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深水油气井环空带压套管设计研究作者：吴志明杨玉豪刘智勤来源：《科技视界》2017年第08期【摘要】深水井套管环空压力监测和控制难度大。
针对陵水地区深水高温高压井在测试阶段井筒环空带压导致套管损毁和破坏的情况，通过建立井筒环空压力预测模型进行深水环空带压井的套管设计，综合考虑油管、套管、地层及海水间的传热效应，建立井筒环空的压力预测模型，进而运用模型对深水环空带压井的套管进行强度设计。
综合分析工程中减少和缓解环空带压影响的技术措施及其优缺点，将该模型运用到陵水地区深水井的套管设计中，环空压力计算结果相对误差均在10%以内，对陵水地区深水尤其勘探开发具有重要的现实意义。
【关键词】深水；环空带压；热膨胀效应；套管；耦合；强度设计深水井不同于陆地和浅水干式井口，受水深的影响，套管环空压力监测和控制难度大，而高温高压的油气井在生产过程中会引起井筒温度全面上升，导致密闭的套管和环空流体体积膨胀，从而引起套管环空内产生附加的压力，形成环空带压[1-3]。
深水高温高压井具有以上两种难点，其环空压力受环空容积（几何形状改变引起）、流体进出和环空温度三种因素的影响，在实际作业中，水下生产系统投产后只有油套环空压力可以通过环空释放阀安全释放，而对于生产套管与技术套管环空压力、技术套管与表层套管环空压力尚无可靠、有效的处理手段，井筒环空压力过高会导致套管损毁和破坏。
1 环空压力计算模型1.1 环空流体温度计算井筒压力剖面计算依赖于井筒温度剖面的预测，常规方法假设井筒温度剖面线性化，井筒流体温度与时间无关，这种处理方式适合于稳定生产状态。
而在油气井不稳定测试时流量、压力、温度都处于不稳态过程，沿用常规方法估计井筒温度误差较大，需要建立非稳态传热模型，预测不同测试制度和时间下的井温剖面。
1.1.1 稳态传热温度预测模型针对长期稳定生产过程，采用解析方法建立井筒稳态传热模型，预测非线性井筒温度剖面。
井筒流体能量平衡机制见图1，稳定流动情况下的流体温度表达式为：1.1.2 瞬态传热温度预测模型针对试油测试的短期过程，建立井筒非稳态传热模型，预测不同测试制度和时间下的井温剖面。
第46卷第3期石 油钻探技 术Vol.46 No.3 2018年5月PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES May,20184钻井完井#doi：10. 11911/syztjs.2018052深水井套管环空泄压装置的研制与应用胡志强+!杨进+!黄小龙2,宋宇+!李文龙+!李舒展+(1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249%•中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司，广东深圳518067)摘要：针对深水油气开发中因密闭环空压力升高而导致的套管挤毁、破裂等问题，研制了一种深水井套管环 空泄压装置，并对其进行了性能测试和现场应用"该泄压装置以高精度破裂盘为核心部件，利用爆破片材料能瞬时泄压的特性，释放环空高压膨胀流体，消除套管环空压力升高带来的危害"破裂盘阀体选用SS316不锈钢，爆破片选用NS312镍铬合金，采用普通正拱形结构，最高设计破裂压力36.6MP=破裂盘套管短节采用双孔泄压设计，以防破裂失效"室内性能测试结果显示，破裂盘结构完整，耐温性能、时效稳定性好，能满足工程中0.80倍设计破裂压力条件下的稳压要求；实测破裂压力符合制造范围偏差±3. 0%的设计要求；同时，随着流体介质温度升高，破裂压力降低，降低幅度不超过5.0%，小于破裂压力允值，满足现场应用需求"深水井套管环空泄压装置在南海东部某区块3 口深水井进行了应用，均取得良好的应用效果，投产至今未出现由于环空压力升高导致的井下故障"研究表明，深水井套管环空泄压装置达到了预期的环空压力控制和管理的目的，可保障井筒安全"关键词：深水井；圈闭压力*世压装置*皮裂盘*生能测试中图分类号：TE927 文献标志码：A文章编号：1001-0890(2018)03-0072-06Development and Application of a Casing Annulus PressureRelief Device for Better Wellbore Integrity in Deepwater WellsHU Zhiqiang1,YANG Jin1 ,HUANG Xiaolong2$ONG Yu1,LI Wenlong1,LI Shuzhan1#.College ofP etroleum Engineering，C hinaU niversityofP etroleum(B eijing)$Beijing$102249 $ China;), Branch o f Engineering Technology Company$CNOOCEnergy Technology &ServicesLim ited$Shenzhen$Guangdong$518067 ?China)Abstract：A kind of