浅析深水钻井中密闭环空圈闭压力的预测方法

摘　要：在深水油气资源的勘探和开发中，由于水深的影响，海底及浅部地层温度低，而储层流体的温度相对较高，在钻井以及生产阶段，井筒内的钻井液或油流的温度明显高于浅部地层的温度，这样就导致了套管柱各层套管之间环空的流体温度升高，如果各层套管之间的环空是一个密闭空间，必将导致压力升高，压力升高到一定程度就存在挤毁套管的风险。本文从环空圈闭压力升高的概念入手，分析了环空圈闭压力升高的影响因素及计算方法，对实际深水钻井设计具有较好的借鉴意义。

关键词：深水钻井；环空圈闭压力；APB ；

1 环空圈闭压力升高的概念
　　环空圈闭压力升高（以下简称APB—Annular Pressure Build-up）指由于温度升高导致密闭的各层套管间环空内的流体膨胀，从而使环空圈闭压力升高的现象。圈闭压力升高到一定程度就会发生套管破裂或挤毁的事故[1]。在陆地油田和浅海油田的勘探开发实践中，可以通过打开套管头侧翼阀很容易将APB释放掉。但是在某些深水油田开发中，由于水下钻井和生产系统设计的限制，有些密闭的环空没有释放圈闭压力的通路（释放到地层或通过套管阀），因此就需要在钻井工程设计中考虑如何来降低和减缓APB的影响程度，而设计的前提条件是需要预测和计算APB的值。
2 APB的预测
   APB预测的基础是压力-体积-温度（PVT）关系。固井作业结束后，各层套管之间的密闭环空的体积是一定的，圈闭压力就直接受温度的影响。因此APB预测的基础就是井下温度变化的预测，从已知的流体体积及温度的变化就可计算出压力的变化。
      2.1 APB的影响因素
　　在实际计算中，由于井筒内各层套管之间会发生相互影响，同时由于圈闭的流体在比重、特性等方面也存在差异，这两个因素的影响导致本来简单的计算变得非常复杂，下面分别对这两个因素的影响进行分析。
      2.1.1  井筒内各层管柱之间的相互影响
     在内外压力的影响下，井筒内管柱将发生弹性变形。管柱的弹性变形将影响管柱间环空内流体的体积和压力，同时不同的管柱环空均受到每一层管柱压力变化的相互影响，因此多个同心圆柱体的存在使APB的计算变得相当复杂。
      2.1.2  流体的非线性PVT关系
　　流体的非线性PVT关系是指当流体的比重不同时，温度和压力的变化曲线也不同，如图1所示。由图可以看出对于某一给定的比重，体积不变的情况下，温度降低都会导致压力的降低。压力降低的速率取决于流体本身的温度和压力值，而且不是恒定的。因此从这个角度看，用来预测APB的流体特性也同时取决于APB本身的值。

      2.2 APB的预测
      APB的预测因受到各种因素的影响变得非常复杂，在国外的实际现场应用中，APB可以应用一简单的公式来做近似计算。公式需要应用流体的两个参数：体积模数 (psi)和热膨胀系数? (1/°F)。体积模数是指在恒定的温度下，比重的变化和压力的变化关系。
                                                                                                (1)
   热膨胀系数是指恒定压力下，温度的变化和比重变化的关系。
                                                                                          (2)
   方程式（2）中的负号表示了温度升高和比重降低的反比关系。在一个假定的体积固定的刚性空间中，APB可以利用这两个流体特性和平均的温度的变化来计算。                                                                                                                                                           平均温度变化是指生产状态下或钻井状态下流体的平均温度减去环空被封固后稳定状态下流体的初始平均温度。
      2.3 APB的敏感性分析
      众所周知，钻井作业前一些参数都是预测值，与实际的数据会存在一定的差异，这就可能对APB的预测和计算造成很大的影响，因此需要针对这些参数进行敏感性分析，通过敏感性分析可以确定一些参数对于APB预测和计算结果的影响程度。同时也正是由于APB的计算存在很大的不确定性，因此与APB相关的设计安全系数取值一般要高于套管设计中常规载荷的安全系数。
   影响APB计算结果的主要参数有：
      1）油藏的初始静态温度。如果实际的油藏温度比计算时初始预测的温度更高，将导致实际的APB比初始计算的APB大幅升高，同时非线性的静态温度也会对预测的生产温度和初始温度造成影响。
      2）流体类型和生产流速。油管温度及环空温度的变化很大程度上取决于流体类型、生产流速以及油气水的比例。油井到了生产后期，水的锥进加剧，产出液中水的比例将随之升高，在这种情况下，如果仍然维持原来的生产流速不降的状况下，将会导致温度的增加。
      3）流体的特性。流体的比重及成分影响热传导，从而影响APB的值。并且还要考虑流体中固体颗粒沉淀的可能性以及对APB的影响。
      4）水泥浆封固的位置。在固井作业中，实际的水泥浆返高可能与设计的返高相差很大，这将会大大影响APB的计算值。同时如果设计不封固套管鞋，而实际作业中套管鞋位置可能被水泥浆封固或被重晶石沉淀堵塞，封固的位置越高，将导致环空中圈闭的流体平均温度升高就越快，从而使APB升高越快。
      当计算出APB的值后，压力预测就转换成了不同的载荷状态，从而决定了套管柱设计中选用的套管钢级。在设计中考虑环空是否密闭至关重要，当某一层套管外部存在密闭的环空，一旦受到APB的影响，这层套管就存在挤毁的可能性。因此，在套管柱设计中需要对多个环空的APB预测进行详细的研究，并采取缓解APB的技术方案来解决APB的问题。在某些情况下，一种缓解APB技术方案设计的安全系数仍然达不到要求，从而需要同时应用多种缓解APB的技术方案。
3 结论
　　（1）分析了井筒内各层套管之间的相互影响、流体的非线性PVT关系对APB预测的影响，由于这些因素的影响，使得APB的预测变得比较复杂。
　　（2）综述了给出了国内外预测APB的简单方法。敏感性分析表明，油藏的初始静态温度、流体类型和生产流速、流体的特性、水泥浆封固位置对APB的影响较明显。
　　
参考文献
[1]邓元洲等，迭代法计算油气井密闭环空压力，《海洋石油》第26卷第2期.
[2]车争安等，高温高压含硫气井环空流体热膨胀带压机理，《天然气工业》 2010年02期.
[3]王树平 李治平等，减小由温度引起套管附加载荷的方法研究，西南石油大学学报，2007，29（6）.