深水井筒環空壓力計算模型適應性評價

張百靈　楊　進　黃小龍　胡志強　何　藜（.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京　049；.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳　58067）

深水井筒環空壓力計算模型適應性評價

張百靈1楊進1黃小龍2胡志強1何藜1
（1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術深圳分公司，廣東深圳518067）

深水井筒在生產階段受地層高溫產出液的影響，溫度場重新分布引起環空密閉空間的壓力急劇上升，威脅井筒安全。為向深水油氣井的井身設計和套管強度校核提供一定的依據，結合現場實例對基于狀態方程和胡克定律計算模型和基于狀態方程和溫度壓力耦合作用的迭代計算模型進行對比，對模型機理和影響計算結果的因素進行了分析。深水井筒中的環空流體介質復雜，井底高溫及異常壓力使得深水井筒中的環空中流體熱膨脹系數和壓縮系數對套管體積的影響難以利用胡克定律簡化計算。結果表明，基于狀態方程和溫度壓力耦合作用的迭代計算模型更適用于深水井筒的環空壓力分析。

深水井筒；環空壓力；計算模型；適應性評價

深水油氣井的泥線溫度和井底溫度相差較大，較強的溫度效應將引起的密閉環空內流體升溫膨脹產生環空壓力的現象，嚴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實踐中，可以通過打開套管頭側翼閥釋放環空壓力。但在深水油田開發中，水下井口和生產系統設計的特殊結構使得環空壓力難以監測控制和調節釋放，準確預測套管環空壓力對于深水油氣井測試和生產作業非常重要［1］。因此，準確計算深水油氣井密閉環空中的壓力對井身結構設計、套管強度校核以及實現油氣的井長期安全生產具有重要的意義。國內外針對環空壓力的上升機理開展了廣泛的研究，但是針對深水鉆井條件下的井筒傳熱及壓力預測研究較少，國內的深水事業剛剛起步，國外公司因技術封鎖未公布環空壓力計算模型，因此仍需對深水井筒環空壓力的預測方法作進一步的研究。國內學者建立了幾種井筒環空壓力預測模型，比較有代表性的模型主要分為基于狀態方程和胡克定律的預測模型以及基于狀態方程和溫度壓力耦合作用的迭代計算預測模型，通過對2類模型的計算結果進行對比分析，推薦了適用于深水油氣井的計算模型，為深水油氣井井身結構設計提供了一定依據。

1　深水井筒環空壓力計算模型基本原理

深水油氣井通常會在測試管柱或油管與生產套管之間以及生產套管與技術套管間未被水泥漿封固段產生環空，由于深水油氣井采用水下井口及采油樹，套管環空為密閉空間。海底泥線溫度一般在2~4℃，而儲層溫度通常較高，油氣井進入測試或生產階段，儲層流體溫度在由井底運移至井口的過程中，經過井筒熱傳遞，環空內流體在密閉空間受熱膨脹繼而產生環空壓力的升高。

國外許多學者圍繞著井筒溫度傳遞和壓力問題進行了大量的研究，建立了關于井筒傳熱和壓力問題的基礎理論和方法（表1）。隨著計算機技術的迅速發展，各種模擬井筒溫度壓力場的數值計算方法不斷出現并逐步改進完善。但是對于深水鉆井條件下的井筒傳熱及壓力預測仍需進一步的研究。

表1　國外井筒溫度及壓力數值計算模型

國內學者對深水井筒環空壓力計算模型開展了大量的研究工作，主要形成了基于狀態方程和胡克定律的預測模型和基于狀態方程和溫度壓力耦合作用的迭代計算預測模型。

P. Oudeman和M. Kerem［2］基于PVT狀態方程和胡克定律，認為密閉環空壓力與該段環空內流體的平均溫度DT、密閉環空體積Va及密閉環空內的流體或氣體質量m成函數關系，車爭安［3］等在P. Oudeman和M. Kerem模型的基礎上，認為對于密閉的套管環空空間，Dm=0。假設套管環空不存在漏失，綜合考慮環空內流體的熱膨脹效應和環空體積變化的共同作用，建立了環空壓力計算模型。

高寶奎［4］綜合考慮套管徑向熱膨脹和壓縮以及環空內流體的熱膨脹和壓縮效應的共同作用，建立了密閉環空附加載荷計算模型［4］。鄧元洲［5］等人在高寶奎研究的基礎上，充分考慮了環空壓力的變化和環空體積的變化的耦合關系，建立了環空壓力計算模型。黃小龍［6］通過分析套管環空體積隨溫度和壓力的變化情況和耦合作用，通過迭代計算建立了典型深水井套管環空壓力預測模型。

2　計算模型分析

現定義基于PVT狀態方程和胡克定律建立的計算模型（文獻［3］）為模型1，基于狀態方程和溫度壓力耦合作用的模型（文獻［6］）為模型2，分別對以下2個算例進行計算。水的膨脹系數及體積系數如表2所示。算例來自南中國海2個區域的2口生產井。

表2　水的膨脹系數及體積系數（0.1 MPa）

算例1井深2 500 m，環空A、環空B深度分別為567 m和1 246 m，海底泥線溫度5 ℃，地溫梯度4.6 ℃/100 m。算例2井深3 200 m，環空A、環空B深度分別為1 074 m和2 438 m，海底泥線溫度5 ℃，地溫梯度4.5 ℃/100 m。兩算例井身結構如圖1。

