羅 鳴 高德利 李文拓 張 超 楊玉豪 鄧文彪

1.中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室 2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司

0 引言

我國南海鶯瓊盆地油氣資源豐富，地質條件復雜，深水、高溫、高壓、高含CO2的環(huán)境使得該區(qū)油氣藏開發(fā)面臨鉆井難度大、固井質量差等難題[1-5]，進而導致出現環(huán)空帶壓。在高溫高壓含CO2氣井中，環(huán)空帶壓值過大將會影響正常生產，一旦超過允許值將誘發(fā)潛在的安全事故[6]。

國際上比較通用的環(huán)空壓力計算方法是根據API RP 90-2標準提供的計算模型[7]。但API RP 90-2標準（2016年）僅限于一個壓力值，并且沒有最小預留壓力值，可操作性不強。車爭安等[8-11]國內外學者針對油氣井的環(huán)空帶壓問題進行了大量研究，并取得了顯著的成果。但前人所有環(huán)空的最大環(huán)空允許壓力值都是根據井筒最小強度值計算出來的。如套管/油管的抗內壓和抗擠強度，井口承壓能力。而深水高溫高壓井處在特殊的環(huán)境，不能像陸上井那樣卸掉環(huán)空壓力。所以需要更全面地考慮油氣開采過程中的強度變化，明確合適的環(huán)空帶壓允許值范圍。若壓力接近或超過允許值，應考慮采取一定的措施。

筆者在綜合考慮腐蝕對管柱強度的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響等3個因素的條件下，結合ISO 16530-1:2017[12]和API RP 90-2推薦做法，建立了考慮管柱承壓能力和關鍵節(jié)點校核的環(huán)空帶壓控制值計算模型。同時，針對深水高壓氣井有時需要對環(huán)空施加一定備壓來保證井下管柱和工具正常工作的情況，建立了環(huán)空最小預留壓力計算模型，最終確定了深水井合理環(huán)空壓力范圍，形成了一套環(huán)空壓力管理圖版。并以南海陵水A氣田某深水氣井為例進行了實例計算與分析，得到了該井采用本文計算模型和API RP90推薦做法下，不考慮壁厚減薄情況下和考慮壁厚減薄情況下隨投產時間變化的各環(huán)空帶壓控制值，并形成了相應的各環(huán)空壓力管理圖版。

1 高溫高壓井環(huán)空帶壓來源及機理

由于油管和套管的漏失、較差的固井質量和后續(xù)作業(yè)對水泥環(huán)的傷害等原因造成氣層的氣體滲流到環(huán)空中，在此過程中產層的壓力被傳導到了井口，從而在井口環(huán)空中產生帶壓[13-16]。通常較高的環(huán)空帶壓來自內層套管或是油管的泄露。這些泄露可能是因為較差的螺紋連接、腐蝕、熱應力裂紋或是套管的機械破裂[17]。實踐證明，油套管泄露最有可能引起較大的環(huán)空帶壓，從而嚴重影響油氣井安全。另外，固井質量差形成的微環(huán)隙也會為氣體運移提供通道，從而引起環(huán)空帶壓[18-19]。根據井身結構設計中水泥漿返深的差異，由于氣體通過環(huán)空水泥環(huán)滲流到環(huán)空導致的環(huán)空帶壓現象可以分為水泥漿返到井口和水泥漿未返到井口兩種情況，水泥漿返到井口時不存在自由環(huán)空段；水泥漿未返到井口時，固井后水泥環(huán)上部還滯留有鉆井液。

2 環(huán)空帶壓臨界控制值計算

2.1 API RP 90環(huán)空帶壓臨界控制值的計算

根據API RP 90-2推薦做法，最大允許環(huán)空壓力的確定方法如下：①油套環(huán)空，取生產套管抗內壓強度的50%、技術套管抗內壓強度的80%和油管抗外擠強度的75%三者之間的最小值；②生產套管和技術套管環(huán)空，取技術套管抗內壓強度的50%、表層套管抗內壓強度的80%和生產套管抗外擠毀強度的75%三者之間的最小值；③技術套管和表層套管環(huán)空，取表層套管抗內壓強度的50%、導管抗內壓強度的80%和技術套管抗外擠強度的75%三者之間的最小值。

