深水油气井套管环空压力预测模型.pdf

6 1 6 2 0 1 3 年 1 0 月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORATI ON AND DEVELOPM ENT Vb l l 4 0 No 5 文章编号1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 3 0 5 0 6 1 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 1 7 深水油气井套管环空压力预测模型 杨进 ，唐海雄 2 ，刘正礼 2 ，杨立平 ，黄小龙 ，严德 3 ，田瑞瑞 1 ．中国石油大学 北京石油工程教育部重点实验室；2 ．中海石油 中国有限公司深圳分公司 3 ．中海油能源发展股份有 限公司监督监理技术分公 司 基金项目国家科技重大专项 “ 深水钻完井及其救援井应用技术研究” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 0 4 2 0 1 2 0 5 2 3 国家科技重大专项 “ 海上稠油热采井口升高控制技术研究” 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 4 0 0 5 0 0 7 摘要 针对深水油气井测试过程和生产初期井口处套管环空压力上升可能造成套管挤毁或破裂的问题 ，基于典型深 水井井身结构和井筒传热过程，建立套管环空压力预测模型，为控制套管环空压力提供依据。以测试管柱与生产套 管间环空为例，根据能量守恒原理和井筒传热过程分析，推导了套管环空温度计算公式。分析 了套管环空体积随温 度和压力的变化，并结合套管环空温度计算公式及 P VT状态方程，建立 了典型深水井套管环空压力预测模型。利用 推导的套管环空温度计算公式及套管环空压力预测模型预测了西非海域某油田 7口深水井的套管环空温度和压力， 并与现场实际监测值进行了对 比，结果表明套管环空温度 、压力的监测值与预测值的相对误差均在 1 0 ％以内，模 型准确性较高。图 2表 2参 1 4 关键词深水；油气井；套管；环空压力；预测模型 中图分 类号 T E 2 1 文献标识 码 A Pr e d i c t i o n m o de l o f c a s i n g a n nu l u s pr e s s u r e f o r de e pwa t e r we l l d r i l l i n g a n d c o m p l e t i o n o pe r a t i o n Y a n g j i n ， T a n g H a i x i o n g ， L i u Z h e n g l i ， Y a n g L i p i n g ， H u a n g Xi a o l o n g ， Y a n D e 。 ， T i a n R u i r u i 1 ． K e y L a b o r a t o r y f o r P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g o ft h e Mi n i s t ry o fE d u c a t i o n ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， Ch i n a ； 2 ． C NOOC Lt d ． S h e n z h e n Br a n c h ， Gu a n g d o n g 5 1 8 0 6 7 ， C h i n a ； 3 ． C NOOCEn e r g y T e c h n o l o g y ＆ S e r v i c e s S u p e r v i s i o n＆T e c h n o l o gy C o ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 0 ， C h i n a Abs t ra c t Ca s i n g c o l l a ps e a nd f r a c t ur e ma y be c a us e d b y t h e r i s e o f c a s i n g a n n ul us t e mpe r a tur e a n d pr e s s u r e i n t h e i ni t i a l s t a g e o f pr o d u c t i o n a n d t e s t i n g o f d e e p wa t e r we l l s ． Ba s e d o n t h e c a s i ng p r o g r a m a n d we l l b o r e he a t t r a n s f e r p r o c e s s ，a p r e s s u r e c a l c ul a t i o n mo de l f or c a s i’ n g a n n ul u s wa s e s t a b l i s h e d，wh i c h p r o vi d e s ba s i s for a n nu l us p r e s s u r e c o n t r o1 ．