深水钻井测试与生产过程井口抬升计算

王宴滨，高德利，房　军

深水钻井测试与生产过程井口抬升计算

王宴滨，高德利，房军

（中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京102249）①

建立了深水井测试及生产过程中井口处产生的热膨胀力与井口抬升量力学模型，结合具体井身结构计算了井口热膨胀力与抬升量，并分析了各层套管水泥浆返高与温度变化对井口热膨胀力与抬升量的影响。结果表明：井口处产生的热膨胀力远大于剪切销钉的承载力，很容易造成剪切销钉剪断，从而导致井口抬升；表层套管水泥浆返高对井口抬升量的影响最大，生产套管影响最小，各层套管的水泥浆返高对井口总膨胀力均无影响；随着各层套管温度的升高，井口总热膨胀力及井口抬升量均线性增大。可为水下井口设计和测试及生产过程中的参数设计提供理论依据。

深水钻井；测试与生产；井口抬升；井身结构；水泥浆返高

随着深水钻井技术的不断发展，井筒完整性越来越受到人们的重视。据挪威石油安全管理局（PSA）对海上106口具有不同开发年限和生产类别的井进行井筒完整性调查发现，18%的井筒存在完整性方而的问题，且其中7%因为井筒的完整性而被迫关井，对环境和经济造成了重大损失［1-2］。关于深水井井筒完整性方面的研究，目前主要集中在测试及生产过程中套管环空圈闭压力增加导致的套管挤毁和破坏问题［3］，较少文献报道由于井口抬升引起的井筒完整性问题。在深水井测试及生产过程中，深水井中产出的高温流体会引起套管环空附加压力，如果过大的温度变化产生的轴向作用力大于井口处剪切销钉的承载力，将会造成井口上移，严重威胁井筒完整性。因此，在井身结构设计时必须考虑［5-8］。

1　计算模型

深水井井身结构及测试过程中的井筒传热过程如图1所示。其中，高温测试热流体从井眼底部流向井口，在流动过程中向周围的套管、水泥环及环空传递热量，引起周围介质温度变化，产生热应力。由于表层套管与技术套管之间以及技术套管与尾管之间的水泥环没有返到井口，因此，未封固段套管的轴向变形受到限制；但由于温度变化会产生热膨胀力，如果此膨胀力大于井口剪切销钉的承载力，将会造成井口抬升，破坏井筒完整性。对于深水中固井后的某层套管柱而言，下端面被水泥浆固结，上端面连接井口，因此两端可以视为固定约束［9-11］，力学分析模型如图2所示。