上述各層管柱強度在取值時應取該管串中的管柱強度的最小值；如果不同環(huán)空之間相互竄通的情況，應把竄通的環(huán)空視為同一環(huán)空進行計算；如果井身結構中有懸掛尾管，應對算法作相應的調整。

2.2 考慮腐蝕的最大允許環(huán)空帶壓值的確定

在計算環(huán)空帶壓控制值時應考慮以下3個方面的影響，分別是腐蝕和磨損對管柱強度的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響，并從考慮管柱承壓能力和考慮關鍵節(jié)點校核兩方面開展運算，如圖1所示。

A、Bi和C環(huán)空的環(huán)空帶壓控制值應為考慮各種因素的最小值，即：

式中MAWOPA、MAWOPBi、MAWOPC分別表示A、Bi和C環(huán)空帶壓控制值，MPa；p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10分別表示考慮井口裝置承壓能力、井下封隔器承壓能力、與環(huán)空連通套管鞋處地層承壓能力、尾管懸掛器承壓能力、井下安全閥承壓能力、環(huán)空內層管柱抗擠最薄弱點承壓能力、環(huán)空外層管柱抗內壓最薄弱點承壓能力、環(huán)空外層管柱抗擠最薄弱點承壓能力、外層環(huán)空外層管柱抗內壓最薄弱點承壓能力、尾管抗內壓最薄弱點承壓能力的環(huán)空帶壓控制值，MPa。

圖1 A環(huán)空帶壓控制值計算流程圖

根據腐蝕對套管強度的影響理論，計算出油套管在經歷一段時間腐蝕后的剩余強度，利用這些剩余強度值確定考慮腐蝕的最大允許環(huán)空帶壓值。

2.3 環(huán)空最小預留壓力的確定

對于深水高壓氣井，由于井底流壓或地層壓力過高從而威脅井下設備安全，井下管柱強度和工具承壓能力通常無法滿足最惡劣工況要求，需要對環(huán)空預留一定壓力來提高井下管柱和完井工具的安全系數，從而保證氣井的安全開發(fā)。因此，為保證A環(huán)空的完整性，A最小預留壓力的計算應取考慮油管抗內壓最薄弱點、生產套管抗擠最薄弱點、尾管抗擠最薄弱點和封隔器或尾管懸掛器承壓能力的最大值，可表示為：

式中pminA表示A環(huán)空最小預留壓力，MPa；pAmin1表示考慮油管抗內壓強度的A環(huán)空最小預留壓力，MPa；pAmin2表示考慮封隔器或尾管懸掛器承壓能力的A環(huán)空最小預留壓力，MPa；pAmin3表示考慮尾管抗擠最薄弱點強度的A環(huán)空最小預留壓力，MPa；pAmin4表示考慮生產套管最薄弱點抗擠強度的A環(huán)空最小預留壓力，MPa。

類似地，其他環(huán)空最小預留壓力可表示為：

式中pBmin1表示考慮環(huán)空內層套管抗內壓最薄弱點承壓能力的其他環(huán)空最小預留壓力，MPa；pBmin2表示考慮環(huán)空外層套管抗擠最薄弱點承壓能力的其他環(huán)空最小預留壓力，MPa；pminB表示其他環(huán)空最小預留壓力，MPa。

在計算A環(huán)空最小預留壓力時，應考慮油管抗內壓最薄弱點和井下安全閥處油管承壓能力、封隔器和尾管懸掛器承壓能力、尾管和生產套管抗擠最薄弱點承壓能力。在計算B、C環(huán)空最小預留壓力時，針對密閉環(huán)空壓力過大的情況，計算考慮環(huán)空內層套管抗內壓最薄弱點承壓能力和環(huán)空外層套管抗擠最薄弱點承壓能力，并取計算得到的最大值作為該環(huán)空最小預留壓力。

