高壓氣井環空帶壓可視化實驗

高文祥 李皋 鄭如森 李紅濤

摘? 要：高壓氣井在采氣過程中環空帶壓現象非常普遍，環空壓力過高會嚴重影響氣井的產量，降低采收率，對氣田開發后續作業造成不利影響。針對高壓氣井采氣過程中的A環空帶壓問題，通過可視化模擬試驗臺架開展了油管穿孔及封隔器失效引起的A環空帶壓模擬實驗，模擬了不同壓差、穿孔幾何尺寸等情況下環空壓力的動態變化規律及環空的氣-液兩相流動規律。

關鍵詞：高壓氣井;環空帶壓;A環空;實驗測試

中圖分類號：TE37? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）14-0007-03

Abstract： In the high-pressure gas wells， the annulus pressure phenomenon is very common during the gas production process. The high pressure of the annulus will seriously affect the gas well production and reduce the oil recovery， which will adversely affect the subsequent operation of the gas field development. Aiming at the problem of A-ring pressure in the gas production process of high-pressure gas wells， the simulation experiment of A-ring and air-belt pressure caused by the failure of tubing perforation and packer was carried out through visual simulation test bench， simulating different pressure difference， perforation geometry and so on. The dynamic variation law of the annulus pressure and the gas-liquid two-phase flow law of the annulus.

Keywords： high pressure gas well; annular zone pressure; A annulus; experimental test

1 概述

隨著油氣勘探開發工作的深入開展，環空帶壓現象經常發生在大量油氣井的開發過程中。環空帶壓對生產安全十分不利，是全世界石油工業界面臨的共同難題和安全問題。環空帶壓不但影響了氣井的后期施工，而且為氣井的生產帶來了安全隱患，造成了不必要的人力、物力和財力損失。環空帶壓是指氣井環空壓力在泄壓后短時間內又恢復到泄壓前壓力水平的現象[1，2]。引起環空帶壓的本質是井下氣體在環空中竄流、積聚，引起環空壓力上升，造成氣井環空帶壓的主要原因中，油套管、油管柱、井下封隔器失效導致氣體竄至環空引起的環空帶壓[3]最為普遍，其風險也是最大的。

以塔里木油田庫車山前地區為例，截止到2017年5月，庫車山前（克拉、迪那、大北、克深、零散試采）共有140口氣井先后投入生產，其中31口井環空異常帶壓，占已投產井的22.14%。

針對壓氣井油管穿孔等原因造成的A環空帶壓問題，為保證氣井生產安全則必須掌握高壓氣井環空壓力及氣液兩相流動流型變化規律。以此為目標，使用可視化模擬試驗臺架研究了不同壓差、穿孔幾何尺寸等情況下環空壓力的動態變化規律及環空的氣-液兩相流動規律，為實際生產提供一定的理論依據。

2 環空帶壓可視化實驗裝置與實驗方法

2.1 實驗裝置

為滿足環空帶壓可視化實驗要求，設計了一套模擬氣井A環空的實驗裝置。實驗裝置結構圖如圖1所示，該裝置由供液系統、供氣系統、放空系統、套管和油管以及數據采集系統組成，均由計算機自動控制。供液系統由注液泵、節流閥、流量計和壓力表組成，油管和環空各有一套供液裝置，互不影響;供氣系統由高壓氣瓶、壓力表、流量計和節流閥組成，氣瓶壓力達16MPa可滿足實驗要求，壓力表和流量計可獲取注氣過程中的注氣管線壓力和氣體流量，節流閥可改變氣體流量大小;放空系統是指在環空和油管底部各有一條管線與其想通，可充分排出環空和油管中的液體與氣體;套管和油管由兩個同心不同直徑的有機玻璃管和不銹鋼管組成。

可視化模擬實驗裝置能夠滿足以下要求：用電磁閥自動控制從頂端向油管及環空注液;心管上鉆一定尺寸的圓孔，以模擬油管穿孔的情況;實驗管路底部封隔器上有兩個可分別向環空及油管內部注氣的管線，可通過高壓氣瓶進行注氣;能夠精確地采集各項實驗參數;有可靠的攝像裝置。

