海上生產(chǎn)管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

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1生產(chǎn)管柱受力分析

1.1軸向應(yīng)力

生產(chǎn)管柱的軸向應(yīng)力應(yīng)該包括管柱的自重、井內(nèi)鉆井液的浮力、壓力載荷、彎曲載荷、沖擊載荷、溫度載荷、管柱屈曲以及管柱摩阻等因素的共同作用。

1.2軸向應(yīng)力彎曲載荷

當(dāng)管柱發(fā)生彎曲時(shí)，由于狗腿度所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生附加的軸向力，計(jì)算中考慮了彎曲應(yīng)力產(chǎn)生的附加軸向力的影響。

1.3三軸應(yīng)力

當(dāng)三軸應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起管柱屈服失效。三軸安全系數(shù)是材料屈服強(qiáng)度與三軸應(yīng)力的比值，只是為了與單軸破壞準(zhǔn)則（屈服強(qiáng)度）進(jìn)行比較而設(shè)立的一個(gè)理論值。

2海上生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例分析

海上高溫高壓氣井生產(chǎn)管柱需要滿足氣井全壽命周期內(nèi)壓力溫度的變化，同時(shí)需重點(diǎn)分析高溫高壓氣藏的應(yīng)力敏感、井筒承壓能力、現(xiàn)有海上施工工藝的成熟度、海洋作業(yè)環(huán)境以及后期修井措施等問題，確保施工作業(yè)的順利進(jìn)行、氣井開發(fā)的安全高產(chǎn)。陸地高溫高壓氣田常規(guī)射孔生產(chǎn)聯(lián)作一趟下入的管柱形式能否滿足海上氣田生產(chǎn)和修井要求，還需進(jìn)行進(jìn)一步分析。以東方氣田D2井為例，對(duì)一趟下入式和兩趟下入式生產(chǎn)管柱分別進(jìn)行了深入的分析。東方氣田D2井的目的層為黃流組，壓力因數(shù)1．50～1．93，地溫梯度4．17℃／100m，完鉆井深3358m，177．8mm（7in）尾管回接完井。

2.1井筒溫度預(yù)測(cè)分析

利用Wellcat軟件對(duì)洗井結(jié)束、開始生產(chǎn)、開始生產(chǎn)后關(guān)井、生產(chǎn)1a后、生產(chǎn)10a后這5種工況的井筒溫度進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。由于地層與井筒和井筒內(nèi)流體的傳熱作用，隨著深度的增加，流體和井筒的溫度是增加的，并最終趨向于井底的地層溫度。開始生產(chǎn)時(shí)從井口到井底的溫度變化是最小的，但是溫度是最高的。生產(chǎn)10a后井口溫度明顯降低，這是由于長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)造成地層壓力降低導(dǎo)致產(chǎn)量降低，并最終導(dǎo)致井口溫度明顯降低的顯著原因。

2.2射孔生產(chǎn)聯(lián)作一趟下入式生產(chǎn)管柱受力分析

D2井射孔聯(lián)作一趟下入式生產(chǎn)管柱。基于以上5種工況下的井筒溫度分布，利用Well－cat軟件分別計(jì)算了初始狀態(tài)、管柱下放、生產(chǎn)封隔器坐封、環(huán)空打壓驗(yàn)封、過提、管柱內(nèi)加壓射孔、生產(chǎn)初期、穩(wěn)定生產(chǎn)期、關(guān)井、油管掏空、油管泄漏等不同工況下生產(chǎn)管柱的受力情況。

