1、1气井持续环空带压摘 要随着石油天然气勘探开发工作不断深入，大量油气井在开发过程中相继出现持续环空压力现象。自天然气开 发以来，持 续环空压力或井口窜气问题就一直困扰固井技术人员与作业商。持续环 空带压或井下层间窜流会严重影响气井的产量，降低采收率，对气田开发后续作业如酸化压裂和分层开采等造成不利影响。持续环空压力或层问窜流不突出时，会增加压 力监测与井口放压的成本；严重时需要关井，有时会导致整口井甚至整个井组报废。从 环境保护和安全的角度考虑，作业商经常要通过关井或修井来解决该问题，所造成的关井停产损失或修井费用相当巨大。气井的油管外环空或套管外持续环空带压压力引起的问题日益严重。因此，研究
2、气体持续环空压力现状，了解气田持续环空压力机理，安全评价及治理持续环空迫在眉睫。这是指导气田安全生产的关键所在。关键词：持续环空 窜流 气井 固井 指导生产2目 录第 1 章 绪 论 .11.1 课题研究的目的及意义 .11.2 课题研究的国内外现状及其情况 .21.2.1 墨西哥湾的 OCS 地区气井持续环空压力情况 .21.2.2 加拿大天然气井或油井持续环空压力情况 .21.2.3 国内天然气井持续环空压力的情况 .21.2.4 美国矿产部统计了美国外大陆架区域环空带压情况 .21.2.5 国内外研究现状 .31.3 研究的主要内容及技术路线 .61.3.1 主要内容 .61.3.2 技
3、术路线 .6第二章 产生机理 .82.1 环空的概念及分类 .82.2 持续环空压力 .92.3 固井方面 .102.3.1 环空带压对气井固井的特殊性 .102.3.2 气井固井后环空带压的规律 .112.3.3 环空带压或井口窜气的原因分析 .112.4 持续套管压力形成机理 .132.5 卸压后持续套管压力上升机理 .162.6 井口允许最大带压值模型 .152.6.1 环空最大许可压力值概念 .162.6.2 确定原则 .162.6.3环空最大许可压力 .1632.6.4 中间环空最大许可压力 .162.6.5 表层环空最大许可压力 .17第 3 章 持续环空压力安全评价及治理方案 .
4、183.1 安全评价 .183.1.1 中石油方面 .183.1.2 风险级别判别 .183.1.3 标准与规范 .183.1.4 气井本身特性 .193.1.5 工艺措施 .203.1.6 当前状态 .203.1.7 风险级别判别模式 .223.1.8 评价流程 .233.2 治理方案 .253.2.1 预防环空带压的技术措施 .253.2.2 解决环空带压的技术措施 .26第 4 章 实例计算，指导气田安全生产 .28第 5 章 结论 .33参考文献 .34气井持续环空压力机理及安全评价研究1第 1 章 绪 论1.1 课题研究的目的及意义 气井持续环空压力是气田钻井的普遍问题，环空异常压力
5、将严重威胁气井安全生产。随着国内外天然气用量的迅速增加，井下的地质环境也越来越复杂，固井后的持续环空压力问题也越来越突出。在中国塔里木盆地迪那 2、四川盆地龙岗等气田，持续环空问题是困扰气井安全开发的重要难题。气井环空带压是指井口环空压力表非正常启压。如果经井口放喷阀门放喷后，关闭套管环空后，压力又重新上升到一定程度，国际上通常称为持续环空带压。环空带压不仅使 CO2和 HS2等腐蚀性气体进入油套环空而腐蚀套管内壁，而且导致套管长时间承受高压，存在天然气窜漏至地层、泄漏至井口的风险，甚至引发灾难性事故。自天然气开发以来，持续环空压力或井口窜气问题就一直困扰固井技术人员与作业商。持续环空带压或井
6、下层间窜流会严重影响气井的产量，降低采收率，对气田开发后续作业如酸化压裂和分层开采等造成不利影响。持续环空压力或层问窜流不突出时，会增加压力监测与井口放压的成本；严重时需要关井，有时会导致整口井甚至整个井组报废。从环境保护和安全的角度考虑，作业商经常要通过关井或修井来解决该问题，所造成的关井停产损失或修井费用相当巨大。因此必须进行气体持续环空机理及安全评价研究，以解决或减少环空对钻井过程中造成的事故。了解气井持续环空压力机理，制定环空压力治理方案，解除气井生产安全。西南石油大学专科毕业设计（论文）21.2 课题研究的国内外现状及其情况1.2.1 墨西哥湾的 OCS 地区气井持续环空压力情况在墨