Wi t h t h e a n n ul u s b e t we e n t e s t i ng s t ring a n d pr o d u c t i o n c a s i n g a s a n e xa mp l e ， a c a s i n g a n n ul u s t e mpe r a tur e c a l c u l a t i o n me t h o d wa s d e r i ve d a c c o r d i ng t o t h e p rinc i p l e of c o ns e r va t i o n o f e n e r g y a nd we l l b o r e he a t t r a n s f e r a n a l ys i s ． Th e c a s i n g a n n u l us pr e s s u r e p r e d i c t i o n mo d e l wa s e s t a bl i s he d f o r t y p i c a l d e e pwa t e r we l l s a c c o r d i ng t o t he vo l u me c ha ng e of c a s i ng a n nu l us flu i d wi t h t e mp e r a tur e a n d p r e s s u r e ，a n d i n c o mb i n a t i o n o f t h e c a s i n g a n n u l u s PVT e q ua t i o n a n d a n n ul u s t e mpe r a tur e e q ua t i o n． The c a s i n g a nn ul u s t e mpe r a t u r e a nd p r e s s ur e c a l c ul a t i o n me t h o ds we r e s uc c e s s f ul l y a p p l i e d i n t h e c a s i n g a nn u l us t e mp e r a tur e a nd p r e s s u r e ma n a g e me n t o p e r a t i o n i n 7 d e e p wa t e r we l l s i n We s t Af ric a ，a n d t h e p r e d i c t e d t e mp e r a t ur e a nd p r e s s u r e we r e c o mp a r e d wi t h t h e a c tua l o n e s ， wh i c h i nd i c a t e s t h a t c a s i ng a n n ul u s t e mpe r a t u r e a nd p r e s s u r e pr e d i c t i o n me t ho d s h a v e g o o d a c c u r a c y ， wi t h t h e r e l a t i v e e r r o r be l o w 1 0％． Ke y wor ds de e p wa t e r ； oi l a n d g a s we l l ； c a s i n g； a n n ul u s pr e s s u r e ； p r e d i c t i o n mo d e l 0引言 深水油气 田测试阶段和生产初期 ，由于地层流体 与海床附近温差大 ，井 口各层套管环空密闭空间内流 体温度和环空压力迅速增加 ，可能导致套管破裂或上 顶井口[ 1 - 4 ] 。不同于陆地和浅水干式井 口，深水井采用 水下测试树和采油树 ，套管环空压力监测和控制难度 大 ，准确预测套管环空压力对于深水油气井测试和生 产作业非常重要[ 。 国内外针对油气井套管环空压力的 研究主要集 中在陆地和浅水高温高压井 ，对深水井套 管环空压力 的研究少 ，相关文献也主要是对套管环空 压力管理措施的研究[ 。 ” 。 本文基于深水井井身结构和 井筒传热过程 ，通过推导深水钻完井套管环空温度计 算公式 ， 并分析套管环空体积随温度和压力的变化量 ， 建立套管环空压力的预测模型 ，利用应用实例对其进 行验证 2 0 1 3 年 l 0月 杨进 等 深水 油气井套管环空压力预测模型 6 1 9 符号注释 Q 从测试管柱传递至井筒水泥环外边缘的热量梯 度 ，W／ m；r t o 测试管柱外半径 ，n l ； 。 测试管柱外 壁至井筒水泥环外边缘总传热系数 ，w／ m K ； f 测试管内流体温度 ，K； 。 井筒水泥环外边缘温度 ，K； ， 井筒中轴线至第 个环空外边缘距离 ， m；k a 第 “ 个环空的传热系数 ，w／ m K ；r 0 ， ，r i j 第 ， 层套管的 外半径和 内半径 ，m； ， 第 ，层套管的导热系数 ，w／ n a K ；， 。 ， ， i 第 m层水 泥环 的外半 径 和 内半径 ，m； 2 s m 第 m层水泥环的导热系数 ，w／ IT I K ；Q f 从井 筒水泥环外边缘传递至地层的热量梯度 ，W／ m； 。 地层 导热系数 ，w／ m K ； f t 无因次地层导热时间函数； i地层初始温度，K； 海底温度 ，K；g 。 地热 梯度 ，K／ m；T l 环空 1温度 ，K；F w 。 井筒中轴线至水 泥环外边缘距离，m；6 生产套管外半径，m； 环空 1内流体的导热系数 ， w／ m K ； 环空压力变化量， MP a ； T 环空流体等温压缩系数，MP a ～；n 】 环空流 体热膨胀系数 ，K～；V ，A 一 环空体积及其变化量 ，I l l ； ，△ 环空内流体体积及其变化量 ，1 T I ；△ 环空 温度变化量，K；S r 环空 2温度升高引起 的生产套管径 向位移 ，1 T I ；S v 环空 2温度升高引起的生产套管法 向位 移 ，m； 生产套管泊松 比；a 生产套管热膨胀系数， K_ 。 ；r 生产套管上任意一点到井筒 中轴线的距离 ，m； 口 生产套管内半径 ，1 T I ； 生产套管微元段长度 ，1 T I ； 2 环空 2压力升高引起的生产套管径 向位移，1 T I ； E 生产套管弹性模量，MP a ；a l 技术套管内半径 ，m；E f 环空 2内流体体积模量 ，MP a 。 参 考文献 [ 1 ] Wi l l i a ms o n R ， S a n d e r s W，J a k a b o s k y T ，e t a 1 ． C o n t r o l o f c o n t a i n e d a n n u l u s fl u i d p r e s s u r e b u i l d u p [ R ] ． S P E 7 9 8 7 5 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] Az z o l a J H ，T s e l e p i d a k i s D P a t t i l l o P D，e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f v a c u u m- i n s u l a t e d t u b i n g t o mi t i g a t e a n n u l a r p r e s s u r e b u i l d u p [ J ] ． S P E D r i l l i n g C o mp l e t i o n ， 2 0 0 7 ， 2 2 1 4 6 5 1 ． [ 3 ]Ha s a n A R ， I z g e c B ， Ka b i r C S E n s u r i n g s u s t a i n e d p r o d u c t i o n b y ma n a g i n g a n n u l a r p r e s s u r e b u i l d u p [ R ] ． S P E 1 2 1 7 5 4 ， 2 0 0 9 ． 【 4 ] 杨进 ，曹式敬 ．深水石油钻 井技术现状及发展趋 势[ J 】 ．石油钻采 工 艺 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 0 1 3 ． Ya n g J i n ，C a o S h i j i n g ． C u r r e n t s i t u a t i o n a n d d e v e l o p i n g t r e n d o f p e t r o l e u m d r i l l i n g t e c h n o l o g i e s i n d e e p wa t e r [ J ] ．Dr i l l i n g P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y , 2 0 0 8 ， 3 O 2 1 0 - 1 3 ． 【 5 】 V a r g o R， P a y n e M， F u a l R ， e t a 1 ． P r a c t i c a l a n d s u c c e s s f u l p r e v e n t i o n o f a n n u l a r p r e s s u r e b u i l d u p o n t h e Ma r l i n P r o j e c t [ J ] ． S P E Dr i l l i n g C o mp l e t i o n ， 2 0 0 3 ， 1 8 3 2 2 8 2 3 4 ． [ 6 ] 王海柱，沈忠厚 ，李根生．超临界 C Oz 钻井井筒压力温度耦合计 算[ J ] ．石油勘探 与开发， 2 0 1 1 ， 3 8 1 9 7 1 0 2 ． W a n g Ha i z h u ，S h e n Zh o n g h o u ，Li Ge n s h e n g． W e l l bo r e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e c o u pl i n g c a l c u l a t i o n o f d r i l l i n g wi t h s u p e r c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ，2 0 1 1 ， 3 8 1 9 7 - 1 0 2 ． [ 7 ] I z g e c B ，H a s a n A R，L i n D，e t a 1 ．F l o w- r a t e e s t i ma t i o n f r o m we l l h e a d - p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e d a t a [ J ] ． S P E P r o d u c t i o n Op e r a t i o n s ， 2 0 1 0 ， 2 5 1 3 1 - 3 9 ． [ 8 ] 车 争安，张智，施 太和，等 ．高温 高压含硫气井环空 流体热膨胀 带压机理[ J ] ．天然气工业， 2 0 1 0 ， 3 O 2 8 8 9 0 ． Ch e Zh e n g’ a n，Z ha n g Zh i ，S h i Ta i h e ，e t a 1 ．Me c ha n i s m o f a n n ul a r fl u i d t h e r ma l e x p a n s i o n p r e s s u r e i n H T HP s o u r g a s we l l s [ J ] ． Na t u r a l Ga s I n d u s t r y ， 2 01 0 ， 3 O 2 8 8 - 9 0． [ 9 ] 王果 ，樊洪海 ，刘 刚．