2.4 環(huán)空帶壓臨界控制值計算圖版研究

考慮腐蝕和磨損對管柱強度的影響、油壓和環(huán)空壓力變化的影響以及地層壓力或井底流壓的影響，并結合ISO 16530-1:2017標準和API RP 90-2推薦做法，建立考慮管柱承壓能力和關鍵節(jié)點校核的環(huán)空帶壓控制值計算模型。其中，管柱承壓能力計算主要針對環(huán)空對應的油管和套管；關鍵節(jié)點校核計算主要針對井口裝置、封隔器、井下安全閥和尾管懸掛器等。而對于深水高壓氣井，部分極端工況下需要對環(huán)空預留一定壓力來保證井下管柱和完井工具的完整性，因此建立環(huán)空最小預留壓力計算模型，最終確定了深水井合理環(huán)空壓力范圍，并形成一套環(huán)空壓力管理圖版，如圖2所示。

圖2 A環(huán)空和B1環(huán)空壓力管理圖版

圖2中各顏色區(qū)域界線含義如下：①在不考慮井筒管柱和關鍵節(jié)點等井筒屏障部件安全系數的情況下，以本文計算方法得到的i環(huán)空帶壓控制值作為i環(huán)空最大極限壓力值（上部橙色區(qū)域頂界）；②在綜合考慮相關井筒屏障部件安全系數情況下，計算得到的i環(huán)空帶壓控制值作為i環(huán)空最大允許壓力值（上部黃色區(qū)域頂界）；③以②中計算得到的i環(huán)空最大允許壓力值的80%作為i環(huán)空最大推薦壓力值（中部綠色區(qū)域頂界）；④以本文計算方法得到的i環(huán)空最小預留壓力值作為i環(huán)空最小允許壓力值，但A環(huán)空最小允許壓力不能低于0.7 MPa（下部黃色區(qū)域底界）；⑤以④中計算得到的i環(huán)空最小允許壓力值的1.25倍作為A環(huán)空最小推薦壓力值，但A環(huán)空最小推薦壓力值不能低于1.4 MPa（綠色區(qū)域底界）；⑥以0 MPa作為A環(huán)空最小極限壓力值（下部橙色區(qū)域底界）。

被監(jiān)控井的環(huán)空壓力處于綠色區(qū)域為正常狀態(tài)；環(huán)空壓力處于黃色區(qū)域為預警狀態(tài)，需采取相應措施并加強監(jiān)控；環(huán)空壓力處于橙色區(qū)域為危險狀態(tài)，應及時治理。當環(huán)空壓力超過環(huán)空最大允許壓力時則泄壓到推薦工作壓力上限以下，當環(huán)空壓力低于最小預留壓力時則補壓到推薦工作壓力下限以上，始終將環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍內。

3 實例應用

陵水A氣田位于南海北部海域，氣田群海域水深介于900～1 700 m，井底壓力介于35～45 MPa，儲層溫度在133～142 ℃。選取A氣田某高溫高壓氣田X井為例，用上述方法計算各環(huán)空的環(huán)空帶壓臨界控制值。該井完鉆斜深/垂深：5 387 m/3 060.5 m；井底溫度：142 ℃。采用?508.0 mm表層套管，下深505 m；?339.7 mm技術套管，下深2 995 m；?244.5 mm油層套管，下深4 675 m；?177.8 mm尾管，下深4 875 m。生產封隔器坐封位置為4 425 m，封隔器額定壓差50 MPa（圖3）。該井生產期間CO2含量為高達50%，不含H2S。生產套管采用P110材質，完井管柱采用?73 mm的13Cr油管。井口耐壓值為105 MPa。該井目前井口壓力25 MPa。

圖3 南海陵水A氣田X井井身結構圖

3.1 考慮壁厚減薄情況下的合理環(huán)空壓力范圍

在不考慮腐蝕和磨損等生產實際工況造成的管柱壁厚減薄的情況下，研究各環(huán)空帶壓控制值隨投產時間變化規(guī)律。根據實際井身結構，油管和套管最薄弱點取對應環(huán)空的最底部，表層套管（C環(huán)空）、技術套管1（B1環(huán)空）、技術套管2（B2環(huán)空）、生產套管和油管（A環(huán)空）最薄弱點深度分別取1 600 m、2 000 m、2 400 m、2 400 m和4 100 m，如圖4所示。

