渤海凝析气田环空带压预测及管控研究.pdf

第 卷第期 年 月中 国 海 上 油 气 国 家 自 然 科 学 基 金“四 川 盆 地 深 层 超 深 层 气 井 环 空 带 压 预 防 与 管 控 基 础 研 究（编 号：）”、四 川 省 青 年 科 技 创 新 研 究 团 队 专 项计 划“油 气 井 建 井 安 全 四 川 省 青 年 科 技 创 新 研 究 团 队（编 号：）”部 分 研 究 成 果。第 一 作 者 简 介：马 英 文，男，正 高 级 工 程 师，年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学（北 京）油 气 井 工 程 专 业，获 硕 士 学 位，主 要 从 事 海 上 钻 完 井 研 究 与管 理 工 作。地 址：北 京 市 朝 阳 区 太 阳 宫 南 街号 院 中 海 油 大 厦座（邮 编：）。：。文 章 编 号：?（）?：?引 用：马 英 文，张 晓 诚，霍 宏 博，等渤 海 凝 析 气 田 环 空 带 压 预 测 及 管 控 研 究中 国 海 上 油 气，（）：，（）：渤 海 凝 析 气 田 环 空 带 压 预 测 及 管 控 研 究马 英 文，张 晓 诚，霍 宏 博，何 瑞 兵，张智赵 苑 瑾（海 洋 油 气 高 效 开 发 全 国 重 点 实 验 室北 京 ；中 海 油 研 究 总 院 有 限 责 任 公 司北 京 ；中 海 石 油（中 国）有 限 公 司 天 津 分 公 司天 津 ；西 南 石 油 大 学 油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 国 家 重 点 实 验 室四 川 成 都 ）摘要渤 海 某 凝 析 气 田 服 役 环 境 恶 劣，具 有 中 含 和 微 含、超 高 温（最 高 井 底 温 度 ）、井 身结 构 复 杂、初 期 产 量 高（最 高 设 计 产 量 ）、计 划 服 役 时 间 长（年）等 特 点，极 易 诱 发 环 空 带压，严 重 威 胁 该 气 田 气 井 的 井 筒 完 整 性 安 全。基 于 （）、以 及 中 国 海 油 等 标 准，结 合 该 气 田 特 点，考 虑 温 度 效 应、鼓 胀 效 应 等 影 响 环 空 体 积 的 因 素，建 立 了 适 用 于 该 凝 析 气 田开 发 初 期 的 环 空 带 压 值 预 测 方 法 以 及 考 虑 关 键 节 点（包 括 井 下 安 全 阀、封 隔 器 等 屏 障 单 元）承 压 能 力 的 环 空带 压 控 制 值，提 出 了 相 应 的 环 空 带 压 管 控 措 施，为 该 气 田 安 全 生 产 提 供 理 论 支 撑 及 决 策 依 据。研 究 表 明，该凝 析 气 田 开 发 初 期 环 空 带 压 由 高 产 带 来 的 温 度 变 化 引 起，其 控 制 值 由 组 成 环 空 最 薄 弱 点 的 强 度 决 定，如井环 空 薄 弱 点 为 段 尾 管，其 环 空 带 压 控 制 值 取 决 于 尾 管 的 抗 内压 能 力，控 制 值 最 小 为 ，井 整 个 生 产 过 程 不 会 发 生 环 空 带 压 失 效 问 题；尾 管 若 换 为 碳 钢 材 质，环空 带 压 预 测 值 将 会 在 第 年 超 过 控 制 值，发 生 环 空 带 压 失 效 问 题。本 文 研 究 成 果 可 为 海 上 气 田 环 空 带 压 管控 和 管 柱 选 材 提 供 参 考。关 键 词海 上 凝 析 气 田；腐 蚀；高 温；环 空 带 压；环 空 带 压 管 控中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：犘 狉 犲 犱 犻犮狋犻狅 狀 犪 狀 犱 犮 狅 狀 狋狉 狅犾 狅 犳 犪 狀 狀 狌 犾 狌 狊 狆 狉 犲 狊狊 狌 狉 犲 犻 狀 犅 狅 犺 犪犻 犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊 犪 狋犲 犵 犪 狊 犳犻犲犾 犱 ，（犖 犪狋犻狅 狀 犪 犾 犓 犲 狔 犔 犪 犫 狅 狉 犪狋狅 狉 狔 狅 犳 犗 犳 犳 狊 犺 狅 狉犲 犗 犻犾 犪 狀 犱 犌 犪 狊 犈 狓 狆 犾狅犻狋犪狋犻狅 狀，犅 犲犻犼犻 狀 犵 ，犆 犺犻 狀 犪；犆 犖 犗 犗 犆 犚 犲狊犲 犪 狉犮 犺 犐 狀 狊狋犻狋 狌狋犲 犔 狋 犱，犅 犲犻犼犻 狀 犵 ，犆 犺犻 狀 犪；犆 犖 犗 犗 犆 犆 犺犻 狀 犪 犔 犻 犿 