casing annulus pressure relief device with high precision r partw as developed to solve the problem of annular pressure buildup problems which can cause casing collapse and rupture d uringdeepw ater oil andgas production.It makes use of the characteristics of rupture disk material to release the annulus expansion fluid instantaneous and eliminate the potential risk caused by the increase of the annulus pressure.The rupture disk assem blybody is manufactured with SS316,and b irst disk a manufactured from nicochrome NS312,which incorporate a conventional dom^l inward type structure design with a maximum design rupture pressure level of 36. 6 MPa.The rupture disk casing sub design has a double hole pressure relief to prevent boratory tests demonstrate that the rupture disk maintains structure integrity,hashigh temperature resistance andgoodaging stability with0. 80 times of designed rupture pressure for the engineering requirement.The actual test rupture pressure com plieswith the design requirement of m anufacturingdeviadonof士3. 0%.Withfluid tem perature,the test rupture pressure would slightly decrease,wdh the total change volum5. 0%and lower than rupture pre^ure tolerance,meeting field application rsquir lus pressure relief device achieved success in field applications in 3 deepwater wells in one eastern block ofthe South China Sea,and no downhole accidents have occurred up to now that w e r caused by annular pressure buildup problems.The research showed that the casing aim ilar pressure relief device achieved the anticipated annular pressure management objectives and could ensure the wellbore safety.Key words：deepwater well；pressure buildup；pressure relief device；rupture disk；performance test深水油气开发过程中存在套管环空圈闭压力升高（annular pressure buildup，APB)的问题，若不采取有效措施，会威胁油气的 性，豈成套管挤毁、破裂等井下故障12]，如：英国石油公司在开发墨西哥湾M arlin油田过程中，生产初期由于环空压力升高导致数裂3 ;加拿大Husky收稿日期 2017-08-11*日期：2018-03-15。
深水套管环空圈闭压力计算及控制技术分析*黄小龙1德1田瑞瑞1刘正礼2叶吉华2 方满宗3张星星1严( 1．中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司;2．中海石油( 中国) 有限公司深圳分公司; 3．中海石油( 中国) 有限公司湛江分公司)摘要针对深水井测试及生产过程中套管环空圈闭压力增加导致套管挤毁和破坏的问题，建立了环空圈闭压力计算模型，利用平面应变问题的基本方程和拉梅方程对环空圈闭段套管应力、应变和位移进行了求解，分析了油藏与海底温度、流体性质与生产流速、井身结构与套管材质以及固井水泥返高等因素对环空圈闭压力的影响。
