李占東 何昱昌 朱江林 2， 黃浩良 韋江雄

（1.中海油服湛江分公司，廣東 湛江 524000；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室<湛江>，廣東 湛江 524000；3.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

在海洋的深處蘊(yùn)藏著世界未來的巨大石油儲量。據(jù)報(bào)道， 在全球水深超過500 m 的地層里已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6.9×109m3油氣新增資源， 潛在的油氣資源儲量約為1.37×1010m3。 有資料預(yù)示，在水深超過 1 000 m 以下的地層，大約儲存著90%尚未發(fā)現(xiàn)的海上油氣資源。對于可能含油氣資源的深水區(qū)域， 目前僅勘探了50%左右的面積。 我國南海同樣儲藏著十分豐富的海上油氣資源與天然氣水合物資源，據(jù)估計(jì)，深水石油地質(zhì)儲量占我國油氣總資源量的33%， 約為230 億～300 億噸，其中約70%的油氣資源蘊(yùn)藏于深水區(qū)域。 經(jīng)幾代石油工程師的努力， 在南海區(qū)域已經(jīng)勘明了天然氣水合物存在的地球生物和物理等標(biāo)志， 然而我國目前還主要集中在近海和陸地上的油氣開發(fā)。 隨著全球能源消耗的不斷增加，在增大現(xiàn)有油氣資源開發(fā)力度的同時，鉆井作業(yè)向深水進(jìn)軍將是未來石油勘探的一大方向[1]。

而深水油氣生產(chǎn)過程中，固井完整性是保障深水油氣井安全穩(wěn)產(chǎn)的重要前提之一。受到固井技術(shù)的不成熟和地層信息不確定性的影響，深水油氣井會產(chǎn)生多層次的環(huán)空結(jié)構(gòu)。 在油氣向上運(yùn)輸?shù)倪^程中，油氣流體的熱量會傳遞到環(huán)空中， 導(dǎo)致環(huán)空流體溫度升高，產(chǎn)生圈閉環(huán)空壓力。 圈閉環(huán)空壓力是一種破壞力極強(qiáng)的動態(tài)載荷，傳統(tǒng)的管柱和井身的設(shè)計(jì)主要集中在提高生產(chǎn)量，而沒有考慮圈閉環(huán)空壓力對井筒的影響， 圈閉環(huán)空壓力過高會對井筒完整性產(chǎn)生嚴(yán)重危害， 這已經(jīng)成為制約深水油氣井穩(wěn)定生產(chǎn)的重要因素。 深水油氣井井口裝置的設(shè)計(jì)為完全密閉性的，無法形成泄壓通道進(jìn)而對環(huán)空壓力進(jìn)行釋放，這更是增加了環(huán)空壓力所帶來的風(fēng)險。因此開展深水井環(huán)空壓力管控研究是保障深水油氣井長期安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要內(nèi)容[2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，密閉環(huán)空壓力調(diào)控措施按照不同的機(jī)理分為了五種，包括提高油氣井結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、消除環(huán)空、釋放環(huán)空壓力、提高環(huán)空液體壓縮性和隔熱技術(shù)。

1.1 提高油氣井結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

保障油氣井安全生產(chǎn)最常用的方法是提高套管鋼級和壁厚，以提高套管強(qiáng)度。 成熟的方法集中考慮了多層管柱之間的相互作用，主要有全井管柱法和多管柱法[3]。但該方法必須有精確的環(huán)空壓力分析、各種管柱溫度敏感性預(yù)測模型和套管強(qiáng)度精確控制技術(shù)的支持。這種方法有明顯的缺點(diǎn)。首先，它對管柱的材料和生產(chǎn)工藝提出了新的要求，增加了制造成本。 其次，實(shí)踐中的環(huán)境變化可能超過目前材料研究、開發(fā)和加工技術(shù)方面的預(yù)期。最后是井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要創(chuàng)新。 該方法的關(guān)鍵是在現(xiàn)有套管生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，建立合理的設(shè)計(jì)模型，并進(jìn)一步改進(jìn)模型，完善適合新材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系。

