深水油气井开采过程环空压力预测与分析

深水油气井投入生产后受到地层高温流体的影响,井筒内温度场会重新分布引起环空压力上升,威胁油气井管柱的安全服役和井筒完整性。为确保深水油气井井身结构和管柱强度符合长期安全稳产的要求,建立了基于能量守恒定律和多层圆筒壁传热原理的深水油气井井筒温度分布计算模型,根据深水油气井井身结构复杂、环空层次多的特点,遵照体积相容性原则提出了计算环空压力的迭代方法,实现了对井筒内温度分布和环空压力的预测与分析。利用温度预测模型和压力计算方法对相关影响因素进行了分析。结果表明:环空温度、压力的上升主要集中在油气井投入生产的初期,随生产时间的增加变化逐渐变缓;产量较低时,井口产出流体的温度与环空温度、压力随产量的上升迅速增加,当产量到达一定数值以后井口产出流体的温度与环空温度、压力趋于稳定;环空温度和压力随着地温梯度的增加线性上升。     

深水井筒环空圈闭压力单向控制机理

深水油气井水下完井技术条件下,多级中间套管的环空圈闭压力是影响深水井筒完整性的关键因素之一。为有效控制油气生产或测试过程中圈闭压力对井筒安全性的威胁,开发了一种深水井筒环空圈闭压力单向控制技术。以南海深水油气典型井的井身结构为设计依据,研究了深水井筒生产测试过程的圈闭空间压力单向释放与控制工艺技术方法;构建了单向控制技术的室内实验模拟系统,实验模拟了井筒产出热流体对圈闭空间内圈闭液体温度、压力的影响。基于所设计的环空圈闭压力单向控制的方法,研制了一套压力单向控制的套管短节工具,并对压力单向控制套管短节工具的原理样机进行了室内模拟实验。实验结果表明,圈闭压力单向控制的方法可有效降低圈闭热应力异常升高而导致的套管变形、井口密封破坏等井筒安全事故的发生。圈闭空间的单向控制技术可有效保护深水井筒完整性,同时为深水圈闭压力的控制提供了安全方法。     

深水油气井筒环空注氮控压机理

通过深水井筒环空圈闭压力影响因素分析,结合环空圈闭介质温度、压力特性室内模拟实验,提出环空注氮气控制圈闭压力的方法。受深水井身结构及水下井口系统限制,技术套管和生产套管固井后存在较长的自由段套管环空,由水基、合成基或油基钻井液充填,油气测试、生产过程中,套管环空圈闭液体受井筒流体影响温度显著升高,圈闭液体受热膨胀出现圈闭压力。实验表明:圈闭流体热膨胀系数和等温压缩系数是环空圈闭压力关键影响因素,圈闭压力对圈闭介质类型(液、气)敏感度差异极大;向套管圈闭环空注入5%~20%体积分数的氮气,可以有效控制圈闭压力。现场实践表明:环空注入氮气的圈闭压力控制方法操作方便、可靠性高,能保证深水油气测试、生产过程井筒安全。     

套管封固段变形对高温高压井环空圈闭压力影响规律

高温高压井在钻井及生产过程中，由于密闭环空流体受热膨胀产生的环空圈闭压力严重影响着气井的安全，环空圈闭压力大小与密闭环空体积变化密切相关。为研究套管封固段变形对环空圈闭压力的影响，根据弹性变形理论，在建立套管— 水泥环—地层协调变形模型的基础上，综合考虑环空流体参数、套管变形等因素，建立了多管柱环空圈闭压力计算模型，结合实际案例分析了套管变形对环空圈闭压力的影响规律。研究表明考虑套管封固段变形预测的环空圈闭压力值较不考虑该因素时降低约13%，且与现场实测值更接近。该研究对于指导高温高压井的套管柱设计及安全生产有重要的现实意义。     

深水油气井环空圈闭压力研究

深水油气井受限于水下井口,其密闭环空没有释放压力的通路,从而形成附加圈闭压力,威胁井筒安全,因此,对油气井测试和生产过程中套管环空圈闭压力的研究至关重要。基于深水井井身结构和井筒传热过程,通过计算深水钻完井套管环空温度分布,建立了套管环空压力的预测模型,提出了利用牛顿下山法求解环空压力的方法,并利用现场实例对模型进行了验证。分析结果表明:7口井套管环空温度和压力的预测值与监测值非常接近,其最大相对误差均在10%以内,精度满足工程要求,表明所建模型计算结果符合现场实际情况。所得结论可为深水油气井环空圈闭压力的计算提供理论指导。     