犻狋犲 犱，犜 犻 犪 狀 犼犻 狀 犅 狉 犪 狀 犮 犺，犜 犻 犪 狀 犼犻 狀 ，犆 犺犻 狀 犪；犛 狋犪狋犲 犓 犲 狔 犔 犪 犫 狅 狉 犪狋狅 狉 狔 狅 犳 犗 犻犾犪 狀 犱 犌 犪 狊 犚 犲狊犲 狉 狏 狅犻狉 犌 犲 狅犾狅 犵 狔 犪 狀 犱 犈 狓 狆 犾狅犻狋 犪 狋犻狅 狀（犛 狅 狌 狋 犺 狑 犲狊狋 犘 犲狋狉 狅犾犲 狌 犿 犝 狀 犻 狏 犲 狉狊犻狋 狔），犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌，犛 犻犮 犺 狌 犪 狀 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊狋狉 犪 犮狋：，（），（），（），（），中 国 海 上 油 气 年 月 ，（，），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；近 年 来，中 国 海 油 勘 探 领 域 取 得 了 重 大 突 破，在渤 海 海 域 隐 蔽 型 潜 山、琼 东 南 盆 地 深 水 区 等 发 现 了丰 富 的 油 气 资 源。年 发 现 原 油 探 明 地 质 储 量达 到 亿 吨，发 现 天 然 气 探 明 地 质 储 量 达 到 亿，海 上 油 气 成 为 了 中 国 油 气 稳 产 上 产 的重 要 阵 地。但 同 时 也 面 临 着 较 多 挑 战，如 海 上 某凝 析 气 田 已 开 发 最 深 井 预 测 地 层 压 力 ，最 高井 底 温 度 超 过 ，面 临 着 极 端 高 温 高 压 的 挑 战（图）。根 据 地 层 流 体 测 试，该 气 田 还 面 临 着 中 含、微 含的 腐 蚀 环 境，井 筒 完 整 性 受 到 严 重挑 战。同 时，该 区 块 设 计 产 量 较 高（最 高 产 量 达 到 ）、计 划 服 役 时 间 长（年）。在 恶 劣的 服 役 环 境 与 较 高 的 生 产 要 求 共 同 作 用 下，容 易 诱发 环 空 带 压，如 墨 西 哥 湾 以 上 油 气 井 存 在 环 空带 压 问 题；元 坝 酸 性 气 田（含 量 约 为 ，图 渤 海 某 凝 析 气 田 温 度、压 力 等 级犉 犻犵 犜 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲 犪 狀 犱 狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 狉 犪 狋犻 狀 犵 狅 犳 犪 犮 狅 狀 犱 犲 狀 狊 犪 狋犲犵 犪 狊 犳犻犲犾 犱 犻 狀 犅 狅 犺 犪犻 狊犲 犪 含 量 高 达 ）开 发 前 期，约 六 成 以 上 气 井 存在 环 空 带 压 等 问 题。环 空 带 压 会 影 响 水 泥 环套管 组 合 体 的 力 学 及 密 封 完 整 性，诱 发 井 口 装 置 疲 劳失 效，威 胁 生 产 阶 段 油 气 井 安 全 。因 此，为 了 保障 该 海 上 凝 析 气 田 的 安 全 开 发，亟 需 开 展 环 空 带 压预 测 和 管 控 措 施 的 研 究。现 阶 段，大 量 专 家 对 环 空 带 压 进 行 了 研 究：年，介 绍 了 通 过 维 护 井 筒 完 整 性 解 决环 空 带 压 的 方 法；年，李 炎 军、范 志 利 等对 海 上 油 气 井 的 环 空 带 压 问 题 进 行 研 究；年，、等 提 出 了 通 过 优化 固 井 设 计 缓 解 环 空 带 压 的 方 法；年，张 喜 明等、等 研 究 了 井 下 管 柱 泄 漏 点 定 位 方 法；年，李 强 等 建 立 了 海 洋 油 气 井 环 空 带 压 管控 方 案；年，杨 云 朋 等 在 东 海 某 平 台 开 展了井 次 管 柱 漏 点 检 测 和 堵 漏 实 践；张 智 等、等 提 出 了 可 以 采 用 一 种 绝 缘 封 隔 液来 降 低 热 膨 胀 诱 发 环 空 带 压；年，陈 翔 宇等 研 发 了 一 种 弹 性 隔 离 液，可 以 实 现 预 防 深 水井 环 空 带 压 问 题。尽 管 国 内 外 学 者 在 环 空 带 压 机理 及 影 响 方 面 开 展 大 量 研 究，但 未 考 虑 油 气 井 不同 生 产 阶 段 特 点（如 该 气 田 生 产 初 期 阶 段 具 有 产量 高、管 柱 完 整 性 高、无 渗 漏 通 道 等 特 点），导 致 环空 带 压 预 测 时 的 主 控 因 素 识 别 不 准，预 测 值 与 现 场实 际 情 况 不 符 合。