深水水下井口抬升預防方案研究

龐東豪

（中海油能源發展工程技術公司，天津 300450）

油氣井在勘探開發過程中，地層油氣水流將井底的熱量攜帶至井口，導致井口管柱受熱膨脹伸長并形成軸向上頂力。同時圈閉流體溫度升高，造成圈閉壓力，井口管柱在圈閉壓力條件下也會產生軸向上頂力，進而造成井口抬升，對油氣井生產造成重大安全隱患[1-8]。井口抬升現象嚴重影響了油氣井正常生產作業，與生產過程中產生的復雜的溫度變化和壓力變化密切相關[9-11]。

1 主流水下井口系統

1.1 Vetco公司

Vetco公司的產品廣泛應用于世界各地，生產水下井口系統的開始時間較早。該公司的水下井口系統主要有2種結構，分別可以掛四層和三層套管，“四掛”比“三掛”增加了非傳統尺寸套管掛，鉆井作業可以適應更多的套管層次和更小的壓力窗口。

該公司的產品主要有SG-5、SG-5XP、MS-700和MS-800等不同系列。

1.2 Dril-Quip公司

Dril-Quip公司產品同樣廣泛應用于世界各地，在南中國海的深水油氣勘探開發生產作業中應用較多。該公司的水下井口系統的額定工作壓力有69 MPa和103.5 MPa，在不同海洋環境中均可以很好地完成鉆完井作業。該公司的產品主要有SS-10和SS-15等不同型號。SS-15高壓井口頭結構如圖1所示。這2種型號的水下井口系統，主要是強度和適合水深不一樣，SS-10的額定壓力為69 MPa，SS-15的額定壓力為103.5 MPa，SS-10更適合淺水鉆完井作業，SS-15更適合深水鉆完井作業。

圖1 SS-15高壓井口頭結構示意圖

1.3 FMC公司

相比較于前兩家公司，FMC公司的產品有如下特點：（1）安裝密封沒有額定扭矩的要求；（2）作業過程中的起下鉆次數較少，因為其下放工具集合成了模塊；（3）起下難度較小，受井口傾斜角的限制較小；（4）安裝快，鉆完井效率更高。

該公司的產品主要有UWD-15、UWD-10和UWD-HC等型號，HC型號又包括HC-15和HC-20等不同壓力等級，15型號也包括標準型、帶流道型和預載荷型等不同產品。

1.4 Aker公司

Aker公司的產品最主要特點是采用了金屬密封，其主要優點是：（1）密封總成可承受載荷較高；（2）套管受力可以直接作用于高壓井口頭；（3）環空密封鎖緊裝置設計成2個方向鎖緊，更適用于深水或高壓油氣井的勘探開發。

該公司的產品主要是S-B型水下井口系統，額定壓力是103.5 MPa。

2 預防井口抬升監測和預測

為了有效防止井口抬升事故的出現，必須對可能產生井口抬升的種種跡象進行監測或預測。井口產生明顯的軸向位移、井口的溫度明顯升高和氣井產量較大以及環空壓力升高都是較為敏感的影響因素，密切監視這些敏感因素或在作業前的設計階段進行軟件仿真模擬預測，都是減小井口抬升風險的有效方式[12-15]。

2.1 水下井口應力數據采集

在陸地油田或海上作業的水上井口，井口抬升產生的軸向位移的跟蹤監測通常可以用現場可視化甚至人工的方式進行，較為常見的方式是在位移敏感部件參照物上標識刻度、安裝位移傳感裝置或安裝位移監測警報系統，當井口的軸向位移超過某一邊界值，即視為井口抬升風險過高，需要進行必要的應對。

而在海上深水作業或淺水水下作業工況下，采取上述方式不經濟甚至無法完成。較為可行的方式是采集和監測井口的應力，再用配套的軟件對采集到的應力進行受力分析，當受力超過某一邊界值，即視為井口抬升風險過高，即啟動相應的處理程序。

2.2 水下井口溫度數據采集

油氣井生產過程中，如果地層溫度較高，產出的地層油氣水流攜帶的熱量會逐步加熱井口及附近的管柱。通常情況下，未進行固井水泥封固的套管自由段的軸向伸長和相應的上頂力是造成井口抬升的敏感因素。而溫度升高造成的環空壓力升高，其軸向的分力也會產生上頂力，對井口抬升形成部分誘因。

如果把套管自由段的軸向伸長和環空壓力看作抬升上頂力的自變量，把上頂力看作井口抬升風險邊界值的自變量，而井口溫度就是套管軸向伸長和環空壓力的自變量，所以水下井口溫度數據的采集則是減小井口抬升風險的有效方式。

2.3 產量和環空壓力數據采集

如上所述，環空壓力可能間接造成井口抬升。如果未產生環空壓力的影響（即環空壓力產生的軸向上頂力接近0），產量較大時可能發生井口抬升，因此需要密切監測產量；如果存在環空壓力時，生產過程中的井口抬升風險同時受到產量和環空壓力影響，因此需要充分評估和統籌考慮產量和環空壓力的綜合影響。

對于深水水下井口系統，只有A環空的環空壓力可以監測和控制，水下生產系統A環空壓力管理方式，如圖2所示。實際作業過程中需要結合不同工況進行分析計算，結合實際產量進行井口抬升風險評估。

