分析深井完井測試管柱結構設計要點

蘇劍波(中海石油(中國)有限公司湛江分公司工程技術作業(yè)中心，廣東 湛江 524057)

0 引言

在當前全球技術競爭日益激烈的大背景下，工業(yè)發(fā)展日漸壯大，對于石油的需求量穩(wěn)增不減，深井開采已經(jīng)成為必然趨勢。盡管當前我國的深井油田開采技術已經(jīng)領先于很多國家，但是不斷提高生產(chǎn)的安全性，以更完備的技術獲得更高的效益是必然追求。

1 深井完井測試系統(tǒng)的概述

根據(jù)對深井測試系統(tǒng)進行多層次分析，可以得知，深井完井測試系統(tǒng)主要可以劃分為聯(lián)頂管串、鉆臺電業(yè)控制系統(tǒng)和測試管柱三大部分。其中聯(lián)頂管串在實際進行深井完井操作實踐的關鍵組成環(huán)節(jié)，能為測試提供必要保障；鉆臺電液控制系統(tǒng)在實際操作中起到調控目標，是順利高效完成開采工作的重要支撐；測試管柱是深井完井操作實踐重點需要關注測試的結構部件之一，關乎井內作業(yè)的成敗[1]。

2 深井完井測試風險分析

深井完井測試對于制定油氣田的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)起決定性作用，同時在實際作業(yè)中，深井完井測試也是深水油氣田勘探開發(fā)的重要組成部分。不同于淺水深水測試與常規(guī)水深測試，深井完井測試的挑戰(zhàn)性和難度相對更大。深井完井一般是海上作業(yè)，因為深度較大并具海上鉆井空間較狹小，設備和人員可利用空間較小，再加上海上自然環(huán)境較惡劣，一旦操作出現(xiàn)問題，就會引起爆炸、火災、中毒和環(huán)境污染等重大事故，所以危險性也比較大。具體存在的技術隱患主要以下幾種：

淺層氣和水合物不穩(wěn)定，氣體膨脹上竄。受溫度的影響較大，如果在測試過程中井內溫度發(fā)生變化，破壞了原有的溫度場，極容易在測試過程中造成氣體膨脹然后上竄。一旦發(fā)生氣體上竄一是破壞井口裝置的穩(wěn)定性，使井口裝置松動失穩(wěn)；二是氣體流動形成的氣泡破壞了海水的密度，海水密度降低，浮力發(fā)生變化導致平臺和鉆井船不穩(wěn)定，嚴重時甚至會出現(xiàn)沉船事故；三是氣體上竄受擠壓，氣壓變化容易發(fā)生爆炸或者火災事故。

天氣變化引發(fā)事故。海上作業(yè)受氣候影響較大，尤其是臺風影響，如果氣候變化較大容易引發(fā)事故，所以要及時檢測天氣，發(fā)生變化時要及時終止測試并快速退出上部管柱。

水合物堵塞測試管柱問題。在實際操作過程中受地形、水流、風力等影響，地表上形成的水合物可能會順勢進入測試管柱的的上端，這種情況一旦發(fā)生極容易帶來危險。因為流入管柱上部的水合物在低溫和高壓的雙重作用下，會比常溫常壓下凝固的更快，水合物的不斷堆積會造成測試管柱堵塞。因此，在設計之初，都會留有專門的化學試劑注入口，及時將堆積的堵塞物清理，排除安全隱患。測試管柱長度浮動問題。在進行深井完井測試時，受海浪和溫度等可變因素的影響，測試管柱的長度會有小范圍伸縮變化，這種變化雖然是無法避免的，但是設計之初，要盡量考慮到變化給測試帶來的誤差和危險，一般設計者會采用伸縮短接對管柱的辦法來彌補測試管柱長度浮動的問題。

海底井口以下部分的測試管柱測試工具選擇問題。在深水測試時，槽式懸掛器是測試中必不可少的工具，槽式懸掛起起著連接測試管柱和和井口的作用，由于是上下懸掛式連接，所以上提和下放式工具都會破壞結構的穩(wěn)定性，所以一般采用壓控式測試工具。深井完井測試周期長，要求高，再加上風險大，對風險控制有極高的要求，所以成本高。

