蔡道鋼 葉長青 朱達江 楊 輝 李玉飛 唐寒冰

(中國石油西南油氣田分公司， 成都 610017)

1 井口裝置抬升的危害

近年來陸續(xù)開發(fā)了一些高溫高壓氣藏，氣井在高產(chǎn)量下生產(chǎn)，井口溫度較高，當(dāng)各層套管存在自由段套管時，可能導(dǎo)致井口裝置抬升問題，龍王廟氣藏投產(chǎn)56口井中有34口監(jiān)測到井口裝置抬升現(xiàn)象，大部分井抬升量小于10 mm，見圖1。M8井井口裝置整體抬升最高達到48.2 mm，井口裝置抬升嚴(yán)重影響了氣井的完整性，并導(dǎo)致地面流程變形泄漏，直接影響氣井的安全生產(chǎn)。井口裝置抬升的危害主要包括：(1) 在長期變產(chǎn)量、開關(guān)井井口上漲/下落且不均勻載荷交變的情況下，鋼圈、橡膠等密封件存在失封造成井口環(huán)間氣竄風(fēng)險。(2) 井口裝置整體抬升，對地面工藝流程產(chǎn)生較大的拉伸力，容易導(dǎo)致地面流程局部發(fā)生應(yīng)力變化而被破壞。(3) 由于升溫造成套管膨脹伸長，降溫造成套管縮短，即開井井口上升，降低產(chǎn)量或關(guān)井套管縮短，存在誘發(fā)水泥環(huán)產(chǎn)生微裂紋，尤其是在井口附近井段固井質(zhì)量存在急劇變差的風(fēng)險，引起水泥環(huán)損壞失效。(4) 生產(chǎn)時井口各層套管受溫度影響，反復(fù)出現(xiàn)應(yīng)力變化，溫度升高時伸長，溫度降低時收縮，各層套管上頂力差異較大，造成螺紋連接應(yīng)力交替，存在井口螺栓強度失效，發(fā)生絲扣密封不嚴(yán)、滑脫、斷裂或疲勞失效等風(fēng)險。[1-2]

圖1 2021年7月56口井井口裝置抬升情況

2 井口裝置抬升原因分析及預(yù)測

井口裝置的抬升主要受內(nèi)因和外因影響，內(nèi)因主要是固井質(zhì)量差，導(dǎo)致套管在溫度、壓力作用下發(fā)生較為自由的形變。井口裝置抬升高度對表層套管自由段長度最為敏感，若多層套管固井質(zhì)量較差時對井口裝置抬升高度影響較大。井口裝置抬升的外因主要是井筒溫度變化引起的套管形變。同一口井，氣井生產(chǎn)時井筒溫度變化越大，井口裝置抬升高度就越大，井口裝置抬升與井口溫度呈線性正相關(guān)，見圖2。氣井套管自由段越長，井口裝置抬升高度就越大；抬升1、抬升2分別是200 m、250 m完全自由段抬升高度。井口溫度又與產(chǎn)氣量正相關(guān)，產(chǎn)氣量越高溫度越高，見圖3。井口裝置抬升高度與產(chǎn)氣量正相關(guān)，見圖4。因此，防止井口裝置抬升最有效的方法是提高井筒固井質(zhì)量，對于已固井，通過降低井筒溫度來減小套管形變，防止井口裝置抬升，并保持氣井產(chǎn)量平穩(wěn)，降低因應(yīng)力變化致井口部件疲勞失效的風(fēng)險[2]。

圖2 井口裝置抬升高度與溫度的關(guān)系曲線

圖3 井口溫度與產(chǎn)量的關(guān)系曲線

圖4 井口裝置抬升高度與產(chǎn)氣量的關(guān)系

基于氣井管柱結(jié)構(gòu)及實際工作參數(shù)，計算各環(huán)空溫度場，為后續(xù)管柱力學(xué)分析提供基礎(chǔ)參數(shù)。在借鑒國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，建立多管柱系統(tǒng)力學(xué)模型，分析計算井口裝置抬升情況。氣井套管程序是由多層管柱相互連接在一起的多管柱系統(tǒng)組成，并在井口與井口裝置連接在一起。氣井生產(chǎn)階段各層套管柱主要受溫度效應(yīng)影響，底部邊界是水泥返高位置，井口裝置受套管熱應(yīng)力、軸向位移以及環(huán)空流體熱膨脹的影響，導(dǎo)致每層套管柱軸向力發(fā)生變化，進而產(chǎn)生非均勻力導(dǎo)致井口裝置抬升，見圖5。

圖5 井口自由段管柱升高力學(xué)分析模型

實際井身結(jié)構(gòu)由多層套管和材料并聯(lián)組成耦合系統(tǒng)，單層材料軸向剛度可以當(dāng)作彈簧模型進行處理，則各層材料串聯(lián)時的耦合系統(tǒng)剛度為：

(1)

式中：Ki為第i層套管的拉伸剛度，N/m；Ki，w為第i層套管第w段的拉伸剛度，N/m；Ki，z為第i層套管第z段的拉伸剛度，N/m。

Ki=EAi/Li

(2)