圖2 水下生產系統A環空壓力管理方式

2.4 軟件仿真模擬預測

評價和減小井口抬升風險，是海上深水水下生產系統作業設計階段不可或缺的內容。通過軟件進行建模，然后對沒有環空壓力管理及井口抬升預防措施進行可行性分析，繼而對不同產量、不同地層溫度壓力和不同環空壓力管理方式進行敏感性分析，充分評估井口抬升的風險，進而在設計階段采取不同的方案進行防范，以達到安全高效生產的目的。Workbench平臺下有限元模擬分析的數據關聯如圖3所示。

圖3 Workbench平臺下有限元模擬分析的數據關聯

3 水下井口抬升預防方案

3.1 保證表層套管下深和上返

水下井口抬升的預防，首先需要防止整體抬升，而大尺寸的導管和表層套管有決定性的影響。表現在導管和表層套管本身的重力較大，可以部分克服中間套管和生產套管受熱伸長產生的上頂力。其次，大尺寸的導管和表層套管與井壁的接觸面積較大，軸向摩阻可以很大程度減小井口整體抬升的風險。

而導管的入泥深度受到淺層地層強度的影響，同時需要考慮井口穩定性，其下入深度通常受到限制。而表層套管下入深度較大，且水泥返高盡量上返至泥線并保證固井質量，一方面可以增加軸向的摩阻，另一方面可以減少套管自由段造成的軸向上頂力，進而降低水下井口抬升的風險。

3.2 安裝套管熱補償裝置

在高溫高壓氣井生產過程中可以采用套管熱補償裝置來避免由于套管溫度升高所帶來的井口抬升而引起的危害。熱補償裝置的工作原理是當套管受熱伸長產生軸向力，軸向力達到一定邊界值時剪斷銷釘，中心管和外管產生相對位移，從而減小套管的軸向伸長。在海上深水作業中，日趨成熟的配套技術，讓這項陸地應用成熟的技術應用到海上深水成為可能。

3.3 限定測試或生產產量

如前所述，海上探井的測試產量或生產井的生產產量較大時，攜帶地層的熱量更快更多，可能發生井口抬升，需要密切監測產量；而產量較大可能造成環空壓力升高，進而間接升高井口抬升風險，生產過程中的井口抬升風險受到產量影響最大。因此，需要嚴格控制探井測試和生產井生產的產量。

3.4 使用隔熱技術

在深水水下生產系統生產過程中，井口抬升的原因歸根結底是地層熱量攜帶至井口，并在井口附近傳遞熱量，繼而造成熱膨脹產生了軸向的上頂力。如果在油套環空試用隔熱完井液，最大程度地減小熱傳遞，則可有效避免井口抬升的發生。

另外，使用隔熱套管、隔熱水泥材料，充填隔熱氣體、隔環空保護液等措施也是很好的隔熱措施，不過材料成本較高，限制了其應用和推廣。隔熱油管及結構示意圖如圖4所示。

圖4 隔熱油管及結構示意圖

3.5 減少套管自由段

相對于套管的水泥封固段，套管自由段的軸向上頂力和伸長量更大。在預防海上油氣井井口抬升時，可以在設計階段提高水泥返高，特別是表層套管，因為尺寸較大繼而相應的自由段受熱上頂力更大，從而更需要減少套管自由段，沒有特殊情況下，應盡量返高到泥線。中間套管和生產套管的水泥返高，應統籌考慮環空圈閉壓力的影響，避免水泥返高過高導致的環空壓力過大。

3.6 提高固井質量

類似于上述減少套管自由段的理論，相對于套管的水泥封固段，套管自由段的軸向上頂力和伸長量更大。套管水泥環膠結質量不好的比例越大，相當于自由段套管長度越長，井口抬升的風險越大，因此應該盡量保證套管的固井膠結質量。

3.7 使用水下井口防抬升鎖緊環

帶鎖緊環的深水水下井口系統包含高壓井口頭、套管掛（套管掛個數根據套管層數確定）、環空密封（本體及鎖緊環）、鎖緊補心裝置（本體、驅動環及鎖緊環），緊鄰鎖緊補心的套管掛上端面與鎖緊補心本體接觸，鎖緊補心下端面與緊鄰套管掛不接觸，存在縫隙。水下井口防抬升鎖緊環結構示意圖如圖5所示。

圖5 水下井口防抬升鎖緊環結構示意圖

環空密封的鎖緊環座于高壓井口的限位槽內，鎖緊補心的鎖緊環座于高壓井口的鎖緊槽內，從而限制套管掛上移，達到預防井口抬升的目的。水下井口防抬升鎖緊環實物圖如圖6所示。

圖6 水下井口防抬升鎖緊環實物圖

4 結論

（1）世界范圍內，主流水下井口系統的生產商包括Vetco公司、Dril-Quip公司、FMC公司和Aker公司等。

（2）預防井口抬升監測和預測方式，包括井口位移監測、井口溫度監測、產量及環空壓力監測和軟件仿真模擬預測等。

（3）水下井口抬升預防方案，包括保證表層套管下深和上返、安裝套管熱補償裝置、限定測試或生產產量、使用隔熱技術、減少套管自由段、提高固井質量和使用水下井口防抬升鎖緊環等。