氣井持續(xù)環(huán)空帶壓設(shè)計(jì)

1、.氣井持續(xù)環(huán)空帶壓摘 要隨著石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)工作不斷深入，大量油氣井在開(kāi)發(fā)過(guò)程中相繼出現(xiàn)持續(xù)環(huán)空壓力現(xiàn)象。自天然氣開(kāi)發(fā)以來(lái)，持續(xù)環(huán)空壓力或井口竄氣問(wèn)題就一直困擾固井技術(shù)人員與作業(yè)商。持續(xù)環(huán)空帶壓或井下層間竄流會(huì)嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量，降低采收率，對(duì)氣田開(kāi)發(fā)后續(xù)作業(yè)如酸化壓裂和分層開(kāi)采等造成不利影響。持續(xù)環(huán)空壓力或?qū)訂?wèn)竄流不突出時(shí)，會(huì)增加壓力監(jiān)測(cè)與井口放壓的成本；嚴(yán)重時(shí)需要關(guān)井，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致整口井甚至整個(gè)井組報(bào)廢。從環(huán)境保護(hù)和安全的角度考慮，作業(yè)商經(jīng)常要通過(guò)關(guān)井或修井來(lái)解決該問(wèn)題，所造成的關(guān)井停產(chǎn)損失或修井費(fèi)用相當(dāng)巨大。氣井的油管外環(huán)空或套管外持續(xù)環(huán)空帶壓壓力引起的問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此，研究氣體持續(xù)環(huán)

2、空壓力現(xiàn)狀，了解氣田持續(xù)環(huán)空壓力機(jī)理，安全評(píng)價(jià)及治理持續(xù)環(huán)空迫在眉睫。這是指導(dǎo)氣田安全生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。關(guān)鍵詞：持續(xù)環(huán)空 竄流 氣井 固井 指導(dǎo)生產(chǎn)目 錄第1章 緒 論11.1課題研究的目的及意義11.2課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其情況21.2.1墨西哥灣的OCS地區(qū)氣井持續(xù)環(huán)空壓力情況21.2.2加拿大天然氣井或油井持續(xù)環(huán)空壓力情況21.2.3國(guó)內(nèi)天然氣井持續(xù)環(huán)空壓力的情況21.2.4美國(guó)礦產(chǎn)部統(tǒng)計(jì)了美國(guó)外大陸架區(qū)域環(huán)空帶壓情況21.2.5國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線61.3.1主要內(nèi)容61.3.2技術(shù)路線6第二章 產(chǎn)生機(jī)理82.1環(huán)空的概念及分類82.2持續(xù)環(huán)空壓力92.3固井

3、方面102.3.1環(huán)空帶壓對(duì)氣井固井的特殊性102.3.2氣井固井后環(huán)空帶壓的規(guī)律112.3.3環(huán)空帶壓或井口竄氣的原因分析112.4持續(xù)套管壓力形成機(jī)理132.5卸壓后持續(xù)套管壓力上升機(jī)理162.6井口允許最大帶壓值模型152.6.1環(huán)空最大許可壓力值概念162.6.2確定原則162.6.3環(huán)空最大許可壓力162.6.4中間環(huán)空最大許可壓力162.6.5表層環(huán)空最大許可壓力17第3章 持續(xù)環(huán)空壓力安全評(píng)價(jià)及治理方案183.1安全評(píng)價(jià)183.1.1中石油方面183.1.2風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別183.1.3標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范183.1.4氣井本身特性193.1.5工藝措施203.1.6當(dāng)前狀態(tài)203.1.7風(fēng)險(xiǎn)

4、級(jí)別判別模式223.1.8評(píng)價(jià)流程233.2治理方案253.2.1預(yù)防環(huán)空帶壓的技術(shù)措施253.2.2解決環(huán)空帶壓的技術(shù)措施26第4章 實(shí)例計(jì)算，指導(dǎo)氣田安全生產(chǎn)28第5章 結(jié)論33參考文獻(xiàn)34.;第1章 緒 論1.1課題研究的目的及意義 氣井持續(xù)環(huán)空壓力是氣田鉆井的普遍問(wèn)題，環(huán)空異常壓力將嚴(yán)重威脅氣井安全生產(chǎn)。隨著國(guó)內(nèi)外天然氣用量的迅速增加，井下的地質(zhì)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，固井后的持續(xù)環(huán)空壓力問(wèn)題也越來(lái)越突出。 在中國(guó)塔里木盆地迪那2、四川盆地龍崗等氣田，持續(xù)環(huán)空問(wèn)題是困擾氣井安全開(kāi)發(fā)的重要難題。氣井環(huán)空帶壓是指井口環(huán)空壓力表非正常啟壓。如果經(jīng)井口放噴閥門放噴后，關(guān)閉套管環(huán)空后，壓力又重新上升到

5、一定程度，國(guó)際上通常稱為持續(xù)環(huán)空帶壓。環(huán)空帶壓不僅使CO2和HS2等腐蝕性氣體進(jìn)入油套環(huán)空而腐蝕套管內(nèi)壁，而且導(dǎo)致套管長(zhǎng)時(shí)間承受高壓，存在天然氣竄漏至地層、泄漏至井口的風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。自天然氣開(kāi)發(fā)以來(lái)，持續(xù)環(huán)空壓力或井口竄氣問(wèn)題就一直困擾固井技術(shù)人員與作業(yè)商。持續(xù)環(huán)空帶壓或井下層間竄流會(huì)嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量，降低采收率，對(duì)氣田開(kāi)發(fā)后續(xù)作業(yè)如酸化壓裂和分層開(kāi)采等造成不利影響。持續(xù)環(huán)空壓力或?qū)訂?wèn)竄流不突出時(shí)，會(huì)增加壓力監(jiān)測(cè)與井口放壓的成本；嚴(yán)重時(shí)需要關(guān)井，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致整口井甚至整個(gè)井組報(bào)廢。從環(huán)境保護(hù)和安全的角度考慮，作業(yè)商經(jīng)常要通過(guò)關(guān)井或修井來(lái)解決該問(wèn)題，所造成的關(guān)井停產(chǎn)損失或修井費(fèi)用相當(dāng)

6、巨大。因此必須進(jìn)行氣體持續(xù)環(huán)空機(jī)理及安全評(píng)價(jià)研究，以解決或減少環(huán)空對(duì)鉆井過(guò)程中造成的事故。了解氣井持續(xù)環(huán)空壓力機(jī)理，制定環(huán)空壓力治理方案，解除氣井生產(chǎn)安全。1.2課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其情況1.2.1墨西哥灣的OCS地區(qū)氣井持續(xù)環(huán)空壓力情況在墨西哥灣的OCS地區(qū)，大約有15500口生產(chǎn)井、關(guān)閉井及臨時(shí)廢棄井。美國(guó)礦物管理服務(wù)機(jī)構(gòu)(MMS)對(duì)該地區(qū)井進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，有6692口井約43至少有一層套管持續(xù)環(huán)空壓力。在這些持續(xù)環(huán)空壓力的井中，共有10153層套管環(huán)空帶壓，其中47.1屬于生產(chǎn)套管帶壓，16.3屬于技術(shù)套管帶壓，26.2屬于表層套管帶壓，10.4屬于導(dǎo)管帶壓。該地區(qū)大部分井下人了幾層套管柱