深水泡沫套管静水压载特性与压力控制机理

深水油气井生产测试阶段受地层高温流体的影响，会产生套管环空圈闭压力上升现象，严重威胁油气井管柱服役周期和井筒完整性。采用泡沫套管技术能有效减缓环空压力上升，保护管柱结构不受损坏，是一项经济可行的控压措施。首先通过实验测试得到了不同温度和不同微珠质量含量下的复合泡沫材料体积压缩率随静水压力的变化规律，并根据Gibson模型中的多孔材料力学行为理论，分析了泡沫套管控压过程中线弹性变形、屈服破坏和致密化压缩3个阶段的力学行为特征。同时根据弹性力学和热应力理论，结合多层圆筒受热变形原理，遵照体积相容性原则推导出密闭环空内压力增量、体积增量与温度变化之间的函数关系。针对泡沫材料体积压缩量进行分段计算处理，利用实验数据线性回归得到泡沫材料线弹性阶段和致密化阶段的压缩系数，建立了涵盖热膨胀效应和致密化效应的泡沫体积压缩计算模型。结果表明：泡沫材料的启动压力会随着温度的升高而降低，空心玻璃微珠含量越高，泡沫材料体积压缩率越大；深水井多层套管环空内压力增量、体积增量与温度变化呈线性关系，环空体积增量越大，环空压力增量越小；泡沫材料在致密化压缩阶段比线弹性压缩阶段更能有效地控制环空压力上涨幅度，计算时不可忽略；当环空压力增量达到泡沫套管启动压力时，环空内压力大幅降低，套管体积变化量减小。     

深水套管环空圈闭压力计算及控制技术分析

针对深水井测试及生产过程中套管环空圈闭压力增加导致套管挤毁和破坏的问题,建立了环空圈闭压力计算模型,利用平面应变问题的基本方程和拉梅方程对环空圈闭段套管应力、应变和位移进行了求解,分析了油藏与海底温度、流体性质与生产流速、井身结构与套管材质以及固井水泥返高等因素对环空圈闭压力的影响。在此基础上,对目前国际上采取的环空圈闭压力控制技术进行了分析,认为安装破裂盘和使用可压缩泡沫材料这2种技术方案可有效控制深水套管环空圈闭压力,确保深水油气开发井筒完整性和作业安全性。     

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。     

多封隔器密闭环空热膨胀力学计算方法及应用

环空温度压力变化对高温高产气井多封隔器管柱力学行为和安全可靠性的影响较大。为此,基于动量守恒定律、能量守恒定律及各层环空流体瞬态传热机理,建立了单层和多层环空的温度、压力场计算模型,分析全井筒环空温度和热膨胀压力的变化规律;针对多封隔器完井管柱,综合考虑密闭环空温度效应和体积变化效应,建立了多封隔器间密闭环空热膨胀压力计算模型,研究双封隔器间密闭环空的热膨胀压力变化规律;以南海西部某高温高产气井作为实例开展分析。结果表明:(1)环空温度效应和体积效应共同作用使全井筒A环空热膨胀压力最小,C环空热膨胀压力最大;(2)双封隔器间密闭环空热膨胀压力与环空温差基本上呈线性关系,温度效应引起的压力增量占主导作用,体积效应对压力增量的贡献率随环空温差的增大而增大;(3)确定实例井最大产气量为212×10~4 m~3/d,在产量为160×10~4 m~3/d时,双封隔器最大坐封间距为312 m。结论认为:在强度允许的前提下,选择内径较大的生产套管有利于降低密闭环空热膨胀压力。     

考虑材料非线性的环空增压预测模型

为了准确预测深水油气井钻采过程中的环空增压,建立了改进的环空增压计算模型。该模型考虑了材料的非线性性质和套管变形的影响,其中材料的非线性性质包括了流体热膨胀系数和压缩系数随温度、压力变化的性质以及套管弹性模量、热膨胀系数随温度变化的性质。模型中的非线性函数由插值方法获得,并进行了实验验证和误差分析。计算中,将各个环空沿轴向进行分段,并将变温以增量的方式进行加载。通过算例,将该模型与忽略材料非线性性质和套管变形的简化模型进行了对比,讨论了各非线性参数及井筒变温对环空增压预测结果的影响。结果表明,与改进模型相比,简化模型的误差范围为2.51%~26.11%;在变温较小的深水井中,同时忽略材料非线性和套管变形对环空增压影响较小;而井筒变温较大时,忽略材料非线性后造成的环空增压预测误差非常显著;流体膨胀系数对环空增压的预测结果影响最大,若将流体膨胀系数取为常数,则误差达到70%。     