因此，深井完井測試為了實現(xiàn)整個測試過程的安全可控，為保證測試工作人員的生命安全，都會在海洋深水測試過程中采用一些必要的安全措施。通常包括用金屬絲扣密封測試管柱之間的縫隙；采用能夠同時滿足下得去、坐得嚴、起得出、工作穩(wěn)定等特征，承壓能力高，安全可靠的封隔器；通過環(huán)空加壓的方式操作井下測試閥；安裝閥件時準備潤滑裝置；準備化學添加劑[2]。除此之外，還需要在平臺測試系統(tǒng)、井下測試管串和聯(lián)頂管柱上安裝一系列、功能各異的電、液控裝置，這些裝置能夠在發(fā)生意外和突發(fā)狀況時，啟動應急預案，來確保測試工作人員的安全，把測試設備的損傷降到最低。

3 深井完井測試管柱結構特點

井口及防噴器的設置。與淺井不同，深井通常將井口及防噴器設置在海床上，然后通過懸掛在水下井口上的槽形懸掛器實現(xiàn)與地面測試樹之間的連接，槽型懸掛器與地面測試樹之間則通過處于充滿流體的隔水管中的坐落管柱連接。對動力定位系統(tǒng)的精確度要求高。由于深水油氣井測試是在浮式鉆井裝置上進行操作的，動力定位系統(tǒng)直接影響到測試結果。動力定位系統(tǒng)一旦失效、內波流或惡劣天氣等因素引起突發(fā)性的平臺偏離井位，就會導致測試事故，唯一的辦法就是立即關井，并快速實現(xiàn)泥線以上坐落管柱與井下測試管柱的分離，降低危險系數(shù)。

地面對水下測試樹進行控制的中介要可靠。實際作業(yè)中，一般會選擇通過臍帶纜實現(xiàn)地面對水下測試樹的控制。具體操作是利用卡子將粗大的臍帶纜綁定在坐落管柱外部，但這樣一來，封隔器坐封很難通過旋轉管柱來實現(xiàn)，所以深井測試管柱用的是非旋轉坐封管柱來實現(xiàn)封隔器坐封。在平臺鉆機大鉤上懸掛坐落管柱，平臺鉆機大鉤與坐落管柱上端相連接，用升沉補償器來彌補平臺運動管柱發(fā)生的相對位移。

深井完井測試要進行跨隔測試要標準。測試時，封隔器的數(shù)量也是關鍵因素。在控制好數(shù)量以外，為保證實際測量數(shù)據(jù)的準確性，還需要密切關注測試過程和封隔器，在測試管柱的底部進行壓力測試設置，實現(xiàn)壓力測試的標準化形式要求。

4 深井完井測試管柱結構設計要點

4.1 深井完井測試管柱結構設計應遵循的原則

遵循安全性原則。經(jīng)上述分析可知，深井完井因為測試周期長、測試環(huán)境的不確定性給測試帶來了較大的風險。因此，安全問題是首要考慮的問題。不論是工具選擇還是實際操作都需要由專業(yè)技術本領較高的人員完成，另外設計的測試系統(tǒng)要具備處理突發(fā)狀況的本領。遵循簡單實用原則。滿足測試目的和要求是硬性指標，保障安全是必然要求，因此在這兩個前提下，測試管柱的結構應盡可能的簡單，減少連接部件，降低連接處發(fā)生故障造成重大事故的可能性。遵循快速原則。從設計到測試，應盡可能快速完成，以避免周期過長，環(huán)境發(fā)生變化，產(chǎn)生以外。尤其是海上作業(yè)時，風力、海浪、氣溫等變化不易控制，隨時發(fā)生變化，引起遵循快速高效的原則是十分必要的。

4.2 深井完井測試管柱設計應考慮的問題

為給在井中參加實際作業(yè)的工作人員提供更安全可靠的環(huán)境，排除重大事故發(fā)生的可能，深井完井測試管柱的設計必須要全面考慮以下幾個方面。首先要考慮井底溫度和壓力的大小，提前測試數(shù)據(jù)，并按照實際情況調整作業(yè)人員，避免給工作人員帶來傷害。其次是考慮測試儀器耐高溫高壓的能力，提前調試合適的工具。再次是測試中所有閥門的可操作性，一切要遵循簡單的原則，能夠快速進行調整。另外還要考慮地層流體的成分和性能，調配相應的化學試劑，以防底層流體堵塞管柱口，引起爆炸，此外還需要對測試管柱做堵塞測試，將危險系數(shù)降到最低。

