深水油气开采过程中多环空温度变化特征与敏感性分析

1、深水油气开采过程中多环空温度变化特 征与敏感性分析刘劲歌樊洪海胡杭健王果周号博 中国石化石油工程技术研究院 中国石油大学（北京）中国特种设备检测研究院摘要：深水高温油井开采初期，产出的高温流体与环空液体存在较大的温度差，使得 环空液体温度升高。环空温度升高，受热膨胀是导致环空圈闭压力骤增的主要原 因，严重影响套管安全、井筒完整性以及油井的安全可持续开采。为了获得深水 油井开采初期多环空温度变化特征，基于半稳态井筒传热模型，计算并分析了 深水不同环空温度的变化特征。同时，对影响环空温度变化的重要因素，如油井 产量、生产时间、地温梯度等对环空温度升高的影响进行分析。分析结果表明，生 产时间和油井产

2、量对环空温度的升高影响较大。环空温度升高主要集中在牛产初 期，尤其是在生产的前两天。环空液体温度随着产量的增加而升高明显，这是由 于油管内对流换热系数和单位时间内携带的热量随着产量的增加而升高。另外， 地温梯度和采出流体的物理性质同样会对环空温度带来直接的影响。掌握各环空 温度变化特征和油井产量及生产时间等影响因素与环空温度升高之间的关系， 有助于制定合理的井身结构、合理的开采制度，以确保套管安全、井筒完整性和 油井的可持续安全开采。关键词：井筒热传递;环空温度;环空圈闭压力升高;深水油气开采;作者简介：刘劲歌（1989-）, 2017年获中国石油大学（北京）博士学位，主要 从事油气井工程相关

3、科研工作。地址：（100101）北京市朝阳区北辰东路8号北 辰时代大厦 916 室，电话：（010） 84988107, e-mail:petro_jack163. com收稿日期：2016-12-05 基金：国家科技重大专项“钻井工程设计邻井信息分析系统及重点井钻井作业风 险远程实时预警软件开发与应用”（编号:2016zx05020006-005）to analyze temperature change rulesand sensitivity in multi-annuli during deepwater oil/gas developmentliu jingge fan hongha

4、i hu hangjian wang guo zhouhaobosinopec petroleum engineering technologyresearch institute; chino university ofpetroleum; chirm special equipment inspectionresearch institute;abstract：at the early development st age of the h i gh-1 empera t ur e deepwa ter oil wells, the thermal expansion induced by

5、 the temperature increase in the annulus fluid is the primary cause of the apb ( annular pressure buildup), severely threatening the casing safety, the well integrity and the safe sustainablc development of oil wells. with the aim to obtain the temperature increase behavior in the multiple annuli in

6、 oil & ndtuml gas subsea wells, the annular temperature simulation is done based on the semi-steady state heat-transmission model. tn addition, the analysis of single factors demonstnites that the production rate, the production time, the geothermal gradient and the physical properties of format

7、ion fluid all have great influence on the temperature increase in multi-annuli. the temperature increase is mainly developed at the starting period of production, approximately with in 50 hours. knowing the influence of these key factors on the temperature increase will help to work out a proper cas

8、ing program and a proper production system, ensuring the casing safety, wellbore integrity and sustained production.keyword： wellbore heat transmission; annuli tempewture; trapped annular pressure bu订dup; deepwater o订& gas development;received： 2016-12-05在深水油气测试和开采初期，产岀的地层高温流体与套管内环空液体较人的温 度差易使环空

9、内液体温度升高。由于环空屮液体较低的压缩性，即使较低的温度 升高也会带来巨大的环空圈闭压力升高111。特别在高温的深水油井中，如四非 地区及1、墨西哥湾p1、巴西部分海上油田等尤为明显。由于环空流体温度 升高而引起的热膨胀效应使得压力升高超过了总的环空圈闭压力的80%以上 1,3。环空圈闭压力可高达50 mpa其至更高臣1，严重威胁油井套管安全、井 筒完整性以及可持续开发。随着对深水超深水油气开采需求的逐年增加，准确掌 握开采初期套管多环空温度分布特征，了解环空温度与油井产量、地温梯度、生 产时间等相关因素的变化，能够提前预测环空圈闭压力精度，制定合理的圈闭 压力预防及释放方案。自从1962年

10、ramey£61建立了经典的井筒热传递模型之后，关于井筒热传递，国 内外取得了长足进步。ramey假设地层和井筒内流体物理及相关热力学性质不随 温度变化，温度只沿径向与地层发生热传递及井筒至地层的传热是稳态的，建 立了单相高温流体（包括液体和气体）注入井筒情况下的温度分布模型。在 ramey井筒温度模型基础上，许多研究人员针对不同情况，对其做了相应的改 进，如holst和f1 ock£71，kabir£81o对于深水多环空温度的计算，目前主 要分为两类，半稳态计算模型及瞬态计算模型。半稳态计算模型认为井筒内高温 流体至水泥环外边缘的热传递为稳态的，而水泥环外边缘至

