趙維青，冷雪霜，陳 彬，牟小軍

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，廣東 深圳 518607；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067)①

深水水下井口環(huán)空壓力監(jiān)測及診斷方法

趙維青1，冷雪霜1，陳 彬2，牟小軍1

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，廣東 深圳 518607；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518067)①

針對深水水下井口及采用水下采油樹方式生產(chǎn)的井，對比了地面井口與水下井口環(huán)空壓力監(jiān)測的通道；給出了各個壓力環(huán)空的定義；分析了形成環(huán)空壓力的原因及壓力源的來源；闡述了A環(huán)空壓力的監(jiān)測及診斷方法，并對每種方法的優(yōu)缺點進行了對比。通過一口深水井案例，分析了產(chǎn)量變化時各個環(huán)空中壓力的變化情況，結(jié)論表明產(chǎn)量變化時各個環(huán)空壓力變化明顯。研究結(jié)果對環(huán)空壓力管理、診斷、監(jiān)測及深水井套管選型具有借鑒和指導(dǎo)意義。

深水；水下井口；環(huán)空壓力；監(jiān)測方法；診斷方法

深水井測試及生產(chǎn)作業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，例如測試及生產(chǎn)過程中流動保障分析(主要是水合物預(yù)防、管柱腐蝕預(yù)測、結(jié)蠟、結(jié)垢、多相流流動等)、井控、環(huán)空帶壓等[1]。要保障深水井從設(shè)計到投產(chǎn)及整個井生命周期內(nèi)安全生產(chǎn)是一個系統(tǒng)的工程，而目前行業(yè)內(nèi)將所有這些導(dǎo)致井不能進行正常作業(yè)的問題統(tǒng)一為井筒完整性的范疇。

自從20世紀70年代井筒完整性概念的提出，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，美國、加拿大、挪威等國家已經(jīng)制定了完整的井筒完整性的管理計劃，同時出臺了一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)。井筒完整性的內(nèi)容所涉及的學(xué)科非常廣泛，其中最具代表性的是挪威油氣井筒完整性指南[2](NOR SOK D010)，該指南部分內(nèi)容涉及了環(huán)空壓力管理。近年來，環(huán)空壓力管理越來越受到行業(yè)的關(guān)注，特別是2006年API RP 90[3]“海上井環(huán)空套壓管理”第一版發(fā)布，作為井筒完整性一部分，井在測試及生產(chǎn)過程中套管環(huán)空帶壓得到了極大的關(guān)注。引起環(huán)空帶壓的原因很多，例如生產(chǎn)導(dǎo)致的圈閉流體無法膨脹形成圈閉壓力、生產(chǎn)過程中熱采、井筒完整性破壞后不同環(huán)空之間的連通導(dǎo)致的某個環(huán)空帶壓等。

國外環(huán)空壓力形成機理[4-7]及處理措施[8-10]研究相對成熟，國內(nèi)環(huán)空壓力研究主要是以陸地油田環(huán)空壓力安全評價[4-5]等為主，深水領(lǐng)域環(huán)空壓力的研究主要是機理研究[11-12]和相關(guān)的處理措施研究[13-14]，而深水油氣田環(huán)空壓力監(jiān)測及診斷方面的研究較少。目前已經(jīng)投產(chǎn)的荔灣深水氣田井A環(huán)空帶壓20 MPa左右，該氣田制定了詳細的措施來監(jiān)測環(huán)空壓力以確保井筒完整性和井的安全生產(chǎn)。本文主要針對深水水下井口[15]及采用水下采油樹生產(chǎn)方式的井，分析環(huán)空壓力產(chǎn)生的原因，給出了環(huán)空壓力監(jiān)測方法，A環(huán)空環(huán)空壓力變化原因及診斷方法。對深水水下井口及采用水下采油樹方式生產(chǎn)的井環(huán)空壓力預(yù)防、監(jiān)測、診斷及井筒完整性研究具有指導(dǎo)意義。

