高壓氣井儲(chǔ)層改造期間施工壓力控制技術(shù)研究

羅敬兵 張 奎 劉君林 穆凌雨 王夫軍 雷現(xiàn)梅

（1.中國(guó)石油青海油田公司鉆采工藝研究院 甘肅 酒泉 736202；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司北京 昌平 102206；3.四川華油集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051）

0 引言

高壓氣井通常具有超深、低滲透、產(chǎn)層段長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此高壓氣井普遍采用高泵壓、大排量、大液量進(jìn)行儲(chǔ)層改造，大規(guī)模改造期間油管柱、井下工具、生產(chǎn)套管等受載惡劣，是造成高壓氣井完整性問(wèn)題的主要原因［1-6］。高壓氣井的完整性問(wèn)題大部分同儲(chǔ)層大規(guī)模改造有關(guān)，通過(guò)開(kāi)展高壓氣井儲(chǔ)層改造期間施工壓力的精細(xì)控制，保證作業(yè)期間各井屏障部件均在安全范圍內(nèi)，能夠有效提高高壓氣井儲(chǔ)層改造后井的完整性［7-11］。為了保證高壓氣井在整個(gè)儲(chǔ)層改造期間氣井的完整性，以施工過(guò)程中井筒瞬態(tài)壓力溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合井筒多環(huán)空系統(tǒng)力學(xué)分析，開(kāi)展改造期間井筒屏障部件安全性分析，確定改造施工期間泵壓和環(huán)空壓力控制范圍，形成了一套高壓氣井儲(chǔ)層改造期間施工壓力精細(xì)控制技術(shù)，對(duì)提高現(xiàn)場(chǎng)高壓氣井改造施工中保障井的完整性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 改造井溫壓場(chǎng)瞬態(tài)預(yù)測(cè)

1.1 井筒壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)模型

根據(jù)井筒流體受力平衡條件，可得出流體在油管內(nèi)流動(dòng)的摩阻壓降Δp為：

式中，f 為壁面摩阻系數(shù)，無(wú)因次；l 為管柱長(zhǎng)度，m；ρ 為流體密度，kg／m3；v 為流速，m／s；d 為油管內(nèi)徑，m。

根據(jù)井筒壓降計(jì)算公式，結(jié)合井口或井底壓力，便可得出整個(gè)井筒的壓力分布。式（1）中有摩阻系數(shù)f 這個(gè)重要參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算f 是進(jìn)行井筒壓力預(yù)測(cè)的前提。

對(duì)于改造液體通常被視為冪律流體，采用穩(wěn)定參數(shù)ZR來(lái)判別流態(tài)，穩(wěn)定參數(shù)ZR由下式表示：

式中，Rel為冪律流體雷諾數(shù)，無(wú)因次；Ka為酸液在井筒中流動(dòng)時(shí)的稠度系數(shù)，kg·sn／m2；n 為酸液的流變指數(shù)，無(wú)因次。

1.2 井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型

根據(jù)典型井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將二維井筒系統(tǒng)按軸向和徑向進(jìn)行節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐郑瑥较蛏习凑崭脑煲?、油管、環(huán)空保護(hù)液、套管、水泥環(huán)和地層劃分節(jié)點(diǎn)，綜合考慮軸向傳熱、徑向傳熱、對(duì)流換熱和摩擦生熱等影響建立各控制體的能量平衡方程［12-16］。

油管內(nèi)液體單元的能量平衡方程為：

式中，下標(biāo)i＝l，t，ti分別表示油管內(nèi)流體、油管柱和油管內(nèi)壁面；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W／（m·K）；T為溫度，K；z 為井深，m；h 為界面間的對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·K）；r為單元半徑，m；Q為摩擦生熱量，J／s；A 為單元體的橫截面積，m2；c 為比熱，J／（kg·K）；t為時(shí)間，s；v為流體流速，m／s。