11、地层的热传递为瞬 态的。瞬态模型认为井筒高温流体至地层的整个热传递过程均为瞬态的ul半 稳态模型计算相对简便，同时在达到一定牛产时间之后有较高的计算精度而被 广泛采用臣1。基于半稳态环空温度计算模型，本文对深水油井开采过程多环空 温度变化特征进行了详细的研究。同时，详细分析了油井产量、生产时间、地温 梯度等对环空温度升高的影响。一、深水多环空温度计算模型1. 井筒与地层的瞬态热量损失本文多环空温度计算与分析基于半稳态模型。半稳态模型把井筒内高温流体至水 泥环外边缘的传热认为是稳态的，而水泥环外边缘至地层的传热是瞬态的。地层 流体开采过程中，由于高温地层流体向低温周围地层的热传递产生的热量损失

12、是计算环空温度的关键。hasan等人回基于半稳态井筒温度计算模型，提出了 井筒高温地层流体开采过程屮，井筒至地层单位长度热量损失计算模型：式中:td无因次温度;ke地层导热系数，w/ （m-°c） ;l-井筒与地层接触面 的温度，°c当前深度下地层温度，°c。图1典型深水井井身结构示意图下载原图2. 多环空温度模型与常规钻井过程单环空不同，在深水油气井开采阶段，不同井段环空数量不同， 因而釆出的高温流体至地层的传热过程也随着环空数量的变化而变化。如图1 所示，在第一部分，开采出高温流体与地层的热传递要经历以下过程:与油管内 壁的强迫对流换热、油管的热传导、环空1液

13、体的热传导、生产套管的热传导、 水泥环的热传导和地层的热传导。而在第二部分，则需要多经历两个环空热传导 过程。类似的，第三部分的热传递过程亦与第一、第二部分不同。张波10和 j. liuul等根据不同井段环空数量的不同，分段建立了深水多环空温度计算模 型。以第二部分为例，油管内流体、环空1和环空2的温度计算模型可以表示为 xu：式（2） 式（6）中：出2, rie,出2,陆，r门一分别为环空1至环空2,环空1至地 层，地层流体至环空2,环空2至地层，地层流体至环空1的热阻， m°c/w;q一质量流量，kg/s ;gt地层温度梯度，c/m;cpf比热容，j/ （kg °c）。

14、二、环空温度变化特征分析确保海上油井安全、可持续的开采是一项很大的挑战，特别是对于深水高温高压 油井。由于采出的高温流体和环空圈闭液体存在较大的温差，使得环空圈闭液体 在开采过程中导致温度和压力升高。西非海域很多油田地温梯度偏高，超过 0. 04°c/m （正常情况下，地温梯度为0. 03°c）。根据杨进等也的研究，该地区 由于环空温度升高而引起的压力增高可达50 mpa或更高，严重威胁井筒完整性、 套管安全和可持续开采。因此，掌握环空温度变化特征，有利于准确预测环空压 力，以便制定合理的压力释放技术，保持安全可持续开釆。表1为环空温度计算 时输入的相关参数:kc“, kc

15、as, kf, k険分别为水泥环、套管、地层流体以及地层 的导热系数；u为地层的热扩散系数卫为热扩散系数；p为地层流体的密度。表1深水多环空温度计算相关参数下载原表假设环空初始温度与周围地层温度相同，以180 m的产量稳产4 d,各环空的温 度有不同程度的升高。为了更加清晰直观的掌握不同深度下各环空温度变化特征, 本文计算了 500 m, 2 000 m和3 500 m深度下不同环空温度的升高值（图2）。 在深度为500 m时（图2q ,存在3个环空，经过4 d的开采，各环空温度均 有不同程度的升高。环空1距离开采出的高温流体最近，温度升高最为明显，达 到40°c左右。生产套管和中间

16、套管之间形成的环空2平均温度升高约30°c,而 环空3温度升高平均为25°co在深度为2 000 ni时（图2b）,周围地层温度为 85°c。经过4 d的开采，环空1和环空2温度均有明显升高（图2b）。在深度 为3 500 m时（图2c）,周围地层温度为129°c。经过4 d的开采，环空1温度 升高平均约15°c （图2）。由图2可以发现，不同环空在同一深度下，温度的升 高值不同；同一环空，在不同的深度下，温度变化特征亦存在差别。图2不同深度下各环空温度升高值下载原图三、环空温度敏感性分析深水油井在开采过程屮多层环空温度升高与很多因素有关，包括