1 環(huán)空壓力形成原因

1.1 環(huán)空定義

由于水下井口及采用水下采油樹進行開發(fā)的井與地面井口及管柱回接至地面進行開采方式的井有所不同，因此每個套管環(huán)空是否可以監(jiān)測及進行操作也不同。常規(guī)的四層套管程序的典型井身結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。A環(huán)空是指生產(chǎn)管柱和生產(chǎn)套管之間的空間；B環(huán)空是指生產(chǎn)套管和外層管柱之間的空間；其他環(huán)空以此類推。

從圖1可以看出，對于地面井口及地面采油樹，每下完一層套管后安裝套管頭，下完生產(chǎn)套管后安裝油管頭，從A環(huán)空開始每一個環(huán)空都可以通過套管頭翼閥或油管頭翼閥進行監(jiān)測及管理。從圖2～3可以看出，對于水下井口，表層結(jié)構(gòu)導(dǎo)管與低壓井口頭連接(914 mm或762 mm低壓井口頭及結(jié)構(gòu)導(dǎo)管)通過噴射方式下入，表層套管與高壓井口頭(476 mm高壓井口頭)連接固井水泥上返至海底泥面，之后每層套管都是懸掛在高壓井口頭內(nèi)，并通過金屬對金屬/橡膠對金屬的雙密封方式密封。對于水下井口在安裝完采油樹后只有A環(huán)空可以通過位于環(huán)空主閥下的壓力傳感器、臍帶纜中專門的環(huán)空壓力監(jiān)測管線或化學(xué)藥劑注入管線進行監(jiān)測，可通過環(huán)空進入閥、環(huán)空主閥或化學(xué)藥劑注入管線等泄壓管理；而對于其他環(huán)空無法監(jiān)測或者進入(如圖2～3)。因此，水下井口環(huán)空帶壓問題監(jiān)測及處理比地面井口或者采油樹更復(fù)雜，更具不確定性。

圖1 地面采油樹各環(huán)空及監(jiān)測方式

圖2 水下臥式采油樹各環(huán)空及監(jiān)測方式

圖3 水下立式采油樹各環(huán)空及監(jiān)測方式

水下采油樹按油管掛系統(tǒng)坐落位置分為2種類型：①水下臥式采油樹或者水平采油樹。這種采油樹油管懸掛系統(tǒng)坐落在采油樹內(nèi)，所有的生產(chǎn)和環(huán)空閥門排列在采油樹一側(cè)，本體作用類似于油管四通，因此通?？梢韵劝惭b采油樹然后進行目的層段鉆井、完井作業(yè)，在修井作業(yè)時不用回收采油樹，如圖4所示。②立式采油樹或者垂直采油樹。所有的閥門排列在采油樹垂直面板上，完井作業(yè)時先將油管掛系統(tǒng)坐落在高壓井口頭內(nèi)，然后再下入采油樹，修井時需要回收采油樹才能回收油管掛系統(tǒng)，如圖5。

圖4 水平采油樹

圖5 立式采油樹

1.2 環(huán)空壓力源

套管環(huán)空壓力形成的原因較多，但總體可以歸結(jié)為3類：①熱效應(yīng)引起的環(huán)空帶壓。深水井在測試或者生產(chǎn)過程中由于熱的地層流體在流經(jīng)生產(chǎn)管柱時由于熱傳導(dǎo)作用會對外部管柱環(huán)空流體產(chǎn)生加熱現(xiàn)象，當(dāng)環(huán)空圈閉的流體受熱后無法膨脹釋放壓力時，兩層管柱之間就形成圈閉壓力，圈閉流體的溫度及圈閉壓力隨產(chǎn)量的變化而變化；②套管環(huán)空持續(xù)帶壓(SCP)。套管環(huán)空持續(xù)帶壓主要是由于井筒管柱泄漏、井下工具失效、固井水泥封固差等原因?qū)е虏煌h(huán)空互相連通引起。如油管螺紋泄漏、封隔器失效、水泥未封固、水泥石破壞等。持續(xù)帶壓的壓力源可能是任何滲透的產(chǎn)層、水層、淺層氣層等。持續(xù)的環(huán)空帶壓要引起注意，如果不及早發(fā)現(xiàn)，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M行管理會導(dǎo)致井筒完整性破壞或者井的報廢。通常情況下A環(huán)空的持續(xù)帶壓主要是由于生產(chǎn)管柱及管柱上的工具失效泄漏導(dǎo)致油管與A環(huán)空連通引起。B環(huán)及以外的環(huán)空帶壓通常是由于環(huán)空鉆井液中固相顆粒(主要是加重材料)沉淀引起鉆井液比重降低，從而導(dǎo)致靜液柱壓力降低或者與內(nèi)環(huán)空連通引起；③作業(yè)需要施加在套管環(huán)空的壓力。作業(yè)需要施加在套管環(huán)空的壓力主要是熱采、氣舉等工藝，或者進行環(huán)空壓力監(jiān)測診斷需要施加在環(huán)空的壓力，這部分壓力根據(jù)套管強度及公司標(biāo)準(zhǔn)進行管理。

