安全生产_高压气井异常环空压力及安全生产方法研究

硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 题目塔里木高压气井异常环空压力 及安全生产方法研究 作者姓名赵 鹏 导 师 姓 名 、 职 称李天太 教授 学科(专业)名称油气井工程 提交论文日期2012 年 5 月 20 日 类号TE375学号2009001030 密级 I 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：_日期：_ 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：_日期：_ 导师签名：_日期：_ 中文摘要 II 论文题目：塔里木高压气井异常环空压力及安全生产方法研究论文题目：塔里木高压气井异常环空压力及安全生产方法研究 专专业：油气井工程业：油气井工程 硕硕 士士 生：赵生：赵鹏鹏( (签名签名) ) 导导师：李天太师：李天太( (签名签名) ) 摘要 高压、超高压气井生产阶段环空压力异常(或环空带压)直接影响到气井和现场作业 人员的安全。研究压力异常原因、变化机理及相应的测试分析方法对高压、超高压气井 安全生产具有重要的实际意义。 本文通过大量文献调研，总结得出热效应套管压力、持续套管压力(SCP)、人为施加 套管压力是环空压力的三种类型；气体在水泥浆中的侵入方式、固井质量、管柱的完整 性失效及温度、压力对水泥环的破坏等影响环空带压；水泥浆基质渗透性和界面窜流是 导致环空传导性增加的两种物理机理。通过对塔里木高压气井现状的认识，总结各级环 空潜在泄漏通道和异常情况的判别方法。在环空压力测试方法研究方面通过实例和评估 测试方法分析出当前克拉 2 气田、迪那 2 气田气井放压后存在无压力恢复和有压力恢复 两种情况；其中压力恢复又可分为三种情况：放压后压力稳定在新的、低的压力等级； 放压后 24 小时内恢复到放压前压力；放压后压力保持持续上升的趋势，无稳定值。结合 典型井，通过改变生产制度确定环空压力异常原因。建立热效应环空带压数学模型并结 合 B2 井计算出导致该井生产套管完整性失效的温度(86 oC )和压力(107.48MPa)。 在以上理论分析和事实的基础上，本文结合气井动态监测、环空压力管理和井控安 全管理建立了适宜于塔里木迪那 2 气田和克拉 2 气田的安全生产方法。 关键词：塔里木油田关键词：塔里木油田异常环空压力异常环空压力 环空带压环空带压数学模型数学模型安全生产安全生产 论文类型：应用基础论文类型：应用基础 英文摘要 III SubjectSubjectSubjectSubject ：A A A AStudyStudyStudyStudy ofofofof AbnormalAbnormalAbnormalAbnormal AnnulusAnnulusAnnulusAnnulus PressurePressurePressurePressure andandandand MethodsMethodsMethodsMethods ofofofof SafeSafeSafeSafe ProductionProductionProductionProduction forforforfor TarimTarimTarimTarim HighHighHighHigh PressurePressurePressurePressure GasGasGasGas wellswellswellswells SpecialitySpecialitySpecialitySpeciality：OilOilOilOil invasive way of the gas in slurry, cementing quality, tubular goodsintegrity failure, damage to the cement sheath due to temperature and pressure impact annulus pressure; slurry of matrix permeability and interface channeling are two mechanisms leading to increased conductivity of the annulus. Understanding of the status quo on the the Tarim high pressure gas well, summarize the potential leak path of the annulus and abnormal discrimination method. By example and evaluation of test methods analyzes the current Kela 2 gas field, Dina 2 gas field put bleedoff/buildup test existing two cases; in which the pressure buildup patterns can be divided into