2.2 實驗方法

利用環空帶壓可視化實驗裝置，通過改變環空注液高度、注氣管線模擬產氣的注氣壓力及套管底部封隔器注氣孔尺寸來研究環空兩相流動規律和壓力變化規律。打開注液泵和閥門，向環空中注入一定量的液體，達到預定高度后關泵關閥，穩定一段時間后測得環空內液體高度;打開注氣管線閥門，用高壓氣瓶從套管底部注氣孔向環空中去注入氣體，注氣孔可設置為2mm或4mm，注氣管線上的壓力表和流量計可實時顯示注氣管線內氣體流量和壓力，通過節流閥調節氣體流量和注氣壓力;通過安裝在環空上的壓力表獲取環空內壓力變化規律，攝像裝置可實時連續拍攝環空中的流動情況。實驗完成后通過與環空底部相連的放空管線將環空內的液體排空，為下一組實驗提供條件。

表1為封隔器失效環空帶壓的實驗參數。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗現象

環空注液至一定高度，穩定一段時間后通過封隔器上的小孔向環空注氣，氣體經封隔器穿孔侵入環空時，在第一股氣（泰勒泡）到達氣液界面前液面已開始上升，隨后連續小氣泡向上滑脫，界面持續緩慢上升，隨后有所下降，氣液兩相流流型為泡狀流，如圖2所示。

當氣體進入環空時環空中存在液體，在液體自身的重力作用下環空下部壓力很高，注入的氣體以溶解氣的形式存在于液體中導致環空液面升高。隨著氣體的不斷注入，環空液體壓力下氣體溶解度將要達到飽和狀態，溶解氣在環空底部最高壓力下不斷集聚，當氣體溶解度達到飽和，部分集聚的溶解氣從底部逸出，向上逃逸過程中隨著液體壓力變小而不斷增大形成泰勒泡。第一個泰勒泡到達環空液面之后，氣泡不斷地從底部逸出至液面，液面仍持續上漲。當上部氣體集聚形成高壓，雖然氣體溶解度增大，但源源不斷的環空注入氣大于溶解的氣體量，在壓力的作用下氣泡體積減小，液面有所下降。換句話說，實驗過程中存在“置換現象”，高壓作用下氣液兩相流均為泡狀流。

3.2 實驗分析

7組實驗中的環空壓力變化曲線如圖3所示，每組曲線第一個上升段為環空注液引起的壓力上升，第二個上升段為環空注氣引起壓力上升，之后為放水泄壓過程。第五組未進行注液，而使用第四組實驗完成后未排完液體。

實驗結果表明了封隔器失效引起環空帶壓時，環空壓力的上升速率與穿孔處的壓差和孔徑相關，壓差越大、孔徑越大，環空壓力的上升速率越快。

4 結論

（1）提出了一種模擬封隔器或油管穿孔導致A環空帶壓的實驗方法，開展了不同壓差、不同孔徑的A環空帶壓實驗，獲取了環空中壓力的變化規律。

（2）環空帶壓時，高壓作用下氣體在環空中的兩相流動為泡狀流，環空中液面先升高后降低，出現明顯的“置換效應”。

（3）環空壓力的上升速率與穿孔處的壓差和孔徑相

關，壓差越大、孔徑越大，環空壓力的上升速率越快。

參考文獻：

[1]Kinik K，Wojtanowicz A K.Identifying Environmental Risk of Sustained Casing Pressure[R].SP173713，2011.

[2]朱紅鈞，唐友波，李珍明，等.氣井A環空壓力恢復與泄壓實驗[J].石油學報，2016，37（9）：1171-1178.

[3]彭建云，周理志，阮洋，等.克拉2氣田高壓氣井風險評估[J].天然氣工業，2008，28（10）：110-112.