1.2 消除環(huán)空

在很多情況下，也可以用整體固井法消除固井作業(yè)中的圈閉環(huán)空。 這種方法使用次數(shù)較多，就是將水泥打到井底再返漿至井口。該方法的主要機(jī)理是水泥漿的膨脹系數(shù)小于泥漿的膨脹系數(shù)，以達(dá)到降低環(huán)空熱膨脹壓力的目的。 但是其也有缺點(diǎn)，如若在固井過程中沒有完全替換掉環(huán)空中的泥漿，也會產(chǎn)生圈閉環(huán)空壓力。 其次，深水頂孔地層欠壓實(shí)、軟弱，易被高密度泥漿壓碎。

1.3 泄壓

1.3.1 水泥返回上層套管鞋下方

當(dāng)環(huán)空水泥返回到上層套管鞋下方時，不會產(chǎn)生圈閉環(huán)空壓力。這是因?yàn)橐后w的熱膨脹壓力會導(dǎo)致液體通過地層泄漏并排放到地面地層中，進(jìn)而釋放掉環(huán)空中的壓力以達(dá)到保護(hù)套管完整性的目的。該方法效果明顯，成本較低。但其相關(guān)作業(yè)風(fēng)險高，水泥頂部控制難度大。 在用預(yù)裝液代替泥漿的過程中，由于套管偏心、井徑膨脹、竄槽等問題，會引起水泥頂部的不確定性，導(dǎo)致固井質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。此外，當(dāng)水泥或加重材料堵住水泥縫隙時，也會產(chǎn)生壓力。 該技術(shù)應(yīng)考慮實(shí)際孔徑的不規(guī)則變化、 水泥的特性和巖石力學(xué)參數(shù)，以精確計(jì)算水泥的注入量。

1.3.2 安裝破裂盤

為解決環(huán)空壓力問題，2000 年在石油工業(yè)中正式應(yīng)用了破裂盤技術(shù)。 在環(huán)形空間中較大的套管上安裝一定數(shù)量的沿一定方向的破裂盤。 在盤體兩側(cè)壓差達(dá)到破裂的壓力點(diǎn)時，盤體發(fā)生破裂，以平衡套管兩側(cè)的壓力，達(dá)到保護(hù)中間套管或生產(chǎn)套管的目的。受深水地質(zhì)層孔壁的不穩(wěn)定且易發(fā)生坍塌的影響， 為保障油氣井的安全生產(chǎn)，需要在井身結(jié)構(gòu)中下入多層中間套管，隨之會產(chǎn)生多個圈閉的環(huán)空。 由于過高的環(huán)空壓力會壓潰大多數(shù)的中間套管， 因此破裂盤一般安裝在中間套管上。套管上的破裂盤通常由夾持器和爆破片組成。破裂盤分為兩種類型，分別為組合型和非組合型。后者僅包括破裂盤，前者由破裂盤、保持架、加強(qiáng)圈和保護(hù)膜（至少兩個部件）組成。破裂盤有一個泄放口徑，而獨(dú)立夾緊裝置可以確保破裂盤的精確操作，還提供定位、支撐和密封等功能。 破裂盤的安裝方式有穿透式和非穿透式兩種，可以用螺紋或緊固件固定。

破裂盤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)首先是爆破壓力的確定。爆破壓力范圍為9～60 MPa，允許偏差±5%；其次是破裂盤的位置和數(shù)量。外殼的一側(cè)通常有三個，彼此成180°角。破裂盤的材質(zhì)取決于其所處的海洋環(huán)境。深水油氣井生產(chǎn)的油氣液體溫度很高，所以通常選用鎳、銅、銅鎳合金等耐熱金屬作為破裂盤的原材料。保持架的材料通常由碳鋼、不銹鋼、鎳或其他特殊材料制成。 若破裂盤暴露在腐蝕環(huán)境中，應(yīng)在破裂盤上涂上防腐層，并測定反作用盤和平作用盤的工作溫度。OSECO、ZOOK 和FIKE 等公司對破裂盤的研究由來已久。 ZOOK 公司生產(chǎn)的破裂盤工作壓力范圍是0.5～25 MPa， 其最高工作溫度可達(dá)427℃， 采用破裂盤控制環(huán)空壓力的技術(shù)已經(jīng)得到了大面積的推廣[4]。

1.3.3 壓力釋放環(huán)