图1　深水井测试过程井筒热传递示意

根据如图2所示的力学模型，可用下述方法计算由于套管温度变化引起的井口处热膨胀力与抬升量。

各层管的刚度为

式中：Ai为第i层套管的横截面积，m2；Ei为第i层套管钢材弹性模量，Pa；Li为第i层套管井口到水泥浆返高的高度，m。

图2　单层套管力学分析模型

所有套管的总刚度为

各层套管由于温度变化产生的膨胀力为

式中：γi为钢材的热膨胀系数，m／（mg·℃）；ΔTi为套管柱的平均温度变化量，℃。

所有管柱产生的热膨胀力总和为

由于温度变化所产生的井口抬升量为

2　算例分析

假设某口井的井身结构［12］如图3所示，各层套管的下深、水泥浆返高及套管温度变化如表1所示，依据式（1）～（5）各参数计算结果如表2所示。

图3　某井井身结构

表1　某井井身结构数据

表2　某井各参数计算结果

根据式（1）～（5）计算得到的管柱在井口处由于温度变化产生的热膨胀力总和为1.4 MN。假设井口处存在6个M16、材料为45＃的钢剪切销钉，其可承受的剪切力为

上述情况下产生的热膨胀力远大于井口处剪切销钉的承载力，因此，在温度变化作用下销钉将会被剪断，导致井口向上移动0.041 1 m。

3　影响因素分析

3.1水泥浆返高的影响

为了研究水泥浆返高对井口抬升量的影响，分别计算表层套管、技术套管及生产套管在不同水泥浆返高情况下的井口抬升量，如图4所示。

图4　水泥浆返高对井口抬升量的影响

由图4可以看出：随着表层套管水泥浆返高的增大，井口抬升量逐渐增大；在一定范围内，井口抬升量随技术套管与生产套管水泥浆返高逐渐增大；当水泥浆返高达到一定高度后，对井口抬升量没有影响。从影响程度上看，表层套管水泥浆返高对井口抬升量的影响最大，生产套管影响最小。因此，建议在深水固井作业时，表层套管与导管之间的环形空间全部填充水泥；由式（3）～（4）可以看出，各层套管的水泥浆返高对井口总膨胀力均无影响。

3.2温度的影响

由于套管属于薄壁管，并且热传导系数较高，因此可以认为套管的温度沿径向不发生变化，假设各层套管温度变化为0～100℃，得到的井口总热膨胀力及抬升量分别如图5～6所示。

图5　温度对井口总热膨胀力的影响

图6　温度对井口抬升量的影响

由图5～6可以看出：随着各层套管温度的升高，井口总热膨胀力及井口抬升量均线性增大；在一定的温度范围内，各层套管对井口抬升量及热膨胀力的影响程度由大到小依次为油管、生产套管、技术套管、表层套管；当温度超过一定值后影响程度变为表层套管、技术套管、生产套管、油管。井口的过量抬升会造成水下生产系统及井口的损坏，威胁生产过程的安全。因此在水下井口设计时，对测试及生产过程中引起的井口抬升问题必须给予足够的重视。

4　结论

1）建立了深水井测试及生产过程中井口悬挂多层套管的力学模型，并分析了水泥浆返高与套管温度变化量对井口热膨胀力与抬升量的影响。

2）在深水井测试及生产过程中，井口处产生的热膨胀力远大于剪切销钉的承载力，很容易造成剪切销钉的剪断，从而导致井口的抬升。

3）表层套管水泥浆返高对井口抬升量的影响最大，生产套管影响最小，各层套管的水泥浆返高对井口总膨胀力均无影响；随着各层套管温度的升高，井口总热膨胀力及井口抬升量均线性增大。

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［4］Albert RMcSpadden，Simon Glover.Analysis of Complex Wellhead Load Events for Conductor and Surface Casing String［G］.SPE／IADC 119357，2009.

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［7］赵益忠.长封固段固井套管热应力分析［J］.钻采工艺，2007，30（4）：109-111.

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Analysis of Wellhead Growth of Deepwater Well During Production and Well Testing

WANG Yanbin，GAO Deli，FANG Jun
（MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

In order to calculate the thermal expansion force and wellhead growth of deepwater drilling during well testing and production，the mechanical model and analysis method of multilayer casing suspension on wellhead have been established.The thermal expansion force and wellhead growth have been figured out through a specific well structure and the influence of top of cement （TOC）and temperature variation on wellhead growth have also been analyzed.Results show that，during well testing and production，the thermal expansion force on wellhead is far bigger than the bearing capacity of the sheared locking pin and the sheared locking pin is easily to be cut that would result in wellhead growth.The TOC of surface casing has greatest impact on wellhead growth and the production casing has the smallest impact.The TOC of all casing has no influence on the thermal expansion force.With the increase of temperature of all casing，the thermal expansion force and wellhead growth increase linearly.The research has some theoretical foundation for the design of subsea wellhead and parameter design of deepwater drilling during well testing and production.

deepwater drilling；well testing and production；wellhead growth；well structure；TOC

TE951

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.015

1001-3482（2015）10-0061-04

①2015-04-12

国家自然科学基金创新研究群体项目（51221003）；国家科技重大专项子课题（2011ZX05009-005）

王宴滨（1988-），男，山东潍坊人，博士研究生，主要从事油气井力学与控制工程研究，E-mail：wyb576219861＠126.com。

①2015-04-10

苏金洋（1968-），男，甘肃庆阳人，高级工程师，主要从事油井管产品的研发和制造工作，E-mail：sujinyang＠cnpc.com.cn。