深水高溫高壓井隔熱測試管柱技術

闞長賓楊進于曉聰管申張超胡南丁

1.中國石油大學（北京）海洋工程研究院；2.西北工業(yè)大學航空學院；3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司

深水高溫高壓井隔熱測試管柱技術

闞長賓1楊進1于曉聰2管申3張超3胡南丁1

1.中國石油大學（北京）海洋工程研究院；2.西北工業(yè)大學航空學院；3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司

現(xiàn)有的深水油氣井完井技術施工中通常會將部分完井液圈閉于套管環(huán)形空間內(nèi)，進而在深水測試作業(yè)時圈閉流體受高溫高壓產(chǎn)層熱流體的影響而產(chǎn)生井筒附加應力。為消除附加應力對井筒完整性造成的損害，設計了一種應用隔熱管進行深水油氣井生產(chǎn)測試的圈閉壓力控制技術。依據(jù)南海深水高溫高壓井的典型井身結構，構建了測試過程的深水井筒熱傳導模型，通過基于典型井的井筒傳熱數(shù)值計算，分別對常規(guī)測試管柱結構及隔熱油管測試管柱結構進行了圈閉環(huán)空溫度場的數(shù)值模擬、圈閉壓力計算。研究表明，深水高溫高壓油氣井測試過程中，應用隔熱管的測試管柱復配技術，可有效降低高溫高壓產(chǎn)層流體對套管圈閉空間的附加應力影響，避免了井下事故的發(fā)生。該技術為深水高溫高壓油氣井的安全高效測試作業(yè)提供了一種新的有效方法。

深水測試；圈閉壓力；隔熱油管；數(shù)值模擬；安全評價

深水油氣井的開采受限于完井工藝，部分完井液被圈閉在井口密封圈、水泥返高面和中間套管所限定的環(huán)形空間。當深水油氣井測試或生產(chǎn)過程中，隨著高溫高壓產(chǎn)出的流體流經(jīng)井筒，流體所攜帶的熱量向井筒及周圍地層發(fā)生熱傳遞，重構了井筒周圍溫度場，圈閉流體產(chǎn)生高壓熱應力且威脅井筒安全。這種由于溫度效應引起的密閉環(huán)空流體升溫膨脹現(xiàn)象即為Annular Pressure Build-up（APB）［1-3］。國內(nèi)外諸多學者針對如何控制環(huán)空壓力從不同的角度展開了研究［4-11］。以往研究多是從理論上對環(huán)空壓力、溫度進行了理論求解及對圈閉壓力控制措施進行了適用性評價。筆者針對深水測試隔熱管管柱技術，通過理論計算與數(shù)值模擬的比較分析，研究了將隔熱管技術應用于高溫高壓深水測試的可行性，為安全實施高溫高壓油氣井的深水測試提供一種新的方法。

1 井筒模型

Wellbore model

以深水典型井井筒環(huán)空結構為計算基礎，如圖1所示，由測試/生產(chǎn)油管、油層套管、井下封隔器和水下井口密封圈所圍成的圈閉空間為A環(huán)空；由油層套管、內(nèi)層技術套管、水泥環(huán)和水下井口密封圈所圍成的圈閉空間為B環(huán)空；由內(nèi)層技術套管、外層技術套管、水泥環(huán)和水下井口密封圈所圍成的圈閉空間為C環(huán)空。生產(chǎn)/測試期間，油層產(chǎn)出液將從油層攜帶的熱量經(jīng)由A環(huán)空，傳遞給B環(huán)空，再經(jīng)B環(huán)空傳遞給C環(huán)空，最后傳遞到井筒周圍地層中。

圖1 深水典型井井筒環(huán)空Fig.1 Wellbore annulus of typical deepwater wells

理論推導中對圈閉套管空間的熱分析計算做如下假定：產(chǎn)出液從油管/測試管柱產(chǎn)出，產(chǎn)出液組分性質(zhì)、產(chǎn)出液溫度不隨時間變化；生產(chǎn)/測試過程中，產(chǎn)出液液量維持在某一確定產(chǎn)量的時間足夠長，故每個確定產(chǎn)量時間段內(nèi)的生產(chǎn)/測試管柱內(nèi)流體可視為一維穩(wěn)定流動；井筒內(nèi)及井周圍地層中，熱傳輸過程為徑向熱傳遞，不考慮沿井筒軸向方向的傳熱過程［12-13］；產(chǎn)出液的熱傳輸過程，從油管/測試管柱內(nèi)壁至井筒與地層接觸面的熱平衡過程所需歷時較短，為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。從井筒與地層接觸面到井筒周圍地層的熱平衡過程所需歷時較長，為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。

