董 釗 ，李 磊 ，任冠龍 ，張 崇 ，郭敏靈

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)湛江分公司，廣東 湛江 524057)

南海深水油氣資源極為豐富，占南海油氣總資源量超過70%。目前我國在南海深水區(qū)域的勘探已獲得了較大成果[1-3]，但深水探井單井作業(yè)成本可達(dá)數(shù)億人民幣，而深水開發(fā)井作業(yè)成本更高，高經(jīng)濟門限成為限制深水油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵因素，深水勘探開發(fā)一體化策略則是緩解這一問題的有效途徑之一[4-5]。深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井技術(shù)是深水勘探開發(fā)一體化的重要一環(huán)，探井轉(zhuǎn)開發(fā)井過程中環(huán)空壓力會經(jīng)歷多個井筒狀態(tài)，包括探井鉆井階段、探井棄井后長期閑置階段、轉(zhuǎn)開發(fā)井完井重入階段、生產(chǎn)階段，井筒在各階段所處的工況條件和溫壓環(huán)境不同，環(huán)空壓力變化較大。

L-X氣田開發(fā)是我國首個自營深水開發(fā)項目，為降低開發(fā)成本，將該區(qū)域若干口前期探井轉(zhuǎn)化為開發(fā)井，針對深水氣井井筒和油藏特征，考慮深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井各階段的熱量傳遞模式，建立井筒環(huán)空溫度和壓力計算模型，實現(xiàn)深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井全過程的環(huán)空壓力精確預(yù)測，基于預(yù)測結(jié)果制定從探井設(shè)計到后期生產(chǎn)全壽命的環(huán)空壓力管理措施，不僅為保障目標(biāo)氣田安全高效開發(fā)提供參考，也對于降低深水油氣開發(fā)成本，推動深水油氣資源勘探開發(fā)進程具有積極作用。

1 井筒溫度壓力分布模型

深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井，除了油藏布井方面的考量，對于鉆完井工程而言，需要在鉆井前期研究階段即對包括環(huán)空壓力管理在內(nèi)的一系列工程因素采用后期可轉(zhuǎn)開發(fā)井的設(shè)計。深水氣井的泥線溫度和井底溫度相差較大，較強的溫度效應(yīng)將引起密閉環(huán)空內(nèi)流體升溫膨脹，產(chǎn)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成套管擠毀、變形或上頂井口等事故。在陸地油田和淺海油田的勘探開發(fā)實踐中，可以通過打開套管頭側(cè)翼閥釋放環(huán)空壓力，但在深水氣田開發(fā)中，水下井口和生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)使得環(huán)空壓力難以監(jiān)測控制和調(diào)節(jié)釋放。目前對于深水井筒環(huán)空壓力已有一些研究，但多針對某單一時段，如生產(chǎn)階段，且井筒類型為單純探井或者開發(fā)井，針對深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井全階段的環(huán)空壓力研究極少。

1.1 井筒溫度分布模型

井筒溫度是影響環(huán)空壓力的核心因素，眾多學(xué)者對于海上油氣井井筒溫度分布已有較多研究，建立了一系列相關(guān)模型[6-10]，但大多針對深水油氣井測試或生產(chǎn)階段[11-12]，熱量傳遞過程穩(wěn)定單一，而深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井各階段存在不同的熱量傳遞模式(如圖1所示)。

圖1 深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井各階段井筒熱量傳遞模式

探井鉆井階段(如圖1a所示)，地層熱量沿軸向、徑向2個方向，在地層中深段、地層淺段、海水段3個層面進行疊加傳導(dǎo)：在地層中深段，熱量沿地層—水泥環(huán)/套管復(fù)合層—A環(huán)空傳導(dǎo)，隨著鉆井泥漿正循環(huán)路徑沿A環(huán)空流向井筒上部，這一過程對井筒中深段環(huán)空進行降溫；熱量隨泥漿行進至某一地層深度(傳熱轉(zhuǎn)換節(jié)點)，泥漿溫度高于地層溫度，熱量徑向傳遞路徑轉(zhuǎn)換，由A環(huán)空泥漿通過水泥環(huán)/套管復(fù)合層散到地層中，這一過程對井筒淺段進行升溫；與此同時，鉆井泥漿繼續(xù)往上流動，進入海水段后，環(huán)空泥漿與環(huán)境溫差驟增，熱量快速大量散失。探井棄井后長期閑置階段(如圖1b所示)，井筒溫度逐漸穩(wěn)定，最終趨于接近地層原始溫度，在地層淺部井段，微量的地層熱量沿井筒傳遞至水下井口，對穩(wěn)定后的井筒溫度場幾乎沒有影響，在模型構(gòu)建中忽略。完井重入與生產(chǎn)階段(如圖1c、圖1d所示)，熱量隨地層流體沿生產(chǎn)油管向上傳遞，沿途徑向上通過水泥環(huán)/套管復(fù)合層向中淺部地層傳遞，封隔器以上環(huán)空不存在流體流動熱量，軸向上熱量傳遞忽略。