2004 年， 哈里伯頓公司采用壓力釋放環(huán)解決了深水環(huán)空壓力的問題[5]。 在環(huán)形圈閉內(nèi)套管上可反復(fù)打開和關(guān)閉泄壓環(huán)，將過高的壓力轉(zhuǎn)移到油管和生產(chǎn)套管之間的位置。壓力再通過井口減壓閥排放到海水中。 該壓力釋放環(huán)體積較小，可以對稱安裝在同一截面上。 盡管該技術(shù)可以對壓力進(jìn)行多次釋放，但并未得到廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵在于安裝和操作的復(fù)雜性。 設(shè)備一旦發(fā)生故障，是不可替代的。

1.4 提高環(huán)空液體壓縮性

1.4.1 可壓縮泡沫

1993 年， 科學(xué)家們提出了用可壓縮泡沫技術(shù)（Crushable Foam Wrap，CFW）來控制環(huán)空壓力。 其原理是采用可壓縮物質(zhì)的壓縮變化來平衡環(huán)形圈閉內(nèi)流體的熱膨脹體積。它是通過在深水油氣井環(huán)空的中小型套管內(nèi)安裝可壓縮泡沫來實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)流體膨脹，環(huán)空壓力上升到一定值（泡沫啟動壓力）時，泡沫體積減小，從而降低環(huán)空壓力。 該技術(shù)首先需要對泡沫材料進(jìn)行選擇，通常取決于泡沫材料的厚度、有效橫截面以及泡管柱的軸向長度。泡沫材料的厚度由圈閉環(huán)空的尺寸大小來確定，范圍在20 mm～40 mm 之間。有效橫截面的數(shù)量為2～4 段合適，其長度應(yīng)為環(huán)空總長度的2%～8%；第二，啟動壓力的確定。 CFW 的工作過程包括線性區(qū)、平直區(qū)和最終失效區(qū)三個階段。 線性區(qū)階段容積壓縮值為2%～3%。 泡沫材料需要在一定的壓力下啟動，并通過體積的壓縮達(dá)到降低環(huán)空壓力的目的。泡沫材料一般由固體甲基丙烯酸甲酯研制而成，與隔水管上的浮體材料相似。

該技術(shù)主要由預(yù)定規(guī)格的泡沫材料、固定泡沫所用的鋼板、黏合劑以及耐磨環(huán)四個部分組成。 需要注意的是，不能使泡沫材料完全封閉了環(huán)形空間，否則會對鉆孔的清理造成很大的影響。目前在深水油氣井生產(chǎn)過程中，應(yīng)用得比較廣泛的可壓縮泡沫產(chǎn)品分為兩種。 第一種是分段黏結(jié)泡沫并將其黏結(jié)到套管上；第二種是將泡沫制成環(huán)形柱并將其黏結(jié)到套管上。然而，這兩種設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮鉆孔清潔度和碎屑。 包括特瑞堡、英國石油、殼牌和道達(dá)爾在內(nèi)的公司擁有成熟的可壓縮泡沫技術(shù)，并提供產(chǎn)品系列。 特瑞堡擁有最成熟的技術(shù)， 該公司生產(chǎn)的泡沫材料可以抵御110℃以下的高溫，且有著28 MPa 的最小工作壓力，其最大的體積壓縮率為50%；殼牌和BP 公司成功地將該技術(shù)應(yīng)用于墨西哥灣和北海的 Machar、Maddog、Ram Powell 等油田[6]。

1.4.2 附加腔室

Chevron 公司于2006 年引進(jìn)了控制APB 的附加腔室技術(shù)[7]。針對深水井身結(jié)構(gòu)中的生產(chǎn)套管和尾件，設(shè)計(jì)了附加腔， 并成功地應(yīng)用于大溪地油田13 3/8”套管上。 該腔室通過管接頭集成到管柱中。 這個空間分為兩種。第一種情況，在腔室內(nèi)安裝兩個活塞，并注入一定量的惰性氣體（Ar、N2、He）或其混合物。 環(huán)空流體在熱傳遞的過程中會產(chǎn)生膨脹，膨脹壓力經(jīng)由細(xì)孔傳遞到腔室內(nèi)。 隨之，該膨脹壓力會推動活塞對惰性氣體進(jìn)行壓縮，并且由于膨脹空間的增加，流體的環(huán)空壓力降低。 第二種情況是在腔室上安裝閥門。 當(dāng)環(huán)空中的壓力上升到預(yù)定值時，閥門會立即啟動，對腔室中的N2等惰性氣體進(jìn)行壓縮， 以降低環(huán)空壓力的上升速率。該技術(shù)的關(guān)鍵是腔體的安裝、腔體的尺寸、惰性氣體的壓力和腔體上閥門的啟動壓力。該工具由腔室、活塞和起動閥組成。在操作過程中，每個腔室的容積為0.45～159 L。 如果使用多個腔室，其容積沒有特定的限制。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以調(diào)整第一種腔室中惰性氣體的壓力。 同樣，第二種腔室的啟動壓力也可能不同。 這樣，環(huán)空壓力問題可以分階段地解決。

