深水井環空壓力管控研究進展

李占東 何昱昌 朱江林 2， 黃浩良 韋江雄

（1.中海油服湛江分公司，廣東 湛江 524000；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室<湛江>，廣東 湛江 524000；3.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510641）

0 引言

在海洋的深處蘊藏著世界未來的巨大石油儲量。據報道， 在全球水深超過500 m 的地層里已經發現了6.9×109m3油氣新增資源， 潛在的油氣資源儲量約為1.37×1010m3。 有資料預示，在水深超過 1 000 m 以下的地層，大約儲存著90%尚未發現的海上油氣資源。對于可能含油氣資源的深水區域， 目前僅勘探了50%左右的面積。 我國南海同樣儲藏著十分豐富的海上油氣資源與天然氣水合物資源，據估計，深水石油地質儲量占我國油氣總資源量的33%， 約為230 億～300 億噸，其中約70%的油氣資源蘊藏于深水區域。 經幾代石油工程師的努力， 在南海區域已經勘明了天然氣水合物存在的地球生物和物理等標志， 然而我國目前還主要集中在近海和陸地上的油氣開發。 隨著全球能源消耗的不斷增加，在增大現有油氣資源開發力度的同時，鉆井作業向深水進軍將是未來石油勘探的一大方向[1]。

而深水油氣生產過程中，固井完整性是保障深水油氣井安全穩產的重要前提之一。受到固井技術的不成熟和地層信息不確定性的影響，深水油氣井會產生多層次的環空結構。 在油氣向上運輸的過程中，油氣流體的熱量會傳遞到環空中， 導致環空流體溫度升高，產生圈閉環空壓力。 圈閉環空壓力是一種破壞力極強的動態載荷，傳統的管柱和井身的設計主要集中在提高生產量，而沒有考慮圈閉環空壓力對井筒的影響， 圈閉環空壓力過高會對井筒完整性產生嚴重危害， 這已經成為制約深水油氣井穩定生產的重要因素。 深水油氣井井口裝置的設計為完全密閉性的，無法形成泄壓通道進而對環空壓力進行釋放，這更是增加了環空壓力所帶來的風險。因此開展深水井環空壓力管控研究是保障深水油氣井長期安全穩定生產的重要內容[2]。

1 國內外研究現狀及發展趨勢

目前，密閉環空壓力調控措施按照不同的機理分為了五種，包括提高油氣井結構強度、消除環空、釋放環空壓力、提高環空液體壓縮性和隔熱技術。

1.1 提高油氣井結構強度

保障油氣井安全生產最常用的方法是提高套管鋼級和壁厚，以提高套管強度。 成熟的方法集中考慮了多層管柱之間的相互作用，主要有全井管柱法和多管柱法[3]。但該方法必須有精確的環空壓力分析、各種管柱溫度敏感性預測模型和套管強度精確控制技術的支持。這種方法有明顯的缺點。首先，它對管柱的材料和生產工藝提出了新的要求，增加了制造成本。 其次，實踐中的環境變化可能超過目前材料研究、開發和加工技術方面的預期。最后是井身結構設計需要創新。 該方法的關鍵是在現有套管生產工藝的基礎上，建立合理的設計模型，并進一步改進模型，完善適合新材料結構的設計體系。

1.2 消除環空

在很多情況下，也可以用整體固井法消除固井作業中的圈閉環空。 這種方法使用次數較多，就是將水泥打到井底再返漿至井口。該方法的主要機理是水泥漿的膨脹系數小于泥漿的膨脹系數，以達到降低環空熱膨脹壓力的目的。 但是其也有缺點，如若在固井過程中沒有完全替換掉環空中的泥漿，也會產生圈閉環空壓力。 其次，深水頂孔地層欠壓實、軟弱，易被高密度泥漿壓碎。

1.3 泄壓

1.3.1 水泥返回上層套管鞋下方

當環空水泥返回到上層套管鞋下方時，不會產生圈閉環空壓力。這是因為液體的熱膨脹壓力會導致液體通過地層泄漏并排放到地面地層中，進而釋放掉環空中的壓力以達到保護套管完整性的目的。該方法效果明顯，成本較低。但其相關作業風險高，水泥頂部控制難度大。 在用預裝液代替泥漿的過程中，由于套管偏心、井徑膨脹、竄槽等問題，會引起水泥頂部的不確定性，導致固井質量不達標。此外，當水泥或加重材料堵住水泥縫隙時，也會產生壓力。 該技術應考慮實際孔徑的不規則變化、 水泥的特性和巖石力學參數，以精確計算水泥的注入量。