第 卷第期马 英 文 等：渤 海 凝 析 气 田 环 空 带 压 预 测 及 管 控 研 究 美 国 石 油 协 会 针 对 环 空 带 压 问 题，制 定 了 、等 标 准 或 推 荐 作 法，但 标 准 中将 环 空 带 压 控 制 值 视 为 定 值，仅 由 组 成 环 空 的 屏 障单 元 初 始 强 度 决 定，忽 略 了 管 柱 在 高 温 高 压、高 腐 蚀性 环 境 中 长 期 服 役 的 强 度 衰 减，导 致 计 算 的 环 空 带压 控 制 值 无 法 反 映 服 役 时 间 影 响。在 此 基 础 上，国 内 外 专 家 学 者 对 环 空 带 压 控 制 值 进 行 了 修 正。年，张 智 等 通 过 实 验 室 腐 蚀 速 率 测 试 结 果，建 立 了 考 虑 腐 蚀 缺 陷 对 套 管 剩 余 服 役 寿 命 影 响 的环 空 带 压 控 制 值 计 算 方 法；年，罗 鸣 等 分析 了 腐 蚀 对 管 柱 强 度 的 影 响，建 立 了 考 虑 腐 蚀 引起 管 柱 壁 厚 减 薄 的环 空 带 压 控 制 值 计 算 方 法。年，刘 书 杰 等 测 试 了 温 度 对 常 见 管 材 屈 服强 度 的 影 响 规 律，建 立 了 综 合 考 虑 高 温 和 腐 蚀 影响 的 环 空 带 压 控 制 值 计 算 方 法。然 而，现 有 的 环空 带 压 控 制 值 计 算 方 法 仅 考 虑 腐 蚀 和 高 温 的 影响，忽 略 了 磨 损 对 套 管 内 壁 的 影 响，导 致 环 空 带 压控 制 值 偏 高，不 利 于 现 场 安 全 生 产。为 此，本 文 针对 该 海 上 凝 析 气 田 开 发 初 期 特 点，建 立 了 热 膨 胀诱 发 的 环 空 带 压 预 测 方 法，对 该 气 田 服 役 年 环空 带 压 进 行 了 预 测。同 时，综 合 考 虑 腐 蚀、磨 损、高 温 等 因 素，分 析 组 成 环 空 的 屏 障 单 元 强 度 随 服役 时 间 的 衰 退 情 况，提 出 考 虑 时 间 效 应 的 环 空 带压 控 制 值 计 算 方 法，为 该 凝 析 气 田 环 空 带 压 管 控和 管 柱 选 材 提 供 参 考。环 空 带 压 预 测 模 型 环 空 带 压 预 测 模 型 建 立根 据 环 空 带 压 成 因，可 将 其 分 为种 类 型：正 常施 工 诱 发 的 环 空 压 力、热 膨 胀 诱 发 环 空 带 压 以 及 泄漏 诱 发 环 空 带 压。不 同 类 型 的 环 空 带 压 预 测 模 型 也存 在 差 异，但 本 文 针 对 的 是 该 气 田 开 发 初 期 环 空带 压 预 测 及 管 控，该 气 田 油 管、油 层 套 管 均 采 用 或 者 镍 基 合 金，、环 空（图）均 填 充 了 水泥 环，开 发 初 期 屏 障 单 元 完 整 性 高，发 生 泄 漏 的 概 率较 小，同 时 产 量 较 高，以 热 膨 胀 诱 发 环 空 带 压 为 主。为 此，本 文 主 要 建 立 热 膨 胀 引 起 的环 空 带 压 预 测模 型。当 油 气 井 正 常 生 产 时，地 层 流 体 沿 油 管 向 井口 流 动 过 程 中，热 量 会 沿 径 向 传 递 至 环 空（图）。现 有 油 气 井 井 筒 温 度 场 计 算 模 型 较 多、较 成 熟，本 文不 再 赘 述。参 考 建 立 的 经 典 传 热 模 型，可 以 计 算环 空 温 度 场。图 井 筒 径 向 传 热 示 意 图犉 犻犵 犚 犪 犱 犻犪犾 犺 犲 犪 狋 狋狉 犪 狀 狊犳犲 狉 犱 犻犪 犵 狉 犪 犿 狅 犳 狊 犺 犪 犳狋 传 递 的 热 量 导 致 环 空 中 流 体 受 热 膨 胀，尽 管 环空 组 成 的 屏 障 单 元 也 会 受 热 膨 胀，如 图所 示。但金 属 与 流 体 的 热 物 理 性 质 存 在 差 异，环 空 流 体 膨 胀体 积 大 于 环 空 屏 障 单 元 膨 胀 体 积，根 据 密 闭 空 间 体积 相 容 性 原 则，这 部 分 多 余 的 流 体 膨 胀 体 积 会 转 化为 环 空 压 力，可 由 公 式（）表 示 。