張喜明，樊建春*，劉迪，劉書杰，呂寧貽，梁政偉，文敏

1 中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249

2 中海油研究總院，北京 100027

0 引言

隨著我國海洋油氣發(fā)展規(guī)模的擴大，天然氣井因油套管失效穿孔、封隔器退化而造成的環(huán)空帶壓問題日益突顯[1-2]。環(huán)空帶壓輕則影響天然氣產(chǎn)量、降低采收率，重則擠毀井筒管柱、造成井噴等災(zāi)難性事故，已成為危及海上天然氣井開發(fā)生產(chǎn)安全的首要問題[3-6]。

1991年，A. J. Adams建立了密閉環(huán)空內(nèi)流體熱膨?qū)е碌沫h(huán)空壓力計算模型[7]。1999年，N. Somei最早對天然氣在環(huán)空水泥環(huán)中的運移行為進行了系統(tǒng)性實驗研究[8]。2001年，路易斯安娜州大學(xué)A. K.Wojtanowicz等人在前人的研究基礎(chǔ)上，歸納了5種環(huán)空帶壓類型，并建立了系統(tǒng)的天然氣經(jīng)過水泥環(huán)滲流—環(huán)空保護液中運移—井口聚集過程的機理模型[9-14]。隨著環(huán)空井口壓力計算模型的完善，研究人員發(fā)現(xiàn)：單一的環(huán)空井口壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)不足以支撐對環(huán)空帶壓井安全狀態(tài)的評價，逐漸提出了多參數(shù)監(jiān)測方法，開發(fā)了相關(guān)的井口壓力、泄壓流量等監(jiān)測設(shè)備，如挪威Scanwell公司的井完整性監(jiān)測系統(tǒng)[15-17]。結(jié)合環(huán)空壓力預(yù)測模型和環(huán)空井口壓力恢復(fù)早期階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，Tony Rocha-Valadez等人實現(xiàn)了環(huán)空帶壓井動態(tài)風險分析[18-19]。國內(nèi)學(xué)者高德利[20]、楊進[21]、張智[22]等人分別從環(huán)空井口壓力計算模型、環(huán)空帶壓井管理和環(huán)空帶壓預(yù)防的角度對氣井環(huán)空帶壓問題進行了相關(guān)研究。然而，以上研究主要集中在技術(shù)套管或表層套管的環(huán)空帶壓問題。而因生產(chǎn)管柱泄漏、封隔器失效等原因造成的“A”環(huán)空帶壓機理尚不清晰，缺乏有效的檢測、診斷技術(shù)。同時，國內(nèi)尚無可用于現(xiàn)場檢測的環(huán)空帶壓井檢測診斷系統(tǒng)。

本文首先闡述了考慮溫度影響的生產(chǎn)管柱和“A”環(huán)空壓力剖面計算模型。在此基礎(chǔ)之上建立了基于井筒壓力分布的井下管柱泄漏地面定位模型。同時，研制了適合海上環(huán)境的綜合壓力、流量、溫度、液位及環(huán)空氣體組分參數(shù)的環(huán)空帶壓地面檢測診斷系統(tǒng)。為了驗證系統(tǒng)的診斷功能，開展了海上氣井環(huán)空帶壓現(xiàn)場試驗。建立了生產(chǎn)管柱泄漏位置與“A”環(huán)空井口壓力之間的定量關(guān)系，明確了生產(chǎn)管柱泄漏導(dǎo)致“A”環(huán)空帶壓的機理。最后提出了引入環(huán)空液面位置監(jiān)測數(shù)據(jù)作為環(huán)空帶壓評價的指標及其原理。為海上氣井的完整性管理、修井及采氣作業(yè)安全控制提供技術(shù)支撐。

1 環(huán)空帶壓井氣體泄漏途徑

圖1所示是海上氣井典型井身及生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)。按照井筒由內(nèi)到外的順序，依次是生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管、中間技術(shù)套管(1～3層，視井深和地層情況而定)、表層套管/隔水管。相鄰兩個管柱之間環(huán)形空間稱為環(huán)空。根據(jù)環(huán)空的位置，其分為生產(chǎn)套管環(huán)空(A環(huán)空)、中間套管環(huán)空(B環(huán)空)和表層套管環(huán)空(C環(huán)空)[23]。環(huán)空頂部通過油/套管懸掛器和油/套管頭與外界大氣環(huán)境隔離，環(huán)空底部通過生產(chǎn)封隔器/水泥環(huán)與井底油氣環(huán)境隔離。因此，在井筒結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)下，井內(nèi)/地層氣體無法進入到環(huán)空中。

