尾管負(fù)壓試壓方法研究與應(yīng)用

張華衛(wèi)吳 為王學(xué)杰趙向陽

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029）

尾管負(fù)壓試壓方法研究與應(yīng)用

張華衛(wèi)1吳 為2王學(xué)杰2趙向陽1

（1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029）

使用尾管開采高壓油氣藏時，尾管重疊段的負(fù)壓試壓的成功與否關(guān)系到該段尾管是否能成為油井屏障的關(guān)鍵，而尾管重疊段負(fù)壓測試的推薦做法和解釋程序國內(nèi)一直沒有明確的規(guī)定。通過調(diào)研相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和著名石油公司的推薦做法，對尾管重疊段進(jìn)行負(fù)壓試壓的條件、工藝等進(jìn)行了深入研究，建立了一套完整的尾管負(fù)壓試壓方法，包括參數(shù)計算方法、工藝流程、試壓結(jié)果解釋方法。提出的尾管負(fù)壓試壓方法在伊朗Y油田進(jìn)行了應(yīng)用，證明可行并能滿足現(xiàn)場試壓的需要。

尾管負(fù)壓試壓；參數(shù)計算；工藝流程；解釋方法；現(xiàn)場應(yīng)用

套管試壓是鉆井作業(yè)中必不可少的一項工作，國內(nèi)外各大油公司服務(wù)公司和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對套管試壓進(jìn)行了明確的規(guī)定［1-3］，但主要是套管內(nèi)正壓試壓，對如何進(jìn)行尾管包括重疊段的負(fù)壓試壓基本上沒有相關(guān)規(guī)定和推薦做法。墨西哥灣漏油事故［4］的一個重要原因就是生產(chǎn)套管（尾管）負(fù)壓試壓不合格，因此尾管包括重疊段的正壓和負(fù)壓測試對保證油氣井的安全極為重要。根據(jù)尾管負(fù)壓測試的需求性分析，從尾管測試、生產(chǎn)及棄井在內(nèi)各個工況的受力分析入手，提出對尾管負(fù)壓值的計算方法和負(fù)壓試壓的推薦做法，最后對提出的方法進(jìn)行了現(xiàn)場驗證。

1 尾管（重疊段）負(fù)壓試壓必要性分析

負(fù)壓試壓（Inflow Test）就是讓尾管或者套管在試壓過程中承受負(fù)壓（negative pressure），驗證水泥和套管的密封性。什么情況下進(jìn)行負(fù)壓試壓，不同的油公司可能會有所差異，但基本原理是一致的，就是在整個油氣井的生命周期（鉆井、完井、測試、生產(chǎn)以及后期的棄井）內(nèi)，如果尾管或套管的外部壓力高于內(nèi)部壓力或者懷疑尾管固井作業(yè)不成功，尾管包括重疊段在內(nèi)便需要進(jìn)行負(fù)壓試壓，以驗證油氣井的整體性［5］。主要有以下幾種情況：

（1）尾管的固井作業(yè)過程中，有作業(yè)失敗的證據(jù)或者現(xiàn)象；

（2）尾管重疊段的固井質(zhì)量太差，聲波變密度測井顯示沒有20 m 以上的連續(xù)的良好段；

（3）尾管封固段內(nèi)有高壓油氣層，完井或者測試過程中需要頂替成低密度的完井液［5］，造成尾管承受負(fù)壓；

（4）鉆井和固井結(jié)束后不直接進(jìn)入完井作業(yè)，下入較短的壓井管線或不下入進(jìn)行臨時棄井（Suspension）以等待隨后的完井作業(yè)；

（5）尾管封固段內(nèi)有目前不做產(chǎn)層的高壓砂巖油藏；

（6）鉆穿尾管附件進(jìn)行下一開次鉆井，下一開需要的鉆井液密度小于本層尾管鉆井過程中使用的鉆井液密度。該種情況，可以直接在下一開次鉆井作業(yè)之前，全井替成下開次鉆井液后進(jìn)行溢流檢查，如果溢流檢查正常便可以認(rèn)為負(fù)壓試壓合格，進(jìn)行下一開次的施工，文中對這種情況不再單獨分析。

