密閉環(huán)空熱膨脹壓力全尺寸模擬實驗

胡志強， 李 鑫， 金 鑫， 曹 耐， 張 亢， 李舒展

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究， 北京 100101； 2.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院， 北京 102249; 3.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點試驗室， 北京 100101)

由于地層壓力剖面的不確定性和固井技術(shù)條件的限制，深水、深層油氣井套管結(jié)構(gòu)復雜、層次較多，易形成多層密閉環(huán)空結(jié)構(gòu)。油氣運移過程中井筒高溫流體與地層低溫環(huán)境間巨大的溫差作用，會導致密閉環(huán)空內(nèi)的流體介質(zhì)吸熱膨脹，產(chǎn)生較大熱力載荷，從而導致套管擠毀變形，嚴重威脅井筒完整性。目前針對密閉環(huán)空熱膨脹壓力研究主要集中于模型預測，張波等[1]、胡志強等[2]研究建立了基于環(huán)空流體狀態(tài)方程的預測模型，石小磊等[3]、胡志強等[4]研究了基于環(huán)空體積相容性原則的計算方法，主要包括套管剛性強度和敏感性參數(shù)分析等方面。但針對熱效應引起的環(huán)空壓力全尺寸模擬實驗尚處于空白，導致預測模型結(jié)果缺少實驗數(shù)據(jù)的對比。因此有必要開展環(huán)空熱膨脹壓力形成室內(nèi)模擬實驗，設計相關(guān)模擬實驗裝置和方案，分析高溫熱流體在井筒運移過程中對套管密閉環(huán)空溫度和環(huán)空壓力造成的影響，研究多層套管環(huán)空之間的相互作用機理，驗證理論模型的計算結(jié)果和精度，以期為深水、深層油氣井實際工程設計和環(huán)空壓力防治措施優(yōu)選提供實驗數(shù)據(jù)支持。

1 實驗設計

目前關(guān)于環(huán)空壓力模擬實驗較少，Williamson等[5]研制出一套測定環(huán)空流體熱膨脹壓力的實驗裝置，實驗原理是通過加熱小型高壓釜內(nèi)熱電偶裝置，使得環(huán)空流體升溫至設定值，再通過壓力計讀取流體熱膨脹壓力，得到高壓釜內(nèi)流體環(huán)空壓力與溫度的變化關(guān)系，但是從深水井身結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)場工況角度出發(fā)，該實驗還存在以下不足。

(1)沒有考慮層環(huán)空相互間的影響。深水、深層井身結(jié)構(gòu)特點決定了密閉環(huán)空無法獨立存在，必定會受到內(nèi)部油管環(huán)空和外部套管環(huán)空的影響。

(2)忽略了套管結(jié)構(gòu)尺寸效應。深水、深層井常用套管尺寸較大，內(nèi)徑和壁厚的變化會對環(huán)空應力造成影響。

(3)沒有模擬實際的環(huán)空溫升工況。實際生產(chǎn)中，密閉環(huán)空溫度升高是由于油管內(nèi)高溫流體徑向傳熱導致的，可以通過調(diào)節(jié)油井產(chǎn)量和生產(chǎn)時間來改變環(huán)空溫度和壓力。

(4)忽略了水泥環(huán)和地層邊界限制。高壓釜在溫壓耦合作用下產(chǎn)生形變，體積自由膨脹，降低環(huán)空壓力。

針對上述問題，設計一種雙環(huán)空井段井筒模擬實驗裝置，通過內(nèi)層套筒循環(huán)高溫流體，模擬實際油管生產(chǎn)過程，調(diào)節(jié)流體循環(huán)溫度、循環(huán)時間和循環(huán)流量模擬實際生產(chǎn)措施的變化；外層兩套筒分別模擬密閉A環(huán)空和B環(huán)空，環(huán)空內(nèi)部填充滿實驗環(huán)空流體；將井筒模擬實驗裝置整體置于地層土中，利用水泥漿灌入設備向套筒裝置與地層間隙內(nèi)部注入水泥漿，使得實驗套筒、水泥環(huán)和地層共同構(gòu)成井筒地層模擬系統(tǒng)。實驗過程中通過各類溫度傳感器、壓力傳感器和傳輸管線實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和整理，實驗整體方案設計如圖1所示。