基于以上熱量傳遞過程，主要研究并建立了泥線以下地層段井筒和海水段井筒熱量傳遞模型。
1.1.1 泥線以下地層段井筒傳熱模型

根據(jù)經(jīng)典傳熱學(xué)理論，相較于對流換熱系數(shù)、水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)以及地層導(dǎo)熱系數(shù)，鋼質(zhì)套管的導(dǎo)熱系數(shù)是非常小的，可以忽略。因此，在泥線以下傳熱模型中，認(rèn)為熱傳導(dǎo)的熱量損失為以下幾部分的疊加：

(1)井筒流體與套管的對流換熱系數(shù)；

(2)水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)；

(3)地層的導(dǎo)熱傳熱，為無限大介質(zhì)中的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。

因此，地層段傳熱數(shù)學(xué)模型歸納為：

(1)

式中：TD為無量綱溫度；Kg為套管層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tf為最外層水泥環(huán)溫度，℃；Te為套管內(nèi)溫度，℃；Uto1為地層段總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

(2)

式中：hc為環(huán)空流體對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hr為環(huán)空流體輻射傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；rto為油管外半徑，m；rh為水泥環(huán)外半徑，m；rco為套管外半徑，m；Kcem為水泥環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

1.1.2 海水段井筒傳熱模型

能量守恒方程：

(3)

自然熱對流中環(huán)空流體沿管壁的質(zhì)量流量：

m=Vzρπ(δ+ri)2-ri2

(4)

傳熱邊界厚度δ：

δ=3.93Pr-0.5(0.952+Pr)0.25Grx-0.25X

(5)

格拉曉夫數(shù)Gr：

(6)

普朗特數(shù)Pr：

(7)

式中，

mf為生產(chǎn)流體質(zhì)量流量，lb/h；

Cpf為生產(chǎn)流體比熱容，J/(kg·K)；

Tbh為井底溫度，℉；

Ts為井口溫度，℉；

ma為由熱對流引起的環(huán)空流體沿油管壁的質(zhì)量流量，lb/h；

Cpa為環(huán)空流體的比熱容，J/(kg·K)；

Tba為環(huán)空流體在底部的平均溫度，℉；

Tta為環(huán)空流體在頂部的平均溫度，℉；

L為井深，ft；

k為環(huán)空流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Ti為油管壁溫度，℉；

To為套管壁溫度，℉；

ri為油管外徑，ft；

ro為套管內(nèi)徑，ft；

Vz為沿?zé)岚逑蛏狭鲃拥乃俣?，ft/s；

B為兩板之間流體的熱膨脹系數(shù)；

ΔT為兩板之間的溫度差，℉；

μ為流體的粘度，mPa·s；

δ為邊界層的厚度，ft；

X為熱傳遞開始至結(jié)束的一個特定的長度，ft。

新建模型專門考慮了深水海水井段的特殊性，根據(jù)鉆井或完井重入不同階段，海水井段隔水管與海水、環(huán)空流體間存在受迫熱對流、自然對流以及熱傳導(dǎo)等多種熱量傳遞模式，模型計算過程中，重點調(diào)整了熱量散失程度大的海水段環(huán)空流體的切力、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)以及密度等影響因素對井筒傳熱性能和非凝膠對流層的影響。

1.2 環(huán)空壓力計算

目前密閉環(huán)空壓力的計算方法有剛性空間法和基于PVT狀態(tài)方程的相關(guān)方法[13-15]，但以上方法難以計算多環(huán)空情況下的壓力。張波、管志川等[16]認(rèn)為井筒受熱溫度升高以后，環(huán)空和環(huán)空內(nèi)的液體體積同時發(fā)生改變，液體與套管之間的熱物性差異導(dǎo)致環(huán)空的有限體積難以容納受熱膨脹以后的液體。為滿足體積相容性，環(huán)空壓力上升對液體體積產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，從而使液體實際體積與環(huán)空體積相等，整個環(huán)空體積變化值可以表述為：

