多管柱热应力模型预测采气井口装置的抬升

井口装置抬升现象常见于稠油热采井、注采井,生产气井却十分罕见。由于高产气井在生产过程中井口温度高,大温差使得井口附近自由段套管产生热应力变化,进而导致井口装置抬升,破坏气井完整性、损坏地面流程,引发灾难性的后果。为此,分析了因大温差导致套管热应变而引起井口装置抬升的机理,建立了气井井口装置抬升的多管柱热应力模型,并对井口装置的抬升高度进行了实例计算,其预测结果与实际监测结果十分接近,预测结果可靠。研究认为:随着气井产量的增加,井口温度逐渐升高,井口装置抬升高度将不断升高;而表层套管自由段长度对井口装置的抬升高度最为敏感,多层套管固井质量差时对井口装置抬升高度影响较大。最后指出了气井井口装置抬升带来的安全风险,并提出大产量气井应以保证固井质量、合理配产以及加强气井环空压力监测等3项技术措施来预防、监测采气井口装置抬升。     

深水条件下高温气井井口抬升的螺旋屈曲效应

井口抬升高度对深水高温油气井安全生产具有重大影响,传统预测模型只考虑了温度效应和鼓胀效应对井口抬升高度的影响,未充分考虑螺旋屈曲效应对井口抬升高度的影响。鉴于此,借助井筒温度模型,在考虑温度效应和鼓胀效应的基础上,加入螺旋屈曲效应,建立了井口抬升高度预测模型并进行求解,得到较为准确的井口抬升高度。实例计算结果表明:随着时间的延长和产量的增加,螺旋屈曲效应引起的各层管柱屈曲段长度、井口抬升力以及抬升高度都将增加,但增加的幅度逐渐减小,最后趋于稳定;生产过程中生产套管和技术套管始终处于受压状态,对井口抬升起主要作用;表层套管和隔水导管处于受拉状态,管柱不发生屈曲现象。研究结果对井口抬升高度预测及油气井安全生产具有重要的指导意义。     

温差作用下回接套管柱井口抬升影响分析

井口抬升会导致油气井井筒完整性破坏,影响油井的后续生产作业安全。为了研究回接套管柱在固井-生产作业中的井口应力分布及抬升高度变化规律,采用有限元方法,根据顺北区块某井现场工况,利用ABAQUS软件建立了不同工况下多层套管-水泥环-地层多体系统热-固耦合分析有限元模型,分析了回接套管从固井阶段开始到生产时的应力和位移变化,得到了井口应力、抬升高度变化过程及其相关参数的影响规律。分析结果表明:随着水泥浆返高的增加,井口抬升高度单调增加,这表明随着水泥环缺失的严重性增加,套管自由段数越长,在温差作用下可伸长抬升的高度也就越大;随着水泥浆返高的增加,井口固定时回接套管的Mises应力先增大、后减小,并不呈现单调递增或递减的趋势。所得结果可为现场回接套管柱井口抬升现象分析提供一定的参考。     

海上油田生产井口抬升原因分析及对策研究

井口抬升现象危害十分严重,影响油井正常生产寿命和产量,甚至导致油气井关停,同时对井控风险极大。在介绍H1井井身结构和固井工艺的基础上,采用WellCat软件建立了井口抬升分析模型,基于井筒温度剖面和自由套管热载荷伸长量模拟计算了井筒抬升量,并结合抬升原因给出了复产措施。分析结果表明:H1井井口抬升的主要原因是?244.48 mm套管自由段过长,产量升高后,在热应力作用下套管伸长,产生上顶力导致了井口抬升现象。给出了3种有效的复产措施:即对自由套管段挤水泥封固、限定产量生产及生产管柱采用隔热油管。可为解决稠油热采井的井口抬升问题提供了参考。     

