高溫高壓高酸性氣井完井管柱優(yōu)化設計

摘 要

摘要：近年來，隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進，高溫高壓油氣井、深井超深井、含腐蝕性介質氣井越來越多，完井管柱優(yōu)化設計及作業(yè)難度越來越大，安全環(huán)保的要求也越來越高。已完井
摘要：近年來，隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進，高溫高壓油氣井、深井超深井、含腐蝕性介質氣井越來越多，完井管柱優(yōu)化設計及作業(yè)難度越來越大，安全環(huán)保的要求也越來越高。已完井投產(chǎn)的氣井中有相當比例都存在由各方面原因引起的生產(chǎn)套管壓力異常升高現(xiàn)象，具有一定的安全生產(chǎn)隱患，因此對該類氣井開展完井管柱優(yōu)化設計研究具有重要的現(xiàn)實意義。通過總結高溫高壓高酸性氣井完井現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，深入探討了封隔器管柱力學分析要點及結構設計方法；提出了高溫高壓高酸性氣井完井管柱設計的原則——安全第一、有利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能、延長氣井壽命、經(jīng)濟可行，明確了優(yōu)化設計階段需重點考慮的7項因素；形成了一套基于第四強度理論的不同工況條件下完井管柱三軸應力強度校核方法，以及高溫高壓高酸性氣井封隔器完井管柱設計方法。該套設計方法應用于四川盆地龍崗氣田某井，取得了較好的效果。
關鍵詞：高溫高壓；高酸性；氣井；完井管柱；優(yōu)化設計；三軸應力；第四強度理論；安全生產(chǎn)
    近幾年，隨著天然氣勘探開發(fā)工作的快速推進，產(chǎn)能建設工作量增長迅速，高溫高壓氣井、深井超深井、含腐蝕性介質氣井越來越多，完井管柱優(yōu)化設計及作業(yè)難度越來越大，安全環(huán)保的要求也越來越高，出現(xiàn)的問題逐漸增多。已完井投產(chǎn)的氣井有相當比例都存在由各方面原因引起的生產(chǎn)套管壓力異常升高現(xiàn)象，帶壓生產(chǎn)、帶“病”運行，具有一定的安全生產(chǎn)隱患。因此，開展對于這類氣井的完井管柱優(yōu)化設計應用研究具有重要的現(xiàn)實意義。
1 完井管柱設計原則
    要根據(jù)高溫高壓高酸性氣藏特征和開發(fā)生產(chǎn)的要求，遵照安全第一、有利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能、延長氣井壽命、經(jīng)濟可行的原則，采用現(xiàn)代完井工程的理論和方法，進行完井管柱設計。重點應考慮如下因素：
    1) 油管尺寸必須滿足配產(chǎn)、攜液、防沖蝕和壓力損失小的要求，原則上完井管柱應采用內徑相同的油管和井下工具，以便于作業(yè)和攜液。
    2) 對于需要進行儲層增產(chǎn)作業(yè)的氣藏，設計的完井管柱結構應滿足增產(chǎn)作業(yè)規(guī)模、施工壓力、施工排量等關鍵參數(shù)的要求。
    3) 對于高酸性氣藏，要在腐蝕因素分析、腐蝕機理研究和腐蝕程度試驗的基礎上，優(yōu)化選擇經(jīng)濟有效的防腐措施。
    4) 高酸性氣井要設計應用安全生產(chǎn)裝置(如井口安全控制裝置、井下安全閥、封隔器等)，防止因人為因素或自然災害造成氣井失控。
    5) 高壓、高產(chǎn)、高含酸性氣體的氣井采用封隔器完井時，封隔器以上油管應采用相應的氣密封措施，要進行油套管和井下工具氣密封性評價。
    6) 高溫、高壓、高酸性超深井完井管柱，尤其是封隔器完井管柱應根據(jù)相關安全系數(shù)要求開展不同工況條件下的完井管柱力學分析，并確定相應的臨界施]控制參數(shù)。
    7) 高溫、高壓、高酸性超深井應注重管柱結構完整性和一致性，為實現(xiàn)安全開采創(chuàng)造條件。
2 完井管柱力學分析及結構設計方法
2.1 封隔器完井管柱力學分析要點
2.1.1分析工況
   根據(jù)實際的井眼軌跡數(shù)據(jù)，對完井管柱下入、封隔器坐封、掏空、增產(chǎn)改造、排液測試、穩(wěn)定生產(chǎn)等工況進行分析。
2.1.2分析方法
   采用第四強度理論，即三軸應力校核方法對不同工況條件下的完井管柱力學性能進行分析。三軸向應力其實并不是一個真正概念上的應力，而是一個可將廣義三維應力狀態(tài)與單向破壞準則(屈服強度)相比較的理論數(shù)值。換言之，如果三軸向應力超過了屈服強度就將出現(xiàn)屈服破壞，三軸向安全系數(shù)是材質的屈服強度與三軸向應力之比。
2.1.3分析步驟
   首先分析油管柱在井下的構型狀態(tài)，然后計算管柱變形、油管柱和封隔器的載荷，進而分析油管柱和封隔器的受力及其安全性。在設計過程中應盡量確保所設計的管柱在各種工況下都不發(fā)生屈曲變形。
2.2 封隔器完井管柱力學分析模型
2.2.1管柱屈曲臨界載荷計算
   正弦屈曲臨界載荷計算公式如下：
 
