羅 偉， 林永茂， 孫 濤， 張京輝， 陳昌杰

(1南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 3中國石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院)

對于元壩高含硫氣井，惡劣的井下腐蝕環(huán)境以及復(fù)雜的井況工況，使得完井管柱泄漏常見于生產(chǎn)過程中，完井管柱泄漏將直接導(dǎo)致油套環(huán)空異常起壓，這就對元壩氣井的井筒完整性和安全生產(chǎn)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。現(xiàn)有環(huán)空壓力治理措施如加注壓差堵漏劑或超級樹脂等環(huán)空堵漏技術(shù)存在成本高、作業(yè)難、風(fēng)險大和容易產(chǎn)生次生事故等問題，而頻繁的泄壓和加注保護(hù)液也會增加現(xiàn)場管理難度和作業(yè)風(fēng)險[3-5]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測完井管柱泄漏引起環(huán)空異常起壓變化規(guī)律并制定合理的控制措施對實現(xiàn)元壩高含硫氣井的安全生產(chǎn)具有重要意義。因此，本文首先對元壩氣井生產(chǎn)過程中完井管柱泄漏的風(fēng)險點進(jìn)行了分析，然后結(jié)合完井管柱泄漏的物理過程，建立了油套環(huán)空異常起壓預(yù)測模型，通過實例計算和參數(shù)敏感性分析獲得了油套環(huán)空異常起壓規(guī)律，并提出了相應(yīng)的控制措施；通過不同泄漏類型的模擬計算，總結(jié)了完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓的四種典型模式，并將其進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，實現(xiàn)了元壩1-1H井泄漏類型和井筒安全風(fēng)險的快速判斷[6-7]。

一、元壩氣井油套環(huán)空異常起壓規(guī)律分析

1. 完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓預(yù)測模型

1.1 物理模型

完井管柱泄漏引起油套環(huán)空帶壓物理模型見圖1。

圖1 完井管柱泄漏引起油套環(huán)空帶壓物理模型

圖1路徑為：首先通過完井管柱上的泄漏點進(jìn)入油套環(huán)空，然后再經(jīng)環(huán)空保護(hù)液上竄至上部氣腔，最后形成井口環(huán)空帶壓，在建立預(yù)測模型時涉及嘴流壓降模型、靜止液柱兩相流動模型和井口氣腔壓力增量模型三者的耦合。

1.2 嘴流壓降模型

對于氣體通過流通截面突縮部件時，即完井管柱上的泄漏點時，其流動可概括為嘴流。

對于亞臨界流，氣體流量與壓力比的關(guān)系為：

(1)

對于臨界流，氣體流量不會隨泄漏點下游壓力降低而增加，即氣體流量達(dá)到最大值：

(2)

式中：p2—泄漏點下游壓力，MPa；p1—泄漏點上游壓力，與泄漏點深度相關(guān)，由井筒流壓分布計算可得，MPa；k—氣體的絕熱指數(shù)；qsc—通過泄漏點的氣體流量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，104m3/d；d—泄漏點的等效直徑，mm；T1—泄漏點上游溫度，K；Z1—泄漏點上游氣體的偏差系數(shù)；γg—氣體的相對密度。

1.3 靜止液柱兩相流動模型

對于氣體通過泄漏點進(jìn)入環(huán)空后，在環(huán)空保護(hù)液中的流動可以概括為氣液兩相流動，其連續(xù)相和分散相的連續(xù)性方程分別為：

(3)

(4)

氣液兩相混合物的動量守恒方程為：

(5)

式中：Hg—截面含氣率；ρl、ρg、ρm—分別為液相、氣相和氣液混合物的密度，kg/m3；vl、vg、vm—分別為液相、氣相和氣液混合物的截面平均速度，m/s；fm—氣液混合物的摩阻系數(shù)；da—環(huán)空對應(yīng)的水力直徑，m。

1.4 井口氣腔壓力增量模型

(6)

2. 實例計算

以元壩1-1H井為例，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示，假設(shè)該井泄漏點深度為3 380 m，泄漏點等效直徑為0.2 mm，初始環(huán)空壓力為0.1 MPa。

表1 元壩1-1H井的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2為該井在假設(shè)的泄漏點位置及尺寸下獲得的油套環(huán)空異常起壓上升規(guī)律，從圖2看出，隨著泄漏的開始，環(huán)空壓力逐漸上升，但上升的速度越來越慢，最后穩(wěn)定到一環(huán)空壓力值，而泄漏速度最開始最大，隨著環(huán)空壓力的上升泄漏速度越來越小，當(dāng)泄漏點內(nèi)外壓力平衡時，停止泄漏，此時環(huán)空壓力也達(dá)到了穩(wěn)定。

圖2 油套環(huán)空異常起壓上升規(guī)律

3. 參數(shù)敏感性分析

3.1 泄漏點深度

從圖3中看出，隨著泄漏點深度的降低，環(huán)空壓力上升速度越快，且對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值越大，可以得到結(jié)論：泄漏點深度越淺，對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險越大。因此，保證井口密封完整性，提高耐蝕合金材質(zhì)井下安全閥和氣密封扣油管(特別是上部油管)的入井施工質(zhì)量都是降低井筒安全風(fēng)險的有效方法。

