元坝气田完井管柱泄漏井口带压诊断分析

罗 伟， 林永茂， 孙 涛， 张京辉， 陈昌杰

(1南充职业技术学院 2中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院 3中国石油华北油田分公司工程技术研究院)

对于元坝高含硫气井，恶劣的井下腐蚀环境以及复杂的井况工况，使得完井管柱泄漏常见于生产过程中，完井管柱泄漏将直接导致油套环空异常起压，这就对元坝气井的井筒完整性和安全生产提出了严峻的挑战[1-2]。现有环空压力治理措施如加注压差堵漏剂或超级树脂等环空堵漏技术存在成本高、作业难、风险大和容易产生次生事故等问题，而频繁的泄压和加注保护液也会增加现场管理难度和作业风险[3-5]。因此，准确预测完井管柱泄漏引起环空异常起压变化规律并制定合理的控制措施对实现元坝高含硫气井的安全生产具有重要意义。因此，本文首先对元坝气井生产过程中完井管柱泄漏的风险点进行了分析，然后结合完井管柱泄漏的物理过程，建立了油套环空异常起压预测模型，通过实例计算和参数敏感性分析获得了油套环空异常起压规律，并提出了相应的控制措施；通过不同泄漏类型的模拟计算，总结了完井管柱泄漏引起油套环空异常起压的四种典型模式，并将其进行了现场应用，实现了元坝1-1H井泄漏类型和井筒安全风险的快速判断[6-7]。

一、元坝气井油套环空异常起压规律分析

1. 完井管柱泄漏引起油套环空异常起压预测模型

1.1 物理模型

完井管柱泄漏引起油套环空带压物理模型见图1。

图1 完井管柱泄漏引起油套环空带压物理模型

图1路径为：首先通过完井管柱上的泄漏点进入油套环空，然后再经环空保护液上窜至上部气腔，最后形成井口环空带压，在建立预测模型时涉及嘴流压降模型、静止液柱两相流动模型和井口气腔压力增量模型三者的耦合。

1.2 嘴流压降模型

对于气体通过流通截面突缩部件时，即完井管柱上的泄漏点时，其流动可概括为嘴流。

对于亚临界流，气体流量与压力比的关系为：

(1)

对于临界流，气体流量不会随泄漏点下游压力降低而增加，即气体流量达到最大值：

(2)

式中：p2—泄漏点下游压力，MPa；p1—泄漏点上游压力，与泄漏点深度相关，由井筒流压分布计算可得，MPa；k—气体的绝热指数；qsc—通过泄漏点的气体流量(标准状态下)，104m3/d；d—泄漏点的等效直径，mm；T1—泄漏点上游温度，K；Z1—泄漏点上游气体的偏差系数；γg—气体的相对密度。

1.3 静止液柱两相流动模型

对于气体通过泄漏点进入环空后，在环空保护液中的流动可以概括为气液两相流动，其连续相和分散相的连续性方程分别为：

(3)

(4)

气液两相混合物的动量守恒方程为：

(5)

式中：Hg—截面含气率；ρl、ρg、ρm—分别为液相、气相和气液混合物的密度，kg/m3；vl、vg、vm—分别为液相、气相和气液混合物的截面平均速度，m/s；fm—气液混合物的摩阻系数；da—环空对应的水力直径，m。

1.4 井口气腔压力增量模型

(6)

2. 实例计算

以元坝1-1H井为例，相关基础数据如表1所示，假设该井泄漏点深度为3 380 m，泄漏点等效直径为0.2 mm，初始环空压力为0.1 MPa。

表1 元坝1-1H井的相关基础数据

图2为该井在假设的泄漏点位置及尺寸下获得的油套环空异常起压上升规律，从图2看出，随着泄漏的开始，环空压力逐渐上升，但上升的速度越来越慢，最后稳定到一环空压力值，而泄漏速度最开始最大，随着环空压力的上升泄漏速度越来越小，当泄漏点内外压力平衡时，停止泄漏，此时环空压力也达到了稳定。

图2 油套环空异常起压上升规律

3. 参数敏感性分析

3.1 泄漏点深度

从图3中看出，随着泄漏点深度的降低，环空压力上升速度越快，且对应的环空压力稳定值越大，可以得到结论：泄漏点深度越浅，对应的井筒安全风险越大。因此，保证井口密封完整性，提高耐蚀合金材质井下安全阀和气密封扣油管(特别是上部油管)的入井施工质量都是降低井筒安全风险的有效方法。