7、，從而使判定環(huán)空帶壓的原因與采取有針對(duì)性的補(bǔ)救措施困難，每口井補(bǔ)救費(fèi)用高達(dá)100多萬(wàn)美元。1.2.2加拿大天然氣井或油井持續(xù)環(huán)空壓力情況在加拿大，環(huán)空帶壓存在于不同類型的井中。南阿爾伯特的淺層氣井、東阿爾伯特的稠油井和ROCKY山麓的深層氣井，都不同程度地存在環(huán)窄壓力問(wèn)題。加拿大環(huán)空壓力問(wèn)題絕大多數(shù)是由于環(huán)空封固質(zhì)量不好，天然氣竄至井口造成的，原油有的時(shí)候也能沿著竄流通道竄出地面。1.2.3國(guó)內(nèi)天然氣井持續(xù)環(huán)空壓力的情況大慶慶深氣田相繼出現(xiàn)升深8井、徐深10井、徐深901井、徐深606井、達(dá)深斜5井持續(xù)環(huán)空帶壓。四川龍崗地區(qū)龍1井、龍2井、龍3井的西244.5mm與西1778mm技術(shù)套管持續(xù)環(huán)

8、空帶壓。龍崗3井試油時(shí)發(fā)現(xiàn)擔(dān)445mm與咖1778mm環(huán)空間壓力達(dá)到18MPa，經(jīng)接管線出井場(chǎng)，卸壓點(diǎn)火燃燒。塔里木的克拉氣田有l(wèi)l口井環(huán)空帶壓，克拉210井咖2508mm技術(shù)套管固井施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但投產(chǎn)后套壓達(dá)到538MPa(7800psi)。根據(jù)國(guó)外氣井持續(xù)環(huán)空帶壓的一般規(guī)律，隨著天然氣開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}也會(huì)越來(lái)越突出。1.2.4美國(guó)礦產(chǎn)部統(tǒng)計(jì)了美國(guó)外大陸架區(qū)域環(huán)空帶壓情況美國(guó)礦產(chǎn)部統(tǒng)計(jì)了美國(guó)外大陸架區(qū)域環(huán)空帶壓情況，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域有8000多口井存在一個(gè)或多個(gè)環(huán)空同時(shí)帶壓，并且約50的環(huán)空帶壓發(fā)生在環(huán)空（油管生產(chǎn)套管環(huán)間），10環(huán)空帶壓發(fā)生在環(huán)空（生產(chǎn)套管技術(shù)套管環(huán)間）

9、，30環(huán)空帶壓發(fā)生在、（兩層技術(shù)套管環(huán)間、技術(shù)套管表層套管環(huán)間）環(huán)空；且隨著生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)空帶壓幾率越大。據(jù)對(duì)墨西哥灣OCS地區(qū)的統(tǒng)計(jì)，開(kāi)采15的井地面能測(cè)量出環(huán)空帶壓（一層或幾層套管帶壓）的概率約占到總井?dāng)?shù)的50。（如圖1.1）圖1.1 該地區(qū)各層套管帶壓的情況統(tǒng)計(jì)圖在實(shí)際生產(chǎn)中，環(huán)空壓力過(guò)高將可能導(dǎo)致潛在的安全生產(chǎn)事故；若環(huán)空壓力過(guò)小，則井口處油套壓差過(guò)大，安全系數(shù)過(guò)低，長(zhǎng)期疲勞生產(chǎn)，也易發(fā)生事故。目前，在環(huán)空帶壓管理上，國(guó)際、國(guó)內(nèi)都沒(méi)有完善的方法來(lái)確定環(huán)空壓力安全范圍來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。國(guó)際上，挪威Norsok D-0106提出了所有易受影響的環(huán)空都應(yīng)該用最小和最大的操作壓力極限范圍來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

10、和保持壓力水平，確保隨時(shí)都可以了解到的井筒完整性。ARP RP90標(biāo)準(zhǔn)中給出了最大環(huán)空許可壓力的確定方法，但是上述方法僅考慮了最大環(huán)空壓力許可值，。因此，高壓氣井安全評(píng)價(jià)技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)空帶壓氣井的環(huán)空壓力技術(shù)管理不可或缺的內(nèi)容，根據(jù)塔里木油田高壓氣井實(shí)際完井狀況和氣井現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，而環(huán)空壓力安全范圍的確定是其中的重要組成部分，本文給出了氣井環(huán)空壓力許可值的確定方法，以明確高壓氣井環(huán)空壓力的安全范圍，為環(huán)空帶壓井的管理提供依據(jù)。1.2.5國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1) 國(guó)外研究現(xiàn)狀美國(guó)石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute)于2006年8月出版了一部旨在指導(dǎo)管理海洋油氣井環(huán)空壓力

11、的推薦做法-（API-RP90）。該推者作法涵蓋了環(huán)空壓監(jiān)測(cè)、環(huán)空壓力診斷測(cè)試、建立單井的最大環(huán)空許可工作壓力（MAWOP）以及對(duì)環(huán)空壓力的記錄等內(nèi)容。該推薦作法已經(jīng)成為指導(dǎo)國(guó)外海上油氣井管理環(huán)空壓力的重要指導(dǎo)方法。Hasan AI HosaniD對(duì)ADCO區(qū)塊在套管持續(xù)環(huán)空壓力管理方面的創(chuàng)新性進(jìn)行了概述，系統(tǒng)闡述了如何管理帶有持續(xù)環(huán)空壓力的氣井、如何收集基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、如何與生產(chǎn)注入輸出系統(tǒng)（PIES)聯(lián)合等內(nèi)容。在引起地面環(huán)空壓力（SAP）的根本原因及其造成的影響方面分析得出密封器泄漏、油套管連接處泄漏及下套管后因差的水泥膠結(jié)所導(dǎo)致的泄漏是造成SAP的原因。在SAP造成的影響中著重指出要格外加強(qiáng)

12、對(duì)熱效應(yīng)引起的SAP的監(jiān)測(cè)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到持續(xù)環(huán)空壓力時(shí)要考慮潛在的風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行重點(diǎn)加密監(jiān)測(cè)。針對(duì)常規(guī)環(huán)空壓力和異常環(huán)空壓力制定了相應(yīng)的壓力監(jiān)測(cè)頻率和方法，明確環(huán)空壓力管理人員的具體職責(zé)。針對(duì)ADCO區(qū)塊建立了計(jì)算單井個(gè)環(huán)空最大許可環(huán)空地面壓力（MAASP）的計(jì)算方法。2007年，斯倫貝謝(Schlumbergef)公司用研究出的FuTUR活性固化水泥技術(shù)來(lái)解決環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。FUTUR活性固化水泥施工不需要額外的固井設(shè)備，采用常規(guī)固井工藝，將FUTUR活性固化水泥作為領(lǐng)漿及尾漿注入即可。為保證封固質(zhì)量，領(lǐng)漿及尾漿的長(zhǎng)度應(yīng)至少達(dá)到150m。FUTUR活性固化水泥具有自修復(fù)特性，當(dāng)發(fā)生氣竄時(shí)，不需要人工干