(8)

式中，ΔVa為環(huán)空改變的體積，z1為環(huán)空起始位置，m；z2為井口位置，m；rao為環(huán)空外徑，m；Δrai為環(huán)空內(nèi)徑變化值，m；rai為環(huán)空內(nèi)徑，m；Δrai為環(huán)空內(nèi)徑變化值，m。

2 全過程環(huán)空溫度壓力預(yù)測

L-X氣田是南海瓊東南盆地一個深水氣田，為降低開發(fā)成本，將該氣田若干口前期探井轉(zhuǎn)為開發(fā)井，L-X-1井即為其中一口，基本參數(shù)見表1。

表1 L-X-1井基本參數(shù)

2.1 全過程環(huán)空溫度預(yù)測

探井鉆井是井筒全壽命過程的起點，鉆井過程，包括各層次套管的構(gòu)建過程中，各井段鉆井、固井、循環(huán)等環(huán)節(jié)熱量傳遞模式變化大，熱量傳遞影響因素繁多，作用機理復(fù)雜，而鉆井過程中環(huán)空溫度的改變都是短時間的瞬態(tài)變化，對后續(xù)過程井筒溫度狀態(tài)無過多影響，因此對鉆井過程簡化處理，僅計算最下部12-1/4＂井段鉆井過程溫度變化，將最內(nèi)層9-5/8＂套管固井完成(不考慮棄井)后的井筒瞬態(tài)溫度作為起始節(jié)點溫度，導(dǎo)入下一過程，鉆井終點泥線溫度計算結(jié)果見表2，環(huán)空A和環(huán)空B較為接近，環(huán)空C和環(huán)空D遠(yuǎn)小于前者，這是由于該井12-1/4＂井段長度較短，9-5/8＂套管與上層13-3/8＂套管管鞋距離較小，熱量在環(huán)空A和環(huán)空B的傳遞路徑涵蓋大段相同深度，表現(xiàn)出較小的溫度差異性；而20＂套管和36＂導(dǎo)管下深較淺，管鞋位置已在傳熱轉(zhuǎn)換節(jié)點上部，熱量在環(huán)空C和環(huán)空D傳遞路徑逆轉(zhuǎn)，且需要通過2(3)層套管和1(2)層水泥環(huán)，熱量傳遞損耗增加，傳遞量下降，表現(xiàn)出較大的溫度差異性。

表2 鉆井結(jié)束泥線環(huán)空溫度

完井重入過程基于相似原因進行簡化處理，以上一過程即棄井后閑置階段終點溫度作為完井重入起點溫度，計算完井管柱構(gòu)建完成，開始清井放噴時的溫度，銜接生產(chǎn)過程。

在生產(chǎn)過程中，考慮后期見水對井筒溫度的影響，生產(chǎn)10年周期出水情況見表3。

表3 生產(chǎn)10年內(nèi)出水情況

以泥線位置作為評估節(jié)點，深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井井筒全壽命過程環(huán)空溫度變化如圖2所示，

圖2 深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井全過程環(huán)空溫度變化

探井井筒在鉆井結(jié)束棄井后進入閑置階段，泥線位置井筒環(huán)空溫度迅速下降，環(huán)空A溫度在10天內(nèi)降幅達(dá)到88.15%，之后下降趨勢放緩，在47天降至4.73℃，之后基本穩(wěn)定；環(huán)空B溫度變化與環(huán)空A較為接近，在10天內(nèi)下降86.42%，之后下降趨勢放緩，在33天降至4.62℃，之后基本穩(wěn)定；環(huán)空C和環(huán)空D鉆井終點溫度遠(yuǎn)小于環(huán)空A和環(huán)空B，溫度更快降至接近泥線溫度的穩(wěn)定狀態(tài)，分別在第9天和第1.5天降至3.49℃和3.72℃。

