高温高压高酸性气井完井管柱优化设计

摘 要

摘要：近年来，随着天然气勘探开发工作的快速推进，高温高压油气井、深井超深井、含腐蚀性介质气井越来越多，完井管柱优化设计及作业难度越来越大，安全环保的要求也越来越高。已完井
摘要：近年来，随着天然气勘探开发工作的快速推进，高温高压油气井、深井超深井、含腐蚀性介质气井越来越多，完井管柱优化设计及作业难度越来越大，安全环保的要求也越来越高。已完井投产的气井中有相当比例都存在由各方面原因引起的生产套管压力异常升高现象，具有一定的安全生产隐患，因此对该类气井开展完井管柱优化设计研究具有重要的现实意义。通过总结高温高压高酸性气井完井现场实践经验，深入探讨了封隔器管柱力学分析要点及结构设计方法；提出了高温高压高酸性气井完井管柱设计的原则——安全第一、有利于发挥气井产能、延长气井寿命、经济可行，明确了优化设计阶段需重点考虑的7项因素；形成了一套基于第四强度理论的不同工况条件下完井管柱三轴应力强度校核方法，以及高温高压高酸性气井封隔器完井管柱设计方法。该套设计方法应用于四川盆地龙岗气田某井，取得了较好的效果。
关键词：高温高压；高酸性；气井；完井管柱；优化设计；三轴应力；第四强度理论；安全生产
    近几年，随着天然气勘探开发工作的快速推进，产能建设工作量增长迅速，高温高压气井、深井超深井、含腐蚀性介质气井越来越多，完井管柱优化设计及作业难度越来越大，安全环保的要求也越来越高，出现的问题逐渐增多。已完井投产的气井有相当比例都存在由各方面原因引起的生产套管压力异常升高现象，带压生产、带“病”运行，具有一定的安全生产隐患。因此，开展对于这类气井的完井管柱优化设计应用研究具有重要的现实意义。
1 完井管柱设计原则
    要根据高温高压高酸性气藏特征和开发生产的要求，遵照安全第一、有利于发挥气井产能、延长气井寿命、经济可行的原则，采用现代完井工程的理论和方法，进行完井管柱设计。重点应考虑如下因素：
    1) 油管尺寸必须满足配产、携液、防冲蚀和压力损失小的要求，原则上完井管柱应采用内径相同的油管和井下工具，以便于作业和携液。
    2) 对于需要进行储层增产作业的气藏，设计的完井管柱结构应满足增产作业规模、施工压力、施工排量等关键参数的要求。
    3) 对于高酸性气藏，要在腐蚀因素分析、腐蚀机理研究和腐蚀程度试验的基础上，优化选择经济有效的防腐措施。
    4) 高酸性气井要设计应用安全生产装置(如井口安全控制装置、井下安全阀、封隔器等)，防止因人为因素或自然灾害造成气井失控。
    5) 高压、高产、高含酸性气体的气井采用封隔器完井时，封隔器以上油管应采用相应的气密封措施，要进行油套管和井下工具气密封性评价。
    6) 高温、高压、高酸性超深井完井管柱，尤其是封隔器完井管柱应根据相关安全系数要求开展不同工况条件下的完井管柱力学分析，并确定相应的临界施]控制参数。
    7) 高温、高压、高酸性超深井应注重管柱结构完整性和一致性，为实现安全开采创造条件。
2 完井管柱力学分析及结构设计方法
2.1 封隔器完井管柱力学分析要点
2.1.1分析工况
   根据实际的井眼轨迹数据，对完井管柱下入、封隔器坐封、掏空、增产改造、排液测试、稳定生产等工况进行分析。
2.1.2分析方法
   采用第四强度理论，即三轴应力校核方法对不同工况条件下的完井管柱力学性能进行分析。三轴向应力其实并不是一个真正概念上的应力，而是一个可将广义三维应力状态与单向破坏准则(屈服强度)相比较的理论数值。换言之，如果三轴向应力超过了屈服强度就将出现屈服破坏，三轴向安全系数是材质的屈服强度与三轴向应力之比。
2.1.3分析步骤
   首先分析油管柱在井下的构型状态，然后计算管柱变形、油管柱和封隔器的载荷，进而分析油管柱和封隔器的受力及其安全性。在设计过程中应尽量确保所设计的管柱在各种工况下都不发生屈曲变形。
2.2 封隔器完井管柱力学分析模型
2.2.1管柱屈曲临界载荷计算
   正弦屈曲临界载荷计算公式如下：
 