圖1 井身及生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Well and production string structure

井筒結(jié)構(gòu)失效會使天然氣突破物理屏障無控制地流入淺層地層、海水或地表。NORSOK Standard D-010定義了井安全屏障為一個或幾個相互依附的安全屏障元件的集合，以確保地層中的天然氣可控地開采到地面[24]。如圖1所示，初級井安全屏障主要包括藍色部分井筒元件：生產(chǎn)封隔器、井下安全閥(Subsurface Safety Valve，SCSSV)和井下安全閥下部生產(chǎn)管柱；次級井安全屏障主要包括紅色部分井筒元件：采油樹本體、生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥、環(huán)空閘板閥、油管頭、油管懸掛器、生產(chǎn)套管懸掛器、生產(chǎn)套管和生產(chǎn)套管水泥環(huán)[25]。初級安全屏障失效會導(dǎo)致A環(huán)空帶壓。進入到A環(huán)空中的氣體突破次級安全屏障會導(dǎo)致B環(huán)空帶壓。因此，可將安全屏障元件失效作為基本事件分析氣井安全屏障失效形式。選擇環(huán)空帶壓為頂部事件，考慮了多個環(huán)空連通的情況，至上而下地深入分析，建立如圖2所示的氣井環(huán)空帶壓事故樹，各事件符號含義如表1所示。

運用布爾代數(shù)法對環(huán)空帶壓事故樹進行簡化處理，共得到54個割集，即造成環(huán)空帶壓的54種油氣泄漏途徑。進一步簡化，共得到{X5}，{X6}，{X7}，{X13}，{X15}，{X18}，{X1, X3}，{X2, X3}共8個最小割集。事故樹的最小割集代表事故發(fā)生最低限度基本事件的組合，從最小割集可以看出生產(chǎn)管柱組件發(fā)生泄漏是造成環(huán)空帶壓的最主要因素，開展環(huán)空帶壓井生產(chǎn)管柱泄漏診斷十分必要。

2 環(huán)空帶壓診斷原理

天然氣井完井后，在穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下，各環(huán)空井口壓力應(yīng)該是0。或者泄去因熱膨脹引起的環(huán)空壓力之后，關(guān)閉環(huán)空井口閘閥，在同樣穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下，環(huán)空井口壓力應(yīng)該繼續(xù)保持為0。如果關(guān)閉環(huán)空井口閘閥后，環(huán)空井口壓力上升甚至恢復(fù)為泄壓前壓力水平，這種現(xiàn)象叫做環(huán)空帶壓[11]。環(huán)空帶壓診斷首先需要甄別環(huán)空壓力的來源，排除因井筒受熱膨脹引起的環(huán)空井口壓力升高。其次，對于天然氣突破井筒結(jié)構(gòu)單元泄漏到環(huán)空中導(dǎo)致的環(huán)空帶壓問題，為了評價環(huán)空帶壓的風險等級，制定控制措施，需要確定環(huán)空壓力的來源，判斷失效的井筒元件，定位發(fā)生泄漏的位置。

2.1 環(huán)空壓力來源診斷流程

API RP90指出：當環(huán)空井口壓力超過環(huán)空最大允許井口操作壓力(MAWOP, Maximum Allowable Wellhead Operating Pressure)時，該井需要進行環(huán)空泄壓-壓力恢復(fù)測試。根據(jù)泄壓過程壓力隨時間的變化特征及是否恢復(fù)至泄壓前壓力水平判斷該井是否發(fā)生環(huán)空帶壓。而該測試流程無法確定發(fā)生泄漏的井筒元件。為有效分辨環(huán)空壓力來源，參考上文歸納的環(huán)空帶壓井氣體泄漏途徑，本文在API RP90的基礎(chǔ)之上，引入泄壓氣體組分分析，結(jié)合環(huán)空泄壓-壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)，判斷環(huán)空壓力的來源，診斷過程如圖3所示。