井底常压 控制压力钻井设 计计算[ J ] l石油 勘探与开发， 2 0 1 1 ， 3 8 1 1 0 3 ． 1 0 8 ． W a n g Gu o ，Fa n Ho n g h a i ，Li u Ga ng ．De s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f a MP D mo d e l wi t h c o n s t a n t b o t t o m h o l e p r e s s u r e [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 1 ， 3 8 1 1 0 3 1 0 8 [ 1 0 ] 胡伟杰浅析深水钻井 中密闭环空圈闭压力 的预测方法 [ J ] ．科技 创新与应用， 2 0 1 2 2 5 1 2 8 H u We ij i e ． P r e d i c t i o n o f t h e p r e s s u r e i n s e a l e d a n n u l u s wh e n d r i l l i n g i n d e e p wa t e r [ J ] ． T e c h n o l o g y I n n o v a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n ， 2 0 1 2 2 5 1 2 8 ． [ 1 1 ] 吴永彬 ，李 秀峦 ，孙新革 ，等 ．双水平井 蒸汽辅助重力 泄油注汽 井 筒 关 键 参 数 预 测 模 型 [ J ] ．石 油 勘 探 与 开 发 ，2 0 1 2 ，3 9 4 4 81 ． 48 8 W u Yo n g b i n ，L i Xi u l u a n ， S u n Xi n’ g e ， e t a l Ke y p a r a me t e r s f o r e c a s t mo d e l o f i n j e c t o r w e l l b o r e s d u r i n g t h e d u a l - w e l l S AGD p r o c e s s [ J ] P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p me n t ， 2 0 1 2 ， 3 9 4 4 8 1 4 8 8 ． [ 1 2 ] R a me y H J ．We l l b o r e h e a t t r a n s mi s s i o n [ J ] ．J o u r n a l o f P e t r o l e u m T e c h n o l o g y , 1 9 6 2 ， l 4 4 4 2 7 - 4 3 5 ． [ 1 3 ] 李伟超，齐桃，管虹翔，等．海 上稠油热采 井井简温度场模 型研 究 及应 用 [ J ] ．西南 石 油 大 学 学 报 自然 科 学 版 ，2 0 1 2 ，3 4 3 1 O 5 1 0 9． L i We i c h a o ，Qi T a o ，Gu a n Ho n g x i a n g ，e t a l R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f we l l b o r e t e mp e r a t u r e fie l d mo d e l s f o r t h e r m a l r e c o v e r y we l l i n o f f s h o r e h e a v y o i l f i e l d [ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h we s t Pe t r ol e u m Un i v e r s i t yS c i e n c e T e c h n o l og y Ed i t i o n ，2 0 1 2 ，3 4 3 l O 5 ． 1 0 9． [ 1 4 ] 邓 元洲，陈平，张慧丽．迭代法计算油 气井密闭环空压 力[ J ] l海 洋石油， 2 0 0 6 ， 2 9 6 1 4 9 1 5 2 ． De n g Yu a n z h o u ， Che n Pi n g ， Zh a n g Hu i l i ． Ca l c u l a t i n g t h e p r e s s u r e i n s e a l e d a n n u l u s i n o i l w e l l b y i t e r a t i v e me t h o d [ J ] ． Of f s h o r e Oi l ， 2 0 0 6 ， 29 f 6 1 1 4 9 1 5 2 ． 第一作者简介杨进 1 9 6 6 一 ，男，河南周 口人 ，博士，中国石油大学 北京 石油工程学院教授 、博士生导师，主要从事海上钻完井技术的教 学和研究工作。地址北京市昌平区府学路 l 8号，中国石油大学 北京 石油工程学院，邮政编码1 0 2 2 4 9 。E ma i l c y j i n l 0 1 8 v i p ． s i n a ．c o m 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 ． 0 1 修回日期 2 0 1 3 ． 0 6 ． 0 5 编辑胡苇玮 绘 图 刘方方