圖1 環(huán)空壓力全尺寸模擬實驗方案設計圖Fig.1 Design scheme of full-scale simulation experiment scheme for annular pressure buildup in deepwater wells

2 實驗設備

2.1 實驗套筒

為了模擬實際井身結(jié)構(gòu)，實驗使用三層管柱制作模擬雙環(huán)空井段套筒：外層套管尺寸為339.7 mm，模擬封固段套管；中間層套管尺寸為244.5 mm，模擬自由段套管；內(nèi)層套管尺寸為139.7 mm，模擬油管，套管高度均為80 cm，模擬生產(chǎn)過程中井筒單元體長度，表1為實驗套管參數(shù)。

表1 實驗套管參數(shù)

實驗套管柱兩端通過焊接方式與密封蓋板連接，保證實驗套筒的密封完整性；同時在套筒上端密封蓋板預留出多個螺紋短節(jié)，分別與油管循環(huán)管路、環(huán)空插入式溫度計和壓力計連接，記錄實驗數(shù)據(jù)。實驗套筒完整結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實驗套筒結(jié)構(gòu)Fig.2 Experimental casing structure

2.2 實驗儀器

實驗主要使用的儀器包括流體循環(huán)設備和數(shù)據(jù)采集設備兩大類：循環(huán)設備主要包括高溫循環(huán)泵、恒溫加熱水浴爐、渦輪流量計以及循環(huán)軟管。高溫循環(huán)泵為實驗內(nèi)部油管提供流體循環(huán)動力，額定功率1 100 W，額定流量11 m3/h；恒溫加熱水浴爐可多檔自動加熱，長時間保持流體溫度的穩(wěn)定，額定功率2 800 W，實際容量41L，可調(diào)節(jié)溫度范圍30～120 ℃；渦輪流量計耐溫范圍-20～100 ℃，測量精度高，流量量程范圍0.1～1.2 m3/h，精度等級0.5級。

3 實驗流程與步驟

實驗設定了3組溫度變量(50、60、70 ℃)、4組流量變量(2、5、8、10 L/min)，同時，根據(jù)文獻[6]分析，環(huán)空升溫升壓導致井筒地層產(chǎn)生彈性變化，在停止循環(huán)加熱后，環(huán)空溫度、壓力和套管形變量均會恢復，因此為了測量套管自然散熱過程中環(huán)空溫度和壓力的變化情況，實驗一共分為高溫加熱和自然散熱兩部分，每次實驗全程持續(xù)時間約為7 h。環(huán)空熱膨脹壓力全尺寸模擬實驗具體測試步驟如下。

(1)首先將實驗套筒放置入地層，采用吊裝設備扶正套筒居中，利用水泥漿灌入設備向套筒裝置與地層間隙內(nèi)部注水泥漿，等待水泥漿候凝。在固井完成后，連接好實驗中所需的流體循環(huán)設備和數(shù)據(jù)采集設備，調(diào)節(jié)好儀器參數(shù)，準備循環(huán)加熱。

(2)在開始加熱循環(huán)之前，需要先測定實驗套筒各層環(huán)空的初始溫度、壓力。在確認初始條件后，首先將水浴爐中的流體加熱升溫至設定溫度，并維持恒定，然后通過循環(huán)軟管先將油管內(nèi)部低溫流體排出，防止低溫流體在循環(huán)中對實驗的干擾，再開始正式循環(huán)實驗。記錄儀每隔1 min自動記錄一組數(shù)據(jù)點。

(3)當高溫流體循環(huán)一段時間后(2～3 h)，實驗套筒A、B環(huán)空溫度和壓力維持穩(wěn)定，讀數(shù)不再上升，這時可認為實驗井筒內(nèi)部的傳熱過程達到了擬穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，各部分介質(zhì)溫度和壓力上升到了最大值，此時可以停泵關(guān)閉循環(huán)閥門，結(jié)束高溫加熱階段實驗。

(4)在停止循環(huán)后，讓實驗套筒自然散熱泄壓，仍然通過數(shù)據(jù)采集設備記錄環(huán)空內(nèi)部的溫度和壓力變化，直至實驗結(jié)束(7 h)。

