高溫高壓高酸性氣井完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭建華 佘朝毅 唐庚 陳艷 施太和

1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 2.西南石油大學(xué)

高溫高壓高酸性氣井完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭建華1,2佘朝毅1,2唐庚1陳艷1施太和2

1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院 2.西南石油大學(xué)

近年來,隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進(jìn),高溫高壓油氣井、深井超深井、含腐蝕性介質(zhì)氣井越來越多,完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)難度越來越大,安全環(huán)保的要求也越來越高。已完井投產(chǎn)的氣井中有相當(dāng)比例都存在由各方面原因引起的生產(chǎn)套管壓力異常升高現(xiàn)象,具有一定的安全生產(chǎn)隱患,因此對(duì)該類氣井開展完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過總結(jié)高溫高壓高酸性氣井完井現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),深入探討了封隔器管柱力學(xué)分析要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法;提出了高溫高壓高酸性氣井完井管柱設(shè)計(jì)的原則——安全第一、有利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能、延長氣井壽命、經(jīng)濟(jì)可行,明確了優(yōu)化設(shè)計(jì)階段需重點(diǎn)考慮的7項(xiàng)因素;形成了一套基于第四強(qiáng)度理論的不同工況條件下完井管柱三軸應(yīng)力強(qiáng)度校核方法,以及高溫高壓高酸性氣井封隔器完井管柱設(shè)計(jì)方法。該套設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于四川盆地龍崗氣田某井,取得了較好的效果。

高溫高壓 高酸性 氣井 完井管柱 優(yōu)化設(shè)計(jì) 三軸應(yīng)力 第四強(qiáng)度理論 安全生產(chǎn)

近幾年,隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進(jìn),產(chǎn)能建設(shè)工作量增長迅速,高溫高壓氣井、深井超深井、含腐蝕性介質(zhì)氣井越來越多,完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及作業(yè)難度越來越大,安全環(huán)保的要求也越來越高,出現(xiàn)的問題逐漸增多。已完井投產(chǎn)的氣井有相當(dāng)比例都存在由各方面原因引起的生產(chǎn)套管壓力異常升高現(xiàn)象,帶壓生產(chǎn)、帶“病”運(yùn)行,具有一定的安全生產(chǎn)隱患。因此,開展對(duì)于這類氣井的完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 完井管柱設(shè)計(jì)原則

要根據(jù)高溫高壓高酸性氣藏特征和開發(fā)生產(chǎn)的要求,遵照安全第一、有利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能、延長氣井壽命、經(jīng)濟(jì)可行的原則,采用現(xiàn)代完井工程的理論和方法,進(jìn)行完井管柱設(shè)計(jì)。重點(diǎn)應(yīng)考慮如下因素:

1)油管尺寸必須滿足配產(chǎn)、攜液、防沖蝕和壓力損失小的要求,原則上完井管柱應(yīng)采用內(nèi)徑相同的油管和井下工具,以便于作業(yè)和攜液。

2)對(duì)于需要進(jìn)行儲(chǔ)層增產(chǎn)作業(yè)的氣藏,設(shè)計(jì)的完井管柱結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足增產(chǎn)作業(yè)規(guī)模、施工壓力、施工排量等關(guān)鍵參數(shù)的要求。

3)對(duì)于高酸性氣藏,要在腐蝕因素分析、腐蝕機(jī)理研究和腐蝕程度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化選擇經(jīng)濟(jì)有效的防腐措施。

4)高酸性氣井要設(shè)計(jì)應(yīng)用安全生產(chǎn)裝置(如井口安全控制裝置、井下安全閥、封隔器等),防止因人為因素或自然災(zāi)害造成氣井失控。

5)高壓、高產(chǎn)、高含酸性氣體的氣井采用封隔器完井時(shí),封隔器以上油管應(yīng)采用相應(yīng)的氣密封措施,要進(jìn)行油套管和井下工具氣密封性評(píng)價(jià)。