3.2 泄漏點等效直徑

從圖4中可以看出：隨著泄漏點等效直徑的增大，環(huán)空壓力上升速度越快，環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定的時間越短。因此，如有條件采取環(huán)空化學(xué)堵漏的方式降低泄漏點等效直徑也是控制井筒安全風(fēng)險的有效方法。

圖3 泄漏點深度對環(huán)空壓力上升的影響

圖4 泄漏點等效直徑對環(huán)空壓力上升的影響

3.3 環(huán)空氣腔高度

從圖5中可以看出，隨著環(huán)空氣腔高度的增加，環(huán)空壓力上升速度越慢，環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定的時間越長，但環(huán)空壓力穩(wěn)定值稍稍增大。因此，在實際生產(chǎn)過程中，環(huán)空可不充滿保護(hù)液，預(yù)留一部分環(huán)形空間，有利于降低環(huán)空壓力的上升速度。

圖5 環(huán)空氣腔高度對環(huán)空壓力上升的影響

二、元壩氣井油套環(huán)空異常起壓典型模式

通過不用泄漏類型的模擬計算，總結(jié)了元壩氣井完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓的四種典型模式(圖6)，其可用于元壩氣井現(xiàn)場壓恢實測曲線的定性分析，通過將典型模式與現(xiàn)場壓恢實測曲線比對，可以實現(xiàn)元壩氣井泄漏類型和井筒安全風(fēng)險的快速判斷[12]。

圖6 完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓典型模式

1.高壓快升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度較快，且對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值大，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓高，泄漏點深度淺，且泄漏點等效直徑大；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險最大。

2.高壓持升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度相對較慢，在測試期間沒有達(dá)到高穩(wěn)定壓力，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓高，泄漏點深度淺，但泄漏點等效直徑??；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險次之。

3.低壓快升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度較快，但對應(yīng)的環(huán)空壓力穩(wěn)定值小，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓低，泄漏點深度大，但泄漏點等效直徑大；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險相對較小。

4.低壓持升模式

該模式環(huán)空壓力建立特征為：環(huán)空壓力上升速度較慢，在測試期間沒有達(dá)到低穩(wěn)定壓力，該模式對應(yīng)的具體工程情形為：油壓低，泄漏點深度大，且泄漏點等效直徑??；該模式對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險最小。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

元壩1-1H井生產(chǎn)以來，套壓出現(xiàn)了持續(xù)上漲，并且環(huán)空氣樣檢測出含H2S，與產(chǎn)出氣成分基本一致，現(xiàn)場初步判斷油套竄通，完井管柱上產(chǎn)生了泄漏。

從該井生產(chǎn)曲線可以看出(圖7)，至2016年以來，油套壓基本達(dá)到了穩(wěn)定，并且具有很強(qiáng)的相關(guān)性，進(jìn)一步說明油套之間竄通，而且此階段油套之間也建立了新的動態(tài)平衡。

圖7 元壩1-1H井投產(chǎn)以來的生產(chǎn)曲線

現(xiàn)場進(jìn)行了泄壓/壓恢測試，圖8為該井的泄壓/壓恢實測曲線，通過比對前面建立的典型模式，該井在測試期間一直處于持續(xù)升壓階段，而且對應(yīng)的穩(wěn)定壓力較低(<10 MPa)，因此可以判斷此階段元壩1-1H井屬于低壓持升模式，對應(yīng)的具體工程情形為：油壓低、泄漏點深度大、泄漏點等效直徑小，且對應(yīng)的井筒安全風(fēng)險較小。

圖8 元壩1-1H井現(xiàn)場泄壓/壓恢實測曲線

四、結(jié)論

(1)結(jié)合嘴流壓降模型、靜止液柱兩相流動模型和井口氣腔壓力增量模型建立了完井管柱泄漏引起環(huán)空異常起壓耦合預(yù)測模型，通過實例計算和參數(shù)敏感性分析獲得了油套環(huán)空異常起壓規(guī)律，并提出了相應(yīng)的異常起壓控制措施。

(2)泄漏點深度越淺，井筒安全風(fēng)險越大，保證井口及上部完井管柱的完整性至關(guān)重要；降低泄漏點等效直徑，有利于控制井筒安全風(fēng)險；存在一定環(huán)空氣腔高度，即環(huán)空不充滿保護(hù)液，預(yù)留一部分環(huán)形空間，有利于降低環(huán)空壓力的上升速度。

(3)總結(jié)了元壩氣井完井管柱泄漏引起油套環(huán)空異常起壓的四種典型模式，包括：高壓快升模式、高壓持升模式、低壓快升模式和低壓持升模式，其可用于元壩氣井現(xiàn)場壓恢實測曲線的定性分析，實現(xiàn)泄漏類型和井筒安全風(fēng)險的快速判斷。