由圖4可以看出，與API RP 90推薦做法計算結果相比，本文模型考慮了油壓和環(huán)空本身的壓力變化以及地層壓力或井底流壓變化等多種因素影響，而隨著投產時間的增長，地層壓力及井底流壓不斷降低，產量隨之明顯下降，各環(huán)空帶壓控制值也隨環(huán)空熱膨脹壓力、地層壓力和油壓的降低而不斷下降，但各環(huán)空帶壓控制值始終低于各環(huán)空熱膨脹壓力，因此必須采取降低環(huán)空帶壓風險的措施。

通過以上控制值的計算得到A環(huán)空和B1環(huán)空壓力圖版如圖5所示，通過該圖版可得到環(huán)空最大極限壓力和最大允許壓力、推薦工作壓力上限和下限以及最小預留壓力和極限壓力等參數。結合版圖，在現場實際生產中應將環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍內。

對于B2環(huán)空和C環(huán)空，經過計算得到環(huán)空壓力管理圖版如圖6所示。

3.2 考慮壁厚減薄情況下的合理環(huán)空壓力范圍

圖4 各個環(huán)空控制值變化圖

圖5 實例井A和B1環(huán)空壓力管理圖版圖

圖6 實例井B2環(huán)空與C環(huán)空壓力管理圖版

取管柱壁厚均勻減薄速率為0.076 mm/a，研究隨投產時間增長的各環(huán)空合理壓力范圍變化情況。經過計算研究發(fā)現：考慮油管壁厚均勻減薄情況下或考慮油管和生產套管壁厚都均勻減薄情況下，隨著投產時間增長，B1環(huán)空合理壓力范圍未發(fā)生變化；但考慮油管、生產套管和技術套管2壁厚都均勻減薄情況下B1環(huán)空合理壓力范圍逐漸減小。B2環(huán)空合理壓力范圍不隨油管、生產套管和技術套管2壁厚減薄的影響。A環(huán)空合理壓力范圍在單獨考慮油管、考慮油管和生產套管以及同時考慮油管、生產套管和技術套管2壁厚減薄情況下強度都逐漸減小，但減小趨勢一致，如圖7所示。

通過以上控制值的計算得到A環(huán)空和B1環(huán)空壓力圖版，如圖8所示，通過該圖版可得到各環(huán)空最大極限壓力和最大允許壓力、推薦工作壓力上限和下限以及最小預留壓力和極限壓力等參數。在現場實際生產中應將環(huán)空壓力控制在推薦工作壓力范圍內。

圖7 隨投產時間變化的油管、生產套管與技術套管2剩余強度圖

圖8 考慮油管及套管壁厚均勻減薄情況下A、B1環(huán)空壓力管理圖版

4 結論

1）結合ISO16530-1:2017標準和API RP 90-2推薦做法，本研究建立了考慮管柱承壓能力和關鍵節(jié)點校核的深水井環(huán)空帶壓控制值計算模型。

2）管柱承壓能力計算主要針對環(huán)空對應的油管和套管；關鍵節(jié)點校核計算主要針對井口裝置、封隔器、井下安全閥和尾管懸掛器等。

3）對于深水高壓氣井，部分情況下則需對環(huán)空施加一定備壓來保證井下管柱和工具的正常工作，因此建立了環(huán)空最小預留壓力計算模型，最終確定了深水井合理環(huán)空壓力范圍，形成了一套環(huán)空壓力管理圖版。

4）以某高溫高壓氣井為例進行了實例計算與分析，計算得到了該井采用本文計算模型和API RP 90推薦做法下，不考慮壁厚減薄情況下和考慮壁厚減薄情況下隨投產時間變化的各環(huán)空帶壓控制值，并形成了相應的各環(huán)空壓力管理圖版。