three situations: the pressure stabilizing at a new, low-pressure level; restoring to original pressure within 24 hours; maintaining a rising trend. With the typical well annulus pressure by changing the production system determines the reason for the exception. Establishing the thermal annulus pressure mathematical model combining with B2 well calculates temperature (86 oC ) and pressure (107.48MPa) leading to the production casing integrity failure. On the basis of above theoretical analysis and realities, combining the gas well dynamic monitoring, annular pressure management and well control safety management establishes appropriate security in the Tarim Kela 2 gas field, and Dina 2 gas field production methods. Keywords:Keywords:Keywords:Keywords: TarimTarimTarimTarim oilfield,oilfield,oilfield,oilfield, AbnormalAbnormalAbnormalAbnormal annulusannulusannulusannulus pressure,pressure,pressure,pressure, SustainedSustainedSustainedSustained casingcasingcasingcasing pressure,pressure,pressure,pressure, MMMMathematicalathematicalathematicalathematical modelmodelmodelmodel, , , , SafetySafetySafetySafety productionproductionproductionproduction Thesis:Thesis:Thesis:Thesis: FundamentFundamentFundamentFundament StudyStudyStudyStudy 目录 IV 目 录 第一章 绪论. 1 1.1 研究目的和意义. 1 1.2 国内外研究现状. 1 1.2.1 国外研究现状. 1 1.2.2 国内研究现状. 5 1.3 技术路线. 5 1.4 研究内容. 6 第二章 高压气井环空带压概述. 7 2.1 高压气井常见名词. 7 2.1.1 气井环空. 7 2.1.2 气井完整性. 7 2.1.3 气井屏障. 8 2.1.4 环空最大许可工作压力. 8 2.2 高压气井环空压力类型. 8 2.2.1 热效应套管压力. 8 2.2.2 持续套管压力. 9 2.2.3 人为施加套管压力. 9 2.3 环空带压原因及理论分析. 9 2.3.1 环空带压原因. 9 2.3.2 持续套管压力形成机理. 10 2.3.3 卸压后持续套管压力上升机理11 2.4 环空带压的危害. 12 第三章 塔里木高压气井异常环空压力研究. 13 3.1 塔里木高压气井现状. 13 3.2A 环空压力异常研究.14 3.2.1A 环空潜在的漏失通道.14 3.2.2A 环空压力异常判断方法.14 3.2.3A 环空压力异常案例.14 3.3 外层环空压力异常研究. 15 3.3.1 外层环空潜在的漏失通道. 15 3.3.2 外层环空压力异常判断方法. 16 3.3.3 外层环空压力异常案例. 16 3.4 塔里木油田技术对策. 17 第四章 塔里木高压气井环空压力测试方法研究. 22 目录 V 4.1 监测. 22 4.2 诊断测试. 22 4.3 环空压力评估测试. 23 4.3.1 环空压力决策及评价. 23 4.3.2 放压/压力恢复测试 25 4.3.3 放压/压力恢复测试分析 25 4.4 改变工作制度压力测试分析. 28 4.4.1 变产量. 28 4.4.2 变化环空压力. 30 4.5 放压/压力恢复后的诊断测试 31 4.5.1 放出流体的分析. 31 4.5.2 管柱泄露方式. 32 4.6 热效应环空带压数学模型. 34 4.7 计算实例. 37 第五章 迪那克拉高压气井安全生产方法研究. 38 5.1 迪那 2 气田安全生产方法研究. 38 5.1.1 迪那 2 气田概况. 38 5.1.2 迪那 2 气田气井动态监测. 