式中：E為套管材料的彈性模量，Pa；Ai為第i層管柱的橫截面積，m2；Li為第i層套管未固井段長度的垂直分量，m。

假設(shè)井口增長從零開始，方程如下：

ΔFi=-EαAiΔTi

(3)

式中：ΔFi為第i層套管軸向力，N；α為鋼的熱膨脹系數(shù)，1/℃；△Ti為第i層管柱溫度變化量，℃。

考慮每層套管伸長造成各層套管柱中軸向力的變化，則有：

(4)

式中：ΔZ為管柱伸長量，m；Zi為第i層管柱的長度，m。

計算各層管柱在井口處的熱膨脹力為：

Fi-thermal=KiΔLthermal-FEAi

(5)

式中：Fi-thermal為由于溫度效應(yīng)引起的管柱軸向力，N；ΔLthermal為管柱的熱伸長量，m；F為管柱初始軸向力，N。

井口裝置抬升高度為：

(6)

M8井井口油壓51.6 MPa，套壓34.1 MPa，井口溫度79 ℃，產(chǎn)氣量49.2×104m3/d時，井口抬升高度為27.0 mm。經(jīng)預(yù)測，當(dāng)氣井產(chǎn)量為100×104m3/d時，井口裝置最大抬升高度預(yù)測達到51 mm，見圖6。

圖6 氣井產(chǎn)量與井口抬升高度、井口溫度的關(guān)系

3 井下節(jié)流工藝防止井口裝置抬升

井下節(jié)流工藝防止井口裝置抬升是把井下節(jié)流器下到自由段套管段以下10～20 m為宜，利用節(jié)流降壓來降低自由套管段的溫度分布，防止井口裝置抬升，見圖7、圖8。采用井下節(jié)流器后井口溫度降低了35 ℃。

圖7 采用井下節(jié)流器前后井筒壓力對比

圖8 采用節(jié)流器前后井筒溫度對比

國內(nèi)目前研制了節(jié)流壓差達70 MPa的固定式井下節(jié)流器，主要由固定式井下節(jié)流工作筒和固定式井下節(jié)流器兩部分組成，見圖9、圖10。在下完套管柱時，根據(jù)固井質(zhì)量預(yù)先在套管自由段以下下入節(jié)流器工作筒，根據(jù)井口裝置抬升情況，投入井下節(jié)流器。后期隨著產(chǎn)量、溫度的下降，無需節(jié)流時可打撈出節(jié)流器，或繩索作業(yè)打掉節(jié)流嘴[3-4]。

圖9 固定式井下節(jié)流工作筒

圖10 固定式井下節(jié)流器

4 井下節(jié)流防止井口裝置抬升論證

X井是一口高溫高壓高產(chǎn)含硫氣井，產(chǎn)層深度4 646.40～4 675.50 m，地層壓力76 MPa，地層溫度143 ℃。井口裝置型號KQ78-105，永久式封隔器+Ф88.9 mm油管完井，X井固井質(zhì)量見表1。初期以20×104m3/d的規(guī)模生產(chǎn)，開井油壓53.4 MPa、套壓63.2 MPa、技套12.1 MPa、表套3.0 MPa、井口計量溫度76 ℃，井口裝置未見抬升。提高氣井產(chǎn)量期間發(fā)現(xiàn)井口裝置抬升，左翼抬升23 mm，右翼抬升29 mm。托盤下表面與導(dǎo)管上緣相距46 mm，右翼套壓泄壓管線抬升致埋地段的上覆水泥地坪開裂3處，約1～2 mm。100萬和20萬流程一級針閥后端高壓生產(chǎn)管線出現(xiàn)不同程度的形變，同時彎頭在垂線方向存在形變，見圖11。不同產(chǎn)量下井口裝置抬升高度，見表2。產(chǎn)量越高，井口溫度越高，井口裝置抬升越高。根據(jù)生產(chǎn)實踐，當(dāng)產(chǎn)量控制在30×104m3/d以下，井口裝置抬升高度在15 mm以內(nèi)是相對安全的。

表2 X氣井產(chǎn)量、井口溫度與井口裝置抬升高度

圖11 套管泄壓管線抬升

表1 X井固井質(zhì)量

在井口壓力為7.8 MPa，節(jié)流壓差為55 MPa的情況下，井下節(jié)流器下入深度與對應(yīng)的井口溫度見表3?？梢钥闯?，下入井下節(jié)流器，井口溫度大幅降低，下入越淺井口溫度越低，下入400 m(367 m以上固井質(zhì)量差)處，井口抬升小于15 mm，滿足要求，采用井下節(jié)流工藝防止井口裝置抬升是可行的[5-9]。

表3 不同產(chǎn)氣量情況下井下節(jié)流器下入不同深度對應(yīng)的井口溫度

5 結(jié) 語

產(chǎn)量變化引起溫度升高導(dǎo)致套管柱伸長是井口裝置抬升的主要外部因素。井口裝置抬升會給井口裝置及地面流程造成破壞，研究建立的多層級油套管力學(xué)模型，可預(yù)測井口裝置抬升高度。提高固井質(zhì)量，并結(jié)合井下節(jié)流工藝降低井口溫度等技術(shù)，可有效防止已固井的井口裝置抬升，保證了油田的安全生產(chǎn)。