分析深井完井测试管柱结构设计要点

苏剑波(中海石油(中国)有限公司湛江分公司工程技术作业中心，广东 湛江 524057)

0 引言

在当前全球技术竞争日益激烈的大背景下，工业发展日渐壮大，对于石油的需求量稳增不减，深井开采已经成为必然趋势。尽管当前我国的深井油田开采技术已经领先于很多国家，但是不断提高生产的安全性，以更完备的技术获得更高的效益是必然追求。

1 深井完井测试系统的概述

根据对深井测试系统进行多层次分析，可以得知，深井完井测试系统主要可以划分为联顶管串、钻台电业控制系统和测试管柱三大部分。其中联顶管串在实际进行深井完井操作实践的关键组成环节，能为测试提供必要保障；钻台电液控制系统在实际操作中起到调控目标，是顺利高效完成开采工作的重要支撑；测试管柱是深井完井操作实践重点需要关注测试的结构部件之一，关乎井内作业的成败[1]。

2 深井完井测试风险分析

深井完井测试对于制定油气田的发现和开发起决定性作用，同时在实际作业中，深井完井测试也是深水油气田勘探开发的重要组成部分。不同于浅水深水测试与常规水深测试，深井完井测试的挑战性和难度相对更大。深井完井一般是海上作业，因为深度较大并具海上钻井空间较狭小，设备和人员可利用空间较小，再加上海上自然环境较恶劣，一旦操作出现问题，就会引起爆炸、火灾、中毒和环境污染等重大事故，所以危险性也比较大。具体存在的技术隐患主要以下几种：

浅层气和水合物不稳定，气体膨胀上窜。受温度的影响较大，如果在测试过程中井内温度发生变化，破坏了原有的温度场，极容易在测试过程中造成气体膨胀然后上窜。一旦发生气体上窜一是破坏井口装置的稳定性，使井口装置松动失稳；二是气体流动形成的气泡破坏了海水的密度，海水密度降低，浮力发生变化导致平台和钻井船不稳定，严重时甚至会出现沉船事故；三是气体上窜受挤压，气压变化容易发生爆炸或者火灾事故。

天气变化引发事故。海上作业受气候影响较大，尤其是台风影响，如果气候变化较大容易引发事故，所以要及时检测天气，发生变化时要及时终止测试并快速退出上部管柱。

水合物堵塞测试管柱问题。在实际操作过程中受地形、水流、风力等影响，地表上形成的水合物可能会顺势进入测试管柱的的上端，这种情况一旦发生极容易带来危险。因为流入管柱上部的水合物在低温和高压的双重作用下，会比常温常压下凝固的更快，水合物的不断堆积会造成测试管柱堵塞。因此，在设计之初，都会留有专门的化学试剂注入口，及时将堆积的堵塞物清理，排除安全隐患。测试管柱长度浮动问题。在进行深井完井测试时，受海浪和温度等可变因素的影响，测试管柱的长度会有小范围伸缩变化，这种变化虽然是无法避免的，但是设计之初，要尽量考虑到变化给测试带来的误差和危险，一般设计者会采用伸缩短接对管柱的办法来弥补测试管柱长度浮动的问题。

海底井口以下部分的测试管柱测试工具选择问题。在深水测试时，槽式悬挂器是测试中必不可少的工具，槽式悬挂起起着连接测试管柱和和井口的作用，由于是上下悬挂式连接，所以上提和下放式工具都会破坏结构的稳定性，所以一般采用压控式测试工具。深井完井测试周期长，要求高，再加上风险大，对风险控制有极高的要求，所以成本高。

因此，深井完井测试为了实现整个测试过程的安全可控，为保证测试工作人员的生命安全，都会在海洋深水测试过程中采用一些必要的安全措施。通常包括用金属丝扣密封测试管柱之间的缝隙；采用能够同时满足下得去、坐得严、起得出、工作稳定等特征，承压能力高，安全可靠的封隔器；通过环空加压的方式操作井下测试阀；安装阀件时准备润滑装置；准备化学添加剂[2]。除此之外，还需要在平台测试系统、井下测试管串和联顶管柱上安装一系列、功能各异的电、液控装置，这些装置能够在发生意外和突发状况时，启动应急预案，来确保测试工作人员的安全，把测试设备的损伤降到最低。

3 深井完井测试管柱结构特点

井口及防喷器的设置。与浅井不同，深井通常将井口及防喷器设置在海床上，然后通过悬挂在水下井口上的槽形悬挂器实现与地面测试树之间的连接，槽型悬挂器与地面测试树之间则通过处于充满流体的隔水管中的坐落管柱连接。对动力定位系统的精确度要求高。由于深水油气井测试是在浮式钻井装置上进行操作的，动力定位系统直接影响到测试结果。动力定位系统一旦失效、内波流或恶劣天气等因素引起突发性的平台偏离井位，就会导致测试事故，唯一的办法就是立即关井，并快速实现泥线以上坐落管柱与井下测试管柱的分离，降低危险系数。

地面对水下测试树进行控制的中介要可靠。实际作业中，一般会选择通过脐带缆实现地面对水下测试树的控制。具体操作是利用卡子将粗大的脐带缆绑定在坐落管柱外部，但这样一来，封隔器坐封很难通过旋转管柱来实现，所以深井测试管柱用的是非旋转坐封管柱来实现封隔器坐封。在平台钻机大钩上悬挂坐落管柱，平台钻机大钩与坐落管柱上端相连接，用升沉补偿器来弥补平台运动管柱发生的相对位移。