38 5.1.3 迪那 2 气田气井环空压力管理. 40 5.1.4 迪那 2 气田气井井控安全管理. 42 5.2 克拉 2 气田安全生产方法研究. 44 5.2.1 克拉 2 气田概况. 44 5.2.2 克拉 2 气田气井动态监测. 44 5.2.3 克拉 2 气田气井环空压力管理. 46 5.2.4 克拉 2 气田气井井控安全管理. 47 第六章 结 论. 50 致 谢. 51 参考文献. 52 攻读硕士学位期间发表论文及获奖情况. 55 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.11.11.11.1 研究目的和意义研究目的和意义 塔里木油田作为国家“西气东输”的主气源地，连续 5 年保持生产、输送天然气 100 亿立方米以上，成为我国累计产气量最多的特大型整装优质气田。近几年塔里木油田天 然气产量迅速增长，2011 年天然气产量达 170.51 亿立方米，占全国总产量近 1/4，油气 当量连续 5 年保持 2000 万吨水平。 塔里木油田主力气田的地层压力及井口关井压力处于高压、 超高压等级， 伴随着气 井生产，现场管理人员发现高压气井普遍存在环空带压问题，若不及时有效地查明环空 带压原因将严重威胁到气井的安全正常生产。 通过对塔里木油田高压气井异常环空压力的研究有助于进一步了解塔里木油田高压 气井环空压力的存在形式、形成方式和变化情形，能够定性判断井下管柱的密封完整性 是否良好。开展有针对性的监测和诊断测试，分类进行环空压力评估测试及分析，研究 适宜于塔里木油田高压气井环空压力的测试方法。通过对塔里木油田高压气井安全生产 方法的研究，针对迪那 2 气田和克拉 2 气田制定了涉及动态监测、环空压力管理、井控 管理的安全生产方法。这些将对高压气井的安全生产起到至关重要的作用。 1.21.21.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.11.2.11.2.11.2.1 国外研究现状国外研究现状 美国石油学会(American Petroleum Institute)于 2006 年 8 月出版了一部旨在指导管理 海洋油气井环空压力的推荐作法1- Annular Casing Pressure Management for Offshore Wells(简称 API-RP90)。该推荐作法涵盖了环空压力的监测、环空压力诊断测试、建立单 井的最大环空许可工作压力(MAWOP)以及对环空压力的记录等内容。 该推荐作法已经成 为指导国外海上油气井管理环空压力的重要指导方法。 哈里伯顿(Halliburton)和英国石油公司(BP)的 RichardF.Vargo Jr.与 Mike Payne23对 Marlin 项目中气井所经历的事故进行了分析，认为气井生产时的热效应是导致外层环空 带压的主要原因并得出预防环空压力上升切实可行的方法。在 Marlin 项目中用以减小环 空压力上升的三个重要技术有：(1)使用加强套管以承受更高的压力情况；(2)通过安装在 外层套管上的安全隔板来实现一个可控的泄漏通道；(3)在环空中使用硝化水泥浆隔离液 以此建立一个可压缩的缓冲层用以减小热效应所带来的影响。 Hasan Al Hosani4对 ADCO 区块在套管持续环空压力管理方面的创新性进行了概 述，系统阐述了如何管理带有持续环空压力的气井、如何收集基准数据、如何与生产注 西安石油大学硕士学位论文 2 入输出系统(PIES)联合等内容。 在引起地面环空压力(SurfaceAnnulus Pressure， 简称 SAP) 的根本原因及其造成的影响方面分析得出密封器泄漏、油套管连接处泄漏及下套管后因 差的水泥胶结所导致的泄漏是造成 SAP 的原因。在 SAP 造成的影响中着重指出需要格 外加强对热效应引起 SAP 的监测； 当监测到持续环空压力时要考虑潜在的风险并进行重 点加密监测。针对常规环空压力和异常环空压力制定了相应的压力监测频率和方法，明 确了环空压力管理人员的具体职责。 针对 ADCO 区块建立了计算单井各环空最大许可环 空地面压力(MaximumAllowableAnnulus Surface Pressure，简称 MAASP)的计算方法。 2007 年斯伦贝谢(Schlumberger)公司研究出了 FUTUR 活性固化水泥技术， 并将此技 术应用于环空带压问题。该种水泥具有自修复特性，当发生气窜时不需人工干预就会将 裂缝封堵。该技术已在加拿大阿尔伯特油田的环空带压井，德国、意大利地下储气库井 中成功应用。该种水泥的应用密度范围为 3 1.40 1.92g cm，应用温度范围为 20 138C 5。 哈里伯顿(Halliburton)公司推出的 LifeCem 水泥与斯伦贝谢(Schlumberger)公司的 FUTUR 水泥有类似之处， 通过常规注水泥设备， 向水泥浆中加入特种外加剂实现水泥环 的自密封特性。LifeCem 水泥已在 70 多口陆地、海洋油气井中成功应用，应用区域包括 中东、亚洲、里海地区、欧洲、拉丁美洲、美国5。 W&T 海洋公司应用压力活性密封剂实现整个窜流通道的封堵。