氣井管柱完整性技術研究進展與展望

李昱杉

摘要：氣井完整性管理是一種用于生產控制的新技術和新概念。這不僅是對油氣井整個生命周期的管理，而且是對有效減少井中地下流體量的應用技術、運營和組織措施的綜合管理。氣井建設和運營中的安全隱患在合理可接受的范圍內，從經濟上，合理地降低了氣井建設的可能性，確保氣井的安全運行。本文對氣井管柱完整性技術研究進展進行分析，以供參考.

關鍵詞：氣井管柱;完整性技術;研究進展

引言

近年來，中國在深層-超深層天然氣勘探領域取得了一系列重大突破，在東部盆地突破5000m，西部盆地突破8000m。據統計，中國石油天然氣股份有限公司深層-超深層新增探明天然氣地質儲量占比由“十一五”的平均38.8%增長至“十二五”的平均59.6%，深層-超深層已經成為中國陸天然氣儲量、產量增長的重要領域。隨著井深增加，井底溫度增高，龍崗70井井底溫度為161℃，五探1井井底預計溫度為180℃，塔探1井最高井底溫度超過200℃。

1油管柱結構沖蝕完整性

油氣井管材及管柱結構完整性管理指通過測試和監控等方式獲取與管柱結構相關的信息，并進行集成和整合，對有可能會造成井筒完整性失效的危害因素進行風險評估，有針對性地實施管柱結構完整性評價。為了避免或減少油氣井完整性破壞事故的發生，保障油氣井安全高效生產，應該制定有效的管理制度及技術措施。現有的標準只適用于常規井的生產和開發，但近20年來，油氣井井深平均增加了1倍以上，井內溫度、壓力相應提高，大規模交替注采、壓力循環波動易造成地質構造失穩出砂使管柱完整性失效和井屏障退化，甚至導致泄漏、燃燒或爆炸等事故發生，對人員生命和財產安全造成重大威脅。而失效事故頻發的根本原因是對管柱系統的完整性和可靠性缺乏系統、全面的考慮和管理。在嚴酷的井下環境中，高溫高產氣井管內固、液混合多相流沖蝕損傷管柱，使其承載能力降低，而在實際工況中沖蝕導致管柱失效的形式是多種多樣的，建立完整、全面的沖蝕管控和相應措施至關重要。

2不同開井產量和開井時間對水合物生成區域的影響

井筒中的溫度接近外界環境溫度（泥線處井筒內的溫度最低為3℃），井筒內溫度低、壓力高，滿足水合物生成所需條件。對于不同開井產量，井筒中溫度都隨著開井時間的增長逐漸上升，但上升幅度逐漸變小，最終管柱溫度和地層環境溫度達到傳熱穩定狀態后不再變化，井筒中的水合物生成區域達到最小。這種現象出現是因為在初開井時井筒內部的溫度低，地層熱流體進入井筒之后，初始溫度升高較快，隨著井筒內溫度與外界環境溫度的傳熱趨于穩定，傳熱速率減小，因此溫度升高幅度隨時間減小。結合水合物相平衡曲線，可以得到初開井過程中的水合物生成區域變化情況，可以看出開井時間越長，管柱中水合物生成區域越小，且管柱內溫度與水合物相平衡溫度之間的橫向距離（過冷度）越小，水合物生成風險越小，以初開井時的水合物生成區域最大。例如當產量為120×104m3/d時，開井時的水合物生成區域為井口平臺至泥線以下457m（0～1934m），開井2h后，井筒中的溫度高于水合物生成溫度，不滿足水合物生成條件，水合物生成風險消失。為深水氣井NH-AX開井1h不同產量的水合物生成區域。可以看出產量越大，流體在管柱及泥線處的溫度越高，水合物生成的風險也越小。例如當開井產量為40×104m3/d時，從測試平臺到井深1720m處均有水合物生成風險;而當開井產量為120×104m3/d時，水合物生成僅存在于測試平臺到820m的井深處，高產量下的水合物生成風險降低了。

3氣井管柱完整性的主要研究進展

3.1鉆桿適用性評價方法研究與應用

在“九五”期間，中國石油天然氣集團公司石油管道技術研究院（以下簡稱“管理研究院”）將與有關部門合作。研究開發技術和軟件，以評估鉆桿的安全性和可靠性。本標準適用于氣井鉆桿的失效分析和安全評估。主要功能包括評估損壞的鉆桿的安全性（FAD估算和缺陷尺寸曲線），預測鉆桿的疲勞壽命以及評估鉆桿的安全性和可靠性。性能和風險，鉆桿的操作限制（包括APIRP7G含量），用于定量分析鉆桿破裂事故的原因。主要創新包括：解決鉆桿斷裂缺陷和損傷評估圖的關鍵技術的研究，包括計算粘度比（Kr）和載荷系數（Lr）的方法;使用有限元法的系統鉆桿執行大量計算和應力分析，以在鉆桿中產生裂紋，解決形狀缺陷的應力強度系數。

3.2基于應變的熱采井管柱設計與選材技術

根據彈塑性變形理論，以變形為主要控制參數，引入了統一的伸長率和蠕變速度等技術指標。建立了用于計算管柱效率指示器系統，螺紋連接合格率的評定方法。共同開發了新的殼牌80SH，并制定了四個石油行業標準。新疆油田采用傳統固井技術，已完成8個現場試驗和7輪注蒸汽后測井。闡明了熱采井中套管的破壞機理，從熱套管的構造出發，提出了防止熱回收井的塑性變形所引起的套管在套管中的變形，收縮，破壞和運行的問題。熱采井中套管剪切的主要原因是泥巖膨脹和蒸汽泄漏引起的高溫密封失效。基于彈塑性理論，充分考慮塑性變形的特性，開發出了一種能夠充分發揮材料潛力的基于變形的量規計算方法，并保證套管柱在其整個生命周期中的安全性。在繼承現有應力計算方法的基礎上，確定管柱的基礎材質必須符合鉆井和完井要求，并符合三軸強度設計要求。三軸強度測試結果表明，管柱載荷需在應力橢圓VME的80%以內，并且整個載荷線都在安全范圍內。

結束語

1）沖蝕失效是沖蝕與載荷綜合作用的結果，破壞管柱結構完整性，現有相關標準并不能完全保證在服役過程中的管柱結構完整。因此需要在管柱結構完整性標準的基礎上，研究油管柱結構沖蝕完整性，并建立考慮沖蝕管柱結構優化設計方法。2）當日產量固定時，在油管下部適當選用內徑大壁厚較薄組合油管，可降低臨界沖蝕流量，提高油管抗沖蝕能力。相比改變組合油管上部壁厚，改變下部油管壁厚能明顯提高抗沖蝕能力。

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