1.3.2 安裝破裂盤

為解決環空壓力問題，2000 年在石油工業中正式應用了破裂盤技術。 在環形空間中較大的套管上安裝一定數量的沿一定方向的破裂盤。 在盤體兩側壓差達到破裂的壓力點時，盤體發生破裂，以平衡套管兩側的壓力，達到保護中間套管或生產套管的目的。受深水地質層孔壁的不穩定且易發生坍塌的影響， 為保障油氣井的安全生產，需要在井身結構中下入多層中間套管，隨之會產生多個圈閉的環空。 由于過高的環空壓力會壓潰大多數的中間套管， 因此破裂盤一般安裝在中間套管上。套管上的破裂盤通常由夾持器和爆破片組成。破裂盤分為兩種類型，分別為組合型和非組合型。后者僅包括破裂盤，前者由破裂盤、保持架、加強圈和保護膜（至少兩個部件）組成。破裂盤有一個泄放口徑，而獨立夾緊裝置可以確保破裂盤的精確操作，還提供定位、支撐和密封等功能。 破裂盤的安裝方式有穿透式和非穿透式兩種，可以用螺紋或緊固件固定。

破裂盤設計的關鍵技術首先是爆破壓力的確定。爆破壓力范圍為9～60 MPa，允許偏差±5%；其次是破裂盤的位置和數量。外殼的一側通常有三個，彼此成180°角。破裂盤的材質取決于其所處的海洋環境。深水油氣井生產的油氣液體溫度很高，所以通常選用鎳、銅、銅鎳合金等耐熱金屬作為破裂盤的原材料。保持架的材料通常由碳鋼、不銹鋼、鎳或其他特殊材料制成。 若破裂盤暴露在腐蝕環境中，應在破裂盤上涂上防腐層，并測定反作用盤和平作用盤的工作溫度。OSECO、ZOOK 和FIKE 等公司對破裂盤的研究由來已久。 ZOOK 公司生產的破裂盤工作壓力范圍是0.5～25 MPa， 其最高工作溫度可達427℃， 采用破裂盤控制環空壓力的技術已經得到了大面積的推廣[4]。

1.3.3 壓力釋放環

2004 年， 哈里伯頓公司采用壓力釋放環解決了深水環空壓力的問題[5]。 在環形圈閉內套管上可反復打開和關閉泄壓環，將過高的壓力轉移到油管和生產套管之間的位置。壓力再通過井口減壓閥排放到海水中。 該壓力釋放環體積較小，可以對稱安裝在同一截面上。 盡管該技術可以對壓力進行多次釋放，但并未得到廣泛應用。 關鍵在于安裝和操作的復雜性。 設備一旦發生故障，是不可替代的。

1.4 提高環空液體壓縮性

1.4.1 可壓縮泡沫

1993 年， 科學家們提出了用可壓縮泡沫技術（Crushable Foam Wrap，CFW）來控制環空壓力。 其原理是采用可壓縮物質的壓縮變化來平衡環形圈閉內流體的熱膨脹體積。它是通過在深水油氣井環空的中小型套管內安裝可壓縮泡沫來實現的。 當流體膨脹，環空壓力上升到一定值（泡沫啟動壓力）時，泡沫體積減小，從而降低環空壓力。 該技術首先需要對泡沫材料進行選擇，通常取決于泡沫材料的厚度、有效橫截面以及泡管柱的軸向長度。泡沫材料的厚度由圈閉環空的尺寸大小來確定，范圍在20 mm～40 mm 之間。有效橫截面的數量為2～4 段合適，其長度應為環空總長度的2%～8%；第二，啟動壓力的確定。 CFW 的工作過程包括線性區、平直區和最終失效區三個階段。 線性區階段容積壓縮值為2%～3%。 泡沫材料需要在一定的壓力下啟動，并通過體積的壓縮達到降低環空壓力的目的。泡沫材料一般由固體甲基丙烯酸甲酯研制而成，與隔水管上的浮體材料相似。