1.3 套管環(huán)空壓力管理方法

套管環(huán)空帶壓原因可能是之前所述之一或者是他們的組合，管理套管環(huán)空壓力首先要界定環(huán)空壓力等級，判斷環(huán)空壓力屬于那種類型，然后根據(jù)實際情況進行風(fēng)險等級劃分和管理。API90對環(huán)空帶壓劃分為3個等級：①環(huán)空帶壓小于0.69 MPa屬于低風(fēng)險，持續(xù)觀察即可；②環(huán)空帶壓大于0.69 MPa，并且診斷為持續(xù)帶壓類型，如果壓力可以釋放到0 MPa，表示泄漏速度小，井筒內(nèi)屏障仍然有效，對人、環(huán)境及設(shè)備威脅小，風(fēng)險可控；③環(huán)空最大允許操作壓力，這個壓力是根據(jù)管柱力學(xué)性能計算出某一環(huán)空可承受的最大操作壓力，超過該壓力會導(dǎo)致管柱崩裂或者擠毀。

2 環(huán)空壓力監(jiān)測方法

2.1 A環(huán)空壓力監(jiān)測

對于水下井口及采油樹生產(chǎn)的井，井從開始生產(chǎn)起由于熱的地層流體通過生產(chǎn)管柱流至井口過程中因熱傳導(dǎo)對井產(chǎn)生加熱效應(yīng)，目前為了保障井筒完整性通常采?。孩佼?dāng)前套管固井水泥返至上層套管管鞋以下，通過裸露地層釋放環(huán)空壓力；②環(huán)空注入氮氣，通過氣體膨脹收縮原理；③在套管上安裝可壓縮的復(fù)合泡沫材料或者可壓縮的液體，通過泡沫材料受壓體積變化；③套管上安裝破裂盤，受壓后破裂釋放壓力；④安裝壓力釋放閥；⑤更高鋼級與磅級的套管等方式來解決由于熱效應(yīng)導(dǎo)致的環(huán)空圈閉流體膨脹產(chǎn)生的壓力。對于A環(huán)空壓力監(jiān)測要考慮采取上述那種方式進行預(yù)防的影響，正常情況下當(dāng)井開始生產(chǎn)并經(jīng)過一段時間后A環(huán)空的壓力隨著井筒被完全加熱而達到一個穩(wěn)定的值，通常不推薦釋放A環(huán)空壓力，如果在生產(chǎn)期間A環(huán)空壓力發(fā)生變化或者A環(huán)空壓力與井口頭處海水靜液柱壓力之差超過0.69 MPa就要考慮長期帶壓是否導(dǎo)致形成持續(xù)帶壓(SCP)問題。當(dāng)關(guān)井后井筒會降溫直到達到初始投產(chǎn)前的地層溫度，這時各環(huán)空壓力達到穩(wěn)定，并與投產(chǎn)前的監(jiān)測壓力比較，如果降低就需要通過監(jiān)測管線替入液體補充壓力(這可能與之前生產(chǎn)時環(huán)空壓力過高釋放環(huán)空流體有關(guān))，如果升高就要考慮是否出現(xiàn)持續(xù)帶壓問題(SCP或者環(huán)空流體固相顆粒沉降密度變化引起)。

