠)

Improvement of the service safety of casing for inter-bedded salt rocks in marine gas reservoirs by reaming-while-drilling technology

Zhu Xiaohua, Guo Daqiang, Tong Hua, Jing Jun
(School of Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.93-101, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

While the second development of petroleum industry is carried out in China with the marine carbonate reservoirs in south China as the principal exploration targets, the life-cycle integrity management of service casing in gas wells is inevitably a challenge to long-term efficient exploitation of marine gas resources. In this paper, a 3D mechanical coupling model of casing, cement sheath and inter-bedded salt rock was developed by using the Triassic geologic data and core creep test data of eastern Sichuan Basin to couple stress field, temperature field and nonlinear creep. Then, the safety change laws of service casing in inter-bedded salt rocks of deep marine gas reservoirs were investigated. It is proposed to improve its safety by using the reaming-while-drilling technology, to design the reaming size based on additional load and equivalent resistance strength, and to predict its remaining strength and remaining life quantitatively. Finally, the effect of reaming on the safety of service casing was analyzed. It is shown that, by means of reaming, the remaining strength and remaining life of service casing can be increased, and the concentrated stress in corroded casing is improved. The remaining strength of the whole casing with a reaming ratio of 40% is 1.57 times that without reaming. The longer the design service life of casing is, the more contribution the reaming makes to the safety of service casing. The study result provides a new idea and quantitative decision basis for life-cycle integrity management of service casing for marine gas wells.

China; Second development of petroleum industry; Marine gas reservoir; Reaming while drilling; Inter-bedded salt rock; Casing; Remaining strength; Remaining life; Service safety

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.012

國家自然科學(xué)基金項目（編號：51674214）、四川省科技計劃國際合作計劃項目（編號：2016HH0008）、四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊“鉆井提速”項目（編號：2014TD0025）。

祝效華，1978年生，教授，博士生導(dǎo)師，博士；主要從事管柱力學(xué)與井下工具設(shè)計方面的研究與教學(xué)工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。電話：（028）83035262。ORDIC: 0000-0002-0507-3773。E-mail: zxhth113@163.com