(5)在下一次實驗開始前，首先需要檢查環(huán)空液體是否滲漏，若有，則需要通過環(huán)空液補給設備使環(huán)空再次填滿液體。然后檢查流體循環(huán)設備和數(shù)據(jù)采集設備，調(diào)節(jié)好儀器參數(shù)，準備再次實驗。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 環(huán)空溫度變化規(guī)律

圖3為不同循環(huán)溫度和流量條件下，環(huán)空溫度隨測試時間的變化情況。可以看出，在加熱循環(huán)階段，隨著循環(huán)流量持續(xù)的增加，A環(huán)空和B環(huán)空的溫度隨之顯著上升，由于熱阻效應和井筒擬穩(wěn)態(tài)傳熱，A環(huán)空比B環(huán)空升溫速率更快，溫度峰值更高；此外，循環(huán)溫度越高，環(huán)空溫度上升越高，環(huán)空溫度達到峰值所耗時間越短。在自然散熱階段，A環(huán)空溫度始終高于B環(huán)空，該階段的散熱速率要低于加熱階段，隨著實驗測試時間的延長，實驗各層套筒環(huán)空溫度趨于平穩(wěn)，直至恢復到地層溫度。

圖3 環(huán)空溫度隨測試時間的變化規(guī)律Fig.3 The variation of annulus temperature with test time

4.2 環(huán)空壓力變化規(guī)律

圖4為不同循環(huán)溫度和流量條件下，環(huán)空壓力隨測試時間的變化情況。可以看出，與環(huán)空溫度規(guī)律類似，在加熱循環(huán)階段，隨著循環(huán)流量的增加，A環(huán)空和B環(huán)空壓力顯著上升；循環(huán)流量越大、循環(huán)溫度越高，環(huán)空壓力上升速率越快，越早達到峰值。在自然泄壓階段，A環(huán)空比B環(huán)空壓力泄壓速率快，隨著實驗測試時間的延長，實驗各層套筒環(huán)空內(nèi)壓力趨于平穩(wěn)。此外在高溫加熱和自然泄壓兩個階段，環(huán)空壓力上升和下降速率基本保持一致。

4.3 環(huán)空壓力增量

圖5為不同循環(huán)溫度和循環(huán)流量條件下，環(huán)空壓力與環(huán)空溫度增量之間的變化情況。從實驗過程和結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)空壓力上漲幅度比環(huán)空溫度要小，在實驗測試初期，隨著環(huán)空溫度的上升，壓力并未出現(xiàn)明顯變化，當溫度超過某一閾值時，環(huán)空壓力快速增加，接近線性變化趨勢。分析原因，主要是由于環(huán)空流體中含有部分可壓縮溶解氣體所導致[7]。在實驗開始階段，環(huán)空流體受熱膨脹，體積發(fā)生變化，擠壓流體內(nèi)部含有的可壓縮性溶解氣，導致環(huán)空壓力沒有顯著上升；隨著環(huán)空溫度的逐步升高，溶解氣體積無法進一步被壓縮，環(huán)空流體熱膨脹開始擠壓套筒，從而產(chǎn)生環(huán)空壓力。此外，循環(huán)流量越小，環(huán)空壓力線性增長部分斜率越高，這是由于在低流速情況下，系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)對流換熱過程更充分，單位溫度增量導致環(huán)空壓力變化更劇烈。

圖5 環(huán)空壓力與環(huán)空溫度增量之間的關(guān)系Fig.5 The variation of annulus pressure with test time

根據(jù)環(huán)空壓力理論和實驗結(jié)果分析得到，在井筒地層彈性系統(tǒng)中，環(huán)空壓力上升和下降過程可視作可逆反應，其中在升溫增壓后期和散熱泄壓前期，溶解氣已基本被完全壓縮，對環(huán)空壓力產(chǎn)生的影響較小，環(huán)空流體產(chǎn)生的壓力隨溫度呈線性變化。因此，為了能夠更加準確地評估實驗過程中環(huán)空流體自身產(chǎn)生環(huán)空壓力的能力，盡可能排除可壓縮溶解氣體的干擾，實驗可選取環(huán)空壓力隨溫度線性增加和下降部分進行研究。同時，由于實驗數(shù)據(jù)記錄具有不連續(xù)性，無法直接比較各種工況下的環(huán)空壓力大小，因此引入環(huán)空壓溫比的概念[8]來表征環(huán)空壓力隨溫度變化的波動程度，其定義為套管環(huán)空中單位溫度增量引起的壓力變化，可表示為