2 尾管（重疊段）負(fù)壓試壓參數(shù)計算方法

尾管負(fù)壓試壓，主要需要計算負(fù)壓值，確定負(fù)壓測試用的頂替液體的密度，以及試壓過程中需要頂替的頂替液體的長度等。

2.1 負(fù)壓值計算方法

確定負(fù)壓試壓的試壓值，首先計算尾管段每一點在整個生命周期內(nèi)承受的負(fù)壓值，計算公式為

通過對比各點的負(fù)壓值，確定其中最大值為尾管段的負(fù)壓試壓值Δp。

式中，Δpi為尾管段某點的負(fù)壓值，MPa；ρp為尾管段某井深處孔隙壓力當(dāng)量密度，kg/m3；ρc為完井和測試作業(yè)過程中所用完井液的最小密度或下一開次所用最小鉆井液密度，kg/m3；D為尾管某點的垂深，m；Δp為尾管段負(fù)壓試壓的負(fù)壓值，MPa。

2.2 負(fù)壓試壓工作流體選擇與頂替流體深度計算

負(fù)壓試壓通常使用清水、柴油或者氮氣頂替井漿來實現(xiàn)井筒內(nèi)的負(fù)壓?？梢酝ㄟ^以下步驟確定產(chǎn)生負(fù)壓的頂替流體：

（1）通過式（2）確定最大負(fù)壓值，最大負(fù)壓值處的垂深為Dmax；

（2）通過式（3）計算負(fù)壓試壓中頂替液體的最大密度；

式中，ρt為頂替流體的密度，kg/m3；ρmax為最大負(fù)壓值處的孔隙壓力當(dāng)量密度，kg/m3；ρm為負(fù)壓試壓時井筒內(nèi)鉆井液的密度，kg/m3；Dl為尾管懸掛器頂以上50 m處垂深，m；Dmax為最大負(fù)壓值處的垂深，m。

（3）根據(jù)流體密度，確定負(fù)壓試壓用頂替流體：當(dāng)ρt>1 000 kg/m3時使用清水，當(dāng)1 000 kg/m3>ρt>850 kg/m3時使用柴油。確定頂替流體是液體后，通過式（4）計算需要的頂替流體體積。

式中，Dt為頂替流體進(jìn)入垂深，m。

如果ρt≤850 kg/m3可以考慮降低井筒內(nèi)鉆井液密度至孔隙壓力。

3 尾管（重疊段）負(fù)壓試壓工藝方法

通過研究，確定了尾管重疊段負(fù)壓試壓工藝，主要流程如下。

（1） 組試壓鉆具：鉆桿+可回收式封隔器（RTTS）+循環(huán)閥（可選）+安全接頭+鉆桿；

（2）下鉆到位，保證可回收式封隔器位置或者循環(huán)閥位置在頂替液的垂深以下，如果可能可以將試壓鉆具組合底部下到懸掛器以上15 m，以減少其他可能的流體侵入；

（3）封隔器坐封，打開循環(huán)閥，使用頂替液從鉆具內(nèi)部頂替鉆井液，頂替液的體積根據(jù)上文公式計算獲得，當(dāng)頂替液到位后關(guān)閉循環(huán)閥；環(huán)空加壓7 MPa，驗證封隔器是否坐封；

（4）如果試壓組合中沒有循環(huán)閥，首先鉆具內(nèi)頂替鉆井液，頂替液到位后，坐封，驗封；

（5）關(guān)閉鉆具的下安全閥，接循環(huán)頭及流體收集裝置；打開下安全閥，記錄單位時間內(nèi)流體的流出量和累積的流出量。到達(dá)負(fù)壓試壓時間（一般為4 h）后，根據(jù)流出量和時間判定負(fù)壓試壓是否合格，如果曲線比較難以判斷，可以延長負(fù)壓試壓時間，但建議最長不超過8 h；

（6）解封可回收式封隔器，反循環(huán)或者正循環(huán)將頂替液替換為鉆井液后，起鉆。

4 尾管（重疊段）負(fù)壓試壓解釋方法

對于負(fù)壓試壓結(jié)果，可以采用傳統(tǒng)方法和Horner方法進(jìn)行解釋，判定負(fù)壓試壓是否成功。傳統(tǒng)方法是繪制液體的返出流速與試壓時間（從流出開始）的關(guān)系曲線（圖1）。圖1a中，考慮到試壓過程中熱膨脹作用，流體的返出速度開始比較快，經(jīng)過一段時間后，熱膨脹作用逐步減弱，如果流體的返出速度逐步向一個穩(wěn)定的返速靠近并持續(xù)的有流體返出，便可初步判定該尾管（重疊段）存在漏點，需要進(jìn)一步采取措施彌補；圖1b中，隨著時間的延長，熱膨脹作用減弱，流體的返速逐步趨向于0，便可初步判定改尾管（重疊段）沒有漏點。使用傳統(tǒng)方法判斷實驗結(jié)果，需要向外延展實驗數(shù)據(jù)，如果變化趨勢不是很明顯，需要很多數(shù)據(jù)才能判斷。如果這個過程持續(xù)很長，相應(yīng)的鉆井成本會增加很多。