13、預(yù)，F(xiàn)UTUR活性固化水泥會(huì)自動(dòng)活化，將裂縫封堵。該技術(shù)已成功應(yīng)用在加拿大阿爾伯特油田的環(huán)空帶壓井及德國(guó)、意大利地下儲(chǔ)氣庫(kù)井。F唧R活性固化水泥應(yīng)用密度范圍為1401929cm3，應(yīng)用溫度范圍20138。Milanovic開(kāi)展了針對(duì)中東含硫油氣井持續(xù)環(huán)空壓力（SAP）的研究，該研究解釋了所采取的診斷測(cè)試并描述了如何利用現(xiàn)象識(shí)別引起SAP的原因。文中闡述了SAP診斷測(cè)試方法是放壓后以24小時(shí)為周期記錄放壓和壓力上升速率，觀察相鄰環(huán)空壓力變化并嚴(yán)格檢測(cè)油管壓力反應(yīng)。應(yīng)用“油氣井完整性工具包”模型分析診斷測(cè)試數(shù)據(jù)，區(qū)分不同類型壓力測(cè)試的反饋信息，導(dǎo)出對(duì)SAP的解釋結(jié)果。該模型成功應(yīng)用識(shí)別井口、油管和

14、生產(chǎn)套管的泄漏，但對(duì)外層管柱壓力測(cè)試數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)SAP補(bǔ)救方法還有待于改進(jìn)。通過(guò)測(cè)試得出的反饋曲線包括瞬間放壓曲線、不完全放壓曲線、正常壓力上升曲線、S形壓力上升曲線和不完全壓力上升曲線。分析引起SAP的原因及深入考慮了油氣井設(shè)計(jì)問(wèn)題、注水泥問(wèn)題，并對(duì)避免氣體運(yùn)移和形成微環(huán)空提出了相關(guān)建議。從修井和鉆井角度提出抑制SAP形成的工藝方法。Xu和Wojtanowicz通過(guò)考慮水泥上方存在泥漿柱的情況改進(jìn)了SCP模型。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)不可壓縮泥漿、井口有少量氣體、漏失水泥的高傳導(dǎo)性都將增加早期壓力的迅速上升；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在壓力上升后期階段，氣層壓力最終控制套管壓力的因素。但是該模型僅僅局限于壓力上升，并沒(méi)

15、有考慮氣體在泥漿中的運(yùn)移，在卸壓和早期壓力上升階段，這是控制套管壓力很重要的一個(gè)過(guò)程。2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀2006年6月西南石油大學(xué)的鄧元洲、陳平、張慧麗在充分考慮壓力和體積耦合變化的基礎(chǔ)上，建立計(jì)算密閉環(huán)空壓力的數(shù)學(xué)模型，并闡述了利用迭代法計(jì)算環(huán)空壓力的思路。中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院完井固井所的齊秦忠等人分析了環(huán)空帶壓的危害，從固井的角度提出若干預(yù)防措施。克拉2氣田的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，部分單井出現(xiàn)生產(chǎn)套壓異常升高的現(xiàn)象。針對(duì)環(huán)空壓力異常問(wèn)題，塔里木油田在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了單井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。借鑒API-RP90中相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參考國(guó)際大石油公司高壓氣井的管理經(jīng)驗(yàn)，從ODP方案設(shè)計(jì)、鉆井、固井、完井

16、管柱結(jié)構(gòu)、井下工具優(yōu)選、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝、生產(chǎn)管理等方面進(jìn)行了深入的分析。根據(jù)克拉2氣田單井的實(shí)際情況，通過(guò)先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)的評(píng)估程序完成了克拉2氣田單井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。形成的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)和方法填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)陸上石油“三高”氣井風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的空白，對(duì)相關(guān)油氣田開(kāi)展類似風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作有一定的借鑒作用和指導(dǎo)意義。針對(duì)克拉2氣田的井口距離長(zhǎng)、井站分散、安全要求高的特點(diǎn)，使用了美國(guó)Honeywell公司最新一代DCS系統(tǒng)（過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)PKS）、安全管理系統(tǒng)（FSC）及美國(guó)Bristol Babcock公司的Control Wave系列RTU，分別實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、安全管理和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能。 1.3研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線1.3

17、.1主要內(nèi)容本課題主要對(duì)氣井持續(xù)環(huán)空壓力進(jìn)行研究；探索氣體鉆井在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀；從而在理論上建立數(shù)學(xué)模型找到最大帶壓值；再通過(guò)分析環(huán)空帶來(lái)的根本原因，對(duì)環(huán)空壓力的危害進(jìn)行防治；最后從理論著手，從實(shí)際出發(fā)，研究氣田生產(chǎn)。在實(shí)踐中要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提出問(wèn)題作出假設(shè)解決問(wèn)題作出結(jié)論。1.調(diào)研氣井持續(xù)環(huán)空壓力相關(guān)資料，了解氣井持續(xù)環(huán)空壓力相關(guān)概念及研究現(xiàn)狀；2.研究產(chǎn)生氣井持續(xù)壓力機(jī)理，分析建立井口允許最大帶壓值模型；3.持續(xù)環(huán)空壓力安全評(píng)價(jià)，并提出治理方案；4.通過(guò)實(shí)例計(jì)算，用研究結(jié)果來(lái)指導(dǎo)氣田安全生產(chǎn)。1.3.2技術(shù)路線綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及現(xiàn)場(chǎng)資料分析產(chǎn)生異常環(huán)空帶壓原因：通過(guò)對(duì)塔里木高壓氣井現(xiàn)狀的研究

18、，總結(jié)導(dǎo)致各級(jí)環(huán)空壓力泄漏的可能通道，建立環(huán)空帶壓異常判斷方法，并實(shí)例加以驗(yàn)證：建立數(shù)學(xué)模型研究熱效應(yīng)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}：通過(guò)規(guī)范氣井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)空壓力管理、井控管理，研究適宜于塔里木油田那2氣體、克拉2氣體的安全生產(chǎn)管理方法。（如圖1.2）圖1.2 技術(shù)路線第2章 環(huán)空帶壓產(chǎn)生機(jī)理2.1環(huán)空的概念及分類一般的生產(chǎn)井都是由很多層套管組成的, 因而也存在好幾個(gè)環(huán)形空間。根據(jù)環(huán)空所處位置不同,可以將環(huán)空依次表示為“A”環(huán)空、“B”環(huán)空、“C”環(huán)空.“A”環(huán)空表示油管和生產(chǎn)套管之間的環(huán)空, “B”環(huán)空表示生產(chǎn)套管和與之相鄰的上一層套管之間的環(huán)空。之后往上按字母順序依次表示每層套管和與之相鄰的上一層套管之間