考虑材料非线性的环空增压预测模型

为了准确预测深水油气井钻采过程中的环空增压,建立了改进的环空增压计算模型。该模型考虑了材料的非线性性质和套管变形的影响,其中材料的非线性性质包括了流体热膨胀系数和压缩系数随温度、压力变化的性质以及套管弹性模量、热膨胀系数随温度变化的性质。模型中的非线性函数由插值方法获得,并进行了实验验证和误差分析。计算中,将各个环空沿轴向进行分段,并将变温以增量的方式进行加载。通过算例,将该模型与忽略材料非线性性质和套管变形的简化模型进行了对比,讨论了各非线性参数及井筒变温对环空增压预测结果的影响。结果表明,与改进模型相比,简化模型的误差范围为2.51%~26.11%;在变温较小的深水井中,同时忽略材料非线性和套管变形对环空增压影响较小;而井筒变温较大时,忽略材料非线性后造成的环空增压预测误差非常显著;流体膨胀系数对环空增压的预测结果影响最大,若将流体膨胀系数取为常数,则误差达到70%。     

高温高压含硫气井环空流体热膨胀带压机理

在高温高压含硫气井中,环空带压值过大将会影响正常生产,一旦超过允许值将诱发潜在的安全事故。针对开采过程中井筒温度升高使密闭环空流体受热膨胀而导致的环空带压问题,建立了高温高压含硫气井环空流体热膨胀带压值的计算模型,并进行了实例计算。结果表明,高温高压含硫气井环空流体热膨胀引起的带压值很有可能会引起生产管柱的失效,给油气井安全生产带来威胁。因此,有必要在井身结构设计、套管强度设计与环空保护液优选时,根据油气井正常开采的工作制度,降低开采过程中环空带压值并开展有效的环空带压管理,确保高温高压含硫气井的长期安全生产。     

环空圈闭压力对水泥环密封失效的影响

针对深水高温高压井环空圈闭压力变化可能造成水泥环密封失效的问题,现有文献大多从现场管理措施及理论模型的角度进行研究。鉴于此,基于全尺寸水泥环密封完整性试验装置,模拟了环空不同圈闭介质形成的压力随温度的变化规律,提出了一种套管内采用硅酸铝复合隔热涂料控制环空圈闭压力的新方法,并通过窜流试验研究了不同流体圈闭压力对水泥环密封完整性的影响规律。研究结果表明:不同圈闭流体对温度的敏感性差异较大,盐水钻井液最为敏感,油基钻井液温度敏感性最小;环空圈闭压力对水泥环密封完整性影响较大,环空圈闭压力越大,水泥环气窜压力越小;套管内采用硅酸铝复合隔热涂料,可有效减少井筒约50%热量传递,增强了井筒防气窜能力,可以有效抑制环空圈闭压力,保障井筒安全。研究结果可为深水高温高压井环空圈闭压力的控制提供技术支持。     

渤海“三高”气井环空早期圈闭压力预测

针对渤海"三高"（高温、高压、高酸气含量）气井生产早期环空圈闭压力过大严重威胁井筒安全、现有计算模型不能满足"三高"气井圈闭压力计算需要进而影响井筒完整性管理的问题,为准确预测"三高"气井的圈闭压力,基于漂移模型、动量守恒、能量守恒、井筒传热学、平面应变力学方程、气体状态方程以及管柱力学相关理论,建立了"三高"气井井筒温度、压力耦合预测模型以及气液两相圈闭压力迭代模型,实现了"三高"气井高温、高压、产水和非烃气体等实际工况下的气液两相圈闭压力计算,并解决了现有计算模型适用性差以及迭代不收敛的问题。研究结果表明：所建温度、压力耦合预测模型误差约为5%;相较于已有模型,所建模型计算结果更接近现场实际情况,误差在7.5%以下,高产工况下准确度更高;分析得到了"三高"气井不同因素对圈闭压力的影响规律,进行定量化敏感性分析,并以此为依据从工程角度提出了环空圈闭压力的控制措施。其中,环空预留5%~7%气柱能有效降低圈闭压力。     