在此基础上，对目前国际上采取的环空圈闭压力控制技术进行了分析，认为安装破裂盘和使用可压缩泡沫材料这 2 种技术方案可有效控制深水套管环空圈闭压力，确保深水油气开发井筒完整性和作业安全性。
关键词深水; 套管; 环空; 圈闭压力; 破裂盘; 可压缩泡沫材料随着我国深水油气勘探开发战略的逐步推进，深水井测试及生产过程中的一些安全问题引起了人们的高度关注。
深水油气田测试过程和生产初期，由于地层流体温度高达100℃以上，而海床温度仅为2 ～4℃，两者相差大，在油气测试或生产时可以使井口各层套管间环空圈闭流体受热膨胀而产生很大的附加压力载荷，严重时将挤毁或胀裂套管，给生产作业带来严重的安全隐患［1-3］。
国内外有不少工程技术人员和专家学者对陆地和浅水高温高压井因温度升高引起的附加载荷进行了研究，而对于深水套管环空圈闭压力引起的附加载荷作用机理和控制技术研究较少，主要集中在对现场管理措施进行简单的论述，缺乏理论支撑［4-6］。
陆地及浅水干式井口套管环空圈闭压力泄压措施相对容易实施，而深水湿式井口采用水下测试树和采油树导致环空圈闭压力控制技术难度大。
因此，研究套管环空圈闭压力控制技术对于深水油气测试和生产作业非常重要。
笔者通过对套管环空圈闭压力力学理论模型、环空圈闭压力影响因素和附加载荷计算方法进行研究，对比分析多种深水套管环空圈闭压力控制技术，以期为我国深水油气开发环空圈闭压力管理提供借鉴。
深水水下井口环空压力监测及诊断方法赵维青;冷雪霜;陈彬;牟小军【摘要】针对深水水下井口及采用水下采油树方式生产的井，对比了地面井口与水下井口环空压力监测的通道；给出了各个压力环空的定义；分析了形成环空压力的原因及压力源的来源；阐述了 A 环空压力的监测及诊断方法，并对每种方法的优缺点进行了对比。
通过一口深水井案例，分析了产量变化时各个环空中压力的变化情况，结论表明产量变化时各个环空压力变化明显。
研究结果对环空压力管理、诊断、监测及深水井套管选型具有借鉴和指导意义。
%The annular pressure monitoring passage between the surface wellhead and subsea well-head are compared in this paper.By focusing on the deepwater well with subsea well head or sub-sea production tree,this paper defines the annular layers,analyses the reasons causing annular pressure built-up,identifies three different pressure sources (Sustained continuous pressure, Thermal pressure built-up,and Operated pressure on annular),demonstrates and compares the pros and cons of each monitoring and diagnostic method on annular A.A case study is also presen-ted to demonstrate the significant annular layers pressure change whenever production rate is al-tered.The solution in this paper can be served as a good reference and guideline for the annular pressure management,monitoring,diagnostic,and casing selection of deepwater wells.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2016(045)012【总页数】6页(P5-10)【关键词】深水;水下井口;环空压力;监测方法;诊断方法【作者】赵维青;冷雪霜;陈彬;牟小军【作者单位】中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东深圳 518607;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东深圳 518607;中海油能源发展股份有限公司深圳分公司，广东深圳 518067;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，广东深圳 518607【正文语种】中文【中图分类】TE952深水井测试及生产作业面临诸多挑战，例如测试及生产过程中流动保障分析(主要是水合物预防、管柱腐蚀预测、结蜡、结垢、多相流流动等)、井控、环空带压等[1]。
深水套管环空压力管理技术及应用摘要：随着深水油气田不断进入开发阶段，各种各样的技术难题逐渐凸现出来。
针对深水井生产初期，井口处套管环空压力上升可能会造成套管挤毁和破裂问题，对目前常用的环空压力管理技术进行了介绍和分析，并对比了各个方法的技术优缺点。