犽狆 犜犽狆 犜犽狆 犻犻犜熿燀燄燅犻犞犳，犞犳，犞犳犻犞 （犜，狆）犞 （犜，狆）犞 犻（犜，狆熿燀燄燅）（）式（）中：犽为 环 空 流 体 等 温 压 缩 系 数，；狆 犻为 环 空 带 压 改 变 量，；犜犻为 环 空 流 体 温 度变 化，；犞犻为 环 空 流 体 初 始 体 积，；犞 犻为 环 空体 积 变 化，；犜为 温 度，；狆为 压 力，；犻为 环图 环 空 流 体 及 组 成 屏 障 单 元 的 体 积 膨 胀犉 犻犵 犃 狀 狀 狌 犾狌 狊 犳犾狌 犻 犱 犪 狀 犱 狏 狅犾狌 犿 犲 犲 狓 狆 犪 狀 狊犻狅 狀 狅 犳 犫 犪 狉 狉犻犲 狉 狌 狀 犻狋 中 国 海 上 油 气 年 月空 流 体 等 压 膨 胀 系 数，；犻为 环 空 的 个 数，无 因 次。因 此，要 计 算 热 膨 胀 诱 发 的 环 空 带 压，需 计 算 环空 总 的 体 积 变 化，根 据 弹 性 力 学 可 得 管 柱 径 向 位 移：狉狉（）犈犜（）式（）中：狉为 管 柱 径 向 位 移，；狉为 计 算 点 处 的 半径，；犈为 管 柱 的 弹 性 模 量，；为 管 柱 的 泊松 比，无 因 次；为 钢 材 的 线 性 膨 胀 系 数，；为 径 向 应 力 变 化，；为 管 柱 周 向 应 力 变 化，；为 管 柱 轴 向 应 力 变 化，。、可 根 据 弹 性 力 学 拉 梅 公 式 和 广 义 胡 克 定 律 求 得。由 温 度 变 化 引 起 的 管 柱 径 向 位 移 可 以 通 过 下 式来 计 算：狉（）狉（）狉狉犜狉狉狉（）（）（）（狉 狉）狉 狉犜狉狉狉（）狉（狉 狉）（）狉狉犜狉狉（）式（）中：狉为 温 度 变 化 变 化 引 起 的 管 柱 半 径 变化，；为 管 柱 泊 松 比，无 因 次；犜为 管 柱 温 度变 化，；狉、狉 分 别 为 管 柱 内 外 径，。由 压 力 变 化 引 起 的 管 柱 径 向 位 移 可 以 通 过 下 式来 表 示：狉 犈（狉 狉）狉（狉狆狉 狆）狉狉 狉（狆狆）（）式（）中：狉为 压 力 变 化 引 起 的 管 柱 半 径 变 化，；狆为 管 柱 内 压 力，；狆 为 管 柱 外 压 力，。故 环 空 体 积 总 的 变 化 为犞 犺犺（狉 狉 狉）（狉 狉 狉）狕犞（）式（）中：犞 为 环 空 总 的 体 积 变 化，；犺为 环 空底 部 深 度，；犺为 环 空 顶 部 深 度，；狉、狉分 别为 温 度 变 化 引 起 的 环 空 外 层 管 柱 和 环 空 内 层 管 柱 半径 变 化，；狉、狉 分 别 为 压 力 变 化 引 起 的 环 空外 层 管 柱 和 环 空 内 层 管 柱 半 径 变 化，；犞为 环 空初 始 体 积，。对 于 密 闭 环 空，环 空 带 压 升 高 将 压 缩 环 空 流 体，因 此 为 满 足 体 积 相 容 性，可 得 环 空 带 压 变 化狆为：狆犽犜犽犞犞（）式（）中：狆为 环 空 带 压 变 化 值，；为 环 空 流体 的 热 膨 胀 系 数，。对 于 非 密 闭 环 空，即 固 井 水 泥 浆 未 返 至 上 层 套管 鞋 以 上 时，环 空 带 压 变 化 为 狆犽犜犽犞犞 犽犞犞（）式（）中：犞为 环 空 内 流 体 体 积 变 化 量，；犞为环 空 流 体 体 积，。模 型 验 证应 用 已 建 立 的 温 度 场 和 环 空 带 压 模 型，计 算 了 类似 海 上 气 田 某 口 井 的 温 度 及 环 空 带 压 值，并 与 现 场 实测 值 进 行 了 对 比。结 果 如 图所 示，温 度 模 拟 计 算 结果 平 均 相 对 误 差 为 ，最 大 相 对 误 差 为 ，环 空 带 压 模 拟 计 算 结 果 平 均 相 对 误 差 为 ，最 大相 对 误 差 为 ，在 允 许 误 差 范 围 之 内，证 明 预 测模 型 较 为 可 靠，能 够 用 于 预 测 该 海 上 凝 析 气 田 的 环 空带 压 值。图 模 型 验 证 结 果犉 犻犵 犚 犲狊 狌 犾狋狊 狅 犳 犿 狅 犱 犲犾 狏 犪犾犻 犱 犪 狋犻狅 狀第 卷第期马 英 文 等：渤 海 凝 析 气 田 环 空 带 压 预 测 及 管 控 研 究 环 空 带 压 控 制 值 计 算 已 有 的 环 空 带 压 控 制 值 计 算 方 法国 内 外 石 油 行 业 对 环 空 带 压 问 题 较 为 关 注，自 年 以 来，美 国 石 油 协 会（）、国 际 标 准 组 织（）以 及 中 国 海 油 都 提 出 了 环 空 带 压 控 制 值 的 计算 方 法，见 表 。