基于以上4個假定條件，在油管/測試管柱內(nèi)的某一深度y處，沿井筒軸向取單元體dy。由能量守恒定律知，流體微元體損失的熱量是經(jīng)由油管及套管組合傳遞給井筒周圍地層的熱量。微元體dy從生產(chǎn)/測試管柱傳遞至井筒外緣地層接觸面處的熱流量為

式中，Q1為從生產(chǎn)/測試管柱傳遞至井筒外緣地層接觸面處的熱流量，W；ro為生產(chǎn)/測試管柱的外徑，m；U1為生產(chǎn)/測試管柱外壁至井筒外緣地層接觸面之間的總熱傳導系數(shù)，W/（m2·K）；T1為生產(chǎn)/測試管柱內(nèi)深度為y處產(chǎn)出液流體的測試溫度，K；T2為套管外緣地層的溫度，K。

流入微元體的熱流量為

式中，Q2為從微元體外界流入微元體內(nèi)的熱流量，W；ρ為產(chǎn)出液流體密度，kg/m3；q為產(chǎn)出流體的體積產(chǎn)液率，m3/s；C為產(chǎn)出液流體的定壓比熱，J/（kg·K）。

從井筒與地層接觸面向井筒周圍地層熱傳遞的徑向熱流量為

式中，Q3為從井筒與地層接觸面向井筒周圍地層熱傳遞的徑向熱流量，W；λ為地層的導熱系數(shù)，W/（m2·K）；f（t）為無因次地層導熱時間函數(shù)；T∞為原始地層溫度，K。

由于生產(chǎn)/測試管柱內(nèi)產(chǎn)出液流體的對流傳熱系數(shù)高達10 048～40 193 kJ/（m2·h·K）、鋼材的導熱系數(shù)高達155～167 kJ/（m2·h·K），因此這兩部分的熱阻值很小且計算可忽略不計，簡化后求U為

若生產(chǎn)/測試管柱為隔熱管且下端設置有高溫封隔器，則簡化后求U2為

式中，U2為隔熱管生產(chǎn)/測試管柱設計的外壁至井筒外緣地層接觸面之間的總熱傳導系數(shù)，W/（m2·K）；hic為第i層圈閉環(huán)空中自然對流及傳導傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；hif為第i層圈閉環(huán)空中輻射傳熱系數(shù)，W/（m2·K）； ri1為第i層圈閉環(huán)空的外半徑，m；ri2為第i層圈閉環(huán)空的內(nèi)半徑，m；rin為管柱內(nèi)徑，m；λp為套管圈閉空間中圈閉流體的導熱系數(shù)，W/（m2·K）；hc'為隔熱管管柱的自然對流及傳導傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；hf'為隔熱管管柱的輻射傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；λc為水泥環(huán)的導熱系數(shù)，W/（m2·K）；λi為隔熱管的導熱系數(shù)，W/（m2·K）；ri1'為第i層圈閉環(huán)空下界面水泥環(huán)的外半徑，m；ri2'為第i層圈閉環(huán)空下界面水泥環(huán)的內(nèi)半徑，m。

深水現(xiàn)場實際測試過程中，油套環(huán)空（A環(huán)空）圈閉流體體積最大、溫度升高幅度最大，但油套環(huán)空的下端是深水測井封隔器，此類封隔器一般采用壓縮式橡膠密封，密封等級通常小于30 MPa，故現(xiàn)場實測值及定性分析均表明，A環(huán)空的壓力升高幅度均處于安全區(qū)域。B環(huán)空緊貼A環(huán)空，定性分析表明B環(huán)空為安全控制性圈閉壓力區(qū)域，結合相關邊界條件，可得B環(huán)空的溫度為

式中，Qs為測試管柱內(nèi)流體的產(chǎn)液熱量，W；L為B環(huán)空自由端長度，m；λt為測試管柱的導熱系數(shù)，W/（m2·K）；λm為套管的熱傳導導熱系數(shù)，W/（m2·K）；r1B為B環(huán)空的內(nèi)壁套管的內(nèi)半徑，m；r2B為B環(huán)空的外壁套管的內(nèi)半徑，m；r1B'為B環(huán)空內(nèi)的下界面水泥環(huán)外半徑，m；r2B'為B環(huán)空內(nèi)的下界面水泥環(huán)內(nèi)半徑，m。