2.2 井下管柱泄漏地面定位原理

根據(jù)壓力平衡原理，當井下油、套管柱發(fā)生泄漏時，在穩(wěn)定狀態(tài)下，泄漏點處相鄰的兩根管柱內(nèi)部壓力應(yīng)該相等。反之，依據(jù)井口檢測參數(shù)及井身結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)可分別建立相鄰管柱壓力剖面，通過計算可得出二者壓力平衡的位置，則可確定出管柱泄漏的位置。如圖4所示，當生產(chǎn)管柱發(fā)生泄漏時，在油壓和套壓穩(wěn)定的狀態(tài)下(沒有產(chǎn)量調(diào)節(jié)和環(huán)空泄壓操作)，分別建立生產(chǎn)管柱壓力剖面和“A”環(huán)空壓力剖面。二者的交點即環(huán)空壓力和油管壓力的平衡點即為泄漏位置。

表1 井筒安全屏障失效事件Table 1 Failure control of safety barriers

圖2 環(huán)空帶壓事故樹Fig. 2 Fault Tree Analysis( FTA) for SCP

3 井下管柱泄漏地面定位模型

根據(jù)以上分析可知，井下管柱漏點定位的關(guān)鍵在于通過井口檢測數(shù)據(jù)和井身信息找到相鄰兩個管柱內(nèi)壓力的平衡點。本節(jié)分別建立了井筒溫度、壓力分布計算模型。由于二者沿井深方向是非線性分布的，不能通過公式反推壓力平衡點的深度，所以提出了一種迭代算法。

3.1 井筒溫度分布模型

在天然氣從地層流到地面的過程中，熱量會依次通過油管、套管、套管環(huán)空、套管、水泥環(huán)，從井筒內(nèi)的流體傳遞到地層中?；赗amey和Hasan-Kabir模型，忽略豎直方向上的熱量傳遞，假設(shè)生產(chǎn)管柱內(nèi)流體與第二接觸面(水泥環(huán)與地層之間接觸面)之間的傳熱為穩(wěn)態(tài)傳熱，從第二接觸面到井筒周圍地層中傳熱為非穩(wěn)態(tài)傳熱。根據(jù)能量守恒定理，對于井筒內(nèi)dz長度的微元體有如下微分方程[26]。

式中，P為井筒內(nèi)壓力，MPa。CJ為Joule-Thompson系數(shù)。Cpm為井筒液體平均比熱容，J/(kg·K)。g為重力加速度，kg/s。θ為井斜角，弧度?；谝陨戏匠?，Hasan-Kabir根據(jù)傳熱學(xué)知識，結(jié)合大量實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過一些列推導(dǎo)，得出以下井筒內(nèi)流體溫度計算公式[27]。

式中，Th為地層溫度，K。A為油管橫截面積，m2。參數(shù)φ代替流體動能改變項和焦耳湯姆遜效應(yīng)項。當氣井產(chǎn)液量Gt＜2. 27 kg/s時，φ=0。其他條件下φ通過下式計算[28]。

圖3 環(huán)空壓力來源檢測診斷流程圖Fig. 3 Diagnostic flow chart of SCP

在井筒穩(wěn)定條件下，生產(chǎn)管柱內(nèi)流體傳遞到套管環(huán)空的熱量與流體傳遞到第二接觸面的熱量相等，進而可計算出環(huán)空溫度為

3.2 井筒壓力分布模型

天然氣井生產(chǎn)后期會伴隨地層出水問題，產(chǎn)氣在井下管柱內(nèi)的流動方式為氣液兩相流動，其流動型態(tài)可分為泡狀流、段塞流、擾動流和環(huán)狀流。Hagedorn和Brown在實驗基礎(chǔ)之上建立了垂直管內(nèi)氣液兩相流動的壓降計算模型[29]。該模型利用Ros提出的無量綱準則數(shù)，通過圖形法計算有效空隙率，進而得到混合物的有效密度。Hasan和Kabir通過對垂直管流中氣液兩相流的流型轉(zhuǎn)變的機理分析，給出了不同流動階段各相的密度、速度計算公式[30-31]。由此得出深度為?z的井段井筒內(nèi)的壓降計算公式為

圖4 基于壓力平衡原理的管柱泄漏地面定位原理Fig. 4 Location principle of gas well based on the theories of pressure equilibrium

式中，d為井筒管柱內(nèi)徑，m。Q1為產(chǎn)量，Nm3/d。對于環(huán)空內(nèi)的氣體，沒有泄壓等操作時，處于靜止狀態(tài)。根據(jù)機械能量守恒定律，對于長度為dz的環(huán)空，有以下平衡方程