表 现 阶 段 通 用 环 空 带 压 计 算 方 法犜 犪 犫 犾犲 犆 狌 狉狉犲 狀 狋 犵 犲 狀 犲狉 犪犾 犮 犪犾犮 狌犾犪狋犻狅 狀 犿 犲狋 犺 狅 犱 狅犳 犪 狀 狀 狌犾狌 狊 狆 狉犲狊狊 狌 狉犲标 准环 空 类 型环 空 带 压 控 制 值 环 空（狆 ，狆，狆 ，狆）海 上 油 田环 空 压 力 管 理 推 荐做 法（年）环 空（狆，狆 ，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆 ，狆，狆）海 上 油 田环 空 压 力 管 理 推 荐做 法（年）环 空（狆，狆 ，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆 ，狆 ，狆）生 产阶 段 的 井 筒 完 整 性（年）环 空（狆，狆 ，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆 ，狆）中 国 海 油“海 上 油 气 井 完 整性 要 求”（年）环 空（狆，狆 ，狆，狆）环 空（狆 ，狆，狆，狆）注：表 中 代 表 最 小 值；狆 为 生 产 套 管 抗 内 压 强 度，；狆 为技 术 套 管 抗 内 压 强 度，；狆 为 油 管 抗 外 挤 强 度，；狆 为 生产 套 管 头，；狆 为 表 层 套 管 抗 内 压 强 度，；狆 为 生 产 套 管抗 挤 毁 强 度，；狆为 技 术 套 管 套 头 强 度，；狆 为 导 管 抗 内 压强 度，；狆 为 技 术 套 管 抗 挤 毁 强 度，；狆 为 表 层 套 管 头，；狆 为 封 隔 器 压 力 余 量，；为 油 管 抗 外 挤 安 全 系 数，无 量纲；为 生 产 套 管 抗 内 压 安 全 系 数，无 量 纲；为 生 产 套 管 抗 外 挤 安全 系 数，无 量 纲；为 技 术 套 管 抗 内 压 安 全 系 数，无 量 纲；为 技 术套 管 抗 外 挤 安 全 系 数，无 量 纲；为 表 层 套 管 抗 内 压 安 全 系 数，无 量纲；为 导 管 抗 内 压 安 全 系 数，无 量 纲；狆 为 考 虑 完 井 封 隔 器 处，考 虑 生 产 套 管 破 裂 风 险 时环 空 允 许 压 力 值，。个 不 同 标 准 核 心 思 想 都 是 将 组 成 环 空 的 屏 障单 元 承 压 能 力 最 小 值 作 为 环 空 带 压 控 制 值，而 且 在计 算 屏 障 单 元 承 压 能 力 时 均 只 是 简 单 的 以 强 度 与 一个 经 验 系 数 相 乘。在 屏 障 单 元 确 定 的 情 况 下，最 终得 到 的 环 空 带 压 控 制 值 在 该 井 的 全 生 命 周 期 内 都 为一 定 值，不 会 随 服 役 时 间 发 生 改 变。但 实 际 上，组 成环 空 的 屏 障 单 元 由 于 长 期 在 高 温、高 压、高 腐 蚀 性、复杂 工 况 环 境 中 服 役，其 强 度 和 承 压 能 力 会 随 服 役 时 间发 生 衰 减，导 致 真 实 的 环 空 带 压 控 制 值 也 会 不 断 衰减。如 图所 示，真 实 的 环 空 带 压 控 制 值 只 有 在 油 气井 初 期 服 役 阶 段 才 与 标 准 计 算 值 相 符 合，但 之 后 真 实的 环 空 带 压 控 制 值 会 不 断 地 衰 减，标 准 计 算 控 制值 偏 大，若 参 考 标 准 将 会 导 致 开 展 环 空 带 压 管控 措 施 不 及 时，威 胁 现 场 油 气 井 的 安 全 生 产。环 空 带 压 控 制 值 计 算 方 法针 对 现 有 标 准 的 缺 点，结 合 现 场 实 际 情 况，考 虑组 成 环 空 的 管 柱 强 度 衰 减 以 及 其 他 关 键 屏 障 单 元 的图 犃 犘 犐标 准 计 算 环 空 带 压 控 制 值 与 实 际环 空 带 压 控 制 值 的 差 异 犉 犻犵 犇 犻犳犳犲 狉 犲 狀 犮 犲 犫 犲狋 狑 犲 犲 狀 犃 犘 犐 狊狋 犪 狀 犱 犪 狉 犱 犮 犪犾犮 狌 犾犪 狋犲 犱 犪 狀 狀 狌 犾狌 狊狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 犮 狅 狀 狋狉 狅犾 狏 犪犾狌 犲 犪 狀 犱 犪 犮狋 狌 犪犾 犪 狀 狀 狌 犾狌 狊 狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲犮 狅 狀 狋狉 狅犾 狏 犪犾狌 犲 承 压 能 力，建 立 更 加 合 理 的 环 空 带 压 控 制 值 计 算 方法，见 式（）。