圖1 常規(guī)方法負(fù)壓試壓結(jié)果解釋

為了節(jié)省鉆機(jī)時間，可以使用Horner方法進(jìn)行解釋。將試壓時間變換成Horner時間，繪制液體的返出流速與Horner時間的關(guān)系曲線（圖2），通過流量散點的趨勢線與x軸或者y軸的交點來判定試壓結(jié)果是否合格。圖2a中的交點在y軸，表示時間無限長后，仍然有流體流出，表明負(fù)壓試壓失??；圖2b中的交點在x軸，表示有限的時間內(nèi)已經(jīng)沒有流體流出，表明負(fù)壓試壓成功。通常是每5 min或者10 min計算一次流量，計算一次Horner時間。Horner時間的變換公式為

式中，TH為Horner時間，無因次；T為負(fù)壓試驗中開始頂替到開始流動的時間，min；Td為負(fù)壓試驗中從開始流動累積的試壓時間，min。

圖2 Horner方法負(fù)壓試壓結(jié)果解釋

5 現(xiàn)場應(yīng)用

伊朗Y油田主要目的層為高壓高含硫化氫的F油層，埋深4 000~4 500 m。生產(chǎn)井多采用四級井身結(jié)構(gòu)，其中?177.8 mm和?144.3 mm為兩層尾管。以Y52井為例說明尾管負(fù)壓試壓在Y油田的應(yīng)用。

圖3為Y52井預(yù)測的孔隙壓力和完井液密度以及井身結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以看出，?144.3 mm尾管承受負(fù)壓，因此尾管及尾管重疊段需要進(jìn)行負(fù)壓試壓。通過式（1）和式（2）計算井深4 066 m處負(fù)壓最大，該處孔隙壓力當(dāng)量密度為1.67 g/cm3，試壓時鉆井液密度為1.72 g/cm3；通過式（3）計算需要的頂替液的最大密度為1.34 g/cm3，選用清水作為頂替液；通過式（4）計算頂替的深度不低于2 060 m。

圖3 Y52井孔隙壓力、完井液密度以及井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文步驟進(jìn)行負(fù)壓試壓作業(yè)，?177.8 mm可回收式封隔器坐封位置為2 100 m，頂替時間為90 min，負(fù)壓試壓測試進(jìn)行了240 min。流速與測試時間以及Horner時間關(guān)系見圖4。

從圖4可以看出，Horner方法曲線的趨勢線將交與x軸，表明該井的尾管（重疊段）不存在漏點，滿足油井的完整性要求。

Research and application of negative pressure test for liner

ZHANG Huawei1, WU Wei2, WANG Xuejie2, ZHAO Xiangyang1
（1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing100101,China;2.International Petroleum Exploration and Production Corporation,SINOPEC,Beijing100029,China）

When liner is used to exploit the high pressure oil/gas reservoirs, the success of negative pressure test on the overlay section of the liner has a direct bearing on whether the liner will become the key well barrier, but the recommended practice for negative pressure test on such overlay section is not expressly specified domestically.By studying the relevant technical standards and the recommended practices of well-known oil companies, profound research was conducted on the conditions and technologies for negative pressure test on the overlay section of liner, and a set of complete methods of negative pressure test for liner were established, including parameter calculation method, process flow and interpretation method for pressure test results.The proposed negative pressure test method for liner was used in Iran Y Oilfield, and was proved to be viable and could meet the requirement of field pressure test.

negative pressure test for liner;parameter calculation;process flow;interpretation method;field application

張華衛(wèi)，吳為，王學(xué)杰，等.尾管負(fù)壓試壓方法研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：42-44，49.

TE26

A

1000–7393（2014） 06–0042– 03

10.13639/j.odpt.2014.06.011

國家科技重大專項“中東復(fù)雜地層安全快速鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2011ZX05031-004-001）。

張華衛(wèi)，1979年生。2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，主要從事鉆井工程設(shè)計方面研究工作，工程師。電話：010-84988578。E-mail：zhanghw.sripe@sinopec.com。