環(huán)空圈閉壓力的影響因素有：初始溫度、流體性質(zhì)、測試產(chǎn)量、自由段長度、圈閉體積等。假定環(huán)空圈閉為線性彈性密閉空間，則套管環(huán)空壓力滿足PVT狀態(tài)方程且可得到

式中，Δp為B環(huán)空的圈閉壓力增量，MPa；k為B環(huán)空中環(huán)空流體的等溫壓縮系數(shù)，MPa-1；α為B環(huán)空內(nèi)流體的熱膨脹系數(shù)，℃-1；ΔT為B環(huán)空的流體溫度變化，℃；Va、ΔVa分別為B環(huán)空的環(huán)空體積和環(huán)空體積變化量，m3；V1、ΔV1分別為B環(huán)空的環(huán)空內(nèi)流體體積和流體體積變化量，m3。

2 測試管柱設計與模擬

Design and simulation of testing string

2.1 測試管柱設計

Testing string design

深水高溫高壓油氣井的測試管柱設計應考慮油藏完井要求、流體性質(zhì)、測試工藝選擇等，設計原則為：在保障安全的前提下能有效封隔地層，建立地層流體流動和循環(huán)壓井通道，同時要保障流體在井下處于可控狀態(tài)，同時應盡量簡化管柱結構以降低施工作業(yè)風險。應用隔熱油管進行深水油氣井測試，管柱設計如圖2所示，其設計原則為：在深水套管自由段內(nèi)，測試管柱由隔熱油管替代原測試管柱中的普通油管，當?shù)貙赢a(chǎn)出熱流體流經(jīng)測試管柱時，由于隔熱管的高阻熱性能，可有效控制圈閉空間內(nèi)流體的溫度、壓力升高，從而保護深水井筒的安全。

圖2 測試管柱Fig.2 Structure of testing string

2.2 井筒傳熱模擬

Wellbore heat conduction simulation

依據(jù)南海深水典型井井身結構，建立含圈閉壓力井筒的傳熱模型。取過軸線的剖面建立有限元計算模型，幾何計算模型如圖3所示。

計算模型的幾何及熱力學參數(shù)見表1。邊界條件為：地層外邊界為原始地層溫度，測試油管/隔熱管內(nèi)壁溫度為產(chǎn)生流體的溫度值，并假定水泥環(huán)的熱力學性質(zhì)與地層相同。在有限元計算中，油管采用Structural Steel單元，隔熱管應用User-defined Structural Steel單元，圈閉流體應用Water Liquid流體單元，地層應用Concrete單元，應用Steady-State Thermal模塊進行數(shù)值模擬分析。

表1 計算模型的幾何及熱力學參數(shù)Table 1 Geometric and thermodynamic parameters of calculation model

圖3 井筒傳熱幾何模型Fig.3 Geometric model of wellbore heat conduction

2.3 測試管柱對比分析

Comparative analysis of testing string

根據(jù)南海某深水油氣井放噴測試的溫度實測值，對油管測試管柱和隔熱管測試管柱分別進行圈閉空間的溫度場模擬。如圖4所示為計算模型溫度分布云圖。如圖5所示為普通油管與隔熱油管沿徑向溫度對比圖，圖中AB段為隔熱油管壁厚，CD段為普通油管壁厚，EF段為油層套管壁厚，GH段為技術套管壁厚，則DE、FG段分別為圈閉環(huán)空。由圖可知當井筒產(chǎn)出液溫度為88.7 ℃時，普通油管的DE、FG環(huán)空的平均溫度為80.3 ℃、55.6 ℃，而隔熱油管的DE、FG環(huán)空的平均溫度為23.1 ℃、19.8 ℃。

圖4 計算模擬溫度分布云圖（油管/隔熱管）Fig.4 Distribution cloud chart of simulated temperature

圖5 普通油管與隔熱油管徑向溫度分布對比Fig.5 Comparison of radial temperature distribution between plain tubing and heat-insulated tubing

3 結論

Conclusions

（1）依據(jù)南海深水典型井井身結構，應用傳熱學基本原理和能量守恒，并結合井筒及圈閉空間的傳熱特性，在求解條件合理簡化的基礎上，建立了不同深水測試管柱的圈閉空間溫度、壓力求解計算模型。