该密封剂在进入窜 流通道前处于液体状态，当遇到存在压差的窜流通道时，通过化学聚合交联形成纤维状 的封堵。该方法在墨西哥湾、荷兰、美国的路易斯安那及哈萨克斯坦、澳大利亚成功应 用，并且该种方法成功率较高，成本较低6。 中东 Khuff 气藏由于井下压力和其它因素导致先前数口气井遭受到持续套管压力的 威胁。通过采用自愈合水泥(Self Healing Cement)利用其自身遇烃自修复的性质能够在几 小时内实现迅速封堵完整性失效的部位。该种水泥有如下优点：(1)使用油田常规固井设 备进行混合、泵注；(2)该种水泥混合方式可采用常规混合方式，使用 3MPa空气压力即 可运送并存储于罐中；(3)采用与常规水泥相同的实验室测试方法7。 国外现在引进了油气井完整性管理系统(WIMS) 8。 油气井完整性管理系统是一种连 续的管理、评价和验证过程，用来确保井在整个生产期限内的设计、完成、监测和维持 的完整性。油气井完整性的优点有：(1)安全减少由于完整性失效和(或)危险措施的 实施而导致灾难性事件发生的可能性；(2)环境最小量的向环境中排放，包括地表以 下含水层的污染和向地表的排放；(3)生产油气井可用性的最大化，强化现有生产能 力和预测效益；(4)生产周期的最小化耗费通过正确的设计、施工和生产减小整个生 产期限内的耗费，同时将修复和设备的搬迁费用最小化；(5)数据可用性保持和提供 油气井的可靠数据以支持油气井生产期限内采取措施的决定。 Ihab Tarmoom, Hussain Bin Thabet, Saleh Samad 等人9强调了 Adma-Opco 对气井完 整性的重视，建立了以数据收集、风险审查和等级排名、气井完整性管理系统数据库为 第一章 绪论 3 主要组成部分的 Adma-Opco 气井完整性管理程序。气井完整性认证是引入 Adma-Opco 中的一项新观念，气井完整性认证 1 是确保气井能够满足所有的完整性要求，该认证已 经实施；气井完整性认证 2 是在修井后生产和注入的初始阶段对井进行审查，这能保证 完井和再次完井后没有早期完整性问题，该认证已经实施；气井完整性认证 3 是对井进 行完整性审查和风险等级排名，该认证将很快在 Adma-Opco 实施。 英国 Hutton 西北油田10若干气举生产井表现出环空压力问题， 通过相关标准该油田 制定了环空压力监测和实施措施，制定了单井各环空的最大极限压力。该油田环空压力 在放喷后再次升高，现场作业人员在排除热效应套管压力后，最终由阿莫科石油公司开 展了针对油气井力学完整性的实验研究，该项研究主要包括两部分内容：(1)对全套井口 设备进行完整性测试，确定井口设备与各环空之间的密封情况；(2)对表现出环空压力的 井进行环空压力卸载和加载测试，并对导致环空压力的各种因素和严重程度做出相应评 估。由于此前并未对生产套管专门设计螺纹，因此实验测试的另一个目的是确定 95 8 油 层套管螺纹能否承受套管外压力作用。基于现场研究，工作人员认为 95 8 套管固井时使 用的双级接箍失效和深部油管柱或密封组合的失效是引起环空压力的原因。针对这两个 原因，工程技术人员分别采取了挤水泥和下桥塞的方法进行补救并取得了良好成果。 道达尔(Total)勘探开发公司Norge在挪威大陆架承钻一口海洋高温高压井(87.5MPa, 180 oC )， Norge 将无电缆声学压力计和温度计下入到 B 环空和 C 环空以实现对环空状 况的实时监测，这在世界上尚属首次。随后的压力、温度测井分析证实由热效应引起的 环空压力上升在海洋高温高压井中值得关注11。 Hasan Izgec Kabir12研究表明油管头和环空中的压力及温度在很大程度上与流 量有关，借鉴 Oudeman Bacarreza(1995)及 Oudeman Kerem(2006)的研究成果，在考虑 了流体膨胀、油管弯曲造成环空体积变化及环空中流体的流入和流出得出环空压力增加 的表达式。由于在密闭空间中，80%的环空压力增加来源于流体膨胀，Hasan Izgec Kabir 采用 Oudeman Bacarreza 模型中的第一项并在整个井眼中进行整合研究出了估计 环空压力上升的两种方法：半稳态法和瞬间方法。半稳态模型比瞬间模型更加简单，因 此更适合应用于快速实施，但这是一种折中的方法并不能解决任何与生产情况有关的瞬 间变化；瞬间模型要较为复杂，但是该模型能为环空压力异常升高提供较早的警告，为 缓和环空压力上升提供较为充足的时间。 Milanovic13开展了针对于中东含硫油气井持续环空压力(SAP)的研究，该研究解释 了所采取的诊断测试并描述了如何利用现象识别引起 SAP 的原因。文中阐述的 SAP 诊 断测试方法是放压后以 24 小时为周期记录放压和压力上升速率， 观察相邻环空压力变化 并严格监测油管压力反应。应用“油气井完整性工具包”模型分析诊断测试数据，区分 不同类型压力测试的反馈信息，导出对 SAP 的解释结果。该模型成功应用于识别井口、 油管和生产套管的泄漏， 但对外层管柱压力测试数据的解释及其对应的 SAP 补救方法还 有待于改进。通过测试得出的反馈曲线包括瞬间放压曲线、不完全放压曲线、正常压力 西安石油大学硕士学位论文 4 上升曲线、S 形压力上升曲线和不完全压力上升曲线。