7、西哥湾的 OCS 地区，大约有 15500 口生产井、关闭井及临时废弃井。美国矿物管理服务机构(MMS)对该地区井进行了统计，有 6692 口井约 43至少有一层套管持续环空压力。在这些持续环空压力的井中，共有 10153 层套管环空带压，其中47.1属于生产套管带压，16.3属于技术套管带压，26.2属于表层套管带压，10.4属于导管带压。该地区大部分井下人了几层套管柱，从而使判定环空带压的原因与采取有针对性的补救措施困难，每口井补救费用高达 100 多万美元。1.2.2 加拿大天然气井或油井持续环空压力情况在加拿大，环空带压存在于不同类型的井中。南阿尔伯特的浅层气井、东阿尔伯特的稠油井和
8、ROCKY 山麓的深层气井，都不同程度地存在环窄压力问题。加拿大环空压力问题绝大多数是由于环空封固质量不好，天然气窜至井口造成的，原油有的时候也能沿着窜流通道窜出地面。1.2.3 国内天然气井持续环空压力的情况大庆庆深气田相继出现升深 8 井、徐深 10 井、徐深 901 井、徐深 606 井、达深斜 5 井持续环空带压。四川龙岗地区龙 1 井、龙 2 井、龙 3 井的西 244.5mm 与西1778mm 技术套管持续环空带压。龙岗 3 井试油时发现担 445mm 与咖 1778mm环空间压力达到 18MPa，经接管线出井场，卸压点火燃烧。塔里木的克拉气田有 ll口井环空带压，克拉 210 井
9、咖 2508mm 技术套管固井施工达到设计要求，但投产后套压达到 538MPa(7800psi)。根据国外气井持续环空带压的一般规律，随着天然气开采时间的延长，国内气井环空带压问题也会越来越突出。1.2.4 美国矿产部统计了美国外大陆架区域环空带压情况美国矿产部统计了美国外大陆架区域环空带压情况，发现该区域有 8000 多口井存在一个或多个环空同时带压，并且约 50的环空带压发生在环空（油管生产气井持续环空压力机理及安全评价研究3套管环间） ，10环空带压发生在环空（生产套管技术套管环间） ，30环空带压发生在、（两层技术套管环间、技术套管表层套管环间）环空；且随着生产时间越长，环空带压几率越
10、大。据对墨西哥湾 OCS 地区的统计，开采 15的井地面能测量出环空带压（一层或几层套管带压）的概率约占到总井数的 50。 （如图1.1）图 1.1 该地区各层套管带压的情况统计图在实际生产中，环空压力过高将可能导致潜在的安全生产事故；若环空压力过小，则井口处油套压差过大，安全系数过低，长期疲劳生产，也易发生事故。目前，在环空带压管理上，国际、国内都没有完善的方法来确定环空压力安全范围来指导生产。国际上，挪威Norsok D-0106提出了所有易受影响的环空都应该用最小和最大的操作压力极限范围来进行监测和保持压力水平，确保随时都可以了解到的井筒完整性。ARP RP90标准中给出了最大环空许可压
11、力的确定方法，但是上述方法仅考虑了最大环空压力许可值， 。因此，高压气井安全评价技术已经成为环空带压气井的环空压力技术管理不可或缺的内容，根据塔里木油田高压气井实际完井状况和气井现场管理经验，而环空压力安全范围的确定是其中的重要组成部分，本文给出了气井环空压力许可值的确定方法，以明确高压气井环空压力的安全范围，为环空带压井的管理提供依据。1.2.5 国内外研究现状1)国外研究现状美国石油学会（American Petroleum Institute)于 2006 年 8 月出版了一部旨西南石油大学专科毕业设计（论文）4在指导管理海洋油气井环空压力的推荐做法-（API-RP90） 。该推者作法涵
12、盖了环空压监测、环空压力诊断测试、建立单井的最大环空许可工作压力（MAWOP）以及对环空压力的记录等内容。该推荐作法已经成为指导国外海上油气井管理环空压力的重要指导方法。Hasan AI HosaniD 对 ADCO 区块在套管持续环空压力管理方面的创新性进行了概述，系统阐述了如何管理带有持续环空压力的气井、如何收集基准数据、如何与生产注入输出系统（PIES)联合等内容。在引起地面环空压力（SAP）的根本原因及其造成的影响方面分析得出密封器泄漏、油套管连接处泄漏及下套管后因差的水泥胶结所导致的泄漏是造成 SAP 的原因。在 SAP 造成的影响中着重指出要格外加强对热效应引起的 SAP 的监测；