4.3 深井完井測試管柱結構的設計方法

測試管柱設計要統(tǒng)籌考量實際進行設計。換句話說，測試管柱的設計標準是根據(jù)深井完井的情況制定的相適應的個性化方案。深井完井所處的地理位置、地質構造、地層成分構成等都是影響測試管柱設計的重要因素[3]。舉例來說，對于水平井、斜井形式的深井完井類型，環(huán)空加壓是常用的設計方案。而對于深井直井形式，統(tǒng)籌設計方案時通常考慮以機械設備為輔助進行。另外深井完井的出砂量也是不確定因素，如果井內有出砂現(xiàn)象，要考慮出砂情況多少，如果砂量較多，要在設計管柱時在結構中礫石，來防止砂石進入到測試管道內部[3]。

4.4 測試工藝的選擇及測試管柱結構優(yōu)化

APR測試。在進行測試時，要根據(jù)事前勘測的地質條件，因時因地選擇進行測試工藝。一般分為以下兩種情況。一種情況是地高產(chǎn)油井。一般這種油井預測儲層狀態(tài)良好，為實現(xiàn)效益的最大化，需要優(yōu)選測試工藝，一般會采用整體測試，其特點是一次性，難度低，投產(chǎn)周期短。另一種情況產(chǎn)能難以確定，效益無法預測的，這時就需要采用APR測試技術進行測試，然后根據(jù)測試結果，綜合考慮后，選擇相應的工藝，盡可能在規(guī)避風險的同時，實現(xiàn)效益最大化。

管柱的受力測試。測試管柱的受力情況是由工況條件決定的。由于不同施工的地質條件、氣候條件和自然環(huán)境等存在一定差異，所以工況不同，測試工藝就不能夠一概而論。在決定管柱結構前要通過管柱力學結構進行計算，來選擇最佳的組合形式。

酸度測試。環(huán)境的酸度對于測試管柱的影響很大，因此設計測試管柱時還需要對作業(yè)環(huán)境的酸度進行測試。酸化測試過程是通過工藝聯(lián)作形式進行的，在作業(yè)時應注意溫度的變化。結合“熱脹冷縮”的原理，測試管柱整體的狀態(tài)會隨著溫度的變化而改變。溫度的降低時，測試管柱整體膨脹效應幅度縮減，溫度升高時，管柱則會出現(xiàn)大幅度的伸長。這種變化會影響到測試管柱整體的密封性。為此，為防止井下工具的形變導致的密封度下降，在進行管柱設計是要設置允許出現(xiàn)的伸縮變化的安全范圍[3]。測試管柱的材質選擇。地層流體腐蝕、工作液對管柱的影響、材料的高低溫性能和耐壓等因素是影響管柱材質和鋼級選擇的主要因素。因此管柱材質選擇應符合API或相當材質規(guī)范要求。舉例來說，如果作業(yè)環(huán)境中有硫化氫等會產(chǎn)生劇烈腐蝕的化合物，則應該選擇鎳、鉻、鉬含量較高的高鎳合金鋼[4]。

管柱尺寸選擇。與材質相同，管柱尺寸的選擇也是靈活多變的。管柱尺寸選擇的原則是安全性、可適性、易操作性、經(jīng)濟性，除此之外，管柱尺寸的選擇，還需要考慮預期產(chǎn)能、連續(xù)排液、增產(chǎn)措施及管柱強度等因素。以深水氣井為例，因為深水氣井一般會產(chǎn)出一些液體，氣井開始積液時，井筒內氣體的最低流速也就是氣井攜液臨界流速，及氣井攜液臨界流量是選擇管柱尺寸必須要參考的數(shù)值[5]，這種情況下選擇的測試管柱尺寸不僅要能夠保證井底氣流速度，還要具備將井底液體和固體雜質帶出井筒的能力。

5 結語

隨著技術的日漸完善和成熟，使得深井油田的開發(fā)技術不斷更新優(yōu)化，并且已經(jīng)取得了較好的效果。工業(yè)的發(fā)展，尤其是當前越來越復雜的國際局勢下，我國發(fā)展全產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)成為必然選擇，那么對于能源的需求也隨之進一步加大，更深、更高難度的開采，對于深井完井的安全性要求更高，為實現(xiàn)更安全、高效率、高效益的開采，深井完井測試管柱的設計還需要根據(jù)實際情況進一步拓展和優(yōu)化，文章從深井完井的特點著手，分析了深井完井存在的風險進而對測試管柱的設計的原則、設計方法、應注意的問題以及應該采取的優(yōu)化手段進行了簡單闡述，以期促進管柱設計進一步優(yōu)化。