气井环空带压机理研究

【摘要】随着石油天然气勘探开发的不断深入,油气井生产面临的环境越来越苛刻,大都表现出高温、高压以及高腐蚀性。我国多个气田部分气井在生产过程中相继出现了油套环空、技套环空带压的现象,这对气藏的安全开发和气井的井筒完整性提出了严峻的挑战。本文针对气井环空带压现状,从环空异常带压诊断、环空气窜渗流机理、油管柱密封性、环空许可压力以及油井管、封隔器橡胶、固井水泥石腐蚀等方面开展理论和室内实验研究,形成一套气井环空带压安全评价方法和管理对策,为异常环空带压气井安全生产提供了重要技术支撑。(1)调研国内外气井环空带压情况表明,气窜引起的环空带压危害最大,具有永久性。从现场实践来看,油套管柱、井下安全阀、封隔器以及固井水泥环等井筒屏障组件失效是引起环空带压的主要原因。(2)针对气窜引起的环空带压问题,基于达西渗流、多相流体动力学和气体热力膨胀性理论,得到了水泥返至地面和未返至地面两种情况下的气体窜流模型,分析影响环空带压的因素,预测环空压力达到稳定的时间和压力值大小。建立气井井筒温度压力耦合模型和A环空压力预测模型,可评价当量漏点尺寸与A环空压力恢复的关系。(3)建立了某油管螺纹接头有限元模型。评价了其在上扣、轴向力、内压和外压工况下的密封性能,得到了最大接触压力的变化规律。分析表明：上扣后只受轴向拉伸载荷是油管接头的最恶劣工况；内压工况有利于提高螺纹的密封性,而环空带压会降低螺纹密封能力。(4)综合考虑气井油套管柱强度、油套压异常的实际状况,发展和完善了APIRP90标准,丰富了环空许可压力的内涵,并确定了环空最大许可压力和最小控制压力的计算方法。该方法考虑了磨损和腐蚀对套管强度的影响,通过油套管柱强度校核,在满足套管头及封隔器安全性的前提下,得到环空许可压力的动态变化范围。此外,环空许可压力范围的确定对于钻完井方案设计中油套管柱强度的选择、环空保护液密度的设计都具有指导意义。(5)采用失重法评价了油井管材质在不同温压条件下的腐蚀速率。实验表明：J55、N80、P110钢在90℃时腐蚀速率达到最大,而后随温度的升高而降低；13Cr、S13Cr冈的腐蚀速率随温度的升高不断增大。五种材料的平均腐蚀速率随C02分压增大呈先上升后下降的趋势。含Cr钢在C02介质中腐蚀后产物膜中非晶态的Cr(OH)3具有离子透过选择性,这是其具有较好耐蚀性的主要原因。(6)基于载荷和腐蚀介质环境,设计了封隔器橡胶材料在承压状态下的腐蚀实验,通过测试其腐蚀前后硬度、压缩永久变形等力学参数的变化规律,评价橡胶材料在真实应力环境下的腐蚀行为；橡胶硬度在腐蚀后出现了下降,而压缩永久变形在腐蚀后变大；溶蚀、塑性变形等现象是橡胶材料腐蚀失效的主要形式,液相腐蚀比气相腐蚀对试样的外观形貌损伤更大。(7)完善了水泥石腐蚀评价方法,采用三种不同水泥体系,实验模拟了腐蚀介质对水泥石单向接触的动态腐蚀,探讨水泥石在CO2环境中的腐蚀机理,分析影响其腐蚀程度的主要因素,并评价不同抗腐蚀填充材料的耐蚀性能。(8)根据气井实际井身结构及环空许可压力计算,建立了环空压力安全评价方法。分别采用APIRP90和本文建立的方法对气井进行了风险评估。基于研究成果,制定了一套针对气井环空带压管理的安全评价与日常管理推荐作法。本文建立的环空带压理论模型及压力预测方法具有重要的理论价值,可利用实测的环空带压资料评估气井的安全状况,为气井制定合理的生产制度提供依据；建立的环空许可压力计算方法及环空压力安全评价方法可为同类气井环空带压管理提供参考。
【作者】朱达江；
【导师】林元华；
【作者基本信息】西南石油大学，油气井工程，2014，博士
【关键词】气井；环空带压；气体渗流；数值模拟；腐蚀；许可工作压力；安全评价；

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