（2）應用計算模型，通過數(shù)值計算的方法，通過設置相同的計算邊界條件，對普通油管測試管柱和隔熱管測試管柱分別進行了數(shù)值模擬計算。

（3）隔熱管測試管柱的設計，可大幅降低圈閉空間內(nèi)的溫度，有效抑制因井筒內(nèi)流體溫度升高而導致的套管圈閉空間溫度、壓力升高。為高溫高壓深水油氣井測試提供了一種更為安全的施工新方法，從而避免了井筒安全事故發(fā)生。

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（修改稿收到日期 2016-09-22）

〔編輯 李春燕〕

美國Baker Hughes公司推出新型金剛石與三牙輪合成鉆頭

美國Baker Hughes公司推出Kymera XTreme金剛石與三牙輪合成鉆頭，以更高機械鉆速與更耐磨性能，幫助作業(yè)者降低鉆井成本。迄今世界各油田使用鉆頭，多數(shù)為金剛石鉆頭或三牙輪鉆頭，使用二者混合設計方式的鉆頭較少。該鉆頭利用多晶金剛石的強度以及三牙輪鉆頭的精巧工藝，改善了上一代混合設計鉆頭的性能，提高了鉆頭的穿透性與運行壽命。該鉆頭的特點是根據(jù)實際使用目的與現(xiàn)場條件（包括地層類型與井眼孔徑），簡便修改鉆頭設計，從而制造成性能各異的鉆頭。設計者可以通過改變多晶金剛石等級、變換鉆頭工具面角度優(yōu)化鉆頭結構，滿足鉆井作業(yè)者的個性化需求。通過變換鉆頭的刀翼與牙輪錐體設計，還可滿足作業(yè)者在碳酸鹽巖和夾層巖層鉆井的要求。

（郭永峰編譯E-mail:guoyf2@cosl.com.cn）

Heat-insulated testing string technology for deepwater HTHP wells

KAN Changbin1,YANG Jin1,YU Xiaocong2,GUAN Shen3,ZHANG Chao3,HU Nanding1
1.Offshore Engineering Research Institute,China Uniνersity of Petroleum (Beijing),Beijing 102249,China;
2.College of Aeronautics,Northwestern Polytechnical Uniνersity,Xi’an 710072,Shaanxi,China;
3.CNOOC China Limited Zhanjiang Branch,Zhanjiang 524057,Guangdong,China

When the existing deepwater oil and gas well completion technologies are brought into operation,the completion fluid is partially trapped in the casing annulus.And when the testing is carried out in deep water,the trapped fluid produces addition stress on the wellbore under the effect of hot fluid in high temperature and high pressure (HTHP) pay zones.In order to eliminate the damage on wellbore integrity,a trap pressure control technology based on the insulation tabular was designed for deepwater oil and gas well production testing.Based on the typical casing program of deepwater HTHP wells in South China Sea,a model for the deepwater wellbore heat conduction in the process of testing was established.After the wellbore heat conduction of typical wells was calculated,the predicted trap annulus temperature fields in the structures of conventional testing strings and insulated-tubing testing strings were numerically simulated and their trap pressure was calculated.It is shown that during the testing of deepwater HTHP oil and gas wells,the combined testing string technology based on insulation tabular can reduce effectively the addition stress effect of fluid in HTHP pay zones on the trapped casing annulus and avoid downhole accidents.This technology provides a new effective method for the safe and efficient testing of deepwater HTHP oil and gas wells.

deepwater testing;trap pressure;heat insulated tubing;numerical simulation;safety evaluation

闞長賓，楊進，于曉聰，管申，張超，胡南丁.深水高溫高壓井隔熱測試管柱技術［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：796-800.

TE521

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0796-05

10.13639/j.odpt.2016.06.016

:KAN Changbin,YANG Jin,YU Xiaocong,GUAN Shen,ZHANG Chao,HU Nanding.Heat-insulated testing string technology for deepwater HTHP wells［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):796-800.

國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）；國家自然科學創(chuàng)新研究群體項目“復雜油氣井鉆井與完井基礎研究”（編號：51221003）。

闞長賓（1981-），2006年畢業(yè)于中國石油大學（華東）海洋工程專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學（北京）油氣井工程專業(yè)博士研究生，從事深水油井鉆井技術及深水鉆完井工具研究。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學路18號中國石油大學（北京）海洋工程研究院。電話：010-89733204。E-mail:kchangbin@163.com