圖1　算例1和算例2的井身結構

根據實際地層流體物性、套管導熱系數、套管尺寸等參數，分別采用以上3個模型對環空壓力進行預測，并與現場實際監測值進行了對比。計算結果（圖2、圖3）表明：生產過程中隨著環空溫度的上升，環空壓力大幅上升。但隨著環空溫度的升高，模型1計算結果偏差明顯。根據現場監測數據（表3），模型1的預測結果和監測值相對誤差非常大，而模型2的預測結果和監測值的相對誤差均在10%以內。

圖2　算例1環空壓力隨溫度的變化結果

圖3　算例2環空壓力隨溫度的變化結果

表3　模型的預測值與現場檢測值的相對誤差

3　計算模型適應性評價

3.1模型適用條件

2類模型對深水井筒環空壓力預測值差別較大，深入分析2類模型的理論基礎，得出其主要區別（表4）：模型1隨著環空流體受熱膨脹，環空體積將增加，環空體積變化主要取決于生產套管內部壓力的瞬時變化，基于胡克定律，用套管變形系數建立套管體積變化量和生產套管內部壓力瞬時變化量的函數關系，適用于陸地高溫高壓分硫氣井［3］；模型2考慮環空流體受熱膨脹后，套管體積變化和環空流體體積變化是相互影響的耦合作用，環空體積變化情況受環空流體性質的影響，最終遵照體積相容性原則采用迭代方法建立模型，適用于深水油氣井［6］。

3.2模型適用性評價

模型1是建立在不考慮氣泡存在，充滿液體的金屬密封環空環境條件下，利用彈性模量、液體熱膨脹系數和金屬熱膨脹系數進行函數簡化計算。該模型中，套管環空流體等溫壓縮系數K和熱膨脹系數α是環空壓力關鍵影響因素。

而深水鉆井作業中，由于海底泥線溫度低，井口和井底溫差大，深水固井的環空流體多為多種流體的混合體，有時還會注入可壓縮介質，使得深水井筒中的環空中流體熱膨脹系數和壓縮系數通常是不確定的。加之流體本身具有非線性關系［7］，真實的深水作業環境下，在井底高溫及異常壓力的作用下，環空內流體性能會發生變化，且管徑較小時，流體溫度作用和套管變形的耦合關系更加明顯。因此，深水環境下，如果采用模型1，利用彈性模量和熱膨脹系數等參數簡化計算，將造成很大的誤差。模型計算結果也反映出上述特點（圖4、圖5）。

表4　模型1和模型2對比分析

圖4　算例1中模型1參數隨溫度的變化關系

圖5　算例2中模型1參數隨溫度的變化關系

4　結論

（1）深水作業環境下，環空流體多為混合介質，在井底高溫及異常壓力的作用下，環空內流體性能會發生變化，更適合采用基于狀態方程和溫度壓力耦合作用的迭代計算預測模型，因此，推薦模型2作為深水井筒環空壓力計算模型。

（2）深水油氣井的密閉環空壓力會隨著溫度的升高而增大，應作為井身設計中考慮的因素，防止套管發生損壞危及井筒完整性。

（3）環空流體介質對溫度的敏感度差異較大，介質的不同對于環空壓力的影響機制復雜，其原理和對井筒完整性產生的影響有待進一步研究。

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〔編輯付麗霞〕

Adaptability evaluation of calculation model of annular pressure of deepwater wellhole

ZHANG Bailing1, YANG Jin1, HUANG Xiaolong2, HU Zhiqiang1, HE Li1
（1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2.Shenzhen Branch of CNOOC Energy Techonnology & Services Limited, Shenzhen 518067, China）

The deepwater wellhole is affected by high-temperature produced liquid of stratum in the production stage, and the redis

tribution of temperature field causes the sharp increase of pressure of annular confined space, threatening the wellhole safety. In order to provide certain bases for the wellbore design and casing intensity check of deepwater oil and gas wells, according to two kinds of calculation models, namely, calculation model based on equation of state and Hooke's law and iterative calculation model based on equation of state and temperature and pressure coupling, as well as living examples on site, these two kinds of models are compared, the model mechanism and factors affecting the calculation results are analyzed, the annular fluid media in the deepwater wellhole are complicated, and it is difficult to conduct the simplified calculation of effects of coefficient of thermal expansion and coefficient of compressibility of annular fluid in the deepwater wellhole on the casing volume by virtue of Hooke's law due to downhole high temperature and abnormal pressure. Pursuant to the results, the iterative calculation model based on equation of state and temperature and pressure coupling is more suitable for the annular pressure analysis of deepwater wellhole.

deepwater wellhole; annular pressure; calculation model; adaptability evaluation

TE5

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0056 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.014

國家自然科學基金“深水鉆井表層導管噴射鉆進機理研究”（編號：51274215）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

張百靈，1984年生。油氣井工程專業博士研究生，現主要從事海洋鉆完井工程方面的研究工作。電話：15101173681。E-mail：zhangbailing@163.com。

2015-01-01）

引用格式：張百靈，楊進，黃小龍，等. 深水井筒環空壓力計算模型適應性評價［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：56-59.