关键词：深水钻井套管环空压力破裂盘
中图分类号：te52 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2013）01（b）-00-01
在深水油气田开发过程中，由于地层流体温度高达上百摄氏度，而海床附近温度很低，套管环空压力增加问题突出在油气田生产的初期几小时内就可以使井口各层套管之间流体温度上升，同时造成各层套管环空压力随着流体温度升高而不断增加，当压力上升到套管抗压或抗挤强度极限时，就会导致套管损坏，或者会因套管轴向压力增大而上顶井口，给深水油气开发带来巨大损失。
该文通过对常用环空压力管理技术措施进行分析，并结合尼日利亚oml130区块a油田环空压力管理的实际方法，对深水环空压力管理技术进行研究。
1 常用环空压力管理技术措施
目前常用套管环空压力管理技术措施有以下几种。
提高管材钢级和壁厚：通过提高管材钢级和壁厚使各层套管具有足够的抗内压和外挤的能力，从而克服由于生产初期温度上升而导致的压力上升带来的危害。
该方法在一定条件下是解决此类问题
的最好办法，但大多情况，往往需要远大于api标准规定的钢级和壁厚的管材，受管材加工工艺和施工工艺的限制，基本很难实现。
采用恰当的固井方式：如果条件允许，可以采用全封固井方式解决该问题（确保有很好的固井质量），但由于深水水下井口特点限制，容易产生多余水泥浆堵塞井口头的风险，从而造成井口环空密封失效，不具备操作性。
此外，深水浅部固井漏失风险非常大，如果地层存在漏失，即使附加量足够也可能由于地层漏失而造成上部环空无水泥浆无法全封固井的结果。
此外，可将固井水泥浆返至上层套管鞋以下，该种方法在固井过程中，控制水泥浆返高低于上层套管鞋，热传递发生时，环空流体可以通过上层套管鞋流入地层中，此方法在条件允许情况下可行，但也需要承受较大的风险，如尼日利亚akpo油田在20”表层套管以下有油气层，使用该方法风险极高。
采用尾管井身结构：采用尾管井身结构可以通过下入尾管很好的解决了其中相应套管环空压力上升问题，但受套管强度及井身结构限制，不可能每层环空之间都以下入尾管的方式规避，所以该种方法只能在特殊条件下解决某个环空压力上升的问题。
可压缩泡沫技术：可压缩泡沫技术是通过特殊的可压缩合成泡沫包裹在需要克服压力上升而采取措施的管材上，当密闭的空间内压力上升到一定数值时，合成泡沫开始变形，增加环空空间从而吸收压力的方法。
注入可压缩气垫：通过在密闭环空空间注入惰性气体，如氮气，
原理与可压缩合成泡沫技术原理相同，都是通过增加密闭环空的空间而达到吸纳多余压力的目的。
注入可压缩气垫是较为理想的解决生产初期压力上升的技术方案，但实际操作难度非常大，如何注入氮气是其最关键的部分，势必会因为大大增加作业周期而产生高昂的作业费用。
在套管上安装压力释放装置：该种方法是通过在套管上按照一个破裂盘，当内压或者外压达到套管破裂或者挤压变形前，破裂盘爆破从而释放密闭空间的压力。
该种方法可以避免压力上升而损坏套管。
在套管上安装压力释放装置也有一定的局限性，由于要确保井的完整性，该方法只能用在靠外层的管材上，同时对破裂盘技术参数要求非常高。
2 尼日利亚a油田环空压力管理办法
尼日利亚a油田发现于2000年，是在oml130区块钻获的世界级重大深水发现之一。
该油田距尼日利亚海岸线200 km，所处海域水深在1200 m至1400 m之间。
油田的开发方案主要包括44口井，其中有22口生产井，20口注水井和2口注气井。
akpo油田地温梯度大约是墨西哥湾地温梯度的两倍，所以该区域油田开发过程中环空压力增加的问题更为突出。
由于深水开发成本非常高，往往一口井钻井费用就达几千万美金，采用的任何技术都要确保安全可靠，为了达到此目的，该油田采用了多种环空压力管理办法：
尾管固井技术，akpo油田所有井在生产初期都存在多个套管环
空憋压问题。
为此，作业者优化了井身结构，将27.31 cm套管优化成尾管，同样可以满足套管校核要求，这样减少了一层环空压力管理
问题。
套管破裂盘技术，该技术主要是在存在挤压变形风险的35.56 cm 套管的外层50.80 cm套管上安装套管破裂盘，套管破裂盘安装在外层套管上，用于保护内层套管，其原理为当环空压力大于一定值时，滑行块下行致使破裂片破裂，使内环空压力释放至外环空，从而保护内层套管不受损坏。
可压缩泡沫技术，将可压缩泡沫安装在14”套管外壁并固定与套管一起下入井中，当密闭空间压力上升时泡沫开始压缩从而释放空间，到达降低环空压力的目的。
akpo油田目前已经投产近2年时间，所有井情况良好，未发生套管破裂事故。
3 结语
针对深水钻井环空压力管理难题，目前研究出了多种环空管理技术，其中尾管固井技术、套管破裂盘技术和可压缩合成泡沫技术在尼日利亚ml130区块a油田深水井中得到了应用，获得了良好的应用效果和经济效益。
深水油气田生产作业中，为有效解决套管环空压力问题，往往组合应用多种环空管理技术。
为更好满足生产需求，还需进一步开展井口防压装置的研制等工作。
参考文献
[1] 高宝奎.高温引起的套管附加载荷实用计算模型[j].石油钻采工艺，2012，24（1）：8-10.。
