龐東豪

（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司，天津 300450）

油氣井在勘探開發(fā)過程中，地層油氣水流將井底的熱量攜帶至井口，導(dǎo)致井口管柱受熱膨脹伸長并形成軸向上頂力。同時(shí)圈閉流體溫度升高，造成圈閉壓力，井口管柱在圈閉壓力條件下也會(huì)產(chǎn)生軸向上頂力，進(jìn)而造成井口抬升，對(duì)油氣井生產(chǎn)造成重大安全隱患[1-8]。井口抬升現(xiàn)象嚴(yán)重影響了油氣井正常生產(chǎn)作業(yè)，與生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的復(fù)雜的溫度變化和壓力變化密切相關(guān)[9-11]。

1 主流水下井口系統(tǒng)

1.1 Vetco公司

Vetco公司的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于世界各地，生產(chǎn)水下井口系統(tǒng)的開始時(shí)間較早。該公司的水下井口系統(tǒng)主要有2種結(jié)構(gòu)，分別可以掛四層和三層套管，“四掛”比“三掛”增加了非傳統(tǒng)尺寸套管掛，鉆井作業(yè)可以適應(yīng)更多的套管層次和更小的壓力窗口。

該公司的產(chǎn)品主要有SG-5、SG-5XP、MS-700和MS-800等不同系列。

1.2 Dril-Quip公司

Dril-Quip公司產(chǎn)品同樣廣泛應(yīng)用于世界各地，在南中國海的深水油氣勘探開發(fā)生產(chǎn)作業(yè)中應(yīng)用較多。該公司的水下井口系統(tǒng)的額定工作壓力有69 MPa和103.5 MPa，在不同海洋環(huán)境中均可以很好地完成鉆完井作業(yè)。該公司的產(chǎn)品主要有SS-10和SS-15等不同型號(hào)。SS-15高壓井口頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。這2種型號(hào)的水下井口系統(tǒng)，主要是強(qiáng)度和適合水深不一樣，SS-10的額定壓力為69 MPa，SS-15的額定壓力為103.5 MPa，SS-10更適合淺水鉆完井作業(yè)，SS-15更適合深水鉆完井作業(yè)。

圖1 SS-15高壓井口頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 FMC公司

相比較于前兩家公司，F(xiàn)MC公司的產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：（1）安裝密封沒有額定扭矩的要求；（2）作業(yè)過程中的起下鉆次數(shù)較少，因?yàn)槠湎路殴ぞ呒铣闪四K；（3）起下難度較小，受井口傾斜角的限制較??；（4）安裝快，鉆完井效率更高。

該公司的產(chǎn)品主要有UWD-15、UWD-10和UWD-HC等型號(hào)，HC型號(hào)又包括HC-15和HC-20等不同壓力等級(jí)，15型號(hào)也包括標(biāo)準(zhǔn)型、帶流道型和預(yù)載荷型等不同產(chǎn)品。

1.4 Aker公司

Aker公司的產(chǎn)品最主要特點(diǎn)是采用了金屬密封，其主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）密封總成可承受載荷較高；（2）套管受力可以直接作用于高壓井口頭；（3）環(huán)空密封鎖緊裝置設(shè)計(jì)成2個(gè)方向鎖緊，更適用于深水或高壓油氣井的勘探開發(fā)。

該公司的產(chǎn)品主要是S-B型水下井口系統(tǒng)，額定壓力是103.5 MPa。

2 預(yù)防井口抬升監(jiān)測和預(yù)測

為了有效防止井口抬升事故的出現(xiàn)，必須對(duì)可能產(chǎn)生井口抬升的種種跡象進(jìn)行監(jiān)測或預(yù)測。井口產(chǎn)生明顯的軸向位移、井口的溫度明顯升高和氣井產(chǎn)量較大以及環(huán)空壓力升高都是較為敏感的影響因素，密切監(jiān)視這些敏感因素或在作業(yè)前的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行軟件仿真模擬預(yù)測，都是減小井口抬升風(fēng)險(xiǎn)的有效方式[12-15]。

2.1 水下井口應(yīng)力數(shù)據(jù)采集

在陸地油田或海上作業(yè)的水上井口，井口抬升產(chǎn)生的軸向位移的跟蹤監(jiān)測通?？梢杂矛F(xiàn)場可視化甚至人工的方式進(jìn)行，較為常見的方式是在位移敏感部件參照物上標(biāo)識(shí)刻度、安裝位移傳感裝置或安裝位移監(jiān)測警報(bào)系統(tǒng)，當(dāng)井口的軸向位移超過某一邊界值，即視為井口抬升風(fēng)險(xiǎn)過高，需要進(jìn)行必要的應(yīng)對(duì)。