3.2 泄漏点等效直径

从图4中可以看出：随着泄漏点等效直径的增大，环空压力上升速度越快，环空压力达到稳定的时间越短。因此，如有条件采取环空化学堵漏的方式降低泄漏点等效直径也是控制井筒安全风险的有效方法。

图3 泄漏点深度对环空压力上升的影响

图4 泄漏点等效直径对环空压力上升的影响

3.3 环空气腔高度

从图5中可以看出，随着环空气腔高度的增加，环空压力上升速度越慢，环空压力达到稳定的时间越长，但环空压力稳定值稍稍增大。因此，在实际生产过程中，环空可不充满保护液，预留一部分环形空间，有利于降低环空压力的上升速度。

图5 环空气腔高度对环空压力上升的影响

二、元坝气井油套环空异常起压典型模式

通过不用泄漏类型的模拟计算，总结了元坝气井完井管柱泄漏引起油套环空异常起压的四种典型模式(图6)，其可用于元坝气井现场压恢实测曲线的定性分析，通过将典型模式与现场压恢实测曲线比对，可以实现元坝气井泄漏类型和井筒安全风险的快速判断[12]。

图6 完井管柱泄漏引起油套环空异常起压典型模式

1.高压快升模式

该模式环空压力建立特征为：环空压力上升速度较快，且对应的环空压力稳定值大，该模式对应的具体工程情形为：油压高，泄漏点深度浅，且泄漏点等效直径大；该模式对应的井筒安全风险最大。

2.高压持升模式

该模式环空压力建立特征为：环空压力上升速度相对较慢，在测试期间没有达到高稳定压力，该模式对应的具体工程情形为：油压高，泄漏点深度浅，但泄漏点等效直径小；该模式对应的井筒安全风险次之。

3.低压快升模式

该模式环空压力建立特征为：环空压力上升速度较快，但对应的环空压力稳定值小，该模式对应的具体工程情形为：油压低，泄漏点深度大，但泄漏点等效直径大；该模式对应的井筒安全风险相对较小。

4.低压持升模式

该模式环空压力建立特征为：环空压力上升速度较慢，在测试期间没有达到低稳定压力，该模式对应的具体工程情形为：油压低，泄漏点深度大，且泄漏点等效直径小；该模式对应的井筒安全风险最小。

三、现场应用

元坝1-1H井生产以来，套压出现了持续上涨，并且环空气样检测出含H2S，与产出气成分基本一致，现场初步判断油套窜通，完井管柱上产生了泄漏。

从该井生产曲线可以看出(图7)，至2016年以来，油套压基本达到了稳定，并且具有很强的相关性，进一步说明油套之间窜通，而且此阶段油套之间也建立了新的动态平衡。

图7 元坝1-1H井投产以来的生产曲线

现场进行了泄压/压恢测试，图8为该井的泄压/压恢实测曲线，通过比对前面建立的典型模式，该井在测试期间一直处于持续升压阶段，而且对应的稳定压力较低(<10 MPa)，因此可以判断此阶段元坝1-1H井属于低压持升模式，对应的具体工程情形为：油压低、泄漏点深度大、泄漏点等效直径小，且对应的井筒安全风险较小。

图8 元坝1-1H井现场泄压/压恢实测曲线

四、结论

(1)结合嘴流压降模型、静止液柱两相流动模型和井口气腔压力增量模型建立了完井管柱泄漏引起环空异常起压耦合预测模型，通过实例计算和参数敏感性分析获得了油套环空异常起压规律，并提出了相应的异常起压控制措施。

(2)泄漏点深度越浅，井筒安全风险越大，保证井口及上部完井管柱的完整性至关重要；降低泄漏点等效直径，有利于控制井筒安全风险；存在一定环空气腔高度，即环空不充满保护液，预留一部分环形空间，有利于降低环空压力的上升速度。

(3)总结了元坝气井完井管柱泄漏引起油套环空异常起压的四种典型模式，包括：高压快升模式、高压持升模式、低压快升模式和低压持升模式，其可用于元坝气井现场压恢实测曲线的定性分析，实现泄漏类型和井筒安全风险的快速判断。