海上气田井口装置抬升高度预测技术研究及应用

海上生产气井高效开发时,高温高压会带来井口抬升、环空带压等现象,直接影响气井安全生产及开发,甚至带来巨大经济损失。针对目前井口装置抬升预测研究较少以及不足之处,通过建立新型多因素井口抬升预测方法,突破了其他方法考虑因素单一的瓶颈,大大提高了预测精度,并分析了产量、生产时间、各环空压力、固井情况等影响因素对井口装置抬升量的影响及井口抬升高度;通过正交实验分析,得出了主要影响因素的强弱顺序,并将模型应用于DF1-1-×井进行了验证,模型计算高度与现场实测高度十分接近,并预测该井生产期间最大井口抬升高度约为6.8 cm。该方法可对未来高温高压及深水开发气田井口抬升高度进行预测及进行环空泄压建议,对钻完井设计、工程施工及油气田安全生产管理具有重要的指导意义。     

水泥返高对深水高温高压井井口抬升高度的影响

深水高温高压井油气开采过程中,油气流将井底热量携带至井口致使自由段套管受热伸长,继而导致井口抬升,使井口存在装置密封失效的风险。建立了深水高温高压井油气开采阶段井口抬升高度计算模型,基于自主研制的高温高压井口抬升模拟实验装置,开展了双层管柱不同水泥返高及多层管柱耦合固井条件下的井口抬升模拟实验。研究结果表明,相比水泥返高50%工况,双层管柱水泥返高100%工况下各层管柱伸长量明显降低,多层管柱耦合固井工况相比不固井工况下的各层管柱最大伸长量也明显降低,表明水泥封固对井口抬升具有一定的束缚作用。经模拟实验验证,建立的模型计算结果与实验数据相比误差小于10%,可用于预测不同工况条件下的井口抬升高度,为科学设计预防井口抬升措施提供了技术参考。     

深水钻井测试与生产过程井口抬升计算

建立了深水井测试及生产过程中井口处产生的热膨胀力与井口抬升量力学模型,结合具体井身结构计算了井口热膨胀力与抬升量,并分析了各层套管水泥浆返高与温度变化对井口热膨胀力与抬升量的影响。结果表明:井口处产生的热膨胀力远大于剪切销钉的承载力,很容易造成剪切销钉剪断,从而导致井口抬升;表层套管水泥浆返高对井口抬升量的影响最大,生产套管影响最小,各层套管的水泥浆返高对井口总膨胀力均无影响;随着各层套管温度的升高,井口总热膨胀力及井口抬升量均线性增大。可为水下井口设计和测试及生产过程中的参数设计提供理论依据。     

海上高温高压气井井口抬升预测方法研究

在深水高温高压气井开发过程中,由于深水井水下井口及水泥返高设计的特殊性,使得深水井井口由于井筒温度升高导致的井口抬升存在更大的风险。因此,针对深水高温高压气井面临的井口抬升风险,在考虑井筒温度变化、环空压力及自由段管柱长度影响基础上,考虑固封段管柱胶结情况,建立了海上深水高温高压气井井口抬升预测方法,并进行了实例计算。研究结果表明,产量、环空压力对井口抬升高度的影响较大,随着产量和环空压力的增加,井口抬升高度随之增大,同时当水泥环胶结受抬升力影响发生破坏后,井口抬升高度增加。     

温度效应及环空条件对井口抬升影响规律研究

为预测深水高温井生产过程中的井口抬升量,基于套管热膨胀效应及热力学基本原理,建立了不同温升条件下单层自由套管及多层套管耦合井口系统抬升量预测模型,设计了3层同心钢管柱为主体的试验装置,开展了不同工况下井口抬升模拟试验,得到了温度效应、环空上端部约束状态和环空压力等因素对井口抬升量的影响规律,提出了解决深水水下井口抬升的主要工程措施。研究结果表明:以试验模型为例,当最内层管柱温度从45℃升高至150℃的过程中,在模拟传热条件下,3层管柱环空上端部敞开时,各层管柱抬升量与其温升呈线性增长规律;环空上端部焊接为整体时,73.0和114.3 mm管柱最终抬升量相对上端部敞开状态分别减小26.50%和21.80%,177.8 mm管柱最终抬升量增加4.06%;环空密闭并加压20 MPa时,73.0、114.3和177.8 mm管柱最终抬升量相对无压力时分别增加了23.84%、26.79%和25.36%;温度及环空条件对井口抬升量影响显著,理论预测值与试验值误差为1.59%~8.93%。研究结果可为深水高温井井口抬升控制措施的制定提供技术支持。     