页岩气水平井套管偏心条件下注水泥全过程压力动态预测

某油田二叠系山西组页岩气水平井注水泥过程中易出现漏失和溢流等复杂问题,严重影响固井质量,现有套管居中条件下井筒压力计算方法难以满足井筒压力精确计算要求。亟需建立一套考虑实际井下工况的注水泥全过程井筒压力计算模型来准确预测、实时评价井筒压力分布特征,以确保固井安全与提高固井质量。考虑套管偏心工况下注水泥过程中多种流体注入对井筒静压和循环摩阻的影响,引入偏心环空摩阻压降修正系数,建立了考虑套管偏心条件下注水泥环空流动计算模型,结合计算A井套管偏心数据,分析了套管偏心对环空压力的影响。结果表明,套管偏心条件下环空摩阻压降比同心环空降低了22.7%～33.42%,套管偏心条件下压力计算模型的预测值与实际泵压吻合度高,计算误差在1.37%以内,采用该计算方法确保了注水泥施工过程中的压稳不漏原则。验证了建立的注水泥全过程压力预测模型与计算方法的准确性,成果对低压易漏地层固井施工具有重要指导意义,避免了井下复杂情况发生,确保固井施工安全。     

35MPa环空放气阀设计及试验

环空放气阀是油气井中控制油管和套管环空通道的主要工具.研制了一种新型环空放气阀,密封面为球面金属密封.通过理论计算、有限元分析、室内试验,对环空放气阀进行设计分析和验证.结果表明,内部/外部压力产生的轴向力始终使金属密封面压紧,且内部/外部压力越大,密封面的压紧力越大;在额定工作压力35 MPa条件下,最大应力为193...     

煤层气欠平衡钻井环空注气工艺优化

充气欠平衡钻井技术是目前煤层气钻井中减少煤储集层伤害、保护煤储集层最常用的措施之一.针对煤层气羽状水平井充气欠平衡钻井技术特征,优选了水平及竖直井筒内多相流动压降计算模型,确立了井底欠压值的求解方法,给出了求解的计算流程.根据沁水盆地煤层气田某羽状水平井实际资料,通过对不同注气压力、不同注气量以及不同钻井液排量条件下井底欠压值的计算和分析得出:当环空注气压力一定时,井底欠压值随钻井液排量的增大而单调递增,且环空注气量越大,井底欠压值越小;在最佳环空注气压力条件下,当钻井液排量一定时,井底欠压值随着环空注气量的增大而单调递减,当环空注气量一定时,井底欠压值随着钻井液排量的增大而增大.利用该计算模型和计算方法,结合现场欠平衡钻井工程要求.可以优化出最佳的环空注气工艺参数.     

环空体积膨胀条件下的高压气井环空压力预测方法

针对高压气井生产过程中气窜引发的环空带压问题,重点考虑自由段和封固段套管柱变形引起的环空体积变化,建立了2层环空压力耦合分析模型与数值求解方法,并对该模型进行了验证与算例分析;在此基础上,讨论了综合渗透率、环空气柱温度及环空液体密度等因素对环空压力的影响规律。结果表明:由于气窜的影响,自由段和封固段的套管柱膨胀,使A环空(油管与油层套管之间的环空)体积减小,而使B环空(油层套管与技术套管之间的环空)体积增大;环空体积变化延长了稳定时间,但A,B环空的最大压力均保持不变;随着综合渗透率和环空气柱温度的增加,最大环空压力不变,稳定时间缩短;随着环空液体密度的增加,最大环空压力减小,稳定时间缩短。因此,防止水泥环损坏、降低环空气柱温度及提高环空液体密度,是缓解高压气井环空带压的有效措施。该研究对高压气井井筒完整性的评估与控制具有指导意义。     

海上高温高压井环空ECD精细预测模型

为了准确预测高温高压井环空ECD,基于高温高压下钻井液流变性测试数据,利用多元非线性回归得到了钻井液密度和流变参数计算模型。通过将钻井液密度和流变参数计算模型与井筒传热模型耦合,建立高温高压井环空ECD精细预测模型。相比Drillbench软件计算结果,该模型更接近于实测PWD数据,误差更小。实例井计算结果表明,循环钻进过程中,下部环空温度不断降低,钻井液密度和稠度系数受温度影响不断增加,导致环空ECD不断增加;钻井液排量与地温梯度是影响环空ECD分布的关键因素,排量越大,环空压耗越大,进而环空ECD也越大;地温梯度直接影响环空温度分布,地温梯度的增加将导致环空ECD的不断降低。      

深水井注泡沫隔离液井口环空圈闭压力计算研究

深水油气井由于水下井口特殊结构,B、C环空压力圈闭压力无法通过井口释放,注泡沫隔离液可有效降低深水井环空圈闭压力,目前尚未有注泡沫隔离液的理论模型和实验研究,无法指导现场开展注泡沫隔离液.基于气体、液体状态方程,考虑套管径向变形影响,建立了深水井注泡沫隔离液环空圈闭压力计算模型,通过室内试验测定了流体热物性参数,基于室...