而在海上深水作業(yè)或淺水水下作業(yè)工況下，采取上述方式不經(jīng)濟(jì)甚至無法完成。較為可行的方式是采集和監(jiān)測井口的應(yīng)力，再用配套的軟件對(duì)采集到的應(yīng)力進(jìn)行受力分析，當(dāng)受力超過某一邊界值，即視為井口抬升風(fēng)險(xiǎn)過高，即啟動(dòng)相應(yīng)的處理程序。

2.2 水下井口溫度數(shù)據(jù)采集

油氣井生產(chǎn)過程中，如果地層溫度較高，產(chǎn)出的地層油氣水流攜帶的熱量會(huì)逐步加熱井口及附近的管柱。通常情況下，未進(jìn)行固井水泥封固的套管自由段的軸向伸長和相應(yīng)的上頂力是造成井口抬升的敏感因素。而溫度升高造成的環(huán)空壓力升高，其軸向的分力也會(huì)產(chǎn)生上頂力，對(duì)井口抬升形成部分誘因。

如果把套管自由段的軸向伸長和環(huán)空壓力看作抬升上頂力的自變量，把上頂力看作井口抬升風(fēng)險(xiǎn)邊界值的自變量，而井口溫度就是套管軸向伸長和環(huán)空壓力的自變量，所以水下井口溫度數(shù)據(jù)的采集則是減小井口抬升風(fēng)險(xiǎn)的有效方式。

2.3 產(chǎn)量和環(huán)空壓力數(shù)據(jù)采集

如上所述，環(huán)空壓力可能間接造成井口抬升。如果未產(chǎn)生環(huán)空壓力的影響（即環(huán)空壓力產(chǎn)生的軸向上頂力接近0），產(chǎn)量較大時(shí)可能發(fā)生井口抬升，因此需要密切監(jiān)測產(chǎn)量；如果存在環(huán)空壓力時(shí)，生產(chǎn)過程中的井口抬升風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)受到產(chǎn)量和環(huán)空壓力影響，因此需要充分評(píng)估和統(tǒng)籌考慮產(chǎn)量和環(huán)空壓力的綜合影響。

對(duì)于深水水下井口系統(tǒng)，只有A環(huán)空的環(huán)空壓力可以監(jiān)測和控制，水下生產(chǎn)系統(tǒng)A環(huán)空壓力管理方式，如圖2所示。實(shí)際作業(yè)過程中需要結(jié)合不同工況進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行井口抬升風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)A環(huán)空壓力管理方式

2.4 軟件仿真模擬預(yù)測

評(píng)價(jià)和減小井口抬升風(fēng)險(xiǎn)，是海上深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)設(shè)計(jì)階段不可或缺的內(nèi)容。通過軟件進(jìn)行建模，然后對(duì)沒有環(huán)空壓力管理及井口抬升預(yù)防措施進(jìn)行可行性分析，繼而對(duì)不同產(chǎn)量、不同地層溫度壓力和不同環(huán)空壓力管理方式進(jìn)行敏感性分析，充分評(píng)估井口抬升的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段采取不同的方案進(jìn)行防范，以達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。Workbench平臺(tái)下有限元模擬分析的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如圖3所示。

圖3 Workbench平臺(tái)下有限元模擬分析的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

3 水下井口抬升預(yù)防方案

3.1 保證表層套管下深和上返

水下井口抬升的預(yù)防，首先需要防止整體抬升，而大尺寸的導(dǎo)管和表層套管有決定性的影響。表現(xiàn)在導(dǎo)管和表層套管本身的重力較大，可以部分克服中間套管和生產(chǎn)套管受熱伸長產(chǎn)生的上頂力。其次，大尺寸的導(dǎo)管和表層套管與井壁的接觸面積較大，軸向摩阻可以很大程度減小井口整體抬升的風(fēng)險(xiǎn)。

而導(dǎo)管的入泥深度受到淺層地層強(qiáng)度的影響，同時(shí)需要考慮井口穩(wěn)定性，其下入深度通常受到限制。而表層套管下入深度較大，且水泥返高盡量上返至泥線并保證固井質(zhì)量，一方面可以增加軸向的摩阻，另一方面可以減少套管自由段造成的軸向上頂力，進(jìn)而降低水下井口抬升的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 安裝套管熱補(bǔ)償裝置