式中，氣體密度可通過氣體狀態(tài)方程計算

對液面上部環(huán)空，積分式(7)可得

對液面下部環(huán)空，任意深度z處，環(huán)空壓力是液面處壓力Pct與液柱壓力之和，即

3.3 井下管柱泄漏地面定位迭代計算模型

根據(jù)2.2節(jié)中井下管柱泄漏地面定位原理可知，建立生產(chǎn)管柱和環(huán)空壓力剖面后，即可通過反推二者平衡點對應(yīng)的深度來確定漏點位置。由于井筒溫度、壓力沿井深方向是非線性分布的，所以提出了井下管柱泄漏位置迭代算法。

如圖5所示，將井筒沿垂直方向均勻劃分為若干深度為?z的井段單元。當深度?z取合適大小時，可假設(shè)每個井段內(nèi)介質(zhì)的溫度和壓力等參數(shù)相等。根據(jù)在地面檢測到的井口溫度和壓力等參數(shù)，利用式(2)、式(4)、式(9)能夠分別計算該?z井段生產(chǎn)管柱和環(huán)空底部的溫度和壓力。依次往復(fù)分別計算出每個井段底部的壓力和溫度，進而可計算出全井的溫度和壓力分布。當計算至生產(chǎn)管柱中的壓力等于環(huán)空中壓力時，可認為該深度為泄漏點深度。初始條件：井筒首段單元的溫度、壓力等于地面檢測的井口溫度、壓力。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體的溫度和壓力是相互作用的，需要聯(lián)立求解。為了簡化計算過程，建立如圖6所示的迭代法求解過程。首先，假設(shè)計算井段內(nèi)油管/環(huán)空中流體的壓力。然后，據(jù)此計算該井段內(nèi)流體的其他熱物性參數(shù)，進而計算出流體的溫度。最后，計算出新的流體壓力，判斷該壓力和假設(shè)壓力的關(guān)系。如差值在工程允許范圍內(nèi)，則可接受。如若差別較大，則重新假設(shè)壓力繼續(xù)計算，直至符合要求為止。如此循環(huán)，最終可計算出全井油管/環(huán)空的壓力剖面并找出平衡點。

圖5 泄漏定位計算井筒網(wǎng)格劃分Fig. 5 Computational grid in the tubing and annulus

圖6 管柱泄漏位置計算流程圖Fig. 6 Flow chart of the calculation for leak locating

4 環(huán)空帶壓檢測診斷系統(tǒng)開發(fā)

工欲善其事必先利其器，為了診斷海上氣井環(huán)空帶壓問題，需要開發(fā)適合海洋平臺實際環(huán)境的氣井環(huán)空帶壓地面檢測診斷系統(tǒng)。環(huán)空帶壓檢測診斷系統(tǒng)需要具備兩方面功能：環(huán)空壓力來源診斷和井下管柱泄漏點定位。根據(jù)上文建立的診斷模型的求解條件，診斷系統(tǒng)需要檢測環(huán)空泄壓/壓力恢復(fù)過程中壓力、溫度和氣體流量的變化。同時，還需要檢測泄放出流體的組分和環(huán)空液面的位置。

環(huán)空帶壓檢測診斷系統(tǒng)由硬件和檢測診斷軟件兩部分組成。圖7是環(huán)空帶壓檢測診斷系統(tǒng)的硬件組成圖。主要包括環(huán)空液位聲波檢測模塊和環(huán)空流體檢測模塊?？紤]井場實際情況和各檢測模塊的工作特點，環(huán)空液位聲波檢測模塊安裝在井口油/套管頭上，而環(huán)空流體檢測模塊放置在井口附近位置，兩者之間通過耐高壓天然氣專用軟管連接。系統(tǒng)設(shè)計了3個檢測氣路，以檢測“A”、“B”、“C”3個環(huán)空是否有連通的情況。3個氣路均能夠檢測環(huán)空液位深度、環(huán)空壓力、環(huán)空溫度和環(huán)空氣體組分等參數(shù)。其中“A”環(huán)空檢測氣路為主檢測氣路，氣路中安裝有氣液分離器，能夠在環(huán)空泄壓-壓力恢復(fù)過程中檢測泄放氣體的流量。而兩個輔助氣路只檢測相鄰環(huán)空壓力、溫度，允許在開閥時泄放少量氣體，以防止流量計被液體或其他雜質(zhì)沖擊損壞。檢測系統(tǒng)的末端裝有氣體組分分析儀，用以檢測環(huán)空中氣體的組分。系統(tǒng)性能參數(shù)見表2。檢測系統(tǒng)電磁閥開關(guān)由PLC控制，溫度、壓力等數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡采集，采集數(shù)據(jù)帶寬14 bit，最大采樣頻率1000 Hz。下位機中的PLC和采集卡與上位機軟件之間通過無線中繼器通訊，拓撲結(jié)構(gòu)為星形連接。根據(jù)石油天然氣作業(yè)相關(guān)標準，檢測系統(tǒng)中的電器部件需要滿足防爆等級不低于Exd II BT4。