19、的環(huán)空(見(jiàn)圖2.1)。圖2.1 環(huán)空示意圖2.2持續(xù)環(huán)空壓力持續(xù)環(huán)空壓力，一是由于油氣井組件泄漏，導(dǎo)致流體流經(jīng)油氣井控制隔離層而引起的；二是由于地層未膠結(jié)（或膠結(jié)較差）或者膠結(jié)層損壞（固井質(zhì)量差）引起的。任何受壓的地層都可能引起持續(xù)環(huán)空壓力，包括含氣層、含水層、淺層氣區(qū)域、淺層水區(qū)域或者是由于生物起因。環(huán)空帶壓是指井口環(huán)空壓力表非正常啟壓。如果該壓力在經(jīng)井口放噴閥門放噴后, 關(guān)閉套管環(huán)空放噴閥門壓力又重新上升到一定的程度, 這種情況國(guó)際上通常稱作環(huán)空帶壓( sustained casing pressure)。根據(jù)環(huán)空帶壓引起的原因可以將其分為: 作業(yè)施加的環(huán)空壓力, 受溫度、壓力變化使環(huán)空和

20、流體膨脹引起的環(huán)空壓力以及由于油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流引起的環(huán)空壓力。作業(yè)施加的環(huán)空壓力和受溫度變化使環(huán)空流體膨脹引起的環(huán)空壓力在井口泄壓后可以消除, 但是氣竄引起的環(huán)空帶壓在井口泄壓后有可能會(huì)繼續(xù)存在并形成環(huán)空帶壓。環(huán)空密封部分失效導(dǎo)致油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流是形成環(huán)空帶壓的主要原因。當(dāng)產(chǎn)生壓力的來(lái)源是生產(chǎn)層或有能力產(chǎn)生油氣的地層時(shí), 它的危險(xiǎn)性比非生產(chǎn)層引起的壓力要高得多。原因是由于生產(chǎn)層的壓力相對(duì)比較高, 并且生產(chǎn)層比其他高壓或低壓地層有更持續(xù)的流動(dòng)能力。溫度壓力變化引起的環(huán)空帶壓情況溫度變化會(huì)引起井內(nèi)流體熱脹冷縮（溫度效應(yīng)），導(dǎo)致環(huán)空帶壓。油氣開(kāi)采過(guò)

21、程中井筒溫度升高，但升高的幅度受油氣產(chǎn)量的影響較大。對(duì)于高壓高產(chǎn)氣井來(lái)說(shuō)，井筒溫度升高幅度較大。所有的氣井在最初進(jìn)行開(kāi)采過(guò)程時(shí)都會(huì)發(fā)生溫度效應(yīng)引起的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。長(zhǎng)期關(guān)井后的突然恢復(fù)正常生產(chǎn)，或者開(kāi)采過(guò)程中的突然關(guān)井，會(huì)引起井筒溫度發(fā)生較大的波動(dòng)，從而導(dǎo)致環(huán)空帶壓值發(fā)生比較明顯的變化。同時(shí)，關(guān)井前后的壓力差引起環(huán)空管柱的鼓脹效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)空帶壓。井下作業(yè)施加的壓力對(duì)氣井進(jìn)行各種作業(yè)施工（包括氣舉，熱采管理，幫助監(jiān)測(cè)環(huán)空壓力或其他的目的），可能會(huì)對(duì)套管環(huán)空施加壓力。環(huán)空氣竄引起的環(huán)空帶壓環(huán)空帶壓通常是由于井的某一部分發(fā)生泄漏使得流體穿過(guò)井內(nèi)控制隔離層流動(dòng)而造成的，例如：油管連接處漏失，封隔器漏失

22、等，或者由于沒(méi)有封固地層（或者封固質(zhì)量差）或者封固層被破壞。環(huán)空帶壓也有可能是由受壓地層造成的，包括承壓的含油氣的地層、承壓的水層、淺層氣地層、淺水層或古生物?！癆”環(huán)空的環(huán)空帶壓“A”環(huán)空內(nèi)的環(huán)空帶壓通常是由生產(chǎn)層的生產(chǎn)管柱漏失造成的，漏失會(huì)使流體從油管柱內(nèi)流向“A”環(huán)空?！癆”環(huán)空內(nèi)的環(huán)空帶壓也有可能是由生產(chǎn)套管漏失造成的，盡管這種情況不是很常見(jiàn)其它環(huán)空的環(huán)空帶壓如果外部環(huán)空密封失效與地層（包括承壓油氣層，淺水層，淺層氣層等）間發(fā)生竄流，有可能會(huì)造成外部環(huán)空內(nèi)的環(huán)空帶壓。近年來(lái)國(guó)內(nèi)盡管做了許多工作, 但是固井后環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}仍然較為突出。環(huán)空帶壓原因主要有:1.固井注水泥氣竄或者后期作業(yè)導(dǎo)致

23、水泥環(huán)產(chǎn)生微環(huán)隙; 2. 油管、套管及其附件(如封隔器、滑套等)密封失效。針對(duì)部分油氣井環(huán)空帶壓的現(xiàn)狀, 調(diào)研了國(guó)內(nèi)外油氣井環(huán)空帶壓的大小及分布, 發(fā)現(xiàn)大約有50% 環(huán)空帶壓是發(fā)生在生產(chǎn)套管和油管間的環(huán)空。為此, 研究了造成環(huán)空帶壓的原因, 認(rèn)為作業(yè)施加的環(huán)空壓力, 受溫度、壓力變化使環(huán)空和流體膨脹引起的環(huán)空壓力以及由于油氣從地層經(jīng)水泥封固井段和環(huán)空液柱向上竄流引起的環(huán)空壓力, 是造成環(huán)空帶壓的主要原因。2.3固井方面2.3.1環(huán)空帶壓對(duì)氣井固井的特殊性 在石油和天然氣井所鉆地層和套管的環(huán)形空間注水泥，其主要作用是防止在所鉆各地層之間出現(xiàn)流體竄流，并保證長(zhǎng)期層間封隔，在整個(gè)油氣井生產(chǎn)期間及報(bào)廢

24、之后都能實(shí)現(xiàn)有效的層間封隔。有的井，特別是天然氣井，即使注水泥時(shí)鉆井液頂替良好，并且水泥石在初期也起到了封隔作用，因井內(nèi)條件變化產(chǎn)生的應(yīng)力足夠破壞水泥環(huán)的完整性時(shí)，其結(jié)果將導(dǎo)致層間封隔失效，這可由后期天然氣層問(wèn)竄流、環(huán)空帶壓或更壞的套管擠毀實(shí)例給予證實(shí)。例如，墨西哥灣的OCS地區(qū)，國(guó)內(nèi)四川的高含H：S氣田、塔里木的克拉及迪那高壓氣田等。自天然氣開(kāi)發(fā)以來(lái)，環(huán)空帶壓或井口竄氣問(wèn)題就一直困擾固井技術(shù)人員與作業(yè)商。環(huán)空帶壓或井下層間竄流會(huì)嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量，降低采收率，對(duì)氣田開(kāi)發(fā)后續(xù)作業(yè)如酸化壓裂和分層開(kāi)采等造成不利影響。環(huán)空帶壓或?qū)訂?wèn)竄流不突出時(shí)，會(huì)增加壓力監(jiān)測(cè)與井口放壓的成本；嚴(yán)重時(shí)需要關(guān)井，有時(shí)