油管壁單元的能量平衡方程為：

式中，下標(biāo)i＝to、cl、ci分別表示油管外壁、油套環(huán)空和套管內(nèi)壁。

其他單元的能量平衡方程均為：

式中，w為環(huán)空內(nèi)流體、套管、水泥環(huán)、地層單元。

采用差分網(wǎng)格對(duì)式（5）～（7）進(jìn)行離散，結(jié)合邊界條件、初始條件，可采用有限差分法計(jì)算出不同時(shí)刻整個(gè)井筒二維剖面內(nèi)不同位置的溫度。為改造期間施工壓力精細(xì)控制參數(shù)計(jì)算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 改造期間施工壓力精細(xì)控制

儲(chǔ)層改造期間的井口油壓既要滿足儲(chǔ)層改造的需求，又應(yīng)確保油套管安全，綜合考慮井口管柱和封隔器上部套管強(qiáng)度來(lái)確定施工泵壓上限值。同時(shí)以確保改造過(guò)程中油管柱、封隔器和套管柱安全為基本原則，開(kāi)展井筒管柱系統(tǒng)力學(xué)分析，得出儲(chǔ)層改造過(guò)程中不同施工泵壓下A 環(huán)空壓力控制范圍［17-20］。

對(duì)于不同施工泵壓下A 環(huán)空壓力控制范圍的計(jì)算，考慮了兩種井筒環(huán)空結(jié)構(gòu)及其相關(guān)結(jié)構(gòu)因素：①油管頭；②井下安全閥；③封隔器；④油管柱；⑤生產(chǎn)套管；⑥尾管懸掛器；⑦地層；⑧尾管（圖1）。

圖1 高壓氣井井筒環(huán)空結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)高壓氣井整個(gè)改造過(guò)程中的不同施工泵壓，在兩種環(huán)空結(jié)構(gòu)情況下，確保A 環(huán)空壓力值在安全范圍內(nèi)，繪制出如圖2所示的壓力控制圖版，將施工壓力控制在圖2黃色區(qū)域內(nèi)，從而保證作業(yè)期間各井屏障部件均安全，能夠有效提高高壓氣井改造后井的完整性。儲(chǔ)層改造結(jié)束后，及時(shí)對(duì)A 環(huán)空進(jìn)行泄壓（一般保留3～5 MPa，便于觀察壓力變化，同時(shí)校驗(yàn)壓力表是否處于正常工作狀態(tài)）。

圖2 某高壓氣井改造過(guò)程中不同施工泵壓下A環(huán)空壓力控制范圍圖

3 實(shí)例計(jì)算

某高壓氣井完鉆井深為7 310 m，地層孔隙壓力為116.01 MPa，地層溫度為204 ℃。油管頭壓力等級(jí)為105 MPa，環(huán)空保護(hù)液密度為1.23 g／cm3，改造泵壓為120 MPa，排量為4 m3／min，封隔器下深為7 200 m，封隔器壓力等級(jí)為70 MPa。油管柱和油層套管參數(shù)如表1所示。

表1 油管柱和油層套管參數(shù)表

根據(jù)該井的基本參數(shù)，針對(duì)不同改造施工泵壓條件開(kāi)展所有井屏障部件的校核計(jì)算，得到確保所有井屏障部件安全所需的環(huán)空最大補(bǔ)壓值和最小補(bǔ)壓值，繪制儲(chǔ)層改造過(guò)程中不同施工泵壓下A 環(huán)空壓力控制范圍圖版，如圖2所示。

4 結(jié)論

1）根據(jù)井筒流體受力平衡條件，結(jié)合井筒壓降計(jì)算，建立了井筒壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)模型；將井筒系統(tǒng)按軸向和徑向進(jìn)行節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐郑C合考慮井筒系統(tǒng)上的軸向傳熱、徑向傳熱、對(duì)流換熱和摩擦生熱等影響利用能量平衡方程建立了井筒溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。

2）充分考慮井筒所有屏障部件的安全性，開(kāi)展改造期間井筒屏障部件強(qiáng)度校核，得出了高壓氣井儲(chǔ)層改造過(guò)程中不同施工泵壓下A 環(huán)空壓力控制范圍計(jì)算方法，形成了一套高壓氣井改造期間施工壓力精細(xì)控制技術(shù)。