深層氣井油套環空泄漏點關鍵參數地面診斷技術

胡志強 路保平 侯緒田 楊進 楊順輝 何漢平

1. 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院；2. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室；3. 中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院

隨著石油天然氣工業的發展，深層、超深層油氣井生產大多面臨高溫、高壓和高腐蝕性氣體的井下環境，油套管柱環空異常帶壓現象逐漸增多［1］。據美國礦業管理局統計，高達60%的氣井存在環空帶壓現象，油管柱泄漏失效占比超過50%［2］。一旦油管發生泄漏，油套環空壓力急劇上升，伴隨著深層井天然氣中的硫化氫氣體、二氧化碳氣體等腐蝕性介質竄入環空，泄漏程度擴大，井筒屏障失效；倘若環空氣體泄漏至地面，則會導致井筒報廢，危及人員生命財產安全。目前，國外針對環空帶壓和井筒完整性頒布了相關的管理指南，研發了成熟的環空壓力監控裝置［3］。國內塔里木、西南等油田主要引入國外相關設備，通過聲波、井溫等測井組合工具定位管柱泄漏點。此類方法風險成本高，必須關井作業，且無法定量測量泄漏參數，不能滿足深層氣井安全生產評價和管理需要［4］。因此，如何利用井筒壓力、溫度、流量、氣體組分及液面等生產數據，通過地面診斷技術對油套環空泄漏程度進行準確判斷，成為研究難題。筆者根據壓力平衡原理預測泄漏點深度，采用小孔泄漏模型對氣體泄漏增壓過程進行描述，分析了泄漏點關鍵參數對環空帶壓變化規律的影響，并結合環空泄壓恢復測試曲線特征，歸納出油套環空帶壓4類典型起壓模式，建立了一套深層氣井油套環空泄漏點關鍵參數地面診斷模型，便于快速評估環空安全風險等級，為生產井的完整性評價、修井及采油作業安全提供技術支撐。

1 模型建立

1.1 物理模型

如圖1所示，氣體通過油管柱泄漏點進入油套環空，再經過環空保護液浮升運移至環空頂部，形成氣穴。整個物理過程可分為管柱失效泄漏、氣體浮升運移和氣穴聚集增壓3個階段。與傳統氣液兩相理論計算不同，考慮到氣體在液相中上浮過程屬于中間態，最終在環空頂部聚集，因此形成的氣穴狀態是決定環空壓力的關鍵因素。

圖1 油管氣體泄漏過程物理模型Fig. 1 Physical model of gas leakage process from the tubing

1.2 數學模型

根據壓力平衡原理，假設油管柱只存在單一泄漏點，在氣井生產一段時間后，油壓和套壓趨于穩定，油管泄漏點內外側壓力相等，將井筒沿井深方向均勻做網格劃分，選取井口溫度、油壓、套壓和動液面高度等參數作為初值條件，根據相關文獻［5］迭代計算每段單位長度井段油管和環空的溫度和壓力，求解出油管與油套環空壓力剖面的交點，即為泄漏點深度，如式(1)所示為

式中，pi為泄漏點內側油管壓力，MPa；po為泄漏點外側油套環空壓力，MPa；pa為井口處油套環空壓力，MPa；ρ為環空保護液的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為泄漏點深度，m。

根據動量定理，假設氣體在油管壁厚度范圍內做定加速運動，水平初始速率為0。由于油管初始失效程度輕，泄漏點當量尺寸較小，因此采用小孔泄漏模型對泄漏過程進行描述［6］。環空泄壓過程中，當環空壓力趨于穩定時，井下泄漏速率與井口泄壓速率基本相同，因此可得到一個邊界條件。根據氣體流量與臨界壓力的關系，建立氣體非臨界和臨界流動計算公式，如式(2)和(3)所示為

式中，Q為泄漏速率，m3/s；C為流量系數，圓孔取1.0；A為泄漏點當量面積，m2；為流速系數，無因次；M為氣體摩爾質量，kg/mol；Z為壓縮因子，無因次；R為摩爾氣體常數；k為氣體絕熱指數，天然氣一般取1.28；T為泄漏點處溫度，℃。

計算出井筒溫度、壓力分布和氣體泄漏速率后，根據氣體PVT狀態方程，建立環空溫度、氣柱體積和環空壓力間存在耦合關系，計算環空氣體總體積為

式中，Vg為氣柱體積，m3；N為時間分段數量，無因次；n為時間步長編號，無因次；t為時間步長，s。

假設氣體在環空浮升運移和頂部聚集增壓過程中不存在滲漏情況，初始環空充滿液柱，滿足環空體積相容性原則［7］，可根據式(5)計算出環空壓力為

式中，Vl為環空液柱初始體積，m3；ΔVl為環空液柱體積變化量，m3；Va為環空體積，m3；ΔVa為環空體積變化量，m3。

2 模型求解

在泄漏之前，油管氣柱內壓與環空靜液柱壓力、環空液柱熱膨脹壓力保持平衡，可將其視為初值條件。當泄漏后套壓穩定，油管氣柱內壓與環空靜液柱壓力、環空液柱熱膨脹壓力以及環空氣柱壓力保持平衡，可將其視為定壓邊界。以井口壓力為起點，計算第i段出口溫度壓力；再以第i段結果作為已知條件，計算i+1段出口溫度壓力，空間迭代計算井筒溫度壓力分布，求解泄漏點深度。再計算泄漏速率，獲取環空內氣體體積，求解環空壓力，對比預測誤差，時間迭代循環，直至滿足精度要求，計算流程如圖2所示。