海 上 气 井 中 管 柱 强 度 衰 减 主 要 受 到腐 蚀 及 高 温 的 影 响，一 方 面 腐 蚀 会 导 致 管 柱 壁 厚减 薄，另 一 方 面 高 温 中 长 期 服 役 管 柱 强 度 会 自 然衰 减，在 腐 蚀 和 高 温 的 综 合 作 用 下，管 柱 强 度 随服 役 时 间 不 断 减 小，环 空 带 压 控 制 值 也 随 之 减 小。因 此，需 要 量 化 腐 蚀 和 高 温 因 素 引 起 的 管 柱 强 度衰 减。此 外，还 需 要 考 虑 组 成 环 空 的 其 他 关 键 屏 障单 元。犆 （狆，狆，狆，狆，狆，狆，狆，狆，狆，狆）犆 （狆，狆，狆，狆，狆，狆）犆 （狆，狆，狆，狆，狆 烅烄烆）（）式（）中：犆为环 空 带 压 控 制 值，；犆为环 空 带 压 控 制 值，；犆为环 空 带 压 控 制 值，；狆 为 考 虑 强 度 衰 减 的 井 口 装 置 承 压 能 力，；狆 为 考 虑 强 度 衰 减 的 封 隔 器 承 压 能 力，；狆 为 考 虑 强 度 衰 减 的 地 层 承 压 能 力，；狆 为 考虑 强 度 衰 减 的 尾 管 悬 挂 器 承 压 能 力，；狆 为 考虑 强 度 衰 减 的 井 下 安 全 阀 承 压 能 力，；狆为 环空 内 层 管 柱 抗 挤 最 薄 弱 点 承 压 能 力，；狆 为 环空 外 层 管 柱 抗 内 压 最 薄 弱 点 承 压 能 力，；狆 为环 空 外 层 管 柱 抗 挤 最 薄 弱 点 承 压 能 力，；狆为下 层 环 空 管 柱 抗 内 压 最 薄 弱 点 承 压 能 力，；狆为 尾 管 抗 内 压 最 薄 弱 点 承 压 能 力，。高 温 和 腐 蚀 引 起 的 管 柱 强 度 衰 减 计 算 方 法中 国 海 油 标 准 海 上 油 气 中 国 海 上 油 气 年 月井 油 管 和 套 管 防 腐 设 计 指 南中 给 出 了 碳 钢、及 、的 短 期 腐 蚀 速 率 和 碳 钢、的 长 期 腐 蚀 速 率 计 算 方 法。首 先，计 算 分 压，气 井 工 况 下 的 分 压 及 溶 液 分 别 为：狆 狆犡 犡（）犜 狆 （）式（）、（）中：狆 为 腐 蚀 气 体 分 压，；狆为 井筒 压 力，；犡 为 腐 蚀 气 体 摩 尔 数，；犡为 气体 总 摩 尔 数，；为 一 定 分 压 下 溶 解 于纯 水 的；犜为 温 度，。碳 钢、短 期 腐 蚀 速 率 分 别 为：犚 犜 狆 （）（）犚 犜 狆 （）（）犚 犜 狆 （）（）犚 犜 狆 （）（）犚 犜 狆 （）（）式（）（）中：狆 分 压 为 混 合 气 体 中 组 分所 产 生 的 压 力，；犚为 短 期 腐 蚀 速 率，。但 管 柱 在 井 下 服 役 周 期 较 长，需 转 换 成 长 期 平均 腐 蚀 速 率。不 同 温 度 和 不 同 分 压 条 件 下 的长 期 平 均 腐 蚀 速 率 计 算 模 型 不 同，标 准 给 出 了 碳 钢、和 材 质 在 、分 压 为 条 件下 的 长 期 腐 蚀 速 率 计 算 模 型 分 别 为：犚 狋 （）犚 狋 （）犚 狋 （）式（）中：犚 为 长 期 平 均 腐 蚀 速 率，；狋为 腐蚀 时 间，。其 他 条 件 下 的 长 期 腐 蚀 速 率 需 要 进 行 修 正，修正 公 式 为：狏犚（犜，狆）犚（，）犚 （）式（）中：狏为 某 条 件 下 的 长 期 平 均 腐 蚀 速 率，；犚（犜，狆）为 某 温 度 和 分 压 下 的 短 期 腐 蚀 速 率，；犚（，）为 和 分 压 为 下 的 短 期 腐 蚀 速 率，；温 度 升 高 会 导 致 材 质 强 度 降 低，定 义 材 质 屈服 强 度 衰 减 系 数，不 同 材 料 的 高 温 屈 服 强 度 与温 度犜的 关 系，见 表。温 度 影 响 后 管 材 实 际 屈服 强 度 为犢，其 中犢为 名 义 屈 服 强 度，利 用 考虑 温 度 影 响 后 的 材 质 实 际 屈 服 强 度 进 行 材 质 强度 计 算。表 井 下 管 柱 屈 服 强 度 随 温 度 的 变 化 关 系 式犜 犪 犫 犾犲 犚 犲犾犪狋犻狅 狀 狊 犺犻狆 犫 犲狋 狑 犲犲 狀 狔犻犲犾犱 狊狋狉犲 狀 犵狋 犺 犪 狀 犱 狋犲 犿 狆 犲狉 犪狋狌 狉犲狅 犳 犱 狅 狑 狀 犺 狅犾犲 狊狋狉犻 狀 犵 犳狉 狅 犿 狋 狅 材 质屈 服 强 度 与 温 度 的 计 算 关 系 式 犢 犜 犜 犢 犜 犢 犜 犢 犜 犢 犜 犢 犜 标 准 中 介 绍 了 管 柱 强 度 计 算 方 法，结合 薄 壁 筒 及 等 效 壁 厚 原 理，结 合 表中 不 同 材 质管 柱 屈 服 强 度 与 温 度 的 经 验 公 式，可 以 得 到 综 合考 虑 高 温 和 腐 蚀 因 素 的 管 柱 抗 内 压 强 度 和 抗 外 挤强 度，。