圖7 環(huán)空帶壓檢測診斷系統(tǒng)硬件組成圖Fig. 7 System’s block diagram of SCP test system

表2 環(huán)空帶壓檢測系統(tǒng)性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of SCP diagnostic test system

環(huán)空帶壓檢測診斷軟件包括：閥門控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲4部分。其中，閥門控制和數(shù)據(jù)采集部分是在LabVIWE環(huán)境下開發(fā)的，具有與硬件系統(tǒng)PLC和采集卡兼容性好、工作可靠的優(yōu)點。上位機軟件能夠控制系統(tǒng)各個管路電磁閥的開關(guān)動作和液位測試裝置的工作，能夠根據(jù)設(shè)定的環(huán)空泄壓/壓力恢復(fù)程序?qū)崿F(xiàn)環(huán)空自動泄壓/壓力恢復(fù)測試。圖8(a)是系統(tǒng)軟件閥門控制和數(shù)據(jù)采集主界面。由于井筒壓力、溫度剖面的計算涉及很多傳熱和井流公式，這些公式都是非線性的，同時，計算過程又有很多迭代過程，而LabVIEW開發(fā)環(huán)境是圖形化語言，不適合編寫計算過程復(fù)雜的軟件。因此，環(huán)空帶壓檢測診斷軟件數(shù)據(jù)處理分析和存儲部分是在Matlab環(huán)境中開發(fā)。數(shù)據(jù)處理分析部分能夠讀入Excel類型井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和測試的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，畫出井身結(jié)構(gòu)圖和井筒溫度、壓力剖面，并且計算泄漏點位置。同時，能夠以Word格式導(dǎo)出環(huán)空帶壓診斷結(jié)果。數(shù)據(jù)處理和存儲部分軟件主界面如圖8(b)所示。

5 現(xiàn)場試驗結(jié)果及分析

5.1 檢測現(xiàn)場描述

該井所在處水深41.3 m，完鉆井深2745 m，生產(chǎn)5年之后，“A”環(huán)空井口壓力出現(xiàn)異常升高現(xiàn)象，環(huán)空井口壓力最高達9.2 MPa。檢測前，針對此情況，主要采取人工定期泄放環(huán)空氣體的辦法來減小其對管柱和井口設(shè)備施加的載荷，降低風險。但是，在幾次調(diào)節(jié)產(chǎn)量之后，環(huán)空壓力有上升趨勢?？紤]到生產(chǎn)安全問題，開展了相關(guān)檢測工作以明確環(huán)空壓力的產(chǎn)生原因。如圖9所示，檢測系統(tǒng)環(huán)空液位聲波檢測模塊與“A”環(huán)空通過油管頭閘板閥外側(cè)法蘭上的1/2 NPT螺紋連接。通過開啟/關(guān)閉閘板閥實現(xiàn)檢測儀器與環(huán)空的連接和隔離。檢測系統(tǒng)的管路出口通過高壓天然氣軟管接入平臺閉排系統(tǒng)，將泄放的氣體引入火炬。

5.2 檢測結(jié)果

檢測系統(tǒng)與井口設(shè)備連接完畢后，對其連接質(zhì)量進行試壓檢驗。檢測合格后，根據(jù)2.1節(jié)中診斷流程，依次進行環(huán)空泄壓等檢測操作。環(huán)空井口壓力、泄壓氣體流量變化及環(huán)空液位聲波檢測信號如圖10所示。