圖2 計算流程Fig. 2 Calculation process

3 結果及討論

以元壩氣田某深層高溫高壓井為案例分析，封隔器坐封深度6 850 m，通過上述模型計算該井泄漏點深度在2 980 m處，相關基礎數據如表1所示。

表 1 計算參數Table 1 Calculation parameters

3.1 泄漏點深度敏感性分析

圖3為泄漏點深度對環空壓力和泄漏速率的影響。在生產初期，不同深度泄漏點處環空壓力增幅速率基本相同，隨著時間延長，淺部泄漏點壓力持續上升，最終趨于穩定；相反，不同深度泄漏點處的泄漏速率呈現逐漸降低趨勢，當泄漏點內外側壓力達到平衡時，泄漏速率降低為0，即認為泄漏停止。由此可見，油管串上層淺部處泄漏點具有更高危害性，故建議采取提高上部油管柱結構強度、增強抗腐蝕性和保障密封性的措施來抵御泄漏風險。

圖3 泄漏點深度對油套環空壓力和泄漏速率的影響Fig. 3 Influence of the depth of leakage point on annulus pressure and leakage rate

3.2 泄漏點當量直徑敏感性分析

圖4為泄漏點當量直徑對油套環空壓力和泄漏速率的影響。可以看出，隨著泄漏點當量直徑增加，油套環空壓力上升幅度增加，泄漏速率升高，達到最大環空壓力階段所需時間減少。因此采取化學堵漏、注入封堵劑等方法降低泄漏點當量直徑是保障井筒安全的有效解決方案。

圖4 泄漏點當量直徑對油套環空壓力和泄漏速率的影響Fig. 4 Influence of the equivalent diameter of leakage point on annulus pressure and leakage rate

3.3 油套環空起壓模式分析

根據上述模型計算與環空帶壓敏感性因素分析可知，泄漏點深度和當量直徑是影響油套環空壓力的2個主要因素。同時，現場通常根據API RP 14B標準［8］對油套環空進行泄壓恢復測試，以獲取環空特征曲線。利用泄漏點深度和當量直徑關鍵參數，結合泄壓恢復測試曲線特征，將油套環空帶壓起壓規律歸納為4類典型模式，如圖5所示。4類起壓模式在環空壓力值、壓力上升速率和壓力恢復周期上具有明顯的差異性。基于井筒完整性角度考慮，環空壓力值越高、上升速率越快、恢復周期越短，越不利于井屏障的安全保護，因此“淺部大孔、高壓快升”的起壓模型風險等級最高；相反，“深部小孔、低壓慢升”的起壓模型風險等級最低。

圖5 油套環空帶壓力4類典型起壓模式Fig. 5 Four typical pressure modes of annulus pressure

3.4 案例診斷分析

案例井自投產以來，環空套壓持續升高，經過多次環空放壓后，油壓和套壓恢復相對穩定，環空氣樣檢測組分與產出層氣相組分基本一致，初步判斷該井生產油管柱出現泄漏點，油套連通互竄。根據施工要求，安裝?12.7 mm針型閥對油套環空進行泄壓處理，為了保障作業安全，通常不會將壓力卸載至0 MPa進行診斷，其泄壓恢復曲線如圖6所示。通過擬合特征曲線可以看出，該井環空起壓模式符合“淺部小孔、高壓慢升”類型特征，環空壓力穩定在26.1 MPa左右，井筒安全風險相對較高。

圖6 案例井油套環空泄壓恢復測試曲線Fig. 6 Annulus pressure relief/recovery testing curve of case well

通過擬合試算，預測該井泄漏點當量直徑為2.1 mm，初始時刻最大泄漏速率是 0.20 m3/min，低于臨界標準0.42 m3/min。由于案例井沒有對油管進行取出更換，無法直接驗證計算參數，通過對比環空壓力大小，預測結果與泄壓恢復后實測值基本吻合，可作為判斷模型準確性的重要依據。由于停產修井成本昂貴，作業風險較高，建議采取油管機械修補、化學堵劑注入等方式進行密封堵漏。

4 結論與建議

(1)利用井筒壓力、溫度、流量、氣體組分及液面等生產數據，結合環空泄壓恢復測試曲線特征，建立了深層氣井油套環空泄漏點關鍵參數地面診斷模型，可以精準定位井下泄漏點，判斷油管泄漏程度。

(2)模型僅考慮了單一泄漏點，實際井下工況復雜，油管柱存在多個泄漏點的情況，會導致計算模型更為復雜；計算結果可理解為多個泄漏點的疊加效應，在宏觀上可以作為評價總體泄漏程度的依據。

(3)根據環空起壓模式風險等級劃分，工程上應采取提高淺部油管柱結構強度、增強抗腐蝕性和保障密封性的措施來抵御泄漏風險；由于停產修井成本昂貴，作業風險較高，因此油管柱淺部漏失建議更多采用機械修補、化學堵劑的方式進行密封堵漏。