1.4.3 可壓縮的隔離液

可收縮的隔離液是由Los Alamos 和Chevron 國家實(shí)驗(yàn)室共同提出的。 Baker Hughes 推動了可收縮隔離液的商業(yè)應(yīng)用。其核心原理是將含有15%～50%甲基丙烯酸甲酯（MMA）的水基隔離液注入圈閉環(huán)空中，當(dāng)環(huán)空流體的溫度達(dá)到一定值時， 隔離液的體積將被壓縮至20%，從而使受壓縮的體積與熱膨脹相平衡。與不加MMA 的基礎(chǔ)隔離液相比，加入MMA 的隔離液對環(huán)空壓力的控制能力更好。 基本配方為：0.3%消泡劑，1.5%碳酸氫鈣，0.3%抗菌劑，21%水性乳化劑，15%～50%甲基丙烯酸甲脂 （液體），0.5%氫氧化鈉，0.4%引發(fā)劑，重晶石，抑制劑，分散劑。密度為0.96～1.78 g/cm3。目前已開發(fā)出一套完整的全自動泡沫注水泥控制系統(tǒng)，并且配置有專用設(shè)備。

1.4.4 中空玻璃微球

Trelleborg 開發(fā)了一種新型的基于深水漂浮材料的中空玻璃微球控制技術(shù)。 在可壓縮泡沫中加入中空玻璃微球，在熱固性樹基脂中固定中空玻璃微球，根據(jù)中空玻璃微球的破裂程度和熱固性樹基脂的熱敏感性來調(diào)節(jié)圈閉環(huán)空中的壓力。 該工藝可調(diào)節(jié)的破裂壓力在 1.7～193 MPa 之間， 體積變化范圍為 30%～40%，最大工作溫度為170℃。 為安全起見，在設(shè)計(jì)中，峰值容積變化應(yīng)為20%～25%，而不是TAV 的變化。 中空玻璃微球可壓縮段的長度為0.5～1.5 m， 根據(jù)體積的變化可做適當(dāng)?shù)脑鰷p。難點(diǎn)在于中空玻璃微球的破裂程度和基脂的配比。彈性空心顆粒和可壓縮碳質(zhì)顆粒材料也能產(chǎn)生與中空玻璃微球相同的效果[8]。

1.5 隔熱技術(shù)

1.5.1 絕緣管

絕緣管可分為普通絕緣管和真空絕緣管（VIT）。VIT 在石油行業(yè)已經(jīng)有20 多年的歷史了。 1998 年，VIT 技術(shù)開始在深水區(qū)應(yīng)用， 以解決輸送到泥線附近時的水合物問題。2003 年，Chevron 首次在墨西哥灣大溪地的1#深井中應(yīng)用VIT 技術(shù)，解決了環(huán)空壓力問題[9]。 其核心原理是以阻斷換熱為基礎(chǔ)：將生產(chǎn)管柱用真空絕緣管代替，真空絕緣管可以阻斷深水油氣液體的熱量向環(huán)空流體的傳遞，進(jìn)而調(diào)控環(huán)空流體的受熱膨脹。真空絕緣管通常下降到泥線以下900～1 200 m 處，由絕緣襯墊、聯(lián)軸器、密封圈、兩層同心管（內(nèi)管和外管）組成，最后焊接成一個整體。兩層管子之間的空間應(yīng)做抽真空處理。 VIT 的主要功能是隔熱和傳遞機(jī)械負(fù)荷。 因此，管柱的設(shè)計(jì)必須考慮力學(xué)承載力和熱物性等因素。管柱的力學(xué)承載性能應(yīng)結(jié)合管柱結(jié)構(gòu)的完整性和防漏性進(jìn)行設(shè)計(jì)。 對于熱物理性能，最關(guān)鍵的部分是將接頭和管體的阻熱能力升到最高。真空絕緣管內(nèi)管與外管的接觸極為復(fù)雜，需要極為精確的焊接技術(shù)，同時在管體上不可安裝其他的穩(wěn)定器或閥門等部件，否則會對隔熱效率造成重大的影響。

