高压气井储层改造期间施工压力控制技术研究

罗敬兵 张 奎 刘君林 穆凌雨 王夫军 雷现梅

（1.中国石油青海油田公司钻采工艺研究院 甘肃 酒泉 736202；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司北京 昌平 102206；3.四川华油集团有限责任公司，四川 成都 610051）

0 引言

高压气井通常具有超深、低渗透、产层段长等特点，因此高压气井普遍采用高泵压、大排量、大液量进行储层改造，大规模改造期间油管柱、井下工具、生产套管等受载恶劣，是造成高压气井完整性问题的主要原因［1-6］。高压气井的完整性问题大部分同储层大规模改造有关，通过开展高压气井储层改造期间施工压力的精细控制，保证作业期间各井屏障部件均在安全范围内，能够有效提高高压气井储层改造后井的完整性［7-11］。为了保证高压气井在整个储层改造期间气井的完整性，以施工过程中井筒瞬态压力温度场预测为基础，结合井筒多环空系统力学分析，开展改造期间井筒屏障部件安全性分析，确定改造施工期间泵压和环空压力控制范围，形成了一套高压气井储层改造期间施工压力精细控制技术，对提高现场高压气井改造施工中保障井的完整性具有现实意义。

1 改造井温压场瞬态预测

1.1 井筒压力场预测模型

根据井筒流体受力平衡条件，可得出流体在油管内流动的摩阻压降Δp为：

式中，f 为壁面摩阻系数，无因次；l 为管柱长度，m；ρ 为流体密度，kg／m3；v 为流速，m／s；d 为油管内径，m。

根据井筒压降计算公式，结合井口或井底压力，便可得出整个井筒的压力分布。式（1）中有摩阻系数f 这个重要参数，准确计算f 是进行井筒压力预测的前提。

对于改造液体通常被视为幂律流体，采用稳定参数ZR来判别流态，稳定参数ZR由下式表示：

式中，Rel为幂律流体雷诺数，无因次；Ka为酸液在井筒中流动时的稠度系数，kg·sn／m2；n 为酸液的流变指数，无因次。

1.2 井筒温度场预测模型

根据典型井身结构特点，将二维井筒系统按轴向和径向进行节点单元划分，径向上按照改造液、油管、环空保护液、套管、水泥环和地层划分节点，综合考虑轴向传热、径向传热、对流换热和摩擦生热等影响建立各控制体的能量平衡方程［12-16］。

油管内液体单元的能量平衡方程为：

式中，下标i＝l，t，ti分别表示油管内流体、油管柱和油管内壁面；k为热传导系数，W／（m·K）；T为温度，K；z 为井深，m；h 为界面间的对流换热系数，W／（m2·K）；r为单元半径，m；Q为摩擦生热量，J／s；A 为单元体的横截面积，m2；c 为比热，J／（kg·K）；t为时间，s；v为流体流速，m／s。

油管壁单元的能量平衡方程为：

式中，下标i＝to、cl、ci分别表示油管外壁、油套环空和套管内壁。

其他单元的能量平衡方程均为：

式中，w为环空内流体、套管、水泥环、地层单元。

采用差分网格对式（5）～（7）进行离散，结合边界条件、初始条件，可采用有限差分法计算出不同时刻整个井筒二维剖面内不同位置的温度。为改造期间施工压力精细控制参数计算提供了基础数据。

2 改造期间施工压力精细控制

储层改造期间的井口油压既要满足储层改造的需求，又应确保油套管安全，综合考虑井口管柱和封隔器上部套管强度来确定施工泵压上限值。同时以确保改造过程中油管柱、封隔器和套管柱安全为基本原则，开展井筒管柱系统力学分析，得出储层改造过程中不同施工泵压下A 环空压力控制范围［17-20］。

对于不同施工泵压下A 环空压力控制范围的计算，考虑了两种井筒环空结构及其相关结构因素：①油管头；②井下安全阀；③封隔器；④油管柱；⑤生产套管；⑥尾管悬挂器；⑦地层；⑧尾管（图1）。

图1 高压气井井筒环空结构图

针对高压气井整个改造过程中的不同施工泵压，在两种环空结构情况下，确保A 环空压力值在安全范围内，绘制出如图2所示的压力控制图版，将施工压力控制在图2黄色区域内，从而保证作业期间各井屏障部件均安全，能够有效提高高压气井改造后井的完整性。储层改造结束后，及时对A 环空进行泄压（一般保留3～5 MPa，便于观察压力变化，同时校验压力表是否处于正常工作状态）。

图2 某高压气井改造过程中不同施工泵压下A环空压力控制范围图

3 实例计算

某高压气井完钻井深为7 310 m，地层孔隙压力为116.01 MPa，地层温度为204 ℃。油管头压力等级为105 MPa，环空保护液密度为1.23 g／cm3，改造泵压为120 MPa，排量为4 m3／min，封隔器下深为7 200 m，封隔器压力等级为70 MPa。油管柱和油层套管参数如表1所示。

表1 油管柱和油层套管参数表

根据该井的基本参数，针对不同改造施工泵压条件开展所有井屏障部件的校核计算，得到确保所有井屏障部件安全所需的环空最大补压值和最小补压值，绘制储层改造过程中不同施工泵压下A 环空压力控制范围图版，如图2所示。

4 结论

1）根据井筒流体受力平衡条件，结合井筒压降计算，建立了井筒压力场预测模型；将井筒系统按轴向和径向进行节点单元划分，综合考虑井筒系统上的轴向传热、径向传热、对流换热和摩擦生热等影响利用能量平衡方程建立了井筒温度场预测模型。

2）充分考虑井筒所有屏障部件的安全性，开展改造期间井筒屏障部件强度校核，得出了高压气井储层改造过程中不同施工泵压下A 环空压力控制范围计算方法，形成了一套高压气井改造期间施工压力精细控制技术。