在高溫高壓氣井生產(chǎn)過程中可以采用套管熱補(bǔ)償裝置來避免由于套管溫度升高所帶來的井口抬升而引起的危害。熱補(bǔ)償裝置的工作原理是當(dāng)套管受熱伸長產(chǎn)生軸向力，軸向力達(dá)到一定邊界值時(shí)剪斷銷釘，中心管和外管產(chǎn)生相對(duì)位移，從而減小套管的軸向伸長。在海上深水作業(yè)中，日趨成熟的配套技術(shù)，讓這項(xiàng)陸地應(yīng)用成熟的技術(shù)應(yīng)用到海上深水成為可能。

3.3 限定測試或生產(chǎn)產(chǎn)量

如前所述，海上探井的測試產(chǎn)量或生產(chǎn)井的生產(chǎn)產(chǎn)量較大時(shí)，攜帶地層的熱量更快更多，可能發(fā)生井口抬升，需要密切監(jiān)測產(chǎn)量；而產(chǎn)量較大可能造成環(huán)空壓力升高，進(jìn)而間接升高井口抬升風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)過程中的井口抬升風(fēng)險(xiǎn)受到產(chǎn)量影響最大。因此，需要嚴(yán)格控制探井測試和生產(chǎn)井生產(chǎn)的產(chǎn)量。

3.4 使用隔熱技術(shù)

在深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，井口抬升的原因歸根結(jié)底是地層熱量攜帶至井口，并在井口附近傳遞熱量，繼而造成熱膨脹產(chǎn)生了軸向的上頂力。如果在油套環(huán)空試用隔熱完井液，最大程度地減小熱傳遞，則可有效避免井口抬升的發(fā)生。

另外，使用隔熱套管、隔熱水泥材料，充填隔熱氣體、隔環(huán)空保護(hù)液等措施也是很好的隔熱措施，不過材料成本較高，限制了其應(yīng)用和推廣。隔熱油管及結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 隔熱油管及結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 減少套管自由段

相對(duì)于套管的水泥封固段，套管自由段的軸向上頂力和伸長量更大。在預(yù)防海上油氣井井口抬升時(shí)，可以在設(shè)計(jì)階段提高水泥返高，特別是表層套管，因?yàn)槌叽巛^大繼而相應(yīng)的自由段受熱上頂力更大，從而更需要減少套管自由段，沒有特殊情況下，應(yīng)盡量返高到泥線。中間套管和生產(chǎn)套管的水泥返高，應(yīng)統(tǒng)籌考慮環(huán)空圈閉壓力的影響，避免水泥返高過高導(dǎo)致的環(huán)空壓力過大。

3.6 提高固井質(zhì)量

類似于上述減少套管自由段的理論，相對(duì)于套管的水泥封固段，套管自由段的軸向上頂力和伸長量更大。套管水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量不好的比例越大，相當(dāng)于自由段套管長度越長，井口抬升的風(fēng)險(xiǎn)越大，因此應(yīng)該盡量保證套管的固井膠結(jié)質(zhì)量。

3.7 使用水下井口防抬升鎖緊環(huán)

帶鎖緊環(huán)的深水水下井口系統(tǒng)包含高壓井口頭、套管掛（套管掛個(gè)數(shù)根據(jù)套管層數(shù)確定）、環(huán)空密封（本體及鎖緊環(huán)）、鎖緊補(bǔ)心裝置（本體、驅(qū)動(dòng)環(huán)及鎖緊環(huán)），緊鄰鎖緊補(bǔ)心的套管掛上端面與鎖緊補(bǔ)心本體接觸，鎖緊補(bǔ)心下端面與緊鄰套管掛不接觸，存在縫隙。水下井口防抬升鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 水下井口防抬升鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)空密封的鎖緊環(huán)座于高壓井口的限位槽內(nèi)，鎖緊補(bǔ)心的鎖緊環(huán)座于高壓井口的鎖緊槽內(nèi)，從而限制套管掛上移，達(dá)到預(yù)防井口抬升的目的。水下井口防抬升鎖緊環(huán)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 水下井口防抬升鎖緊環(huán)實(shí)物圖

4 結(jié)論

（1）世界范圍內(nèi)，主流水下井口系統(tǒng)的生產(chǎn)商包括Vetco公司、Dril-Quip公司、FMC公司和Aker公司等。

（2）預(yù)防井口抬升監(jiān)測和預(yù)測方式，包括井口位移監(jiān)測、井口溫度監(jiān)測、產(chǎn)量及環(huán)空壓力監(jiān)測和軟件仿真模擬預(yù)測等。

（3）水下井口抬升預(yù)防方案，包括保證表層套管下深和上返、安裝套管熱補(bǔ)償裝置、限定測試或生產(chǎn)產(chǎn)量、使用隔熱技術(shù)、減少套管自由段、提高固井質(zhì)量和使用水下井口防抬升鎖緊環(huán)等。