高壓氣井儲層改造期間施工壓力控制技術研究

羅敬兵 張 奎 劉君林 穆凌雨 王夫軍 雷現梅

（1.中國石油青海油田公司鉆采工藝研究院 甘肅 酒泉 736202；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司北京 昌平 102206；3.四川華油集團有限責任公司，四川 成都 610051）

0 引言

高壓氣井通常具有超深、低滲透、產層段長等特點，因此高壓氣井普遍采用高泵壓、大排量、大液量進行儲層改造，大規模改造期間油管柱、井下工具、生產套管等受載惡劣，是造成高壓氣井完整性問題的主要原因［1-6］。高壓氣井的完整性問題大部分同儲層大規模改造有關，通過開展高壓氣井儲層改造期間施工壓力的精細控制，保證作業期間各井屏障部件均在安全范圍內，能夠有效提高高壓氣井儲層改造后井的完整性［7-11］。為了保證高壓氣井在整個儲層改造期間氣井的完整性，以施工過程中井筒瞬態壓力溫度場預測為基礎，結合井筒多環空系統力學分析，開展改造期間井筒屏障部件安全性分析，確定改造施工期間泵壓和環空壓力控制范圍，形成了一套高壓氣井儲層改造期間施工壓力精細控制技術，對提高現場高壓氣井改造施工中保障井的完整性具有現實意義。

1 改造井溫壓場瞬態預測

1.1 井筒壓力場預測模型

根據井筒流體受力平衡條件，可得出流體在油管內流動的摩阻壓降Δp為：

式中，f 為壁面摩阻系數，無因次；l 為管柱長度，m；ρ 為流體密度，kg／m3；v 為流速，m／s；d 為油管內徑，m。

根據井筒壓降計算公式，結合井口或井底壓力，便可得出整個井筒的壓力分布。式（1）中有摩阻系數f 這個重要參數，準確計算f 是進行井筒壓力預測的前提。

對于改造液體通常被視為冪律流體，采用穩定參數ZR來判別流態，穩定參數ZR由下式表示：

式中，Rel為冪律流體雷諾數，無因次；Ka為酸液在井筒中流動時的稠度系數，kg·sn／m2；n 為酸液的流變指數，無因次。

1.2 井筒溫度場預測模型

根據典型井身結構特點，將二維井筒系統按軸向和徑向進行節點單元劃分，徑向上按照改造液、油管、環空保護液、套管、水泥環和地層劃分節點，綜合考慮軸向傳熱、徑向傳熱、對流換熱和摩擦生熱等影響建立各控制體的能量平衡方程［12-16］。

油管內液體單元的能量平衡方程為：

式中，下標i＝l，t，ti分別表示油管內流體、油管柱和油管內壁面；k為熱傳導系數，W／（m·K）；T為溫度，K；z 為井深，m；h 為界面間的對流換熱系數，W／（m2·K）；r為單元半徑，m；Q為摩擦生熱量，J／s；A 為單元體的橫截面積，m2；c 為比熱，J／（kg·K）；t為時間，s；v為流體流速，m／s。

油管壁單元的能量平衡方程為：

式中，下標i＝to、cl、ci分別表示油管外壁、油套環空和套管內壁。

其他單元的能量平衡方程均為：

式中，w為環空內流體、套管、水泥環、地層單元。

采用差分網格對式（5）～（7）進行離散，結合邊界條件、初始條件，可采用有限差分法計算出不同時刻整個井筒二維剖面內不同位置的溫度。為改造期間施工壓力精細控制參數計算提供了基礎數據。

2 改造期間施工壓力精細控制

儲層改造期間的井口油壓既要滿足儲層改造的需求，又應確保油套管安全，綜合考慮井口管柱和封隔器上部套管強度來確定施工泵壓上限值。同時以確保改造過程中油管柱、封隔器和套管柱安全為基本原則，開展井筒管柱系統力學分析，得出儲層改造過程中不同施工泵壓下A 環空壓力控制范圍［17-20］。

對于不同施工泵壓下A 環空壓力控制范圍的計算，考慮了兩種井筒環空結構及其相關結構因素：①油管頭；②井下安全閥；③封隔器；④油管柱；⑤生產套管；⑥尾管懸掛器；⑦地層；⑧尾管（圖1）。

圖1 高壓氣井井筒環空結構圖

針對高壓氣井整個改造過程中的不同施工泵壓，在兩種環空結構情況下，確保A 環空壓力值在安全范圍內，繪制出如圖2所示的壓力控制圖版，將施工壓力控制在圖2黃色區域內，從而保證作業期間各井屏障部件均安全，能夠有效提高高壓氣井改造后井的完整性。儲層改造結束后，及時對A 環空進行泄壓（一般保留3～5 MPa，便于觀察壓力變化，同時校驗壓力表是否處于正常工作狀態）。

圖2 某高壓氣井改造過程中不同施工泵壓下A環空壓力控制范圍圖

3 實例計算

某高壓氣井完鉆井深為7 310 m，地層孔隙壓力為116.01 MPa，地層溫度為204 ℃。油管頭壓力等級為105 MPa，環空保護液密度為1.23 g／cm3，改造泵壓為120 MPa，排量為4 m3／min，封隔器下深為7 200 m，封隔器壓力等級為70 MPa。油管柱和油層套管參數如表1所示。

表1 油管柱和油層套管參數表

根據該井的基本參數，針對不同改造施工泵壓條件開展所有井屏障部件的校核計算，得到確保所有井屏障部件安全所需的環空最大補壓值和最小補壓值，繪制儲層改造過程中不同施工泵壓下A 環空壓力控制范圍圖版，如圖2所示。

4 結論

1）根據井筒流體受力平衡條件，結合井筒壓降計算，建立了井筒壓力場預測模型；將井筒系統按軸向和徑向進行節點單元劃分，綜合考慮井筒系統上的軸向傳熱、徑向傳熱、對流換熱和摩擦生熱等影響利用能量平衡方程建立了井筒溫度場預測模型。

2）充分考慮井筒所有屏障部件的安全性，開展改造期間井筒屏障部件強度校核，得出了高壓氣井儲層改造過程中不同施工泵壓下A 環空壓力控制范圍計算方法，形成了一套高壓氣井改造期間施工壓力精細控制技術。