塔里木盆地顺南区块高温高压气井井筒完整性失效机理分析

塔里木盆地塔中北坡顺南区块奥陶系中统鹰山组有超深、超高温、超高压、中含CO_2、低含硫气藏,气井完钻和生产运行期间陆续出现环空带压、井口装置抬升、油管断裂、套管变形失效等异常情况,对该区块其他气井的安全生产构成了严重的威胁。因此,在调研国内外油气井井筒完整性研究现状的基础上,应用顺南区块12口已完钻井的井史资料及典型气井的现场测试结果,分析了鹰山组气井环空带压机理、套管变形失效机理及井口抬升机理,找出了顺南超高温超高压气井井筒完整性存在的问题,明确了影响塔中北坡气井井筒完整性的主控因素,提出了改善超高温超高压气井井筒完整性设计的建议,为后期塔中北坡顺南区块超高温、超高压气井井筒完整性控制及安全管理提供了重要参考。     

水下井口套管悬挂器偏磨事故预防技术

为了防止半潜式钻机施工过程中水下井口套管悬挂器及其连接短节发生偏磨,破坏油气井的完整性,以海上高温高压探井M井钻井过程中?273.1 mm套管悬挂器及其连接短节发生严重偏磨事故为例,分析了作业时海况、钻井平台偏离井口的程度、隔水管挠性接头是否扭卡和套管悬挂器耐磨补心的内径等可能造成套管悬挂器偏磨的因素,结合有限元软件计算结果,提出了以精确监测钻井平台偏离井口程度和选用与套管内径一致的套管悬挂器耐磨补心为主的预防技术措施。M井填井侧钻及后续的11口井进行钻修井、弃井作业时,4台半潜式钻井平台在施工中严格采取相应的预防技术措施,套管悬挂器及连接短节未发生明显偏磨。现场应用表明,预防技术能够有效保护水下井口套挂悬挂器,保证油气井的完整性。      

环空带压对深水水下井口疲劳损伤的影响规律

海洋深水油气井测试过程中,高温产液上返时会加热周围套管及多层套管环空内的液体,引起液体在密闭井筒环空中膨胀,产生环空带压。环空带压的存在会改变水下井口疲劳热点处的应力状态,进而对水下井口疲劳损伤产生不利影响,制约了深水油气井长期安全高效运行。为了给深水油气井的长期安全运行提供更加科学的指导,考虑环空液体物性参数、井筒环空液体热膨胀和环空体积变化的耦合影响,建立了水下井筒环空带压计算模型,采用迭代法对环空带压进行了求解,将获得的环空带压施加到水下井口有限元模型上,然后以高压井口头与表层套管的焊缝为研究对象,研究了环空带压条件下水下井口疲劳热点处的应力状态;在此基础上,分析了环空带压、水泥浆返高和高压井口头出泥高度对水下井口疲劳损伤的影响规律。研究结果表明：①环空带压的存在会加剧水下井口的疲劳损伤,压力越高,疲劳损伤越严重;②表层套管外水泥浆返高与泥线的距离越大,水下井口的疲劳损伤越小;③高压井口头出泥高度越大,水下井口疲劳损伤越大。结论认为,有效地控制水下井口的环空带压与合理地设计井身结构,有助于减少水下井口的疲劳损伤。     