综 合 考 虑 高 温、腐 蚀 影 响 的 抗 内 压 强 度：狆（狏狋）犚 （）式（）中：狆为 剩 余 抗 内 压 强 度，；为 屈 服 强度，；为 管 柱 壁 厚，；犚 为 外 径，。综 合 考 虑 高 温、腐 蚀 影 响 的 抗 外 挤 强 度：狆犚 （狏狋）犚 （狏狋）（）式（）中：狆为 剩 余 抗 挤 强 度，。关 键 井 筒 屏 障 单 元 承 压 能 力 计 算 方 法通 常 需 要 考 虑 组 成环 空 的 所 有 屏 障 单 元，如井 口 装 置、封 隔 器、井 下 安 全 阀、生 产 套 管、技 术 套管、油 管 等，分 别 建 立 其 承 压 能 力 计 算 方 法，见 表所 示，。第 卷第期马 英 文 等：渤 海 凝 析 气 田 环 空 带 压 预 测 及 管 控 研 究 表 关 键 井 筒 屏 障 单 元 承 压 能 力 计 算 方 法犜 犪 犫 犾犲 犆 犪犾犮 狌 犾犪 狋犻狅 狀 犿 犲狋 犺 狅 犱 狅 犳 犫 犲 犪 狉犻 狀 犵 犮 犪 狆 犪 犮犻狋 狔 狅 犳 犽 犲 狔狑 犲犾犾 犫 狅 狉 犲 犫 犪 狉 狉犻犲 狉 狌 狀 犻狋考 虑 的 关 键 井 筒 屏 障 单 元承 压 能 力 计 算井 口 装 置犪狋犿 犻 狀（狆，狆）封 隔 器狆 （狆 狆 狆）地 层狆 （犉 犕）犺尾 管 悬 挂 器狆 狆（狆 犉）犺 井 下 安 全 阀狆 狆 （狆 狆狆 ）环 空 内 层 管 柱 抗 挤 强 度 最 薄 弱 点狆 （狆 狆）环 空 外 层 管 柱 抗 内 压 强 度 最 薄 弱 点狆 （狆 狆 ）环 空 外 层 管 柱 抗 挤 强 度 最 薄 弱 点狆 狆 狆 下 层 环 空 管 柱 抗 内 压 强 度 最 薄 弱 点狆狆 狆 尾 管 抗 内 压 最 薄 弱 点狆 （狆 狆）注：公 式 中 的 为 根 据 标 准 所 取 的 安 全 系 数，公 式 中的 强 度 均 考 虑 了 腐 蚀 和 温 度 影 响。狆 为 井 口 装 置 等 级，；狆为井 口 装 置 最 大 测 试 压 力，；狆 为 封 隔 器 承 压 等 级，；狆 为 封隔 器 下 部 流 体 压 力，；狆 为 封 隔 器 上 部 流 体 压 力，；犉为 地 层 破 裂 压 力 梯 度，；犕 为 钻 井 液 压 力 梯 度，；犺为 套 管 鞋 垂 深，；狆 为 尾 管 悬 挂 器 额 定 工 作 压 力，；狆为环 空 内 流 体 压 力 梯 度，；犉为 尾 管 悬 挂 器 处 地 层 压 力梯 度，；犺 为 尾 管 悬 挂 器 垂 深，；狆 为 井 下 安 全 阀 承 压 等级，；狆 为 随 服 役 时 间 变 化 的 井 下 安 全 阀 处 油 压，；狆 为环 空 气 柱 压 力，；狆为 环 空 静 液 柱 压 力，；狆 为 环 空 内 层 管柱 抗 挤 强 度 最 小 值，；狆 为 环 空 内 层 管 柱 抗 挤 强 度 最 小 处 管外 与 管 内 流 体 的 压 差，；狆 为 环 空 外 层 管 柱 剩 余 抗 内 压 强 度 最小 值，；狆 为 环 空 外 层 管 柱 抗 内 压 强 度 最 小 处 内 外 流 体 压差，；狆 为 环 空 外 层 管 柱 剩 余 抗 挤 强 度 最 小 值，；狆 为 环空 外 层 管 柱 抗 挤 强 度 最 小 处 管 外 与 管 内 流 体 的 压 差，；狆 为 下层 环 空 管 柱 剩 余 抗 内 压 强 度 最 小 值，；狆 为 下 层 环 空 管 柱 抗内 压 强 度 最 小 处 管 外 与 管 内 流 体 的 压 差，；狆 为 尾 管 抗 内 压 强度 最 小 值，；狆 为 尾 管 抗 内 压 强 度 最 小 处 管 内 与 管 外 流 体 的压 差，。实 例 计 算 犡井 实 际 情 况渤 海 某 凝 析 气 田井 储 层 深 度 约 为 ，地层 温 度 ，地 层 压 力 为 ，体 积 分数 为。图为 该 井 井 身 结 构 示 意 图。井 井 口图 犡井 井 身 结 构 示 意 图犉 犻犵 犠 犲犾犾 犫 狅 狉 犲 狊狋狉 狌 犮狋 狌 狉 犲 犱 犻犪 犵 狉 犪 犿 狅 犳 犠 犲犾犾 犡装 置 承 压 强 度 为 ，封 隔 器 承 压 强 度 为 ，井 下 安 全 阀 承 压 强 度 为 。井 生 产 状 况 较稳 定，平 均 日 产 气 万，平 均 日 产 水 ，平均 日 产 油 ，平 均 油 压 为 ，平 均 套 压 为 ，平 均 井 口 温 度 为 。