(1)

式(1)中：ΔPann為套管環(huán)空的壓力增量， MPa；ΔTann為套管環(huán)空的溫度增量， ℃；

根據(jù)計算模型并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，可以得到實驗中高溫加熱階段，自然散熱階段，雙環(huán)空壓力預計模型和純水受熱膨脹四類環(huán)空壓溫比的數(shù)據(jù)，如圖6所示?？梢钥闯觯驗闇囟葘兯臒崃W性質(zhì)受影響較大，純水受熱膨脹所產(chǎn)生的環(huán)空壓溫比最高，隨著循環(huán)溫度和流量的增加，環(huán)空壓溫比依次上升；實驗流體為含有部分溶解氣的水，由于氣體的可壓縮性緣故和實驗套管的彈性變形，導致測試得到的環(huán)空壓溫比比理論計算值偏低；此外，隨著實驗循環(huán)流量持續(xù)的增加，環(huán)空壓溫比略有下降，這也說明在低流速情況下，環(huán)空內(nèi)部換熱更為充分，單位溫度產(chǎn)生的環(huán)空壓力更大；由于熱阻和井筒擬穩(wěn)態(tài)傳熱效應影響，A環(huán)空比B環(huán)空的環(huán)空壓溫比大，隨著實驗循環(huán)溫度的升高，環(huán)空壓溫比均會上升。

圖6 環(huán)空溫度隨測試時間的變化規(guī)律Fig.6 The variation of annulus temperature with test time

同時，可以看出，自然散熱階段比高溫加熱階段的環(huán)空壓溫比要略高，這是由于高溫加熱后期，已被壓縮的溶解氣仍然會繼續(xù)被壓縮，吸收部分環(huán)空壓力；在散熱泄壓階段，環(huán)空溫度下降緩慢，使得環(huán)空流體體積與環(huán)空壓力更容易恢復完全，溶解氣的干擾更小。此外，通過對比環(huán)空實驗數(shù)據(jù)與雙環(huán)空壓力預計模型計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)相對偏差精度均在10%以內(nèi)，滿足理論和現(xiàn)場實際需求，進一步驗證了本文構(gòu)建的理論模型的準確性和適用性。

5 結(jié)論

(1)實驗分為高溫加熱和自然散熱測試兩部分，在加熱循環(huán)階段，隨著循環(huán)流量的增加，A環(huán)空和B環(huán)空的溫度壓力顯著上升，A環(huán)空比B環(huán)空升溫增壓速率更快，溫度壓力峰值更高；在自然散熱階段，A環(huán)空和B環(huán)空散熱速率基本一致，A環(huán)空壓力下降更快，隨著測試時間的延長，實驗套筒環(huán)空內(nèi)溫度壓力基本恢復初始狀態(tài)。

(2)由于環(huán)空流體中含有部分無法消除的可壓縮溶解氣體，導致環(huán)空壓力上漲幅比環(huán)空溫度要小。在升溫增壓后期和散熱泄壓前期，溶解氣已基本被完全壓縮，對環(huán)空壓力影響較小，環(huán)空流體產(chǎn)生的壓力隨溫度呈線性變化。

(3)利用環(huán)空壓溫比的概念來比較高溫加熱階段、自然散熱階段、雙環(huán)空壓力預計模型和純水受熱膨脹過程中單位溫度增量產(chǎn)生的環(huán)空壓力大小。其中純水受熱膨脹所產(chǎn)生的環(huán)空壓溫比最高；自然散熱前期的環(huán)空壓溫比更能反映出環(huán)空流體產(chǎn)生的壓力的能力大小；雙環(huán)空壓力預計模型計算結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)偏差均在10%以內(nèi)，滿足理論和現(xiàn)場實際需求。