該技術主要由預定規格的泡沫材料、固定泡沫所用的鋼板、黏合劑以及耐磨環四個部分組成。 需要注意的是，不能使泡沫材料完全封閉了環形空間，否則會對鉆孔的清理造成很大的影響。目前在深水油氣井生產過程中，應用得比較廣泛的可壓縮泡沫產品分為兩種。 第一種是分段黏結泡沫并將其黏結到套管上；第二種是將泡沫制成環形柱并將其黏結到套管上。然而，這兩種設計都應考慮鉆孔清潔度和碎屑。 包括特瑞堡、英國石油、殼牌和道達爾在內的公司擁有成熟的可壓縮泡沫技術，并提供產品系列。 特瑞堡擁有最成熟的技術， 該公司生產的泡沫材料可以抵御110℃以下的高溫，且有著28 MPa 的最小工作壓力，其最大的體積壓縮率為50%；殼牌和BP 公司成功地將該技術應用于墨西哥灣和北海的 Machar、Maddog、Ram Powell 等油田[6]。

1.4.2 附加腔室

Chevron 公司于2006 年引進了控制APB 的附加腔室技術[7]。針對深水井身結構中的生產套管和尾件，設計了附加腔， 并成功地應用于大溪地油田13 3/8”套管上。 該腔室通過管接頭集成到管柱中。 這個空間分為兩種。第一種情況，在腔室內安裝兩個活塞，并注入一定量的惰性氣體（Ar、N2、He）或其混合物。 環空流體在熱傳遞的過程中會產生膨脹，膨脹壓力經由細孔傳遞到腔室內。 隨之，該膨脹壓力會推動活塞對惰性氣體進行壓縮，并且由于膨脹空間的增加，流體的環空壓力降低。 第二種情況是在腔室上安裝閥門。 當環空中的壓力上升到預定值時，閥門會立即啟動，對腔室中的N2等惰性氣體進行壓縮， 以降低環空壓力的上升速率。該技術的關鍵是腔體的安裝、腔體的尺寸、惰性氣體的壓力和腔體上閥門的啟動壓力。該工具由腔室、活塞和起動閥組成。在操作過程中，每個腔室的容積為0.45～159 L。 如果使用多個腔室，其容積沒有特定的限制。 根據計算結果，可以調整第一種腔室中惰性氣體的壓力。 同樣，第二種腔室的啟動壓力也可能不同。 這樣，環空壓力問題可以分階段地解決。

1.4.3 可壓縮的隔離液

可收縮的隔離液是由Los Alamos 和Chevron 國家實驗室共同提出的。 Baker Hughes 推動了可收縮隔離液的商業應用。其核心原理是將含有15%～50%甲基丙烯酸甲酯（MMA）的水基隔離液注入圈閉環空中，當環空流體的溫度達到一定值時， 隔離液的體積將被壓縮至20%，從而使受壓縮的體積與熱膨脹相平衡。與不加MMA 的基礎隔離液相比，加入MMA 的隔離液對環空壓力的控制能力更好。 基本配方為：0.3%消泡劑，1.5%碳酸氫鈣，0.3%抗菌劑，21%水性乳化劑，15%～50%甲基丙烯酸甲脂 （液體），0.5%氫氧化鈉，0.4%引發劑，重晶石，抑制劑，分散劑。密度為0.96～1.78 g/cm3。目前已開發出一套完整的全自動泡沫注水泥控制系統，并且配置有專用設備。

1.4.4 中空玻璃微球

Trelleborg 開發了一種新型的基于深水漂浮材料的中空玻璃微球控制技術。 在可壓縮泡沫中加入中空玻璃微球，在熱固性樹基脂中固定中空玻璃微球，根據中空玻璃微球的破裂程度和熱固性樹基脂的熱敏感性來調節圈閉環空中的壓力。 該工藝可調節的破裂壓力在 1.7～193 MPa 之間， 體積變化范圍為 30%～40%，最大工作溫度為170℃。 為安全起見，在設計中，峰值容積變化應為20%～25%，而不是TAV 的變化。 中空玻璃微球可壓縮段的長度為0.5～1.5 m， 根據體積的變化可做適當的增減。難點在于中空玻璃微球的破裂程度和基脂的配比。彈性空心顆粒和可壓縮碳質顆粒材料也能產生與中空玻璃微球相同的效果[8]。