井 未 来 年 的生 产 方 案 见 图。图 犡井 未 来 年 生 产 方 案犉 犻犵 犘 狉 狅 犱 狌 犮狋犻狅 狀 狆 犾犪 狀 狅 犳 犠 犲犾犾 犡 犻 狀 狋 犺 犲 狀 犲 狓 狋 狔 犲 犪 狉狊 犡井 环 空 带 压 预 测结 合井 未 来 年 的 推 荐 生 产 方 案，模 拟 计算井 这 年 内环 空 的 温 度，为 后 文 环 空 带 压预 测 提 供 基 础 数 据。基 于 已 建 立 的 环 空 带 压 预 测 模型，可 以 模 拟 未 来 年 的 环 空 带 压，如 图所 示。可 知 环 空 带 压 变 化 规 律 和 产 气 量 一 致，由 于 产 气 量升 高 会 导 致 井 筒 内 温 度 升 高，加 剧 温 度 效 应，诱 发 更高 的 环 空 带 压。生 产 初 期 日 产 气 量 由 万升高 至 万，环 空 带 压 则 由 升 高 至 ；生 产 中 期 日 产 气 量 较 稳 定，环 空 带 压 变化 幅 度 也 较 小；生 产 后 期 日 产 气 量 急 剧 下 降，由 万下 降 至万，环 空 带 压 也 由 图 犡井 未 来 年 环 空 带 压 模 拟 值犉 犻犵 犛犻 犿 狌 犾犪 狋犻狅 狀 狉 犲狊 狌 犾狋狊 狅 犳 犪 狀 狀 狌 犾犪 狉 狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 狅 犳 犠 犲犾犾 犡犻 狀 狋 犺 犲 狀 犲 狓 狋 狔 犲 犪 狉狊 中 国 海 上 油 气 年 月下 降 至 。在 现 场 生 产 中，若 计 划 产 量 较高，应 当 采 取 环 空 注 氮 气、定 期 泄 压 等 措 施 来 缓 解环 空 带 压，避 免 环 空 带 压 过 高，影 响 环 空 屏 障 单 元完 整 性。犡井 环 空 带 压 控 制 值若 不 考 虑 管 柱 在 腐 蚀 和 高 温 环 境 中 的 强 度 衰退，根 据 年月 发 布 的 标 准，可 以计 算 出环 空 各 屏 障 单 元 的 承 压 能 力，如 图所示。由 图 可 知，井环 空 最 薄 弱 的 屏 障 单 元 是 套 管，其 抗 内 压 能 力 较 弱，因 此环 空带 压 控 制 值 为 一 定 值 ，不 随 服 役 年 限 的增 加 而 改 变。图 犡井犃环 空 屏 障 单 元 承 压 能 力（年 发 布 的 ）犉 犻犵 犘 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 犫 犲 犪 狉犻 狀 犵 犮 犪 狆 犪 犮犻狋 狔 狅 犳 犃 犪 狀 狀 狌 犾狌 狊 犫 犪 狉 狉犻犲 狉 狌 狀 犻狋狅 犳 犠 犲犾犾 犡（）然 而，实 际 生 产 中 环 空 组 成 屏 障 单 元 会 在 高 温和 腐 蚀 及 磨 损 等 因 素 影 响 下 发 生 强 度 衰 减。组 成环 空 的 油 管 和 尾 管 材 质 均 为 ，防腐 性 能 较 好，受 腐 蚀 的 影 响 较 小。井 尾 管 回 接，需 要 考 虑 到 段 尾 管 的磨 损 问 题，参 考 文 献 ，得 到 该 段 尾 管 磨 损 量 如图 所 示。该 井 套 管 磨 损 量 最 大 不超 过 ，磨 损 量 也 较 小，且 主 要 由 于 频 繁 的 起下 钻 所 导 致。因 此 实 例 井 的 环 空 带 压 控 制 值 主 要根 据 表计 算 高 温 下 衰 减 后 的 管 柱 和 关 键 节 点 承压 能 力，可 以 得 到 考 虑 高 温 因 素 影 响 后 的 屏 障 单元 实 际 承 压 能 力，如 图 所 示。可 知 井 下 安 全 阀和 封 隔 器 由 于 生 产 过 程 中 产 量 逐 渐 减 小，井 筒 压力 降 低，封 隔 器 和 井 下 安 全 阀 上 下 压 差 降 低，其 承 压 能 力 反 而 升 高。套 管 和 油 管 的 抗 内 压 强 度和 抗 外 挤 强 度 随 服 役 时 间 均 会 先 发 生 微 小 衰 减，服役 年 后，由 于 产 量 大 幅 度 降 低，高 温 影 响 减 弱，管柱 服 役 强 度 小 幅 升 高。环 空 带 压 控 制 值 取 决 于 套 管 的 抗 内 压 强 度，环 空 带 压 控 制 值 最小 为 。图 犿段 尾 管 的 磨 损 量犉 犻犵 犠 犲 犪 狉 狅 犳 犾犻 狀 犲 狉 犪 狋 狋 犺 犲 犱 犲 狆 狋 犺 犳狉 狅 犿 狋 狅 犿图 环 空 屏 障 单 元 承 压 能 力犉 犻犵