目前，关于管柱螺旋屈曲的计算模型仍未有一致意见，根据本文参考文献[1-2]确定螺旋屈曲临界载荷计算公式如下：
 
2.2.2三轴应力计算
   采用Von Mises等效应力进行计算，考虑轴向、径向和周向应力。三轴应力计算公式如下：
   1) 轴向应力计算公式如下：
 
   任何一点的有效轴向力应包含自重、浮力、压力、井眼弯曲、下入冲击、摩擦、温度和管柱屈曲造成的轴向力[3～9]。
其中井眼弯曲引起的轴向力计算公式如下：
 
其中下入冲击引起的轴向力计算公式如下：
 
    2) 径向应力和周向应力依据Lame′公式其计算方法如下[10]：
 
2.2.3轴向应力条件下的屈服强度
在力学校核过程中，尤其应注意轴向应力条件下的强度校核，轴向应力条件下的屈服强度计算公式为：
 
2.3 力学分析结果
    通过上述力学分析方法可以对单井在不同工况条件下的各项力学性能进行计算，主要得出的计算结果包括：管柱变形总长度(包括各项效应值)，油管柱受力大小和方向，封隔器受力大小和方向，封隔器所受压差，油管强度安全系数最低位置及三轴、抗拉、抗压、抗外挤安全系数等。
2.4 封隔器完井管柱结构优化设计
    根据力学分析计算结果，一方面优化调整相应的封隔器完井管柱结构，主要确定以下内容：油管壁厚和钢级、油管组合、封隔器的压力等级和锚定力等级、是否采用油管伸缩节以及伸缩节的下入位置和状态等。另一方面，确定不同工况下确保完井管柱力学安全的临界控制参数，主要确定以下内容：增产改造最高泵压及平衡压力、液氮最大掏空深度、生产过程套管压力控制范围等。
3 应用实例及效果分析
3.1 基本参数
    四川盆地龙岗气田某井的井身结构如图1所示，采用Φ339.7mm+Φ244.5 mm+Φ177.8mm+Φ127mm井身结构，打开储层钻井液的密度为1.31g/cm3，折算地层压力为65MPa。根据邻井地温梯度推测地层温度为114℃，地层流体为天然气，高含H2S，不产地层水。

3.2 效果分析
    采用本文所述的设计方法对该井进行了完井管柱优化设计，通过不同工况下完井管柱力学分析及伸缩器等井下工具的反复论证，最终设计出射孔-完井-酸化投产一体化的完井管柱结构为(图1)：Φ88.9mm的G3-125油管+井下安全阀(材质718)+Φ73mm的BG2830-110油管+永久式封隔器(材质718，压差70MPa，锚定力117t)+Φ73mm的BG 2830-110油管+丢枪接头+筛管+减震器+射孔枪，并制订了相应的不同工况条件下确保完井管柱强度安全的施工控制参数和确保完井管柱丝扣气密封性能的技术措施。上述优化设计方法应用于该井，取得了较好的生产效果(图2)。

    该井于2010年成功完成现场作业，测试获日产天然气76×104m3，自投产以来，环空压力无异常现象，完井管柱丝扣密封性能良好。该井的生产压力曲线如图2所示。
符号说明
    Fycr表示正弦屈曲临界载荷；E表示杨氏模量；I表示油管的惯性矩；α表示井斜角；r表示油管任意位置处的半径；Fyck表示螺弦屈曲临界载荷；Fy表示有效轴向力；ro表示油管外径；ri表示油管内径；D表示管柱名义外径；为狗腿度，(°)/单位长度；As表示管柱截面积；vav表示平均下入速度慨表示管材密度；As表示内压；po表示外压；Ypa表示在拉伸应力作用下的当量屈服强度；Sa表示轴向应力；Yp表示最小屈服强度。
参考文献
[1] CUNHA J C S.Buckling behavior of tubulars in oil and gas wells：a theoretical and experimental study with emphasis on the torque effect[D].Tulsa：The University of Tulsa，1995.
[2] WU JIANG，JUVKAM-WOLD HC.Coiled tubing buckling implication in drilling and completing horizontal wells[J].SPE Drilling＆Completion，1995，10(1)：16-21.
[3] GREENIP J F.Determining stress in tubing using triaxial evaluation[C]∥paper 6760 presented at the SPE Annual Fall Teehnical Conference and Exhibition，9-12 0ctober 1977，Denver，Colorado，USA.New York：SPE，1977.
[4] MITCHELL R F.Buckling analysis in deviated wells：a practical method[c]∥paper 36761-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，6-9 0ctober 1996，Denver，Colorado，USA.New York：SPE，1996.
[5] LUBINSKI A，ALTHOUSE W S，I，OGAN，J L.Helical buckling of tubing sealed in packers[J].Journal of Petroleum Technology，1962，14(6)：655-670.
[6] HAMMERLlNDl。D J.Moment，forces，and stresses assoelated with combination tubing strings sealed in packers[J].Journal of Petroleum Technology，1977，29(2)：195-208.
[7] HAMMERLINDLD J.Packer to tubing forces for intermdiate packersEJ].Journal of Petroleum Technology，198132(3)：515-527.
[8] MITCHELL R F.Forces on curved tubulars due to fluid flow[C]∥Production Operations Symposium，Oklahor City 0K，USA.New York：SPE，1993.
[9] Mitchell R F.Pull through forces in buckled tubing[J].SPE Production & Facilities，1995，10(2)：109-114.
[10] UC-URAL A C，FENSTER S K.Advanced strength and applied elasticity[M].New York：Elsevier North-Holla Publishing Co.，1975：247-252.
 
(本文作者：郭建华1，2 佘朝毅1，2 唐庚1 陈艳1 施太和2 1.中国石油西南油气田公司采气工程研究院；2.西南石油大学)