17、油井产量、生产 时间、地温梯度、产岀液的物理和热学性质等。了解各因素对环空温度的变化特 征，有助于准确预定环空圈闭压力、制定合理的开采计划和必要的压力释放方 案。1. 生产时间图3为生产时间与环空温度升高平均值z间的关系，揭示了环空温度与开采时 间一个重要特征，即环空温度升高主要发生在油井开采初期。图3环空平均温度长高值随开采吋间的变化示意图下载原图这种现彖与两个重要因素方面有关。一方面，在开采初期，开采出的高温流体与 环空温差较大，有利于热量传递至环空。随着油井的开采，环空温度逐步升高， 采岀液与环空温差逐渐变小直至趋于平衡，环空温度亦趋于稳定。另一方面，地 层热阻会随着油井的开采而逐渐增大

18、，即环空至地层的热量损失逐步降低。因此, 环空温度升高在油井开采初期较为明显，在开采一段时间后，环空从高温流体 所吸收的热量与环空传递至地层的热量损失达到近似平衡，环空温度趋于稳定。2. 油井产量油井产量是另一个影响环空温度变化的重要因素。图4展示了产量与环空温度变 化平均值之间的关系。当产量低于500 m/d时，环空温度升高值随着产量急剧增 加；随后，当产量由500 m/d逐步提高至2 000 m/d时，环空温度升高值由50°c 缓慢提高到70°co图4不同环空温度升高平均值与油井产量的关系下载原图图5环空温度升高平均值与地温梯度关系下载原图油井产量主要通过两个方面影响环

19、空温度，对流换热系数与参与热传递的可利 用能量多少。地层流体在油管中的流动属于强迫对流换热，采出液与油管间的对 流换热系数直接影响地层高温流体与环空之间的热量传递。在j. liu£41的研究 表明，对流换热系数与油井产量密切相关，基本呈正比关系。所以环空温度随着 产量的提高而增高。另外，更高的油井产量意味着更多的地层流体可以参与到热 传递中。因此，环空温度升高值随着产量的增加而增加。3. 地温梯度正常情况下，地温梯度大约0. 03°c/m。很多海上油田地温梯度较高，甚至高于 0. 04 °c/in,比如西非部分海上油田11、巴西海上某些海上油田区块以及我国南 海莺

20、琼盆地。在这些海上高温油出进行油气开采时，环空液体更易受热升高，由 于热膨胀效应产生较高的环空压力，给油井安全带来巨大隐患。图5表明随着地 温梯度的增加，环空温度升高平均值随着增加，近似呈线性增加关系。4. 产出流体热物理性质地层流体的热物理性质，如传热系数，体积热熔等也会对环空温度的变化产生 重要影响。以体积热容为例，体积热容为液体密度与体积之间的乘积，代表单位 体积物质温度升高1°c吋所吸收的热量。石油、水以及天然气之间的体积热容存 在较大差异。例如，石油的体积热容是天然气的上千倍z多。同时，开采出的地 层流体往往不是单一组分的，而是石油、水以及天然气的混合物。因此，开采出 的地

21、层流体(石油或天然气)的体积热容可能从50"4 000k j/ (m °c)或更高。 图6为环空温度升高平均值与地层流体体积热容之间的关系。从图6可以看出， 随着体积热容的増加，环空温度升高平均值与体积热容基本呈线性关系。图6地层流体积热容与环空温度升高平均值关系图下载原图四、结论(1) 在深水油井开采过程中，特别是投入开采初期，环空温度受采出高温地层 流体的影响而温度升高明显。不同的环空在同一深度下，温度的升高值不同；同 一环空，在不同的深度下，温度变化特征亦存在差别。环空温度可升高30°c甚 至更高。(2) 油井产量、生产时间、地温梯度地层流体热物理性质等是环

22、空温度升高的重 要影响因素。生产时间和油井产量对环空温度的升高彫响较大。环空温度升高主 要集中在生产初期，尤其是在生产的前两天。环空液体温度随着产量的增加而升 高明显;地温梯度和采出流体的物理性质同样会对环空温度带来有肓接的影响。(3) 深水多环空温度升高引起的热膨胀效应是环空圈闭压力产生的重要原因， 掌握各环空温度变化特征和油井产量及生产时间等影响因素与环空温度升高z 间的关系，有助于准确预测环空圈闭压力、制定合理的井身结构、合理的开采制 度，以确保套管安全、井筒完整性和油井的可持续安全开采。参考文献1 hasan r, izgec b, kcibir s. sustaining production by managing annular-pressure buildupejspe production and operations, 2010, 25(2) : 195-203.2杨进，唐海雄，刘正礼，等深水油气井套管环空压力预测模型j.石油勘 探与开发，2013, (05) :616-619(4) liu j, fan h, peng q, ct al r