25、會(huì)導(dǎo)致整口井甚至整個(gè)井組報(bào)廢。從環(huán)境保護(hù)和安全的角度考慮，作業(yè)商經(jīng)常要通過(guò)關(guān)井或修井來(lái)解決該問(wèn)題，所造成的關(guān)井停產(chǎn)損失或修井費(fèi)用相當(dāng)巨大。補(bǔ)救環(huán)空帶壓或?qū)娱g竄流的方法，或者是采用常規(guī)高成本的修井作業(yè)，或采用苛刻的擠水泥、擠注凝膠作業(yè)，或采用其他有效的補(bǔ)救方式。目前常規(guī)的補(bǔ)救方法如修井或擠水泥現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度大，成功率低，成本高。如果水泥漿的防竄能力差或固井時(shí)頂替效率效果差，或由于地層應(yīng)力、溫度和壓力變化以及一些隨時(shí)問(wèn)推移引起的其他原因等，導(dǎo)致水泥環(huán)密封性發(fā)生失效，隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)生環(huán)空帶壓、井口竄氣或?qū)娱g竄流問(wèn)題。由于天然氣分子小、比重低、穿透能力強(qiáng)、活躍性大，所以天然氣井更容易發(fā)生上述

26、問(wèn)題。2.3.2氣井固井后環(huán)空帶壓的規(guī)律1）準(zhǔn)確確定氣源位置難度大盡管在地面很容易發(fā)現(xiàn)氣井環(huán)空壓力異常，但是導(dǎo)致環(huán)空帶壓的氣源卻不容易確定。環(huán)空氣的氣源町能來(lái)自產(chǎn)層，也有可能來(lái)自非目的層。非目的層氣層可能是導(dǎo)管、表層套管技術(shù)套管后的過(guò)路氣層。由于氣源確定難度大，采取有針對(duì)性的補(bǔ)救措施難度也大。2）環(huán)空帶壓的壓力差別大天然氣井環(huán)空帶壓時(shí)，根據(jù)每口井儲(chǔ)層壓力與氣體竄流通道的不同，環(huán)空帶壓值也有很大差別。帶壓程度輕時(shí)環(huán)空壓力接近大氣壓，高的時(shí)候接近儲(chǔ)層的壓力。井口釋放氣體的體積少的時(shí)候基本接近零，多的時(shí)候一天接近1000m3。通過(guò)井口進(jìn)行壓力釋放，環(huán)空壓力能降至零，當(dāng)重新關(guān)閉環(huán)空時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，

27、壓力又會(huì)升至原來(lái)的值。3）氣井開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)空帶壓的概率也越大環(huán)空帶壓存在于井固井后的任何時(shí)期，環(huán)空帶壓與井的壽命緊密相關(guān)，開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)越易帶壓。據(jù)墨兩哥灣0cs地區(qū)的統(tǒng)計(jì)，開(kāi)采15年的井地面能測(cè)量出環(huán)空帶壓(一層或幾層套管帶壓)的概率占到總井?dāng)?shù)的大約50。2.3.3環(huán)空帶壓或井口竄氣的原因分析國(guó)外天然氣開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}暴露早，通過(guò)對(duì)不同地區(qū)及不同井的綜合分析，為環(huán)空帶壓的原因主要有以下5個(gè)方面：油管和套管泄漏，固井時(shí)頂替效率低，水泥漿體系選擇或配方設(shè)計(jì)不合理，固井后由于地層應(yīng)力、溫度和壓力變化以及一些隨時(shí)間推移引起的其他原因?qū)е滤喹h(huán)封隔失效，地層流體腐蝕造成的層間竄通。1）油管和

28、套管泄漏生產(chǎn)油管的泄漏會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。封隔器密封失效或內(nèi)管柱螺紋連接差、管體腐蝕、熱應(yīng)力破裂或機(jī)械斷裂都會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏。生產(chǎn)套管是用來(lái)防止油管氣體泄漏的，如果由于泄漏氣體產(chǎn)生的壓力使生產(chǎn)套管密封失效，會(huì)造成很大風(fēng)險(xiǎn)。外管柱受壓，會(huì)導(dǎo)致井口竄氣或?qū)娱g竄流，會(huì)對(duì)人身、井口設(shè)備及環(huán)境造成很大的危險(xiǎn)。2）頂替效率差提高頂替效率是保證層間封隔和防止環(huán)窄帶壓?jiǎn)栴}的一項(xiàng)重要措施。固井的主要目的就是要對(duì)套管外環(huán)空進(jìn)行永久性封固，為滿足這一要求，就必須徹底驅(qū)替環(huán)空內(nèi)的鉆井液，使環(huán)空充滿水泥漿。如果驅(qū)替鉆井液不徹底，就會(huì)在封同的產(chǎn)層間形成連續(xù)的竄槽，從而使層與層之間竄通，影響封固質(zhì)量。水泥膠結(jié)和密封的持

29、久性也與頂替效率有關(guān)，防止環(huán)空帶壓的第一步就是要提高固井時(shí)的頂替效率。國(guó)外研究表明，一般來(lái)說(shuō)頂替效率達(dá)到90時(shí)固井質(zhì)量良好；頂替效率達(dá)到95時(shí)，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。3）水泥漿設(shè)計(jì)不合理水泥漿設(shè)計(jì)不合理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：水泥漿失水量高；漿體穩(wěn)定性差，自由水量高；水泥石體積收縮大；設(shè)計(jì)水泥漿時(shí)只考慮其性能滿足施工要求，未考慮水泥石(如楊氏模量、泊松比等)的力學(xué)性能由于井下溫度、壓力、應(yīng)力變化能否滿足長(zhǎng)期封隔的需要。一般來(lái)說(shuō)，如果水泥石的楊氏模量大于巖石的楊氏模量，套管內(nèi)溫度及壓力發(fā)生較大變化時(shí)，水泥環(huán)很可能會(huì)發(fā)生拉伸斷裂。4） 由于井下條件變化導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效環(huán)空帶壓可在固井后較長(zhǎng)一段時(shí)問(wèn)內(nèi)發(fā)生

30、，有的井檢測(cè)固井質(zhì)量很好，可是由于后期鉆井作業(yè)的影響，或后期增產(chǎn)作業(yè)的影響，在沒(méi)有化學(xué)侵蝕的條件下，水泥環(huán)本身的機(jī)械損壞、套管與水泥之間的膠結(jié)失效或水泥與地層之間的膠結(jié)失效都可以破壞層問(wèn)封隔。水泥環(huán)的機(jī)械損壞會(huì)導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，而膠結(jié)失效會(huì)導(dǎo)致微環(huán)隙形成。兩種作用均產(chǎn)生可通過(guò)任一種流體的高傳導(dǎo)通道。水泥環(huán)本身的機(jī)械破壞可能由井內(nèi)壓力增加(試壓、鉆井液密度加大、套管射孔、酸化壓裂、天然氣開(kāi)采)所引起，還可能由井內(nèi)溫度較大升高或地層載荷(滑移、斷層、壓實(shí))所造成。出現(xiàn)層問(wèn)封隔失效的另一種原因是微環(huán)隙形成，微環(huán)隙既可在套管與水泥之間出現(xiàn)(內(nèi)微環(huán)隙)，也可在水泥與地層之間形成(外微環(huán)隙)。這可能是因井內(nèi)溫