2.2 A環(huán)空壓力變化原因

引起A環(huán)空壓力變化的主要因素有：①B環(huán)空水泥被破壞/水泥封固差，同時生產(chǎn)套管發(fā)生泄漏導(dǎo)致AB環(huán)空連通(B環(huán)空與儲層連通)；②生產(chǎn)封隔器泄漏；③生產(chǎn)管柱破損或者螺紋失效發(fā)生泄漏；④水下采油樹閥及密封失效；⑤生產(chǎn)套管擠毀；⑥采用尾管的尾管封隔器密封失效等。通常生產(chǎn)管柱失效是A環(huán)空持續(xù)帶壓(SCP)主要原因，A環(huán)空壓力的判斷是準(zhǔn)確診斷井下工具及其他環(huán)空狀況的唯一途徑。

3 環(huán)空壓力診斷方法

3.1 定產(chǎn)量生產(chǎn)法

以一定的產(chǎn)量生產(chǎn)，A環(huán)空因熱效應(yīng)圈閉壓力與生產(chǎn)管柱壓力比較，如果2個壓力值相差較大，那么A環(huán)空圈閉壓力由熱效應(yīng)引起，如果壓力幾乎相等，則A環(huán)空與生產(chǎn)管柱存在連通可能性。該方法是最簡單也是最經(jīng)濟的，不需要變產(chǎn)量或者開關(guān)井，但當(dāng)A環(huán)空圈閉壓力接近生產(chǎn)管柱井口壓力時很難判斷A環(huán)空是否與生產(chǎn)管柱連通。

3.2 關(guān)井監(jiān)測法

將以一定產(chǎn)量生產(chǎn)的井關(guān)井，觀察A環(huán)空壓力，正常情況井在一定的時間內(nèi)溫度降低至初始生產(chǎn)期間的地層溫度，壓力也下降至一個穩(wěn)定值，如果壓力不降反而升高表述A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通，并且生產(chǎn)管柱可能存在較大的泄漏。如果壓力下降后又開始回升表示A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通，且生產(chǎn)管柱泄漏較小。關(guān)井后并未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象，開井恢復(fù)到原來的產(chǎn)量繼續(xù)生產(chǎn)，如果出現(xiàn)環(huán)空壓力高于關(guān)井之前的環(huán)空壓力表述A環(huán)空出現(xiàn)持續(xù)帶壓(SCP)，A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通，且泄漏較小。該方法的優(yōu)點是關(guān)井后整個生產(chǎn)系統(tǒng)溫度降低，各個環(huán)空壓力也隨之降低不會對井筒完整造成損害，另外壓力便于觀察容易判斷生產(chǎn)管柱是否泄漏。缺點是關(guān)井停產(chǎn)后再開井形成水合物風(fēng)險極高。

3.3 泄壓再恢復(fù)生產(chǎn)法

井以一定的產(chǎn)量生產(chǎn)記錄A環(huán)空壓力，關(guān)井泄15～20% 的A環(huán)空壓力，開井恢復(fù)到原來的產(chǎn)量繼續(xù)生產(chǎn)，如果新的A環(huán)空壓力持續(xù)24 h穩(wěn)定且小于關(guān)井泄壓之前的環(huán)空壓力值，表示A環(huán)空壓力為熱效應(yīng)引起，否則為持續(xù)帶壓(SCP)?？紤]到可能堵塞化學(xué)藥劑注入管線/A環(huán)空壓力監(jiān)測管線(2條管線，9.5～25.4 mm)或者在泄壓測試過程中形成水合物，推薦通過環(huán)空主閥、環(huán)空換向閥到生產(chǎn)出口的通道進行泄壓測試。該方法的優(yōu)點是關(guān)井再開井產(chǎn)量維持原來的不變，環(huán)空壓力最大值可預(yù)估對井筒完整性及管柱強度安全不會造成破壞，缺點是降低產(chǎn)量對油藏產(chǎn)生擾動可能會對儲層造成傷害，另外降低產(chǎn)量對于水下井口生產(chǎn)的井可能會引起水合物生成風(fēng)險。

