气井管柱完整性技术研究进展与展望

李昱杉

摘要：气井完整性管理是一种用于生产控制的新技术和新概念。这不仅是对油气井整个生命周期的管理，而且是对有效减少井中地下流体量的应用技术、运营和组织措施的综合管理。气井建设和运营中的安全隐患在合理可接受的范围内，从经济上，合理地降低了气井建设的可能性，确保气井的安全运行。本文对气井管柱完整性技术研究进展进行分析，以供参考.

关键词：气井管柱;完整性技术;研究进展

引言

近年来，中国在深层-超深层天然气勘探领域取得了一系列重大突破，在东部盆地突破5000m，西部盆地突破8000m。据统计，中国石油天然气股份有限公司深层-超深层新增探明天然气地质储量占比由“十一五”的平均38.8%增长至“十二五”的平均59.6%，深层-超深层已经成为中国陆天然气储量、产量增长的重要领域。随着井深增加，井底温度增高，龙岗70井井底温度为161℃，五探1井井底预计温度为180℃，塔探1井最高井底温度超过200℃。

1油管柱结构冲蚀完整性

油气井管材及管柱结构完整性管理指通过测试和监控等方式获取与管柱结构相关的信息，并进行集成和整合，对有可能会造成井筒完整性失效的危害因素进行风险评估，有针对性地实施管柱结构完整性评价。为了避免或减少油气井完整性破坏事故的发生，保障油气井安全高效生产，应该制定有效的管理制度及技术措施。现有的标准只适用于常规井的生产和开发，但近20年来，油气井井深平均增加了1倍以上，井内温度、压力相应提高，大规模交替注采、压力循环波动易造成地质构造失稳出砂使管柱完整性失效和井屏障退化，甚至导致泄漏、燃烧或爆炸等事故发生，对人员生命和财产安全造成重大威胁。而失效事故频发的根本原因是对管柱系统的完整性和可靠性缺乏系统、全面的考虑和管理。在严酷的井下环境中，高温高产气井管内固、液混合多相流冲蚀损伤管柱，使其承载能力降低，而在实际工况中冲蚀导致管柱失效的形式是多种多样的，建立完整、全面的冲蚀管控和相应措施至关重要。

2不同开井产量和开井时间对水合物生成区域的影响

井筒中的温度接近外界环境温度（泥线处井筒内的温度最低为3℃），井筒内温度低、压力高，满足水合物生成所需条件。对于不同开井产量，井筒中温度都随着开井时间的增长逐渐上升，但上升幅度逐渐变小，最终管柱温度和地层环境温度达到传热稳定状态后不再变化，井筒中的水合物生成区域达到最小。这种现象出现是因为在初开井时井筒内部的温度低，地层热流体进入井筒之后，初始温度升高较快，随着井筒内温度与外界环境温度的传热趋于稳定，传热速率减小，因此温度升高幅度随时间减小。结合水合物相平衡曲线，可以得到初开井过程中的水合物生成区域变化情况，可以看出开井时间越长，管柱中水合物生成区域越小，且管柱内温度与水合物相平衡温度之间的横向距离（过冷度）越小，水合物生成风险越小，以初开井时的水合物生成区域最大。例如当产量为120×104m3/d时，开井时的水合物生成区域为井口平台至泥线以下457m（0～1934m），开井2h后，井筒中的温度高于水合物生成温度，不满足水合物生成条件，水合物生成风险消失。为深水气井NH-AX开井1h不同产量的水合物生成区域。可以看出產量越大，流体在管柱及泥线处的温度越高，水合物生成的风险也越小。例如当开井产量为40×104m3/d时，从测试平台到井深1720m处均有水合物生成风险;而当开井产量为120×104m3/d时，水合物生成仅存在于测试平台到820m的井深处，高产量下的水合物生成风险降低了。

3气井管柱完整性的主要研究进展

3.1钻杆适用性评价方法研究与应用

在“九五”期间，中国石油天然气集团公司石油管道技术研究院（以下简称“管理研究院”）将与有关部门合作。研究开发技术和软件，以评估钻杆的安全性和可靠性。本标准适用于气井钻杆的失效分析和安全评估。主要功能包括评估损坏的钻杆的安全性（FAD估算和缺陷尺寸曲线），预测钻杆的疲劳寿命以及评估钻杆的安全性和可靠性。性能和风险，钻杆的操作限制（包括APIRP7G含量），用于定量分析钻杆破裂事故的原因。主要创新包括：解决钻杆断裂缺陷和损伤评估图的关键技术的研究，包括计算粘度比（Kr）和载荷系数（Lr）的方法;使用有限元法的系统钻杆执行大量计算和应力分析，以在钻杆中产生裂纹，解决形状缺陷的应力强度系数。

3.2基于应变的热采井管柱设计与选材技术

根据弹塑性变形理论，以变形为主要控制参数，引入了统一的伸长率和蠕变速度等技术指标。建立了用于计算管柱效率指示器系统，螺纹连接合格率的评定方法。共同开发了新的壳牌80SH，并制定了四个石油行业标准。新疆油田采用传统固井技术，已完成8个现场试验和7轮注蒸汽后测井。阐明了热采井中套管的破坏机理，从热套管的构造出发，提出了防止热回收井的塑性变形所引起的套管在套管中的变形，收缩，破坏和运行的问题。热采井中套管剪切的主要原因是泥岩膨胀和蒸汽泄漏引起的高温密封失效。基于弹塑性理论，充分考虑塑性变形的特性，开发出了一种能够充分发挥材料潜力的基于变形的量规计算方法，并保证套管柱在其整个生命周期中的安全性。在继承现有应力计算方法的基础上，确定管柱的基础材质必须符合钻井和完井要求，并符合三轴强度设计要求。三轴强度测试结果表明，管柱载荷需在应力椭圆VME的80%以内，并且整个载荷线都在安全范围内。

结束语

1）冲蚀失效是冲蚀与载荷综合作用的结果，破坏管柱结构完整性，现有相关标准并不能完全保证在服役过程中的管柱结构完整。因此需要在管柱结构完整性标准的基础上，研究油管柱结构冲蚀完整性，并建立考虑冲蚀管柱结构优化设计方法。2）当日产量固定时，在油管下部适当选用内径大壁厚较薄组合油管，可降低临界冲蚀流量，提高油管抗冲蚀能力。相比改变组合油管上部壁厚，改变下部油管壁厚能明显提高抗冲蚀能力。

参考文献

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