31、度和(或)壓力變化使套管發(fā)生徑向位移而引起，特別是當(dāng)水泥凝固后井內(nèi)壓力或溫度降低時(shí)，水泥體積收縮會(huì)引起外微環(huán)隙出現(xiàn)。5）地層流體的腐蝕造成的層間竄通天然氣井中可能存在H2S或CO2腐蝕性氣體。H2S或CO2腐蝕性氣體在一定環(huán)境中除了會(huì)腐蝕套管外，也會(huì)對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生腐蝕。CO2主要影響水泥石的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率和抗折、抗壓強(qiáng)度，破壞水泥結(jié)構(gòu)的完整性。H2S能破壞水泥石的所有成分，溶于潮氣中的H2S腐蝕性更強(qiáng)。水泥石的腐蝕總是和它的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度密切相關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)決定腐蝕介質(zhì)向水泥硬化體內(nèi)部滲透的速度。初步研究表明：腐蝕至少使得水泥石的抗壓強(qiáng)度大幅度衰減，孔隙度大大提高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致層間竄通。2.4

32、持續(xù)套管壓力形成機(jī)理對(duì)于固井水泥上方有鉆井液柱的情況，基質(zhì)的滲透性和界面竄流是環(huán)空傳導(dǎo)性增加的兩種物理機(jī)理。基質(zhì)的滲透性是指流體在水泥本體內(nèi)的流動(dòng)，而界面竄流是指存在于水泥柱和套管之間或水泥柱與基巖之間的微環(huán)空中流動(dòng)的現(xiàn)象。界面竄流現(xiàn)象是一種力學(xué)不完整性，它使得微環(huán)空形成于水泥環(huán)接觸面處。在水泥與巖石界面上，泥餅的不完全去除會(huì)產(chǎn)生微環(huán)空。在套管與水泥界面上，固水泥后一些熱應(yīng)力或靜水應(yīng)力引起微環(huán)空的形成。注水泥凝固過(guò)程中，水泥環(huán)可能會(huì)形成次生孔隙和滲透性。基質(zhì)竄流是氣體通過(guò)水泥基質(zhì)流動(dòng)的一種機(jī)理。當(dāng)鉆井液的液柱靜水壓力下降到地層孔隙壓力以下時(shí)，氣體以段塞形成或分散流的形式進(jìn)入鉆井液基質(zhì)中。段塞氣

33、向上運(yùn)移通道。氣體通過(guò)水泥流動(dòng)的另一個(gè)機(jī)理是與水泥基質(zhì)中次生滲透性的發(fā)展相關(guān)。該機(jī)理可以理解為：當(dāng)靜水壓力下降到地層壓力后，水泥的水化作用導(dǎo)致水泥基質(zhì)的絕對(duì)體積減小，化學(xué)收縮決定著次生孔隙的形成；孔隙水受毛細(xì)管力作用而圈閉于水泥基質(zhì)孔隙中，這部分水化作用中被消耗，由此形成一個(gè)空穴，這將導(dǎo)致孔隙壓力的下降和“負(fù)壓效應(yīng)”。與壓力的不平衡相結(jié)合，負(fù)壓效應(yīng)或許成為氣體在基質(zhì)中滲透性發(fā)展的最主要機(jī)理。環(huán)空中水泥的分布情況通常有兩種（如圖2.2）：一種是固井水泥上返到井口，另一種是水泥頂部存在鉆井液。在固井水泥上返到地面的井中，氣體在具體一定傳導(dǎo)性的介質(zhì)中的運(yùn)移可以看作是一維流動(dòng)。等量卸壓后，套管壓力的上

34、升與壓力的瞬間上升相似，（如圖2.3）。這種狀態(tài)受水泥的滲透性、孔隙性及氣層壓力控制。圖2.2 環(huán)空水泥分別圖圖2.3 SCP連續(xù)上升概念曲線如果水泥頂部存在鉆井液，氣體運(yùn)移分為兩個(gè)階段。在水泥中，氣體運(yùn)移遵循達(dá)西定律：而在鉆井液中氣泡通過(guò)停滯的非牛頓鉆井液上升。不僅鉆井液的壓縮性和密度等性能影響著氣體的運(yùn)移，而且還要受聚集于井口的遷移氣體所形成的氣頂影響。有的研究人員認(rèn)為氣頂中氣體PVT性能可以由真實(shí)氣體定律解釋。因此，鉆井液壓縮性能越小，氣泡上升速度越快，壓力上升越快。如果不卸壓，最終井口壓力降穩(wěn)定在與氣層壓力相同的壓力值。2.5卸壓后持續(xù)套管壓力上升機(jī)理 由于放壓都是在很短的時(shí)間內(nèi)完成并

35、且在曲線中一般僅有2-3個(gè)點(diǎn)表示，因此 ，對(duì)放壓過(guò)程進(jìn)行機(jī)理分析和描述存在很大的難度；但是對(duì)于放壓后的SCP上升機(jī)理國(guó)外研究人員對(duì)此作出分析。美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)的R.Xu和A.K.Wojtanowicz綜合前人的研究成果通過(guò)對(duì)墨西哥灣（GOM）氣井中受SCP影響的38口井的綜合分析研究了卸壓后SCP上升機(jī)理。對(duì)于引起外層套管或生產(chǎn)套管外層套管SCP 最顯著的原因是由于較差的固井質(zhì)量導(dǎo)致的氣體遷移。氣體遷移可分為兩個(gè)相異的組“初期”和“后期”?！俺跗凇笔桥c實(shí)際固井作業(yè)相關(guān)的，例如水泥漿性能、頂替技術(shù)、靜水壓力等?！昂笃凇迸c固井作業(yè)關(guān)聯(lián)不是很大，是由機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的，危害水化結(jié)合的完整性

36、或水泥材料的完整性，導(dǎo)致氣體泄漏。另一種可能的原因是使用了高水灰比（低密度、膨脹系統(tǒng)）的水泥系統(tǒng)。這些水泥即便是凝固刀位后也會(huì)表現(xiàn)出其固有的相當(dāng)高的滲透率（0.5-5md）。因此這很可能使氣體在這樣的水泥單位中運(yùn)移并最終達(dá)到地面形成SCP。2.6井口允許最大帶壓值模型2.6.1環(huán)空最大許可壓力值概念環(huán)空最大許可壓力，是針對(duì)某一特定環(huán)空的最大允許工作壓力值，反映特定環(huán)空在長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的條件下所能夠承受的壓力級(jí)別。2.6.2確定原則各層環(huán)空最大許可壓力在取值時(shí)應(yīng)取該層環(huán)空中最薄弱段的強(qiáng)度值。如果各環(huán)空之間有相互竄通的情況，應(yīng)把竄通的環(huán)空視為同一環(huán)空。2.6.3環(huán)空最大許可壓力環(huán)空最大許可壓力值的確