深井完井测试要进行跨隔测试要标准。测试时，封隔器的数量也是关键因素。在控制好数量以外，为保证实际测量数据的准确性，还需要密切关注测试过程和封隔器，在测试管柱的底部进行压力测试设置，实现压力测试的标准化形式要求。

4 深井完井测试管柱结构设计要点

4.1 深井完井测试管柱结构设计应遵循的原则

遵循安全性原则。经上述分析可知，深井完井因为测试周期长、测试环境的不确定性给测试带来了较大的风险。因此，安全问题是首要考虑的问题。不论是工具选择还是实际操作都需要由专业技术本领较高的人员完成，另外设计的测试系统要具备处理突发状况的本领。遵循简单实用原则。满足测试目的和要求是硬性指标，保障安全是必然要求，因此在这两个前提下，测试管柱的结构应尽可能的简单，减少连接部件，降低连接处发生故障造成重大事故的可能性。遵循快速原则。从设计到测试，应尽可能快速完成，以避免周期过长，环境发生变化，产生以外。尤其是海上作业时，风力、海浪、气温等变化不易控制，随时发生变化，引起遵循快速高效的原则是十分必要的。

4.2 深井完井测试管柱设计应考虑的问题

为给在井中参加实际作业的工作人员提供更安全可靠的环境，排除重大事故发生的可能，深井完井测试管柱的设计必须要全面考虑以下几个方面。首先要考虑井底温度和压力的大小，提前测试数据，并按照实际情况调整作业人员，避免给工作人员带来伤害。其次是考虑测试仪器耐高温高压的能力，提前调试合适的工具。再次是测试中所有阀门的可操作性，一切要遵循简单的原则，能够快速进行调整。另外还要考虑地层流体的成分和性能，调配相应的化学试剂，以防底层流体堵塞管柱口，引起爆炸，此外还需要对测试管柱做堵塞测试，将危险系数降到最低。

4.3 深井完井测试管柱结构的设计方法

测试管柱设计要统筹考量实际进行设计。换句话说，测试管柱的设计标准是根据深井完井的情况制定的相适应的个性化方案。深井完井所处的地理位置、地质构造、地层成分构成等都是影响测试管柱设计的重要因素[3]。举例来说，对于水平井、斜井形式的深井完井类型，环空加压是常用的设计方案。而对于深井直井形式，统筹设计方案时通常考虑以机械设备为辅助进行。另外深井完井的出砂量也是不确定因素，如果井内有出砂现象，要考虑出砂情况多少，如果砂量较多，要在设计管柱时在结构中砾石，来防止砂石进入到测试管道内部[3]。

4.4 测试工艺的选择及测试管柱结构优化

APR测试。在进行测试时，要根据事前勘测的地质条件，因时因地选择进行测试工艺。一般分为以下两种情况。一种情况是地高产油井。一般这种油井预测储层状态良好，为实现效益的最大化，需要优选测试工艺，一般会采用整体测试，其特点是一次性，难度低，投产周期短。另一种情况产能难以确定，效益无法预测的，这时就需要采用APR测试技术进行测试，然后根据测试结果，综合考虑后，选择相应的工艺，尽可能在规避风险的同时，实现效益最大化。

管柱的受力测试。测试管柱的受力情况是由工况条件决定的。由于不同施工的地质条件、气候条件和自然环境等存在一定差异，所以工况不同，测试工艺就不能够一概而论。在决定管柱结构前要通过管柱力学结构进行计算，来选择最佳的组合形式。

酸度测试。环境的酸度对于测试管柱的影响很大，因此设计测试管柱时还需要对作业环境的酸度进行测试。酸化测试过程是通过工艺联作形式进行的，在作业时应注意温度的变化。结合“热胀冷缩”的原理，测试管柱整体的状态会随着温度的变化而改变。温度的降低时，测试管柱整体膨胀效应幅度缩减，温度升高时，管柱则会出现大幅度的伸长。这种变化会影响到测试管柱整体的密封性。为此，为防止井下工具的形变导致的密封度下降，在进行管柱设计是要设置允许出现的伸缩变化的安全范围[3]。测试管柱的材质选择。地层流体腐蚀、工作液对管柱的影响、材料的高低温性能和耐压等因素是影响管柱材质和钢级选择的主要因素。因此管柱材质选择应符合API或相当材质规范要求。举例来说，如果作业环境中有硫化氢等会产生剧烈腐蚀的化合物，则应该选择镍、铬、钼含量较高的高镍合金钢[4]。

管柱尺寸选择。与材质相同，管柱尺寸的选择也是灵活多变的。管柱尺寸选择的原则是安全性、可适性、易操作性、经济性，除此之外，管柱尺寸的选择，还需要考虑预期产能、连续排液、增产措施及管柱强度等因素。以深水气井为例，因为深水气井一般会产出一些液体，气井开始积液时，井筒内气体的最低流速也就是气井携液临界流速，及气井携液临界流量是选择管柱尺寸必须要参考的数值[5]，这种情况下选择的测试管柱尺寸不仅要能够保证井底气流速度，还要具备将井底液体和固体杂质带出井筒的能力。

5 结语

随着技术的日渐完善和成熟，使得深井油田的开发技术不断更新优化，并且已经取得了较好的效果。工业的发展，尤其是当前越来越复杂的国际局势下，我国发展全产业链已经成为必然选择，那么对于能源的需求也随之进一步加大，更深、更高难度的开采，对于深井完井的安全性要求更高，为实现更安全、高效率、高效益的开采，深井完井测试管柱的设计还需要根据实际情况进一步拓展和优化，文章从深井完井的特点着手，分析了深井完井存在的风险进而对测试管柱的设计的原则、设计方法、应注意的问题以及应该采取的优化手段进行了简单阐述，以期促进管柱设计进一步优化。