3.4 變產(chǎn)量法

當(dāng)井以一定產(chǎn)量生產(chǎn)時記錄A環(huán)空壓力，降低或者增加產(chǎn)量會引起A環(huán)空壓力降低或者增加。如果是熱效應(yīng)引起的環(huán)空圈閉壓力，當(dāng)增加產(chǎn)量時環(huán)空壓力會升高并保持穩(wěn)定，當(dāng)降低產(chǎn)量時環(huán)空壓力降低并保持穩(wěn)定。當(dāng)產(chǎn)量降低時環(huán)空壓力降低，而井底流壓增加生產(chǎn)管柱壓力升高，如果出現(xiàn)環(huán)空壓力明顯升高則表示A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通且生產(chǎn)管柱泄漏較大，如果環(huán)空壓力出現(xiàn)先降低后升高則表示A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通，但生產(chǎn)管柱泄漏較小。當(dāng)產(chǎn)量增加時井底流壓降低，環(huán)空壓力升高，如果出現(xiàn)環(huán)空壓力明顯降低，則表示A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通且生產(chǎn)管柱泄漏較大，如果A環(huán)空壓力出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，則表示A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通且生產(chǎn)管柱泄漏較小?？紤]到注入流體體積推薦直接從化學(xué)藥劑注入管線/A環(huán)空壓力監(jiān)測管線注入。該方法的優(yōu)點操作快，井可以繼續(xù)生產(chǎn)。缺點是當(dāng)采用增加產(chǎn)量方法時就要評估引起的環(huán)空壓力進一步升高是否會導(dǎo)致各層套管及生產(chǎn)管柱強度破壞。

3.5 定產(chǎn)量生產(chǎn)環(huán)空增壓法

當(dāng)井以一定產(chǎn)量生產(chǎn)，記錄A環(huán)空壓力，從化學(xué)藥劑注入管線或者環(huán)空壓力監(jiān)測管線注入一定的流體使A環(huán)空壓力升高15%～20%，如果環(huán)空壓力持續(xù)穩(wěn)定24 h，則表示A環(huán)空壓力由熱效應(yīng)引起，如果降低則表示A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通。該方法優(yōu)點是不需要關(guān)井或者改變井生產(chǎn)產(chǎn)量，保障了井的正常生產(chǎn)。缺點是如果生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓與生產(chǎn)管柱抗外擠強度安全余量小時就要仔細評估施加到A環(huán)空的壓力，避免生產(chǎn)套管崩裂或者生產(chǎn)管柱擠毀。

3.6 生產(chǎn)管柱泄漏監(jiān)測方法

A環(huán)空持續(xù)帶壓(SCP)主要是由于生產(chǎn)管柱完整性破壞引起，比如管柱破損、生產(chǎn)腐蝕、連接泄漏等。關(guān)閉井下安全閥，泄掉安全閥以上壓力，如果在泄壓過程中或者泄壓后A環(huán)空壓力出現(xiàn)下降現(xiàn)象則表示安全閥以上生產(chǎn)管柱與A環(huán)空連通。

無論是采用哪種方式進行A環(huán)空壓力診斷需要注意的是要記錄診斷前后的壓力，泄放的體積，壓力恢復(fù)趨勢降落趨勢與時間的關(guān)系等關(guān)鍵參數(shù)。此外還要考慮生產(chǎn)管柱和生產(chǎn)套管的強度，特別是在進行泄壓再恢復(fù)生產(chǎn)法時考慮泄放流體量，如果泄放流體過多，當(dāng)井關(guān)井降溫后可能會在A環(huán)空形成真空效應(yīng)引起生產(chǎn)管柱破裂，生產(chǎn)套管擠毀現(xiàn)象，在關(guān)井期間密切監(jiān)測A環(huán)空壓力，必要時及時從化學(xué)藥劑注入管線或者環(huán)空壓力監(jiān)測管鞋補充流體維持壓力穩(wěn)定。