目前，關于管柱螺旋屈曲的計算模型仍未有一致意見，根據(jù)本文參考文獻[1-2]確定螺旋屈曲臨界載荷計算公式如下：
 
2.2.2三軸應力計算
   采用Von Mises等效應力進行計算，考慮軸向、徑向和周向應力。三軸應力計算公式如下：
   1) 軸向應力計算公式如下：
 
   任何一點的有效軸向力應包含自重、浮力、壓力、井眼彎曲、下入沖擊、摩擦、溫度和管柱屈曲造成的軸向力[3～9]。
其中井眼彎曲引起的軸向力計算公式如下：
 
其中下入沖擊引起的軸向力計算公式如下：
 
    2) 徑向應力和周向應力依據(jù)Lame′公式其計算方法如下[10]：
 
2.2.3軸向應力條件下的屈服強度
在力學校核過程中，尤其應注意軸向應力條件下的強度校核，軸向應力條件下的屈服強度計算公式為：
 
2.3 力學分析結果
    通過上述力學分析方法可以對單井在不同工況條件下的各項力學性能進行計算，主要得出的計算結果包括：管柱變形總長度(包括各項效應值)，油管柱受力大小和方向，封隔器受力大小和方向，封隔器所受壓差，油管強度安全系數(shù)最低位置及三軸、抗拉、抗壓、抗外擠安全系數(shù)等。
2.4 封隔器完井管柱結構優(yōu)化設計
    根據(jù)力學分析計算結果，一方面優(yōu)化調整相應的封隔器完井管柱結構，主要確定以下內容：油管壁厚和鋼級、油管組合、封隔器的壓力等級和錨定力等級、是否采用油管伸縮節(jié)以及伸縮節(jié)的下入位置和狀態(tài)等。另一方面，確定不同工況下確保完井管柱力學安全的臨界控制參數(shù)，主要確定以下內容：增產(chǎn)改造最高泵壓及平衡壓力、液氮最大掏空深度、生產(chǎn)過程套管壓力控制范圍等。
3 應用實例及效果分析
3.1 基本參數(shù)
    四川盆地龍崗氣田某井的井身結構如圖1所示，采用Φ339.7mm+Φ244.5 mm+Φ177.8mm+Φ127mm井身結構，打開儲層鉆井液的密度為1.31g/cm3，折算地層壓力為65MPa。根據(jù)鄰井地溫梯度推測地層溫度為114℃，地層流體為天然氣，高含H2S，不產(chǎn)地層水。

3.2 效果分析
    采用本文所述的設計方法對該井進行了完井管柱優(yōu)化設計，通過不同工況下完井管柱力學分析及伸縮器等井下工具的反復論證，最終設計出射孔-完井-酸化投產(chǎn)一體化的完井管柱結構為(圖1)：Φ88.9mm的G3-125油管+井下安全閥(材質718)+Φ73mm的BG2830-110油管+永久式封隔器(材質718，壓差70MPa，錨定力117t)+Φ73mm的BG 2830-110油管+丟槍接頭+篩管+減震器+射孔槍，并制訂了相應的不同工況條件下確保完井管柱強度安全的施工控制參數(shù)和確保完井管柱絲扣氣密封性能的技術措施。上述優(yōu)化設計方法應用于該井，取得了較好的生產(chǎn)效果(圖2)。

    該井于2010年成功完成現(xiàn)場作業(yè)，測試獲日產(chǎn)天然氣76×104m3，自投產(chǎn)以來，環(huán)空壓力無異?，F(xiàn)象，完井管柱絲扣密封性能良好。該井的生產(chǎn)壓力曲線如圖2所示。
符號說明
    Fycr表示正弦屈曲臨界載荷；E表示楊氏模量；I表示油管的慣性矩；α表示井斜角；r表示油管任意位置處的半徑；Fyck表示螺弦屈曲臨界載荷；Fy表示有效軸向力；ro表示油管外徑；ri表示油管內徑；D表示管柱名義外徑；為狗腿度，(°)/單位長度；As表示管柱截面積；vav表示平均下入速度慨表示管材密度；As表示內壓；po表示外壓；Ypa表示在拉伸應力作用下的當量屈服強度；Sa表示軸向應力；Yp表示最小屈服強度。
參考文獻
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(本文作者：郭建華1，2 佘朝毅1，2 唐庚1 陳艷1 施太和2 1.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院；2.西南石油大學)