分析引起 SAP 的原因及深入考虑 了油气井设计问题、注水泥问题，并对避免气体运移和形成微环空提出了相关建议。从 钻井和修井角度提出抑制 SAP 形成的工艺方法。 迄今为止，用以分析持续套管压力上升问题已经建立了两种数学模型1416： Somei 推导出了套管中水泥上返到地面情况下的套管压力上升解析方法，Somei 认 为气体通过渗透、孔隙介质在垂向上迁移；在分析了水泥的孔隙性、温度和气体密度对 SCP 的影响后得出低孔隙性、低温和低气体密度将加强 SCP 的结论。 Xu 和 Wojtanowicz 通过考虑水泥上方存在泥浆柱的情况改进了 SCP 模型。 通过研究 发现不可压缩泥浆、井口有少量气体(气室)、漏失水泥的高传导性都将增强早期压力的 迅速上升；同时还发现在压力上升后期阶段，气层压力最终控制套管压力的因素。但是 该模型仅仅局限于压力上升，并没有考虑气体在泥浆中的运移，在卸压和早期压力上升 阶段，这是控制套管压力很重要的一个过程。 2001 年 路 易 斯 安 那 州 立 大 学 (Louisiana State University) 的 R. Xu 和 A. K. Wojtanowicz14通过对墨西哥湾(GOM)气井套管压力的分析研究量化了持续套管压力 (SCP)的存在范围，根据套管压力历史数据总结出 SCP 上升的典型曲线(套管压力在卸压 后迅速上升，随后稳定在某个压力等级)和异常情况曲线(套管压力曲线表现出不规则的、 毫无规律的跳跃)。由于卸压时间远小于压力上升所需时间，研究人员在此着重研究卸压 后的 SCP 上升问题。通过对卸压后 SCP 上升机理的研究认为引起外层套管或技术套管 SCP 最显著的原因是由于较差的固井质量导致的气体迁移。针对 Somei 模型所表现出的 局限性，研究人员开发出在环空的水泥顶部有泥浆存在情况下的 SCP 上升数学模型， 假 设气体的迁移过程是由若干时间步长组成。在每一个时间步长内，气体在水泥中的迁移 是稳态进行的。每个时间步长内水泥顶部的压力保持稳定保证了在这个时间步长内流量 是稳定的。一个时间步长后释放水泥顶部的气体，在下一个时间步长内，这部分气体通 过泥浆聚集到套管气顶处。假设气体迁移时间(受气体上升速度控制)比时间步长短。该 假设条件仅在气体在泥浆中具有高流动速度的情况下成立，因此时间步长很短。否则， 代表瞬间气体流动的步骤并作为稳定流动时间是无效的。但是对于低粘度和短泥浆柱来 说气体将用很短的时间上升到顶部。因此可以设定合理的时间步长使该假设有效。 2003 年斯伦贝谢地质咨询师 R. Xu 和路易斯安那州立大学的 A. K. Wojtanowicz16 通过对 SCP 测试数据的收集分析得出五种典型的压力反应曲线(包括两种卸压曲线和三 种压力上升曲线)，明确指出压力状态的不同归因于气体在带有 SCP 井中的运动机理。 当前用来分析 SCP 测试的压力值只有卸压和压力上升后的压力终值， 并且现场作业人员 普遍认为如果压力上升所达到的最终压力小于套管最小内屈服压力(MIYP)的 20%， 并且 井口压力卸压到零，这样的 SCP 可以接受。显然这样的测试分析过于简单且缺乏科学支 持。文章中两位学者提出了基于描述 SCP 物理机理的数学模型，该物理过程是气体由气 层侵入井中， 通过产生漏失的水泥向上运移并从泥浆液柱中逸出， 最终聚集于套管头处， 第一章 绪论 5 形成套管 SCP。 1.2.21.2.21.2.21.2.2 国内研究现状国内研究现状 2002 年中国石油大学(北京)高宝奎19详细阐述了针对于高温高压井，温度上升对套 管柱的影响，建立了环空压力上升计算模型。该模型在假设环空密闭的条件下，将热效 应膨胀和环空体积变化看作引起环空压力变化的主要因素。通过刻画油层套管径向热膨 胀、完井液热膨胀效应、套管径向压缩、完井液压缩效应所带来的环空体积变化，利用 迭代法计算不同温差下环空压力的上升值。 2006 年 6 月西南石油大学的邓元洲、陈平、张慧丽20在充分考虑压力和体积耦合变 化的基础上，建立了计算密闭环空压力的数学模型，并阐述了利用迭代法计算环空压力 的思路。 中国石油集团钻井工程技术研究院完井固井所的齐奉忠等人分析了环空带压的危 害，从固井的角度提出了若干预防措施22。 克拉 2 气田在开发生产过程中， 部分单井出现生产套压、 技术套压异常升高的现象。 针对环空压力异常问题，塔里木油田在国内首次开展了单井风险评估工作。借鉴 API - RP 90 中相关技术标准，参考国际大石油公司高压气井的管理经验，从 ODP 方案设计、 钻井、固井、完井管柱结构、井下工具优选、现场实施工艺、生产管理等方面进行了深 入的分析。根据克拉 2 气田单井的实际情况，通过先静态后动态的评估程序完成了克拉 2 气田单井风险评估。形成的风险评估技术和方法填补了国内陆上石油“三高”气井风险 评估的空白，对相关油气田开展类似风险评估工作有一定的借鉴作用和指导意义29。 针对克拉 2 气田的井口距离长、 井站分散、 安全要求高的特点， 使用了美国 Honeywell 公司最新一代 DCS 系统(过程知识系统 PKS)、安全管理系统(FSC)及美国 BristolBabcock 公司的 ControlWave 系列 RTU，分别实现过程控制、安全管理和数据采集监控功能33。 