6)高溫、高壓、高酸性超深井完井管柱,尤其是封隔器完井管柱應(yīng)根據(jù)相關(guān)安全系數(shù)要求開展不同工況條件下的完井管柱力學(xué)分析,并確定相應(yīng)的臨界施工控制參數(shù)。

7)高溫、高壓、高酸性超深井應(yīng)注重管柱結(jié)構(gòu)完整性和一致性,為實(shí)現(xiàn)安全開采創(chuàng)造條件。

2 完井管柱力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 封隔器完井管柱力學(xué)分析要點(diǎn)

2.1.1 分析工況

根據(jù)實(shí)際的井眼軌跡數(shù)據(jù),對(duì)完井管柱下入、封隔器坐封、掏空、增產(chǎn)改造、排液測(cè)試、穩(wěn)定生產(chǎn)等工況進(jìn)行分析。

2.1.2 分析方法

采用第四強(qiáng)度理論,即三軸應(yīng)力校核方法對(duì)不同工況條件下的完井管柱力學(xué)性能進(jìn)行分析。三軸向應(yīng)力其實(shí)并不是一個(gè)真正概念上的應(yīng)力,而是一個(gè)可將廣義三維應(yīng)力狀態(tài)與單向破壞準(zhǔn)則(屈服強(qiáng)度)相比較的理論數(shù)值。換言之,如果三軸向應(yīng)力超過了屈服強(qiáng)度就將出現(xiàn)屈服破壞,三軸向安全系數(shù)是材質(zhì)的屈服強(qiáng)度與三軸向應(yīng)力之比。

2.1.3 分析步驟

首先分析油管柱在井下的構(gòu)型狀態(tài),然后計(jì)算管柱變形、油管柱和封隔器的載荷,進(jìn)而分析油管柱和封隔器的受力及其安全性。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量確保所設(shè)計(jì)的管柱在各種工況下都不發(fā)生屈曲變形。

2.2 封隔器完井管柱力學(xué)分析模型

2.2.1 管柱屈曲臨界載荷計(jì)算

正弦屈曲臨界載荷計(jì)算公式如下:

目前,關(guān)于管柱螺旋屈曲的計(jì)算模型仍未有一致意見,根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[1-2]確定螺旋屈曲臨界載荷計(jì)算公式如下:

2.2.2 三軸應(yīng)力計(jì)算

采用Von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,考慮軸向、徑向和周向應(yīng)力。三軸應(yīng)力計(jì)算公式如下:

1)軸向應(yīng)力計(jì)算公式如下:

任何一點(diǎn)的有效軸向力應(yīng)包含自重、浮力、壓力、井眼彎曲、下入沖擊、摩擦、溫度和管柱屈曲造成的軸向力[3-9]。

其中井眼彎曲引起的軸向力計(jì)算公式如下:其中下入沖擊引起的軸向力計(jì)算公式如下:

2)徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力依據(jù)Lame′公式其計(jì)算方法如下[10]:

2.2.3 軸向應(yīng)力條件下的屈服強(qiáng)度

在力學(xué)校核過程中,尤其應(yīng)注意軸向應(yīng)力條件下的強(qiáng)度校核,軸向應(yīng)力條件下的屈服強(qiáng)度計(jì)算公式為: 2.3 力學(xué)分析結(jié)果

通過上述力學(xué)分析方法可以對(duì)單井在不同工況條件下的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算,主要得出的計(jì)算結(jié)果包括:管柱變形總長度(包括各項(xiàng)效應(yīng)值),油管柱受力大小和方向,封隔器受力大小和方向,封隔器所受壓差,油管強(qiáng)度安全系數(shù)最低位置及三軸、抗拉、抗壓、抗外擠安全系數(shù)等。