37、定是取以下各項(xiàng)中的最小者：）生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50。無(wú)水泥固井的空套管處相對(duì)薄弱，因此計(jì)算抗內(nèi)壓強(qiáng)度時(shí)，取無(wú)水泥固井的井口位置套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度。下同。）內(nèi)層技術(shù)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80。）油管抗擠毀強(qiáng)度的75。）生產(chǎn)套管套管頭強(qiáng)度的60。）考慮完井封隔器處生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的75。在完井封隔器處，以套管為研究對(duì)象，考慮套管的受力情況有：PA保護(hù)液水泥 內(nèi)×75 （1）式中為環(huán)空最大許可壓力，；內(nèi)為生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，；水泥為考慮最惡劣的固井環(huán)境密度取值，通常取1.0/m3；保護(hù)液為環(huán)空保護(hù)液密度，； 為重力加速度，/；為完井封隔器坐封深度，。由此得到完井封隔器處考慮生產(chǎn)套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的環(huán)

38、空最大許可壓力為： 內(nèi)×水泥保護(hù)液 （2）考慮完井封隔器處油管抗擠毀強(qiáng)度的75。在完井封隔器處，以油管為研究對(duì)象，考慮開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)油管受力情況：套管內(nèi)套保護(hù)液 （3）油管內(nèi)油開(kāi)氣 （4）式中套為完井封隔器處套管內(nèi)壓力，MPa；油為完井封隔器處油管內(nèi)壓力，MPa；為環(huán)空最大許可壓力，MPa；開(kāi)為開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)的油壓，MPa；氣為油管內(nèi)氣體密度取值，通常取0.3/。則完井封隔器處油套壓差為： 套油保護(hù)液氣 外× （5）式中外為油管抗擠毀強(qiáng)度，MPa；氣為油管內(nèi)氣體密度，通常取0.3/。由此得到完井封隔器處考慮油管抗外擠強(qiáng)度的環(huán)空最大許可壓力： 外×開(kāi)氣保護(hù)液 （6）2.6.

39、4中間環(huán)空最大許可壓力中間環(huán)空最大許可壓力為以下各項(xiàng)中的最小者：）環(huán)空外層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的50。）環(huán)空內(nèi)層套管抗擠毀強(qiáng)度的75。）該層環(huán)空套管頭強(qiáng)度的60。2.6.5表層環(huán)空最大許可壓力表層環(huán)空最大許可壓力值為以下各項(xiàng)中的最小者：）表層套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度的30）外層技術(shù)套管抗擠毀強(qiáng)度的75。）表層套管套管頭強(qiáng)度的60。第3章 持續(xù)環(huán)空壓力安全評(píng)價(jià)及治理方案3.1安全評(píng)價(jià)3.1.1中石油方面 中石油現(xiàn)場(chǎng)多參照API RP90進(jìn)行環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)與環(huán)空泄壓管理氣井，并根據(jù)多次環(huán)空泄壓恢復(fù)結(jié)果判斷氣井的失效風(fēng)險(xiǎn)，以便確定是否有必要進(jìn)行修井作業(yè)。國(guó)外石油公司多組建專業(yè)的完整性評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)，應(yīng)用氣井完整性評(píng)價(jià)系統(tǒng)(

40、WIMS)，以風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣的形式定性地分析氣井可能的失效風(fēng)險(xiǎn)。3.1.2風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別挪威標(biāo)準(zhǔn)化組織NORSOK STANDARD Z一013風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)急預(yù)案分析中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)有明確的定義：風(fēng)險(xiǎn)是指在某一特定環(huán)境下，在某一特定時(shí)間段內(nèi)，某種損失發(fā)生的可能性及其可能引發(fā)后果的危害性的總和。對(duì)于高溫高壓高酸性氣田的環(huán)空帶壓井，如果不加以區(qū)分，都采取修井作業(yè)，作業(yè)費(fèi)用將非常高。因此，以“危害+防護(hù)+狀態(tài)=風(fēng)險(xiǎn)”的模式，綜合考慮氣井本身特性、工藝措施及目前狀況，建立氣井綜合評(píng)分表。3.1.3標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范目前國(guó)際上與氣井完整性相關(guān)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)并不多，主要有挪威標(biāo)準(zhǔn)化組織(NORSOK)D一010油氣井鉆井與作業(yè)時(shí)的

41、完整性要求、zO1 風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)急預(yù)案分析、挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)ll7標(biāo)準(zhǔn)油氣井完整性推薦做法指南、API RP90(海上油氣井環(huán)間壓力管理以及加拿大高危酸性井的完井和作業(yè)(IRP2006)等。此外，其他一些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范也可用于氣井完整性評(píng)價(jià)：API RP 14B井下安全閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、修理和操作、API RP I4C地面安全閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、修理和操作、API RP 14J海上生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)分析推薦做法、SYT 51272o02(井口裝置和采油樹(shù)規(guī)范以及NACE0175ISO 1515 防硫化氫應(yīng)力裂紋的油田設(shè)備金屬材料標(biāo)準(zhǔn)、ISO 13679(油管和套管接頭評(píng)價(jià)試驗(yàn)推薦做法、ISO 14

42、3 1c石油天然氣一井下裝備一封隔器和橋塞、Spec 10AISO 104261水泥及固井材料規(guī)范以及SYT 57242o0 套管柱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)等。這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范涉及采氣井口、安全閥、封隔器、油套管材料選擇及管柱力學(xué)計(jì)算等。3.1.4氣井本身特性氣井本身特性指不可改變、與生俱來(lái)的屬性，這些因素可導(dǎo)致管柱、井口裝置及水泥環(huán)腐蝕，進(jìn)而影響強(qiáng)度與密封性，如果發(fā)生泄漏事故，則可影響次生災(zāi)害的危害性。各因素對(duì)環(huán)空帶壓的影響見(jiàn)表3-1。表3-1 氣體本身特性因素3.1.5工藝措施工藝措施指為確保氣井完整性、保證氣井安全生產(chǎn)的各種完井投產(chǎn)技術(shù)及管理措施。工藝措施是為氣井本身特性可能引發(fā)的危害而主動(dòng)采取的應(yīng)

43、對(duì)措施。通過(guò)優(yōu)選高效、經(jīng)濟(jì)的防腐方案來(lái)應(yīng)對(duì)腐蝕問(wèn)題；通過(guò)管柱力學(xué)分析驗(yàn)證管柱是否在全部工況下具有足夠的安全系數(shù)；通過(guò)管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、氣密封性檢測(cè)、合理上扣扭矩、井口及井下工具優(yōu)選及性能維護(hù)等以確保密封性(見(jiàn)表3-2)。表3-2 工藝措施因素3.1.6當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)是表征氣井當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的因素，是驗(yàn)證氣井完整性最重要因素，也是最直接的因素(見(jiàn)表3-3)。表3-3 當(dāng)前狀態(tài)因素腐蝕是導(dǎo)致氣井環(huán)空帶壓的一個(gè)重要原因，可以用腐蝕速率表征防腐效果。最大允許井口操作壓力(MOP)是API RP90提出的概念，用來(lái)表征環(huán)空壓力安全尺度。環(huán)空泄壓是驗(yàn)證環(huán)空泄漏速率的方法，分類標(biāo)準(zhǔn)為：泄壓后環(huán)空壓力降為0 M