1.31.31.31.3 技术路线技术路线 综合国内外研究现状及现场资料分析产生异常环空压力的原因；通过对塔里木高压 气井现状的研究，总结导致各级环空压力泄漏的可能通道，建立环空压力异常判断方法 并用实例加以验证；研究适宜于塔里木高压气井的环空压力测试方法，建立数学模型研 究热效应环空带压问题；通过规范气井动态监测、环空压力管理、井控管理，研究适宜 于塔里木油田迪那 2 气田、 克拉 2 气田高压气井的安全生产管理方法。 技术路线如图 1-1。 西安石油大学硕士学位论文 6 塔里木高压气井异常环空压力及塔里木高压气井异常环空压力及 安全生产方法研究安全生产方法研究 环环 空空 压压 力力 测测 试试 方方 法法 研研 究究 塔塔 里里 木木 高高 压压 气气 井井 安安 全全 生生 产产 方方 法法 研研 究究 迪迪 那那 克克 拉拉 高高 压压 气气 井井 文文 献献 调调 研研 异异 常常 环环 空空 压压 力力 研研 究究 塔塔 里里 木木 高高 压压 气气 井井 动动 态态 监监 测测 环环 空空 压压 力力 管管 理理 井井 控控 管管 理理 监监 测测 、 诊诊 断断 测测 试试 环环 空空 压压 力力 评评 估估 测测 试试 压压 力力 测测 试试 分分 析析 改改 变变 工工 作作 制制 度度 诊诊 断断 测测 试试 放放 压压 / / / / 压压 力力 恢恢 复复 后后 的的 数数 学学 模模 型型 A A A A 环环 空空 压压 力力 异异 常常 研研 究究 外外 层层 环环 空空 压压 力力 异异 常常 研研 究究 环环 空空 带带 压压 原原 因因 环环 空空 带带 压压 理理 论论 分分 析析 环环 空空 压压 力力 类类 型型 图 1- 1 技术路线图 1.41.41.41.4 研究内容研究内容 本论文针对塔里木高压气井环空压力，研究内容如下： (1) 高压气井异常环空压力国内外研究现状综述； (2) 高压气井环空压力类型、环空带压成因及危害； (3) 塔里木高压气井异常环空压力研究； (4) 塔里木高压气井环空压力测试方法研究； (5) 迪那克拉高压气井安全生产方法研究。 第二章 高压气井环空带压概述 7 第二章 高压气井环空带压概述 高压高产气井固井后环空带压或井口气窜问题较为突出，严重影响气井的安全。近 年来尽管国内外做了许多工作，但是固井后环空带压问题仍然较为突出。通过对不同地 区及不同井的综合分析，认为环空带压的原因主要有：(1)油管、套管及其附件（如封隔 器、滑套等）密封失效；(2)固井注水泥气窜或后期作业导致水泥环产生微环隙；(3)固井 时顶替效率低；(4)水泥浆体系选择或配方设计不合理；(5)固井后由于地层压力、温度和 压力变化以及一些随时间推移引起的其他原因导致水泥环封隔失效。 2.12.12.12.1 高压气井常见名词高压气井常见名词 2.1.12.1.12.1.12.1.1 气井环空气井环空 (1)A 环空：生产油管与生产套管之间的环形空间。 (2) B 环空：生产套管与内层技术套管之间的环形空间。 (3) C 环空：内层技术套管与外内层技术套管之间的环形空间。 (4) D 环空：外层技术套管与表层套管之间的环形空间。 图 2- 1 气井环空示意图 2.1.22.1.22.1.22.1.2 气井完整性气井完整性 对于气井完整性的定义时至今日还没有明确定义，API-RP90、NORSOK D-010、哈 里伯顿(Halliburton)分别给出了各自的定义。 西安石油大学硕士学位论文 8 (1)API-RP90 将气井完整性定义为：在气井生产过程中为降低地层流体失控流动的 风险而应用的工艺技术、措施及管理手段1。 (2) NORSOK D-010 将气井完整性定义为：应用技术、操作和组织措施来减少地层 流体在井眼整个寿命期间无控制地排放的风险25。 (3) 哈里伯顿(Halliburton)将油/气井完整性定义为： 对于一口自喷油/气井， 当确认它 在油气层与地面之间存在独立的阻挡层或隔断物，这口油/气井具有完整性34。 2.1.32.1.32.1.32.1.3 气井屏障气井屏障 气井屏障是指一个或几个相互依附的屏障组成的集合，它能够阻止地下流体无控制 地从一个地层流入另一个地层或流向地表25。气井屏障可分为一级屏障和二级屏障。一 级屏障是指封隔器、完井管柱(井下安全阀与封隔器之间的油管柱)、井下安全阀；二级 屏障是指水泥环、套管、井口(套管挂、带连接头的油管头)、油管挂、采气树。 2.1.42.1.42.1.42.1.4 环空最大许可工作压力环空最大许可工作压力 某一环空的最大许可工作压力值是取下述三个计算值中的最小值1： (1) 所要评估环空外层套管最小抗内压强度的 50%； (2) 所要评估环空次外层套管最小抗内压强度的 80%； (3) 所要评估环空内部套管或油管最小抗外挤强度的 75%。 2.22.22.22.2 高压气井环空压力类型高压气井环空压力类型 正常情况下，套管之间(或套管与油管之间)的环形空间是密闭的。当生产稳定或长 时间关井后，待环形空间内的温度场趋于稳定，其压力基本保持稳定。套管环空压力通 常分为热效应套管压力、持续套管压力(SCP)和人为施加套管压力。