多模式优化下的柱塞气举排水采气控制系统设计

针对现有柱塞气举控制系统功能单一,缺乏系统优化功能,仅依靠理论模型输入参数的缺点,设计了多模式优化下的柱塞气举排水采气控制系统。该系统以STM32 单片机为核心,通过实时采集油压、套压和柱塞到达井口的时间,经单片机优化处理后控制气动薄膜阀的开关。现场应用结果表明,该系统保证了气井制度调整的实时性,达到了良好的气井排液效果,提高了管理效率。     

油气井管柱完整性技术研究进展与展望

在回顾油气井管柱完整性概念的提出与发展历程的基础上,介绍了我国在钻柱构件适用性评价、"三超"(超深、超高温、超高压)气井油套管柱可靠性设计与完整性评价、"三超"气井油管腐蚀行为与评价、热采井基于应变设计与选材评价技术等方面的最新研究进展及其应用情况。指出现有油气井管材与管柱技术仍不能满足"三超"、严重腐蚀、非常规、特殊工艺和特殊结构井等服役环境,进而提出了进一步加强油气井管柱完整性技术研究与科技攻关的建议:1持续完善和发展中国西部深层油气勘探开发套管柱优化设计与管材选用及完整性评价技术;2急需建立有针对性的非常规页岩气开发套管柱优化设计、选材及完整性评价技术;3建立"三超"高含CO2气井环境及压裂酸化工况复杂油管优化设计、选材选型、完整性评价技术;4深入研究含缺陷油气井管柱缺陷检测、安全评价、风险评估、寿命预测、维修补强等关键技术;5建立油气井管柱完整性管理体系和配套的支撑技术体系。     

深层油气井井筒完整性检测方法

为解决深层油气井井筒“完整性失效部位不唯一、失效形式多样化”、定位识别难度大的问题，基于现有检测方法，集成优化相关设备和工艺，形成了以“声波+电磁”特征为核心的深层油气井井筒完整性检测方法，能够准确定位并识别油管泄漏、丝扣渗漏、套管泄漏、套后水泥环窜流、液面下泄漏和多重泄漏。采用该方法检测了试验井的井筒完整性，成功确定了生产管柱两泄漏点的位置和泄漏类型。研究和现场试验结果表明，研究形成的检测方法可准确识别深油气井井筒完整性失效类型和确定失效位置，可为深层油气井建井、修井和井筒完整性管理提供技术支撑。      

Multistring analysis of wellhead movement

This paper presents simple models to describe casing loading and wellhead movement during both the installation (mechanical) phase as well as the production (thermal) phase. Input parameters include hook load during installation and temperature change during production. The theory is simple and the formulations are suitable for hand-calculations and spreadsheet. The presented models are applicable to both conventional and HP/HT (high-pressure/high-temperature) wells. The term multistring analysis refers to the involved casing strings which are connected at the wellhead and therefore, the applied mechanical or thermal disturbances will cause wellhead movement that depends upon the interaction of the different tubulars.A field case is presented and analyzed using presented theory. This is an offshore well where the wellhead suddenly dropped several feet due to a collapsed surface casing. The incident took place during wellhead cooling following a routine shutdown. The expected wellhead contraction due to cooling did not occur. After an extended period with no wellhead movement, the wellhead suddenly released. A corroded segment of the surface casing collapsed and the wellhead dropped.     

抽油机井自控式套管气回收装置

为了有效收集低套压抽油机井的套管气,研制了一种自控式套管气回收装置。该装置排液缸连接生产阀门,气缸通过进气管连接套管阀,两缸活塞通过连杆连接,利用抽油机井上下冲程时井口压力变化实现气缸强制吸入套管气。上冲程时排液缸压力上升,活塞右行,气缸容积增大,压力降低,完成套管气吸入;下冲程时井口压力下降,在集油管线压力下使气缸活塞左行,气缸内套管气进入排液管,如此往复循环,整个工作过程不需要额外动力,可以将套压低至0.1 MPa的油井套管气有效回收。现场应用22口井,平均日回收天然气1 352 m3,有效提高了天然气资源利用率。