2.3射孔生產(chǎn)聯(lián)作兩趟下入式生產(chǎn)管柱受力分析

考慮到氣藏的高壓特性和海上作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)管柱若采用上部封隔器一道密封難以保證長(zhǎng)期生產(chǎn)的井筒完整性，一旦封隔器密封失效，油套管環(huán)空連通，井筒全部充斥高壓氣，事故風(fēng)險(xiǎn)極高。所以，推薦D2井采用兩趟下入式生產(chǎn)管柱，雙封隔器坐封，形成兩道環(huán)空屏障，保障井筒安全，管柱類型為射孔聯(lián)作式生產(chǎn)管柱。第一趟管柱利用鉆桿將射孔槍送入井底，送入到位后坐封頂部封隔器，脫手。第二趟下入生產(chǎn)管柱，下部插入密封，再投堵坐封生產(chǎn)封隔器，然后管柱內(nèi)加壓射孔。該管柱類型的主要特點(diǎn)是射孔管柱和生產(chǎn)管柱需要兩趟下入工序，完井工期相對(duì)多，射孔作業(yè)后，射孔槍留在井內(nèi)；但對(duì)于氣井長(zhǎng)期生產(chǎn)管柱設(shè)置雙重密封，井筒安全更可靠。后期壓力衰竭，上提上部生產(chǎn)管柱進(jìn)行修井操作，簡(jiǎn)單易行。基于5種工況下的井筒溫度分布，計(jì)算多種可能工況下生產(chǎn)管柱的受力情況。分析結(jié)果表明在各種工況條件下的生產(chǎn)管柱強(qiáng)度校核均可以滿足設(shè)計(jì)要求。管柱內(nèi)加壓射孔工況下生產(chǎn)封隔器以上管柱受拉，以下生產(chǎn)管柱受壓，兩封隔器之間管柱受壓最為嚴(yán)重，井口受拉最為嚴(yán)重。加壓射孔時(shí)管柱強(qiáng)度安全系數(shù)大于臨界安全系數(shù)，此時(shí)軸向安全系數(shù)為1．661，接近臨界安全系數(shù)。因此在這一工況操作時(shí)，要嚴(yán)格注意封隔器有可能發(fā)生解封以及油管破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4環(huán)空密閉空間流體膨脹分析

D2井生產(chǎn)管柱上部采用油管攜帶式封隔器，下放至2651m；下部采用插入密封式封隔器，下放至2920m（兩者之間相差269m）。這樣出現(xiàn)了封隔器以上的油套環(huán)空和兩個(gè)封隔器之間兩個(gè)密閉區(qū)域。以下對(duì)環(huán)空密閉空間流體膨脹情況進(jìn)行了分析。由環(huán)空密閉空間溫度變化引起密閉壓力變化結(jié)果：區(qū)域1（0～2651m），環(huán)形空間由于溫度升高引起的圈閉壓力為69．8MPa，可以在生產(chǎn)過程中通過井口放壓控制壓力；區(qū)域2（2651～2920m），密閉環(huán)空流體膨脹壓力上升19．20MPa，通過強(qiáng)度校核，發(fā)現(xiàn)流體膨脹不會(huì)對(duì)油管及封隔器產(chǎn)生破壞。常規(guī)射孔生產(chǎn)聯(lián)作一趟下入式管柱和兩趟下入式生產(chǎn)管柱形式在不同工況條件下均能夠滿足海上氣田開采要求，但考慮海上作業(yè)條件和風(fēng)險(xiǎn)承受能力，并結(jié)合后期井筒安全保障和修井作業(yè)難度，推薦海上高溫高壓氣田采用射孔生產(chǎn)聯(lián)作兩趟下入式生產(chǎn)管柱。

3認(rèn)識(shí)與建議

1）油管和井下工具應(yīng)根據(jù)地層壓力、流體性質(zhì)及產(chǎn)能情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足井下溫度和壓力的要求，同時(shí)確保在高溫高壓的地質(zhì)條件下滿足生產(chǎn)的需要。在滿足安全和工程需要前提下，高溫高壓氣井盡量減少井下工具數(shù)量。

2）高溫高壓氣藏采用生產(chǎn)射孔聯(lián)作管柱，在采氣井口安裝到位后，管柱內(nèi)加壓射開地層，可以消除井筒作業(yè)過程中的井漏、噴、涌等風(fēng)險(xiǎn)，直接投產(chǎn)，減少了壓井作業(yè)和誘噴程序。

3）由于海上嚴(yán)苛的作業(yè)條件、風(fēng)險(xiǎn)承受能力和后期修井操作難度，推薦采用射孔生產(chǎn)聯(lián)作兩趟下入式生產(chǎn)管柱，最大程度地保證高溫高壓氣井的井筒完整性。生產(chǎn)管柱需要考慮井筒溫度變化，分析多種工況下的受力情況，并進(jìn)行強(qiáng)度校核，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作提前做出一定的警示作用。

作者：文敏 何保生 王平雙 孫騰飛 曹硯峰 范志利 單位：中海油研究總院