羅 偉， 林永茂， 孫 濤， 張京輝， 陳昌杰

(1南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 3中國石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院)

對于元壩高含硫氣井，惡劣的井下腐蝕環(huán)境以及復(fù)雜的井況工況，使得完井管柱泄漏常見于生產(chǎn)過程中，完井管柱泄漏將直接導(dǎo)致油套環(huán)空異常起壓，這就對元壩氣井的井筒完整性和安全生產(chǎn)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]?，F(xiàn)有環(huán)空壓力治理措施如加注壓差堵漏劑或超級(jí)樹脂等環(huán)空堵漏技術(shù)存在成本高、作業(yè)難、風(fēng)險(xiǎn)大和容易產(chǎn)生次生事故等問題，而頻繁的泄壓和加注保護(hù)液也會(huì)增加現(xiàn)場管理難度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測完井管柱泄漏引起環(huán)空異常起壓變化規(guī)律并制定合理的控制措施對實(shí)現(xiàn)元壩高含硫氣井的安全生產(chǎn)具有重要意義。因此，本文首先對元壩氣井生產(chǎn)過程中完井管柱泄漏的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了分析，然后結(jié)合完井管柱泄漏的物理過程，建立了油套環(huán)空異常起壓預(yù)測模型，通過實(shí)例計(jì)算和參數(shù)敏感性分析獲得了油套環(huán)空異常起壓規(guī)律，并提出了相應(yīng)的控制措施；通過不同泄漏類型的模擬計(jì)算，總結(jié)了完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓的四種典型模式，并將其進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了元壩1-1H井泄漏類型和井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的快速判斷[6-7]。

一、元壩氣井油套環(huán)空異常起壓規(guī)律分析

1. 完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓預(yù)測模型

1.1 物理模型

完井管柱泄漏引起油套環(huán)空帶壓物理模型見圖1。

圖1 完井管柱泄漏引起油套環(huán)空帶壓物理模型

圖1路徑為：首先通過完井管柱上的泄漏點(diǎn)進(jìn)入油套環(huán)空，然后再經(jīng)環(huán)空保護(hù)液上竄至上部氣腔，最后形成井口環(huán)空帶壓，在建立預(yù)測模型時(shí)涉及嘴流壓降模型、靜止液柱兩相流動(dòng)模型和井口氣腔壓力增量模型三者的耦合。

1.2 嘴流壓降模型

對于氣體通過流通截面突縮部件時(shí)，即完井管柱上的泄漏點(diǎn)時(shí)，其流動(dòng)可概括為嘴流。

對于亞臨界流，氣體流量與壓力比的關(guān)系為：

(1)

對于臨界流，氣體流量不會(huì)隨泄漏點(diǎn)下游壓力降低而增加，即氣體流量達(dá)到最大值：

(2)

式中：p2—泄漏點(diǎn)下游壓力，MPa；p1—泄漏點(diǎn)上游壓力，與泄漏點(diǎn)深度相關(guān)，由井筒流壓分布計(jì)算可得，MPa；k—?dú)怏w的絕熱指數(shù)；qsc—通過泄漏點(diǎn)的氣體流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，104m3/d；d—泄漏點(diǎn)的等效直徑，mm；T1—泄漏點(diǎn)上游溫度，K；Z1—泄漏點(diǎn)上游氣體的偏差系數(shù)；γg—?dú)怏w的相對密度。

1.3 靜止液柱兩相流動(dòng)模型

對于氣體通過泄漏點(diǎn)進(jìn)入環(huán)空后，在環(huán)空保護(hù)液中的流動(dòng)可以概括為氣液兩相流動(dòng)，其連續(xù)相和分散相的連續(xù)性方程分別為：

(3)

(4)

氣液兩相混合物的動(dòng)量守恒方程為：

(5)

式中：Hg—截面含氣率；ρl、ρg、ρm—分別為液相、氣相和氣液混合物的密度，kg/m3；vl、vg、vm—分別為液相、氣相和氣液混合物的截面平均速度，m/s；fm—?dú)庖夯旌衔锏哪ψ柘禂?shù)；da—環(huán)空對應(yīng)的水力直徑，m。

1.4 井口氣腔壓力增量模型

(6)

2. 實(shí)例計(jì)算

以元壩1-1H井為例，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示，假設(shè)該井泄漏點(diǎn)深度為3 380 m，泄漏點(diǎn)等效直徑為0.2 mm，初始環(huán)空壓力為0.1 MPa。

表1 元壩1-1H井的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2為該井在假設(shè)的泄漏點(diǎn)位置及尺寸下獲得的油套環(huán)空異常起壓上升規(guī)律，從圖2看出，隨著泄漏的開始，環(huán)空壓力逐漸上升，但上升的速度越來越慢，最后穩(wěn)定到一環(huán)空壓力值，而泄漏速度最開始最大，隨著環(huán)空壓力的上升泄漏速度越來越小，當(dāng)泄漏點(diǎn)內(nèi)外壓力平衡時(shí)，停止泄漏，此時(shí)環(huán)空壓力也達(dá)到了穩(wěn)定。