当压力来自产层时， 它所带来的风险要比那些非烃产层的压力来源所带来的风险大，这是因为相对于其它地 层，产层的压力相对要高，并且产层流体能够在相对长的时间里实现持续流动。倘若气 井自身的完整性不健全，这些流体所产生的压力就会使环空压力产生异常，严重地话会 导致环空之间的压力窜通；若不采取措施予以治理将严重影响气井的安全正常生产。 2.2.12.2.12.2.12.2.1 热效应套管压力热效应套管压力 当气井开始生产时，由于圈闭于井眼中的流体在静态和生产状态下的温度差异使该 流体产生热膨胀，由此引起的套管压力。当气井开始生产时，所有的井都存在热效应套 管压力。 第二章 高压气井环空带压概述 9 2.2.22.2.22.2.22.2.2 持续套管压力持续套管压力 持续套管压力(SCP)通常是指由于气井出现油管连接失效、密封失效或水泥环受损， 使得流体能够在气井屏障中流动所带来的后果。持续套管压力的来源可能是增压地层， 包括含油气层、含水层、浅层气区、浅层水区或生源区。 A 环空持续套管压力的来源通常是来自产层，由于生产管柱的不完整性导致流体从 油管柱窜流入 A 环空中， 少数情况下是由于生产套管的不完整性导致 A 环空持续套管压 力。 对于外层环空持续套管压力来说，它的压力来源包括油气承载区、浅层水、浅层气 等。外层环空持续套管压力通常暗示着环空流体静水压力过平衡的损失。引起这种损失 的原因是由于钻井液中的固相沉降以及钻井液滤失到相邻的地层中，使得环空中的流体 密度显著下降。此外，内层环空中的流体向外层环空中的渗漏也是引起外层环空持续套 管压力的原因。 2.2.32.2.32.2.32.2.3 人为施加套管压力人为施加套管压力 气井管理者为实现多种目的会人为施加套管压力，这其中包括气举、加注环空保护 液，通过进行热效应管理辅助环空压力的监测。 2.32.32.32.3 环空带压原因及理论分析环空带压原因及理论分析 2.3.12.3.12.3.12.3.1 环空带压原因环空带压原因 天然气不像原油、水那样具有高的粘滞力，因而更加活跃；因其密度明显低于油和 水，在水泥浆中天然气的上浮力更大，因此发生气窜更容易、更快；天然气分子远比水 分子、油分子的体积小，因此比水、油更具有穿透能力，容易侵入防窜能力差的水泥基 质中，严重影响固井质量，会发生井口窜气或井口带压。 (a) 气体在水泥浆中的侵入方式(b) 不同流态下气泡上升形式 图 2- 2 气体在水泥浆中的侵入和不同流态下气泡上升形式 西安石油大学硕士学位论文 10 (1) 固井过程中由于水泥浆设计不合理导致层间封隔不好是导致气窜的主要原因。 若水泥浆失水量大，将导致水泥浆密度分布不均匀，使所形成的水泥石强度不一致；深 井固井时若采用了分级箍且第一级水泥浆到位封固的是膏岩层或气层顶部，那么在水泥 浆候凝过程中发生的水泥浆失重将丧失部分遏制流体侵入井筒的能力；若水泥基质渗透 性高的话，气体很容易在由基质形成的水泥微通道或微环空中运移，造成环空带压。 (2) 高压气井生产管柱的不完整性会造成最严重的环空带压问题，这包括由于油管 或套管螺纹连接不好导致接头处出现微渗；封隔器坐封不稳导致 A 环空压力异常变化； 井下恶劣环境导致油管或套管出现腐蚀；管柱热应力破裂或机械破损。 (3) 伴随着气井的生产、开采时间的延长，井下温度和压力变化对水泥环的影响是 造成环空带压的主要原因。 2.3.22.3.22.3.22.3.2 持续套管压力形成机理持续套管压力形成机理 对于固井水泥上方有钻井液柱的情况，基质的渗透性和界面窜流是环空传导性增加 的两种物理机理。基质的渗透性是指流体在水泥本体内的流动，而界面窜流是指存在于 水泥柱和套管之间或水泥柱与基岩之间的微环空中流动的现象18。 界面窜流现象是一种力学不完整性，它使得微环空形成于水泥环接触面处。在水泥 与岩石界面上，泥饼的不完全去除会产生微环空。在套管与水泥界面上，固水泥后一些 热应力或静水应力引起微环空的形成。 注水泥凝固过程中，水泥环可能会形成次生孔隙和渗透性。基质窜流是气体通过水 泥基质流动的一种机理。当钻井液的液柱静水压力下降到地层孔隙压力以下时，气体以 段塞形式或分散流的形式进入钻井液基质中。段塞气向上运移形成运移通道。 气体通过水泥流动的另一个机理是与水泥基质中次生渗透性的发展相关。该机理可 以解释为：当静水压力下降到地层压力后，水泥的水化作用导致水泥基质的绝对体积减 小， 化学收缩决定着次生孔隙的形成； 孔隙水受毛细管力作用而圈闭于水泥基质孔隙中， 这部分水在水化作用中被消耗，由此形成一个空穴，这将导致孔隙压力的下降和“负压 效应(Suction Effect)” 。与压力的不平衡相结合，负压效应或许成为气体在基质中渗透性 发展的最主要机理。 环空中水泥的分布情况通常有两种(如图 2-3)：一种是固井水泥上返到井口，另一种 是水泥顶部存在钻井液。在固井水泥上返到地面的井中，气体在具有一定传导性的介质 中的运移可以看作是一维流动(Nishikawa, 1999)。 等量卸压后， 套管压力的上升与压力的 瞬间上升相似，如图 2-4 所示。这种状态受水泥的渗透性、孔隙性及气层压力控制。 