檢測結(jié)果顯示，“A”環(huán)空液面位置為1224.6 m。對比以往監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該井“A”環(huán)空液面不斷下降。通過孔徑為1/2英寸的針閥對“A”環(huán)空進行泄壓，“A”環(huán)空井口壓力從9.2 MPa逐漸下降為1.14 MPa并維持穩(wěn)定。泄壓流量從開閥時的1956 Nm3/h逐漸下降為196.9 Nm3/h并保持穩(wěn)定。24 h內(nèi)生產(chǎn)套管壓力沒有降為0。而后，關(guān)閉針閥、停止泄壓，環(huán)空壓力緩慢恢復(fù)至原有壓力水平。“A”環(huán)空泄壓時，油壓和其他環(huán)空井口壓力不變。對泄放的氣體取樣并檢測其組分，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)氣的組分一致。根據(jù)環(huán)空壓力變化特征及環(huán)空中有天然氣這一現(xiàn)象，可以判斷該井環(huán)空帶壓，井安全屏障退化，需要進一步診斷。

5.3 環(huán)空帶壓原因分析及泄漏定位

綜合現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)及2.1節(jié)中環(huán)空壓力來源診斷原理，可以判斷該井環(huán)空壓力升高的原因是生產(chǎn)管柱發(fā)生泄漏。根據(jù)API RP-90，雖然該井“A”環(huán)空井口壓力9.2 MPa小于該環(huán)空的最大可允許操作壓力(Maximum Allowable Wellhead Operating Pressure，MAWOP)，但鑒于該井初級安全屏障出現(xiàn)退化，泄漏率超出安全范圍，有必要進一步診斷定位泄漏部位，以判斷是否需要修井[32]。

圖8 環(huán)空帶壓檢測診斷系統(tǒng)軟件主界面Fig. 8 Software interface of SCP test system

圖9 環(huán)空帶壓檢測系統(tǒng)實物及現(xiàn)場連接圖Fig. 9 Diagrams of SCP test system connected with wells

表3所示是該井的井身結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量等信息。利用第3.3節(jié)所述井下管柱泄漏地面檢測定位模型，建立穩(wěn)定生產(chǎn)條件下的生產(chǎn)管柱和“A”環(huán)空壓力剖面。如圖11所示，兩者相交深度為1414 m，在該深度下“A”環(huán)空壓力等于生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力，可認為該壓力平衡點即為生產(chǎn)管柱泄漏位置。在生產(chǎn)管柱中這個位置對應(yīng)的是氣舉閥(1412 m)。為防止環(huán)空帶壓情況進一步惡化，起出生產(chǎn)管柱并證實該氣舉閥失效。

6 環(huán)空壓力變化機理

如圖12所示，完井后“A”環(huán)空井口壓力為0。以此環(huán)空井口壓力為初始條件，建立初始環(huán)空壓力剖面，如圖中紅色虛線所示。初始環(huán)空壓力剖面與油管壓力剖面(黑色實線)相交于一點，在該點兩者的壓力平衡，為初始壓力平衡點。初始壓力平衡點將井筒分為上、下兩部分。

對于初始壓力平衡點以上的井筒，生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力大于相同深度處“A”環(huán)空壓力。如果這部分生產(chǎn)管柱發(fā)生泄漏，生產(chǎn)管柱內(nèi)的產(chǎn)氣會在壓差的作用下流入環(huán)空中，使環(huán)空井口壓力升高，造成環(huán)空帶壓。隨著環(huán)空壓力升高，當泄漏點處環(huán)空壓力與生產(chǎn)管柱壓力達到平衡時，氣體泄漏停止，環(huán)空壓力不再變化。如果該井在完井后，環(huán)空液體沒有損失，則初始環(huán)空壓力剖面(紅色虛線)在坐標軸上將整體向右平移，平移的距離為環(huán)空井口壓力升高值(紅色實線)。根據(jù)以上規(guī)律，可以利用“A”環(huán)空壓力剖面與生產(chǎn)管柱壓力剖面交點來定位泄漏點。