2.4 封隔器完井管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果,一方面優(yōu)化調(diào)整相應(yīng)的封隔器完井管柱結(jié)構(gòu),主要確定以下內(nèi)容:油管壁厚和鋼級(jí)、油管組合、封隔器的壓力等級(jí)和錨定力等級(jí)、是否采用油管伸縮節(jié)以及伸縮節(jié)的下入位置和狀態(tài)等。另一方面,確定不同工況下確保完井管柱力學(xué)安全的臨界控制參數(shù),主要確定以下內(nèi)容:增產(chǎn)改造最高泵壓及平衡壓力、液氮最大掏空深度、生產(chǎn)過程套管壓力控制范圍等。

3 應(yīng)用實(shí)例及效果分析

3.1 基本參數(shù)

四川盆地龍崗氣田某井的井身結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用?339.7 mm+?244.5 mm+?177.8 mm+ ?127 mm井身結(jié)構(gòu),打開儲(chǔ)層鉆井液的密度為1.31 g/cm3,折算地層壓力為65 MPa。根據(jù)鄰井地溫梯度推測(cè)地層溫度為114℃,地層流體為天然氣,高含H2S,不產(chǎn)地層水。

3.2 效果分析

采用本文所述的設(shè)計(jì)方法對(duì)該井進(jìn)行了完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì),通過不同工況下完井管柱力學(xué)分析及伸縮器等井下工具的反復(fù)論證,最終設(shè)計(jì)出射孔—完井—酸化—投產(chǎn)一體化的完井管柱結(jié)構(gòu)為(圖1):?88.9 mm的G3-125油管+井下安全閥(材質(zhì)718)+?73 mm的BG2830-110油管+永久式封隔器(材質(zhì)718,壓差70 MPa,錨定力117 t)+?73 mm的BG 2830-110油管+丟槍接頭+篩管+減震器+射孔槍,并制訂了相應(yīng)的不同工況條件下確保完井管柱強(qiáng)度安全的施工控制參數(shù)和確保完井管柱絲扣氣密封性能的技術(shù)措施。上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于該井,取得了較好的生產(chǎn)效果(圖2)。

圖1 龍崗氣田某井的井身結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 龍崗氣田某井的生產(chǎn)壓力曲線圖

該井于2010年成功完成現(xiàn)場作業(yè),測(cè)試獲日產(chǎn)天然氣76×104m3,自投產(chǎn)以來,環(huán)空壓力無異常現(xiàn)象,完井管柱絲扣密封性能良好。該井的生產(chǎn)壓力曲線如圖2所示。

符 號(hào) 說 明

Fycr表示正弦屈曲臨界載荷;E表示楊氏模量;I表示油管的慣性矩;α表示井斜角;r表示油管任意位置處的半徑;Fyck表示螺弦屈曲臨界載荷;Fy表示有效軸向力;ro表示油管外徑;ri表示油管內(nèi)徑;D表示管柱名義外徑為狗腿度,(°)/單位長度;As表示管柱截面積;vav表示平均下入速度;ρs表示管材密度;pi表示內(nèi)壓;po表示外壓;Ypa表示在拉伸應(yīng)力作用下的當(dāng)量屈服強(qiáng)度;Sa表示軸向應(yīng)力;Yp表示最小屈服強(qiáng)度。

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(修改回稿日期 2011-03-10 編輯 居維清)

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.018

郭建華等.高溫高壓高酸性氣井完井管柱優(yōu)化設(shè)計(jì).天然氣工業(yè),2011,31(5):70-72.

四川龍崗地區(qū)大型碳酸鹽巖氣田開發(fā)國家示范工程(編號(hào):2011ZX05047)。

郭建華,1980年生,工程師,博士研究生;2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué),獲油氣井工程碩士學(xué)位,現(xiàn)在中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院從事鉆完井工程技術(shù)研究工作。地址:(618300)四川省廣漢市廣東路1段2號(hào)。電話:(0838)5152441, 13608106196。E-mail:g_jh@petrochina.com.cn