真空絕緣管有兩種類型， 一是結(jié)構(gòu)較為簡單的單層隔熱環(huán)空型，二是結(jié)構(gòu)較為繁雜的多層隔熱環(huán)空型。目前，Vmtu bealloy 公司、Chevron 公司、Itmreps 公司、勝利公司等都擁有較為成熟的技術(shù)。 真空絕緣管技術(shù)成功地應(yīng)用到油氣井的生產(chǎn)中， 解決了許多環(huán)空壓力帶來的問題。 然而，該技術(shù)受到井深的限制，隨著井深的不斷增加，所帶來的問題也越發(fā)突出，首先井筒溫度會不斷升高，真空絕緣管隔熱效果下降，其次是生產(chǎn)套管懸掛載荷隨之增加，加重機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)擔(dān)。

1.5.2 絕緣封隔液技術(shù)

20 世紀(jì)90 年代末首次成功將絕緣封隔液注入環(huán)空以減輕環(huán)空壓力。 根據(jù)其工作原理，在固井過程中，將熱阻率較高的流體注入生產(chǎn)套管外環(huán)空，以此阻隔油氣液體的熱量向圈閉空間的傳遞，降低了環(huán)空壓力。在深水環(huán)境中，隔熱流體必須具有以下特性：熱阻率高；結(jié)晶溫度低，防止海底泥線以下的低溫環(huán)境造成封隔液的結(jié)晶； 在超高溫環(huán)境下隔熱性能穩(wěn)定（特別是流體黏度）；無污染，不腐蝕管柱。第一代絕緣封隔液的隔熱效率較低。

第二代絕緣封隔液具有更好的隔熱效率。由于不同流體之間存在溫度差異，形成了熱對流，熱對流是井筒傳熱的主要機(jī)理。流體的黏度對熱對流的影響很大，當(dāng)流體的黏度增加時，其流動性會下降，環(huán)空流體的自由對流也會降低。 因此，與第一代絕緣封隔液相比，第二代絕緣封隔液具有以下特點(diǎn)：當(dāng)剪切速率較低時，它具有較高的黏度，從而減少了對流換熱；而當(dāng)剪切速率較高時，它具有較低的黏度，可以加速流體的置換。第三代絕緣封隔液有效地解決了熱對流和分子接觸產(chǎn)生傳熱之間的矛盾，將隔熱效率提高到90%以上。該技術(shù)主要有兩個方面的難點(diǎn)：首先，如何控制絕緣封隔液的隔熱效率；其次，如何使隔熱性能在惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定。 目前，絕緣封隔液法已進(jìn)入商品化階段， 該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到墨西哥灣近100 口井，效果十分顯著。 開發(fā)了一整套注液設(shè)備和產(chǎn)品[10]。

這些措施在成本、操作難度、可靠性和工作機(jī)理等方面有所不同，見表1。

環(huán)空壓力管理的措施有很多種，從增加套管強(qiáng)度到隔熱傳遞控制，積極性及帶來的問題也會凸顯。 通過對各種環(huán)空和壓力管理措施進(jìn)行詳細(xì)對比，在考慮鉆完井工具下入能力，封固油氣水層要求及生產(chǎn)井安全性等綜合因素后，綜合選用絕緣管、隔熱液、可壓縮泡沫、破裂盤、提高環(huán)空液體壓縮性等具有良好的適用性的技術(shù)，且已在部分井中應(yīng)用或通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了應(yīng)用。

2 結(jié)論與展望

深水固井中環(huán)空壓力管控一直是深海油氣的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前已發(fā)展了提高套管強(qiáng)度、釋放環(huán)空壓力、消除環(huán)空、提高環(huán)空液體壓縮性和隔熱傳遞等技術(shù)， 部分技術(shù)已在深水固井中得到了一定的應(yīng)用，但各種技術(shù)都具有各自的局限性，因此深水固井環(huán)空壓力管控應(yīng)全面分析，系統(tǒng)管控，遵循“全面分析，技術(shù)組合使用，多階段調(diào)節(jié)，保護(hù)環(huán)境”的原則。

表1 環(huán)空壓力管理方法優(yōu)缺點(diǎn)