圖3 放噴與生產(chǎn)6個月后全井段環(huán)空溫度

鉆井階段與完井重入階段環(huán)空溫度變化最大，但鉆井階段時間較短且隨后立即轉(zhuǎn)入長時間的棄井閑置階段，溫度迅速下行恢復(fù)，針對環(huán)空壓力預(yù)測，重點考慮完井重入放噴與生產(chǎn)階段溫度的影響，放噴與生產(chǎn)6個月后全井段環(huán)空溫度計算結(jié)果如圖3所示，4個環(huán)空溫度在全井段表現(xiàn)出的差異性與全過程表現(xiàn)出的溫度趨勢一致；在井深1 681 m位置溫度出現(xiàn)一個臺階變化，這一深度是9-5/8＂套管固井水泥返高深度，水泥與上部留空是完全不同的熱量傳遞介質(zhì)，熱量在介質(zhì)界面上下具有不同的傳遞屬性，最終在環(huán)空溫度表現(xiàn)出這一臺階差異。

2.2 環(huán)空壓力預(yù)測

環(huán)空D水泥返至泥線，不會發(fā)生環(huán)空帶壓；環(huán)空C下深淺且水泥返高大，在此情況下溫度對環(huán)空壓力的影響非常小，因此重點關(guān)注環(huán)空A和環(huán)空B的壓力變化。

將環(huán)空溫度計算結(jié)果導(dǎo)入環(huán)空壓力計算模型，環(huán)空A和環(huán)空B全壽命過程環(huán)空壓力變化如圖4所示。

圖4 全過程環(huán)空壓力變化

隨著井筒閑置階段后溫度迅速降低，環(huán)空A和環(huán)空B壓力也隨著下降，但壓力降落曲線形態(tài)與溫度降落曲線形態(tài)存在明顯區(qū)別：溫度的下降非常急劇，在棄井后的10天內(nèi)就降至一個相對穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，而環(huán)空壓力由初始33.55 MPa下降至閑置階段終點的10.32 MPa，壓力降落過程緩慢且均勻的分布在整個閑置階段(90天)，環(huán)空壓力與溫度呈非線性相關(guān)性，表現(xiàn)出溫度對壓力影響的延時性。

這種延時性同樣體現(xiàn)在完井重入后的環(huán)空壓力變化過程中：以環(huán)空A為例，在完井重入的20天時間內(nèi)，環(huán)空A溫度就由閑置階段終點的4.73℃急劇增至64.12℃，之后趨于相對穩(wěn)定，而環(huán)空A壓力在完井重入結(jié)束進入生產(chǎn)階段時，僅由閑置階段終點的15.31 MPa增至18.10 MPa，隨著生產(chǎn)進行，在189天才逐漸增至30.02 MPa，之后趨于緩慢穩(wěn)定增長。在生產(chǎn)至第4年開始見水后，環(huán)空壓力沒有出現(xiàn)明顯的變化。

3 環(huán)空壓力干預(yù)

固井水泥設(shè)計是影響環(huán)空壓力的關(guān)鍵因素，但影響機理復(fù)雜，包括水泥漿性能、水泥返高設(shè)計、水泥環(huán)強度等都會在生產(chǎn)過程中與套管、留空氣體等介質(zhì)產(chǎn)生復(fù)雜的動態(tài)耦合變化，需要構(gòu)建專門模型研究，這里不作贅述。

除固井水泥設(shè)計外，環(huán)空壓力干預(yù)途徑主要有2種：破裂盤和可壓縮材料。

3.1 破裂盤

破裂盤是一個用來限制井筒或套管環(huán)空壓力的一次性壓力釋放保護裝置。通常把向外破裂時設(shè)計的裝置稱為破裂盤；而把向內(nèi)破裂的裝置稱為坍塌盤。根據(jù)額定壓力的大小劃分為單向破裂盤和雙向破裂盤。在套管柱中安裝破裂盤(Burst Disk)：在外層套管上安裝一到二個破裂盤，當(dāng)密封環(huán)空內(nèi)壓力達(dá)到破裂盤的破裂壓力時，外層套管上的破裂盤破裂，從而保護內(nèi)、外套管不被擠毀或壓裂，同時保證了內(nèi)層套管串的完整性。

使用破裂盤，通常需要在外層套管留出地層溝通通道作為破裂盤激活后的瀉壓通道，會導(dǎo)致套管管柱存在薄弱點且破裂后內(nèi)外層空間連通，存在安全隱患。

3.2可壓縮材料

可壓縮材料通過多種形式應(yīng)用于環(huán)空壓力干預(yù)中，其主要原理是通過到達(dá)臨界壓力后材料發(fā)生的壓縮變形，為環(huán)空提供一定的流體膨脹空間和壓力釋放空間，進而降低環(huán)空壓力。