1.5 隔熱技術

1.5.1 絕緣管

絕緣管可分為普通絕緣管和真空絕緣管（VIT）。VIT 在石油行業已經有20 多年的歷史了。 1998 年，VIT 技術開始在深水區應用， 以解決輸送到泥線附近時的水合物問題。2003 年，Chevron 首次在墨西哥灣大溪地的1#深井中應用VIT 技術，解決了環空壓力問題[9]。 其核心原理是以阻斷換熱為基礎：將生產管柱用真空絕緣管代替，真空絕緣管可以阻斷深水油氣液體的熱量向環空流體的傳遞，進而調控環空流體的受熱膨脹。真空絕緣管通常下降到泥線以下900～1 200 m 處，由絕緣襯墊、聯軸器、密封圈、兩層同心管（內管和外管）組成，最后焊接成一個整體。兩層管子之間的空間應做抽真空處理。 VIT 的主要功能是隔熱和傳遞機械負荷。 因此，管柱的設計必須考慮力學承載力和熱物性等因素。管柱的力學承載性能應結合管柱結構的完整性和防漏性進行設計。 對于熱物理性能，最關鍵的部分是將接頭和管體的阻熱能力升到最高。真空絕緣管內管與外管的接觸極為復雜，需要極為精確的焊接技術，同時在管體上不可安裝其他的穩定器或閥門等部件，否則會對隔熱效率造成重大的影響。

真空絕緣管有兩種類型， 一是結構較為簡單的單層隔熱環空型，二是結構較為繁雜的多層隔熱環空型。目前，Vmtu bealloy 公司、Chevron 公司、Itmreps 公司、勝利公司等都擁有較為成熟的技術。 真空絕緣管技術成功地應用到油氣井的生產中， 解決了許多環空壓力帶來的問題。 然而，該技術受到井深的限制，隨著井深的不斷增加，所帶來的問題也越發突出，首先井筒溫度會不斷升高，真空絕緣管隔熱效果下降，其次是生產套管懸掛載荷隨之增加，加重機器運轉的負擔。

1.5.2 絕緣封隔液技術

20 世紀90 年代末首次成功將絕緣封隔液注入環空以減輕環空壓力。 根據其工作原理，在固井過程中，將熱阻率較高的流體注入生產套管外環空，以此阻隔油氣液體的熱量向圈閉空間的傳遞，降低了環空壓力。在深水環境中，隔熱流體必須具有以下特性：熱阻率高；結晶溫度低，防止海底泥線以下的低溫環境造成封隔液的結晶； 在超高溫環境下隔熱性能穩定（特別是流體黏度）；無污染，不腐蝕管柱。第一代絕緣封隔液的隔熱效率較低。

第二代絕緣封隔液具有更好的隔熱效率。由于不同流體之間存在溫度差異，形成了熱對流，熱對流是井筒傳熱的主要機理。流體的黏度對熱對流的影響很大，當流體的黏度增加時，其流動性會下降，環空流體的自由對流也會降低。 因此，與第一代絕緣封隔液相比，第二代絕緣封隔液具有以下特點：當剪切速率較低時，它具有較高的黏度，從而減少了對流換熱；而當剪切速率較高時，它具有較低的黏度，可以加速流體的置換。第三代絕緣封隔液有效地解決了熱對流和分子接觸產生傳熱之間的矛盾，將隔熱效率提高到90%以上。該技術主要有兩個方面的難點：首先，如何控制絕緣封隔液的隔熱效率；其次，如何使隔熱性能在惡劣環境下保持穩定。 目前，絕緣封隔液法已進入商品化階段， 該技術已經成功應用到墨西哥灣近100 口井，效果十分顯著。 開發了一整套注液設備和產品[10]。

這些措施在成本、操作難度、可靠性和工作機理等方面有所不同，見表1。

環空壓力管理的措施有很多種，從增加套管強度到隔熱傳遞控制，積極性及帶來的問題也會凸顯。 通過對各種環空和壓力管理措施進行詳細對比，在考慮鉆完井工具下入能力，封固油氣水層要求及生產井安全性等綜合因素后，綜合選用絕緣管、隔熱液、可壓縮泡沫、破裂盤、提高環空液體壓縮性等具有良好的適用性的技術，且已在部分井中應用或通過實驗進行了應用。

2 結論與展望

深水固井中環空壓力管控一直是深海油氣的一項重要內容，目前已發展了提高套管強度、釋放環空壓力、消除環空、提高環空液體壓縮性和隔熱傳遞等技術， 部分技術已在深水固井中得到了一定的應用，但各種技術都具有各自的局限性，因此深水固井環空壓力管控應全面分析，系統管控，遵循“全面分析，技術組合使用，多階段調節，保護環境”的原則。

表1 環空壓力管理方法優缺點