第二章 高压气井环空带压概述 11 (a) 水泥上返至井口(b) 水泥未返至井口 图 2- 3 环空水泥分布图 图 2- 4 SCP 连续上升概念曲线 如果水泥顶部存在钻井液，气体运移分为两个阶段。在水泥中，气体运移遵循达西 定律；而在钻井液中气泡通过停滞的非牛顿钻井液上升。不仅钻井液的压缩性和密度等 性能影响着气体的运移，而且还要受聚集于井口的迁移气体所形成的气顶影响。有的研 究人员认为气顶中气体 PVT 性能可以由真实气体定律解释。因此，钻井液压缩性越小， 气泡上升速度越快，压力上升越快。如果不卸压，最终井口压力将稳定在与气层压力相 同的压力值。 2.3.32.3.32.3.32.3.3 卸压后持续套管压力上升机理卸压后持续套管压力上升机理 由于放压都是在很短的时间内完成并且在生产曲线中一般仅有 23 个点表示，因此 对放压过程进行机理分析和描述存在很大的难度； 但是对于放压后的 SCP 上升机理国外 研究人员对此做出了分析。美国路易斯安那州立大学的 R. Xu 和 A. K. Wojtanowicz 综合 前人的研究成果通过对墨西哥湾(GOM)气井中受 SCP 影响的 38 口井的综合分析研究了 西安石油大学硕士学位论文 12 卸压后 SCP 上升机理18。 对于引起外层套管或生产套管外层套管 SCP 最显著的原因是由于较差的固井质量 导致的气体迁移。 气体迁移13可分为两个相异的组“初期”和“后期” 。 “初期”是与实际固井作 业相关的，例如水泥浆性能、顶替技术、静水压力等。 “后期”与固井作业关联不是很大， 是由机械应力和热应力引起的，危害水化结合的完整性或水泥材料的完整性，导致气体 泄漏。另一种可能的原因是使用了高水灰比(低密度、膨胀系统)的水泥系统。这些水泥 即便是凝固到位后也会表现出其固有的相当高的渗透率(0.55md)。 因此这很可能使气体 在这样的水泥单元中运移并最终到达地面形成 SCP。 2.42.42.42.4 环空带压的危害环空带压的危害 高压气井环空带压会增加压力监测与井口放压成本；严重时需要关井，有时会导致 整口井甚至整个井组报废。从环境保护和安全的角度考虑，作业商经常需要通过关井或 修井来解决问题，所造成的关井停产损失或修井费用相当巨大。高压气井环空带压会严 重影响气井的产量，降低采收率，对气田开发后续作业如酸化压裂和分层开采等造成不 利影响。补救环空带压的方法要么是常规高成本的修井作业，要么是采用挤水泥、挤注 凝胶作业，要么是采用其它有效的补救措施；目前常规的补救方法如修井或挤水泥现场 实施难度大、成功率低、成本高；采用常规修井作业的成本及风险有的时候超过了环空 带压的成本及风险2226。 第三章 塔里木高压气井异常环空压力研究 13 第三章 塔里木高压气井异常环空压力研究 3.13.13.13.1 塔里木高压气井现状塔里木高压气井现状 塔里木油田当前的主力气田有克拉 2 气田、迪那 2 气田、克深 2、大北 3、大北 201 和大北 1 气田。这些主力气田都处于高压(或超高压)状况(表 3-1)，且个别井已经表现出 压力异常或完整性失效的情况(表 3-2)。 表 3 - 1 塔里木油田主力气田概况26 区块地层压力(MPa)井口关井压力(MPa)井口油压(MPa)单井产气量 104m3 克拉 2 气田746458-62100-400 迪那 2 气田1068788-9050-100 克深 21209570-8250-100 大北 31199575.940-50 大北 201927671-7550-100 大北 1 气田927630-6030-50 表 3 - 2 塔里木油田主力气田压力异常井统计表26 表压总井数压力异常井数所占比例(%) A 环空391025.6 B 环空2727.41 C 环空2114.76 D 环空1700.00 注： (1) 探井及新完井没有装压力表或无监测数据，部分生产井 B、C、D 环空没有装压 力表。 (2) 环空带压井数包含：温度效应引起的压力变化，A 环空的平衡压力。 (3) 压力异常井指环空压力超出环空最大许可工作压力且确认发生管柱渗漏。 表 3 - 3 迪那 2、克拉 2 气田高压气井完整性失效情况统计(2011-06) 类别井次井号 井口采气井口渗漏3KL205X、DN204X、KL2-X014 油管柱渗漏5KL203X、DN2-X08、DN2-X06、DN2-X04、DN2-X20、 井筒封隔器问题4KL2-X01、KL2-X02、KL2-X05、KL2-X06 生产套管渗漏2DN2-X01、DN2-X20 技术套管渗漏1DN2-X20 西安石油大学硕士学位论文 14 3.23.23.23.2A A A A 环空压力异常研究环空压力异常研究 3.2.13.2.13.2.13.2.1A A A A 环空潜在的漏失通道环空潜在的漏失通道 通过对气井完井井身结构及气井屏障完整性的认识，总结得出造成 A 环空压力异常 的潜在漏失通道： (1) 油管存在漏点或油管丝扣处微渗； (2) 油管挂渗漏； (3) 生产套管破损； (4) 封隔器密封失效； (5) 井下安全阀、控制线路出现漏失； (6) 采气树密封件、法兰连接部位出现漏失； (7) 由于 B 环空水泥封固失效，生产套管漏失。 3.2.23.2.23.2.23.2.2A A A A 环空