實際上，氣井環(huán)空帶壓達到一定壓力水平時，需要定期進行環(huán)空泄壓檢測診斷，環(huán)空液體被不斷排出，液面下降。環(huán)空液面降低會導(dǎo)致泄漏點以上的環(huán)空液柱壓力減小，使漏點處的環(huán)空壓力低于生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力。這樣生產(chǎn)管柱內(nèi)產(chǎn)氣會再次泄漏進環(huán)空內(nèi)，直至兩者重新達到平衡。在此過程中，泄漏點處環(huán)空總壓不變，而泄漏點以上液柱壓力降低，導(dǎo)致環(huán)空井口壓力升高。這種現(xiàn)象與長期檢測結(jié)果相一致。如圖13所示，環(huán)空壓力升高值?P與環(huán)空液面降底值?H之間的關(guān)系可通過式(10)計算。利用該關(guān)系可以判斷環(huán)空壓力是否出現(xiàn)異常升高。如果在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下，環(huán)空壓力升高值大于因液位變化導(dǎo)致的升高值，說明井筒出現(xiàn)其他泄漏，必須開展具體分析。由該關(guān)系式可知，向環(huán)空注液，提高環(huán)空液柱壓力，可以降低環(huán)空井口壓力。

圖10 環(huán)空帶壓診斷檢測數(shù)據(jù)Fig. 10 Diagnostics test data for SCP

表3 檢測井井身結(jié)構(gòu)信息Table 3 Detailed informations of the illustration well

圖11 基于環(huán)空和生產(chǎn)管柱壓力剖面的生產(chǎn)管柱泄定位Fig. 11 Leak locating based on annulus and tubing pressure pro files

對于初始壓力平衡點以下的井筒，生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力小于相同深度處“A”環(huán)空內(nèi)壓力，如果這部分生產(chǎn)管柱發(fā)生泄漏，則環(huán)空中的液體會在壓差的作用下被擠入生產(chǎn)管柱內(nèi)，使環(huán)空液面下降。通過檢測液面下降深度及環(huán)空井口壓力、溫度，可建立泄漏后環(huán)空壓力剖面，如圖14中紅色實線所示。在泄漏點處，“A”環(huán)空壓力與生產(chǎn)管柱壓力重新達到平衡，使其壓力剖面在泄漏點處相交。這種狀態(tài)下生產(chǎn)管柱的泄漏由于未導(dǎo)致環(huán)空井口壓力變化，如若不測量環(huán)空液位，很難被發(fā)現(xiàn)，處于泄漏隱藏期。而一旦生產(chǎn)狀態(tài)改變，例如降低天然氣產(chǎn)量，則環(huán)空壓力會迅速升高，短時間內(nèi)帶來危險。因此，環(huán)空動液面必須納入到環(huán)空帶壓監(jiān)測中。

圖12 生產(chǎn)管柱泄漏導(dǎo)致環(huán)空帶壓的過程Fig. 12 SCP resulted by tubing leakage

圖13 環(huán)空井口壓力與液面變化之間關(guān)系Fig. 13 Annular liquid level falling increases the SCP

圖14 生產(chǎn)管柱泄漏導(dǎo)致環(huán)空液面降低過程Fig. 14 Annular liquid level falling resulting from tubing leakage

7 結(jié)論

(1)建立了海上氣井安全屏障模型，利用事故樹分析方法得出氣井環(huán)空帶壓的54種氣體泄漏途徑。分析認為導(dǎo)致天然氣井環(huán)空帶壓的最大影響因素是生產(chǎn)管柱的安全屏障元件失效。

(2)針對生產(chǎn)管柱泄漏造成環(huán)空帶壓這一危險情況，開發(fā)了環(huán)空帶壓井診斷檢測技術(shù)。建立了基于井筒壓力分布的井下管柱泄漏地面定位模型。研制了綜合壓力、流量、溫度、液面及氣體組分等監(jiān)測指標的適合海上生產(chǎn)平臺使用的環(huán)空帶壓地面檢測診斷系統(tǒng)。針對某海上生產(chǎn)平臺，該系統(tǒng)成功地診斷了環(huán)空帶壓氣井的壓力來源和泄漏位置。

(3)在泄漏診斷結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用圖解法分析了生產(chǎn)管柱泄漏導(dǎo)致氣井環(huán)空帶壓的機理。以完井后初始環(huán)空壓力剖面與生產(chǎn)管柱壓力剖面交點(初始壓力平衡點)為界，將井筒分為兩部分。初始壓力平衡點上部的生產(chǎn)管柱泄漏會造成環(huán)空帶壓；初始壓力平衡點下部的生產(chǎn)管柱泄漏將使環(huán)空液面降低，環(huán)空井口壓力仍然為0。

(4)環(huán)空井口壓力隨著定期泄壓導(dǎo)致的環(huán)空液面下降而升高，當環(huán)空壓力的升高值大于因液位下降導(dǎo)致的升高值時，說明井筒出現(xiàn)其他泄漏。

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