圖2 油套環(huán)空異常起壓上升規(guī)律

3. 參數(shù)敏感性分析

3.1 泄漏點(diǎn)深度

從圖3中看出，隨著泄漏點(diǎn)深度的降低，環(huán)空壓力上升速度越快，且對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值越大，可以得到結(jié)論：泄漏點(diǎn)深度越淺，對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)越大。因此，保證井口密封完整性，提高耐蝕合金材質(zhì)井下安全閥和氣密封扣油管(特別是上部油管)的入井施工質(zhì)量都是降低井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

3.2 泄漏點(diǎn)等效直徑

從圖4中可以看出：隨著泄漏點(diǎn)等效直徑的增大，環(huán)空壓力上升速度越快，環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短。因此，如有條件采取環(huán)空化學(xué)堵漏的方式降低泄漏點(diǎn)等效直徑也是控制井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的有效方法。

圖3 泄漏點(diǎn)深度對環(huán)空壓力上升的影響

圖4 泄漏點(diǎn)等效直徑對環(huán)空壓力上升的影響

3.3 環(huán)空氣腔高度

從圖5中可以看出，隨著環(huán)空氣腔高度的增加，環(huán)空壓力上升速度越慢，環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長，但環(huán)空壓力穩(wěn)定值稍稍增大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，環(huán)空可不充滿保護(hù)液，預(yù)留一部分環(huán)形空間，有利于降低環(huán)空壓力的上升速度。

圖5 環(huán)空氣腔高度對環(huán)空壓力上升的影響

二、元壩氣井油套環(huán)空異常起壓典型模式

通過不用泄漏類型的模擬計(jì)算，總結(jié)了元壩氣井完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓的四種典型模式(圖6)，其可用于元壩氣井現(xiàn)場壓恢實(shí)測曲線的定性分析，通過將典型模式與現(xiàn)場壓恢實(shí)測曲線比對，可以實(shí)現(xiàn)元壩氣井泄漏類型和井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的快速判斷[12]。

圖6 完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓典型模式

1.高壓快升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度較快，且對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值大，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓高，泄漏點(diǎn)深度淺，且泄漏點(diǎn)等效直徑大；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)最大。

2.高壓持升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度相對較慢，在測試期間沒有達(dá)到高穩(wěn)定壓力，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓高，泄漏點(diǎn)深度淺，但泄漏點(diǎn)等效直徑?。辉撃Ｊ綄?yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)次之。

3.低壓快升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度較快，但對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值小，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓低，泄漏點(diǎn)深度大，但泄漏點(diǎn)等效直徑大；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

4.低壓持升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度較慢，在測試期間沒有達(dá)到低穩(wěn)定壓力，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓低，泄漏點(diǎn)深度大，且泄漏點(diǎn)等效直徑小；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)最小。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

元壩1-1H井生產(chǎn)以來，套壓出現(xiàn)了持續(xù)上漲，并且環(huán)空氣樣檢測出含H2S，與產(chǎn)出氣成分基本一致，現(xiàn)場初步判斷油套竄通，完井管柱上產(chǎn)生了泄漏。

從該井生產(chǎn)曲線可以看出(圖7)，至2016年以來，油套壓基本達(dá)到了穩(wěn)定，并且具有很強(qiáng)的相關(guān)性，進(jìn)一步說明油套之間竄通，而且此階段油套之間也建立了新的動(dòng)態(tài)平衡。

圖7 元壩1-1H井投產(chǎn)以來的生產(chǎn)曲線

現(xiàn)場進(jìn)行了泄壓/壓恢測試，圖8為該井的泄壓/壓恢實(shí)測曲線，通過比對前面建立的典型模式，該井在測試期間一直處于持續(xù)升壓階段，而且對應(yīng)的穩(wěn)定壓力較低(<10 MPa)，因此可以判斷此階段元壩1-1H井屬于低壓持升模式，對應(yīng)的具體工程情形為：油壓低、泄漏點(diǎn)深度大、泄漏點(diǎn)等效直徑小，且對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖8 元壩1-1H井現(xiàn)場泄壓/壓恢實(shí)測曲線

四、結(jié)論

(1)結(jié)合嘴流壓降模型、靜止液柱兩相流動(dòng)模型和井口氣腔壓力增量模型建立了完井管柱泄漏引起環(huán)空異常起壓耦合預(yù)測模型，通過實(shí)例計(jì)算和參數(shù)敏感性分析獲得了油套環(huán)空異常起壓規(guī)律，并提出了相應(yīng)的異常起壓控制措施。

(2)泄漏點(diǎn)深度越淺，井筒安全風(fēng)險(xiǎn)越大，保證井口及上部完井管柱的完整性至關(guān)重要；降低泄漏點(diǎn)等效直徑，有利于控制井筒安全風(fēng)險(xiǎn)；存在一定環(huán)空氣腔高度，即環(huán)空不充滿保護(hù)液，預(yù)留一部分環(huán)形空間，有利于降低環(huán)空壓力的上升速度。

(3)總結(jié)了元壩氣井完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓的四種典型模式，包括：高壓快升模式、高壓持升模式、低壓快升模式和低壓持升模式，其可用于元壩氣井現(xiàn)場壓恢實(shí)測曲線的定性分析，實(shí)現(xiàn)泄漏類型和井筒安全風(fēng)險(xiǎn)的快速判斷。