4 案例分析

2014年中海石油總公司完成了西非赤道幾內(nèi)亞兩口深水井的作業(yè)，為了保證測試期間井筒完整性，在常規(guī)套管校核選項的基礎(chǔ)上，考慮測試期間因環(huán)空壓力升高對套管強度的影響重新對套管進行了校核選項，結(jié)論表明常規(guī)套管校核方法下選定的套管無法滿足測試期間的強度要求，這主要是由于測試期間隨著地層熱的流體到達海底低溫附近時溫度變化較大，熱效應(yīng)引起的環(huán)空膨脹流體無法釋放時產(chǎn)生一個額外的附加壓力。以S-4井為例，水深1 038 m，海底處溫度4 ℃，井身結(jié)構(gòu)為914 mm導(dǎo)管+508 mm表層套管+339 mm中間套管+244 mm生產(chǎn)套管。封隔器下入深度為3 700 m，溶解氣油比80 m3/m3，按照初開(放噴大約45 min)、初關(guān)(為8倍初開時間)、二開(以300、600、900 m3/d進行)、二關(guān)井(關(guān)井72 h)的測試制度。

S-4井各環(huán)空壓力計算數(shù)據(jù)如表1。

表1 S-4井各環(huán)空壓力計算數(shù)據(jù) MPa

計算結(jié)果表明，同一環(huán)空的圈閉壓力隨著流量增大而增大，當(dāng)流量增加到一定值時，會引起圈閉壓力過高，進而導(dǎo)致井筒的完整性破壞，在實際生產(chǎn)中可以通過上述的6種方法對A環(huán)空進行監(jiān)測來診斷各個環(huán)空壓力的來源及發(fā)展趨勢。

5 結(jié)論

1) 深水水下井口或者采用水下采油樹生產(chǎn)的井，只有A環(huán)空可以通過化學(xué)藥劑注入管線或者環(huán)空壓力監(jiān)測管線進行監(jiān)測。A環(huán)空壓力的監(jiān)測應(yīng)該按照一定的等級進行劃分，持續(xù)環(huán)空帶壓問題的主要是生產(chǎn)管柱完整性破壞引起，各個環(huán)空的壓力操作上限及采取何種方法進行環(huán)空壓力診斷時應(yīng)該按照管柱強度及最大許允環(huán)空操作壓力進行管理。

2) 對于A環(huán)空壓力超過0.69 MPa的井，應(yīng)該建立環(huán)空壓力監(jiān)測、診斷與管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)，并進行持續(xù)監(jiān)測或定期診斷，判斷A環(huán)空與生產(chǎn)管柱連通情況和連通程度。

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ZHAO Weiqing1，LENG Xueshuang1，CHEN Bin2，MU Xiaojun1

(1.Ener Tech-Drilling & Production Co.，CNOOC，Shenzhen 518607，China；2.ShenzhenBranch，CNOOC，Shenzhen518607，China)

The annular pressure monitoring passage between the surface wellhead and subsea wellhead are compared in this paper.By focusing on the deepwater well with subsea well head or subsea production tree，this paper defines the annular layers，analyses the reasons causing annular pressure built-up，identifies three different pressure sources (Sustained continuous pressure，Thermal pressure built-up，and Operated pressure on annular)，demonstrates and compares the pros and cons of each monitoring and diagnostic method on annular A.A case study is also presented to demonstrate the significant annular layers pressure change whenever production rate is altered.The solution in this paper can be served as a good reference and guideline for the annular pressure management，monitoring，diagnostic，and casing selection of deepwater wells.

deepwater；subsea well head；annular pressure build up；monitoring method；diagnostic method

1001-3482(2016)12-0005-06

2016-06-15

中國海洋石油總公司科研項目“深水井環(huán)空圈閉壓力控制技術(shù)及關(guān)鍵工具研究”(CNOOC-KJ 125 ZDXM 12 LTD 03 NFGC 2014-08)

趙維青(1985-)，男，青海人，工程師，主要從事深海石油鉆完井監(jiān)督及設(shè)計工作，zhaowq@cnooc.com.cn。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.002