13、当监测到持续环空压力时要考虑潜在的风险并进行重点加密监测。针对常规环空压力和异常环空压力制定了相应的压力监测频率和方法，明确环空压力管理人员的具体职责。针对 ADCO 区块建立了计算单井个环空最大许可环空地面压力（MAASP）的计算方法。2007 年，斯伦贝谢(Schlumbergef)公司用研究出的 FuTUR 活性固化水泥技术来解决环空带压问题。FUTUR 活性固化水泥施工不需要额外的固井设备，采用常规固井工艺，将 FUTUR 活性固化水泥作为领浆及尾浆注入即可。为保证封固质量，领浆及尾浆的长度应至少达到 150m。FUTUR 活性固化水泥具有自修复特性，当发生气窜时，不需要人工干预，FU
14、TUR 活性固化水泥会自动活化，将裂缝封堵。该技术已成功应用在加拿大阿尔伯特油田的环空带压井及德国、意大利地下储气库井。F 唧 R活性固化水泥应用密度范围为 1401929cm3，应用温度范围 20138。Milanovic 开展了针对中东含硫油气井持续环空压力（SAP）的研究，该研究解释了所采取的诊断测试并描述了如何利用现象识别引起 SAP 的原因。文中阐述了SAP 诊断测试方法是放压后以 24 小时为周期记录放压和压力上升速率，观察相邻环空压力变化并严格检测油管压力反应。应用“油气井完整性工具包”模型分析诊断测试数据，区分不同类型压力测试的反馈信息，导出对 SAP 的解释结果。该模型成功应
15、用识别井口、油管和生产套管的泄漏，但对外层管柱压力测试数据及其对应SAP 补救方法还有待于改进。通过测试得出的反馈曲线包括瞬间放压曲线、不完全放压曲线、正常压力上升曲线、S 形压力上升曲线和不完全压力上升曲线。分析引起 SAP 的原因及深入考虑了油气井设计问题、注水泥问题，并对避免气体运移和形成微环空提出了相关建议。从修井和钻井角度提出抑制 SAP 形成的工艺方法。Xu 和 Wojtanowicz 通过考虑水泥上方存在泥浆柱的情况改进了 SCP 模型。通过气井持续环空压力机理及安全评价研究5研究发现不可压缩泥浆、井口有少量气体、漏失水泥的高传导性都将增加早期压力的迅速上升；同时还发现在压力上升
16、后期阶段，气层压力最终控制套管压力的因素。但是该模型仅仅局限于压力上升，并没有考虑气体在泥浆中的运移，在卸压和早期压力上升阶段，这是控制套管压力很重要的一个过程。2）国内研究现状2006 年 6 月西南石油大学的邓元洲、陈平、张慧丽在充分考虑压力和体积耦合变化的基础上，建立计算密闭环空压力的数学模型，并阐述了利用迭代法计算环空压力的思路。中国石油集团钻井工程技术研究院完井固井所的齐秦忠等人分析了环空带压的危害，从固井的角度提出若干预防措施。克拉 2 气田的开发生产过程中，部分单井出现生产套压异常升高的现象。针对环空压力异常问题，塔里木油田在国内首次开展了单井风险评估工作。借鉴 API-RP90
17、 中相关技术标准，参考国际大石油公司高压气井的管理经验，从 ODP 方案设计、钻井、固井、完井管柱结构、井下工具优选、现场实施工艺、生产管理等方面进行了深入的分析。根据克拉 2 气田单井的实际情况，通过先静态后动态的评估程序完成了克拉 2 气田单井风险评估。形成的风险评估技术和方法填补了国内陆上石油“三高”气井风险评估的空白，对相关油气田开展类似风险评估工作有一定的借鉴作用和指导意义。针对克拉 2 气田的井口距离长、井站分散、安全要求高的特点，使用了美国Honeywell 公司最新一代 DCS 系统（过程知识系统 PKS） 、安全管理系统（FSC）及美国 Bristol Babcock 公司的
18、 Control Wave 系列 RTU，分别实现过程控制、安全管理和数据采集监控功能。西南石油大学专科毕业设计（论文）61.3 研究的主要内容及技术路线1.3.1 主要内容本课题主要对气井持续环空压力进行研究；探索气体钻井在国内外的发展现状；从而在理论上建立数学模型找到最大带压值；再通过分析环空带来的根本原因，对环空压力的危害进行防治；最后从理论着手，从实际出发，研究气田生产。在实践中要发现问题提出问题作出假设解决问题作出结论。1.调研气井持续环空压力相关资料，了解气井持续环空压力相关概念及研究现状；2.研究产生气井持续压力机理，分析建立井口允许最大带压值模型；3.持续环空压力安全评价，并提出治理方案；4.通过实例计算，用研究结果来指导气田安全生产。1.3.2 技术路线综合国内外研究现状及现场资料分析产生异常环空带压原因：通过对塔里木高压气井现状的研究，总结导致各级环空压力泄漏的可能通道，建立环空带压异常判断方法，并实例加以验证：建立数学模型研究热效应环空带压问题：通过规范气井动态监测、环空压力管理、井控管理，研究适宜于塔里木油田那 2 气体、克拉 2 气体的安全生产管理方法。 （如图 1.2）