(1)可壓縮泡沫材料

在套管外安裝可壓縮泡沫，是目前國外深水井中常用的一種減小由溫度引起的套管附加載荷的方法。原理是在內(nèi)層套管上安裝一定數(shù)量的可壓縮的泡沫材料，當(dāng)環(huán)空壓力增加到一定程度時，可壓縮泡沫材料開始變形，產(chǎn)生一定流體膨脹的空間，降低環(huán)空壓力。

(2)可破裂泡沫球

該預(yù)防措施是在套管環(huán)空內(nèi)放入一定數(shù)量的合成可破裂的泡沫球，這些合成的泡沫球內(nèi)部充滿空氣，當(dāng)密封環(huán)空內(nèi)壓力達(dá)到某一數(shù)值時，泡沫球就會破裂，小球體積減小，釋放一定的空間，從而降低環(huán)空壓力?？善屏雅菽蛴蓮?fù)合材料制成，最常見的是空心玻璃球，其內(nèi)充滿標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣。小球本身有一定的強度，而且有很小的加工公差，因此能保證在某一確定的壓力下小球破裂。小球的直徑根據(jù)環(huán)空空間的大小而不同，一般在19.05～38.10 mm。同時由于環(huán)空液體的壓縮性不大，因此加入的可破裂泡沫球的體積長度一般占整個環(huán)空體積長度的2%～8%，大約相當(dāng)于2～20個套管單根的長度。

(3)可壓縮液體

在密封的環(huán)空內(nèi)加入可壓縮的流體，以此來吸收因流體熱膨脹而產(chǎn)生的高壓?？蓧嚎s液體的種類很多，主要是指充有不同氣體的各種類型泥漿：在工程上最常用的混入氣體是氮氣；泥漿的類型主要有復(fù)合油基泥漿、水基泥漿、鹽水泥漿、或者淡水泥漿等。

3.3 目標(biāo)井環(huán)空壓力干預(yù)

無論使用哪種可壓縮材料，最終目的都是在環(huán)空壓力達(dá)到臨界值時激活材料壓縮變形，為環(huán)空提供一個冗余空間，釋放環(huán)空壓力。根據(jù)設(shè)定的臨界安全壓力和前文所述模型，反算環(huán)空膨脹體積，進而獲得所需冗余體積，即最小可壓縮體積。如設(shè)定25 MPa和20 MPa 為L-X-1井環(huán)空A和環(huán)空B臨界壓力，反算體積結(jié)果見表4。

表4 環(huán)空所需冗余及設(shè)計可壓縮體積 /m3

環(huán)空壓力在生產(chǎn)階段變化如圖5所示。

圖5 環(huán)空壓力干預(yù)

環(huán)空壓力達(dá)到設(shè)定的臨界壓力時，壓縮材料激活，開始提供冗余體積瀉壓，環(huán)空A瀉壓至21.87 MPa，環(huán)空B瀉壓至17.83 MPa，材料不再壓縮，之后趨于相對穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井經(jīng)歷探井鉆井段、棄井閑置、完井重入和生產(chǎn)4個階段，各階段熱量傳遞模式有所區(qū)別，建立針對性溫度計算模型，精確預(yù)測探井轉(zhuǎn)開發(fā)井全過程溫度變化，為環(huán)空壓力預(yù)測提供基礎(chǔ)參數(shù)。

(2)計算了環(huán)空A和環(huán)空B的從棄井閑置到生產(chǎn)10年后的全過程環(huán)空壓力，結(jié)果表明環(huán)空壓力與溫度呈非線性相關(guān)性，表現(xiàn)出溫度對壓力影響的延時性。

(3)使用壓縮材料進行環(huán)空壓力干預(yù)，設(shè)定25 MPa和20 MPa 為目標(biāo)井環(huán)空A和環(huán)空B臨界壓力，反算環(huán)空膨脹體積，進而獲得所需冗余體積，根據(jù)所需冗余體積設(shè)計可壓縮體積，在環(huán)空壓力達(dá)到臨界值時激活材料壓縮變形，為環(huán)空提供一個冗余空間，有效降低環(huán)空壓力。

(4)深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井是降低深水油氣開發(fā)成本的有效途徑，這一過程中的環(huán)空壓力變化和干預(yù)是影響深水油氣田安全生產(chǎn)的重要因素。解決深水探井轉(zhuǎn)開發(fā)井全過程環(huán)空壓力預(yù)測與干預(yù)問題，對于今后我國深水油氣資源經(jīng)濟高效開發(fā)具有積極的推動作用。

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