44、Pa，關(guān)閉環(huán)空24 h內(nèi)環(huán)空壓力恢復(fù)較為緩慢，并且處于較低水平；卸壓后壓力降為0 MPa，關(guān)閉環(huán)空后在24h內(nèi)恢復(fù)到卸壓前的水平；卸壓24 h后環(huán)空仍然帶壓；相鄰2個(gè)環(huán)空連通，卸壓24 h后環(huán)空仍然帶壓，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別最大。3.1.7風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別模式基于以上“危害+防護(hù)+狀態(tài)=風(fēng)險(xiǎn)”，把影響氣井完整性的3大類30項(xiàng)因素分布按照高、中、低或高、低進(jìn)行分類，給予不同的分值，并對(duì)3大類因素分別給予不同的權(quán)重系數(shù)：本身特性25，工藝措施30，目前狀況45。提出環(huán)空帶壓井風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別標(biāo)準(zhǔn)為：I類井，評(píng)分29分。 管柱完整性未受破壞的低隱患井，定期監(jiān)測(cè)，正常錄取環(huán)空壓力等資料，觀察其變化范圍，并可采取放壓措施；

45、類井，評(píng)分60分。管柱完整性稍受破壞的隱患井，需要連續(xù)監(jiān)測(cè)各環(huán)空壓力變化，并視情況開(kāi)展動(dòng)態(tài)分析，確定應(yīng)對(duì)措施，并做好應(yīng)急預(yù)案；類井，評(píng)分>60分。管柱完整性已嚴(yán)重受破壞的高風(fēng)險(xiǎn)井，需要采取修井或棄井作業(yè)。以環(huán)空帶壓井風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，建立了風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別模式(見(jiàn)圖3.1)。環(huán)空壓力是表征氣井完整性最重要也是最直接的參數(shù)，因此，如果日常環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)高于MOP，則進(jìn)行泄壓診斷，如果泄壓后迅速恢復(fù)至泄壓前水平，則直接定義為類井，進(jìn)行修井或棄井作業(yè)；反之，則按照風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別評(píng)估表，逐個(gè)分析、評(píng)分，對(duì)照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，最終得出氣井的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。圖3.1 環(huán)空帶壓井風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別判別模式圖3.1.8評(píng)價(jià)流程如果環(huán)

46、空帶壓值大于上述計(jì)算值，說(shuō)明存在安全風(fēng)險(xiǎn)，需采取治理措施。假設(shè)不考慮溫度效應(yīng)和井下作業(yè)所施加的環(huán)空套壓等因素的影響， 此時(shí)A環(huán)空帶壓僅僅受到地層流體竄流的影響，其環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程 （見(jiàn)圖3.2），其他環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) （見(jiàn)圖3.3）。圖3.2 A環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖3.3 其他環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程3.2治理方案3.2.1預(yù)防環(huán)空帶壓的技術(shù)措施1）切實(shí)提高固井時(shí)的頂替效率不管水泥漿體系的可靠性怎樣強(qiáng)，要想實(shí)現(xiàn)可靠的層間封隔，必須要提高固井時(shí)的頂替效率。為提高頂替效率，首先要保證鉆井時(shí)鉆出的井眼條件好；鉆井液性能優(yōu)異，盡量實(shí)現(xiàn)低黏度、低切力、低失水、低含砂量；完鉆后要認(rèn)真通井、洗井，充分調(diào)整

47、鉆井液性能；下套管時(shí)保證較高的套管居中度，固井施工中盡鼉活動(dòng)套管；篩選綜合性能好且與鉆井液、水泥漿配伍性好的前置液體系；設(shè)計(jì)合適的固井施工排量，強(qiáng)化配套技術(shù)措施。2）切實(shí)做到“三壓穩(wěn)”氣井固井施工中必須保證“三壓穩(wěn)”，即固井前、固井過(guò)程中和候凝過(guò)程中水泥漿失重時(shí)的壓穩(wěn)。固井前和固井過(guò)程中的壓穩(wěn)比較容易實(shí)現(xiàn)，水泥漿凝固失重條件下的壓穩(wěn)一般容易被忽略，這也是影響天然氣井固井質(zhì)量的一個(gè)主要原因。3）設(shè)計(jì)滿足封固要求的水泥漿體系根據(jù)封固地層的特性及井下條件設(shè)計(jì)出滿足封固質(zhì)量要求的水泥漿體系。水泥漿性能要求防竄性好，能適應(yīng)注替過(guò)程、凝固過(guò)程及長(zhǎng)期封隔等各方面的需要。水泥漿有較低的失水量(小于50mL)，

48、較低的基質(zhì)滲透性，短的過(guò)渡時(shí)間和快的強(qiáng)度發(fā)展，同時(shí)漿體穩(wěn)定性好，水泥石體積不收縮。4）水泥石力學(xué)性能能承受井下溫度、壓力、應(yīng)化的變化以前水泥石的抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)水泥漿性能的一項(xiàng)指標(biāo)，但是該指標(biāo)并不能作為是否成為有效層間封隔的標(biāo)準(zhǔn)，還需要其他的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，如楊氏模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度。認(rèn)真評(píng)價(jià)這些性能，有助于水泥漿設(shè)計(jì)及降低環(huán)空帶壓發(fā)生的幾率。根據(jù)每口井的具體情況，對(duì)水泥環(huán)在該井的生產(chǎn)壽命期間在建井、完井、增產(chǎn)和生產(chǎn)作業(yè)承受的外載進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，然后對(duì)套管、水泥、地層進(jìn)行有限元分析，確定出水泥石的力學(xué)性能(如楊氏模量、泊松比等)，在生產(chǎn)期間水泥石力學(xué)性能能承受應(yīng)

49、力的變化。若水泥石抗拉強(qiáng)度與楊氏彈性模量比值高，且水泥楊氏彈性模量低于巖石的楊氏彈性模量，則這將是機(jī)械耐久性最好的水泥。這方面的要求與特定井下條件有關(guān)，如井眼尺寸、套管性能、巖石機(jī)械性能及預(yù)計(jì)載荷的變化等。3.2.2解決環(huán)空帶壓的技術(shù)措施1）利用修井作業(yè)來(lái)解決環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}針對(duì)套管外環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，常規(guī)的補(bǔ)救方法是采用鉆機(jī)進(jìn)行修井作業(yè)。采用修井作業(yè)需要起出油管，注入或擠入水泥，來(lái)封閉水泥環(huán)中的裂縫和竄流通道。根據(jù)裂縫、通道的位置、孔隙度、滲透率的不同，擠水泥作業(yè)有可能封閉氣竄通道，也有可能封閉不了氣竄的通道。作業(yè)商通過(guò)對(duì)修井作業(yè)安全及成本方面的綜合考慮，一般不愿治理環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。采用鉆機(jī)進(jìn)行修井作

50、業(yè)施工危險(xiǎn)性大，易造成人身傷害，也易對(duì)設(shè)備造成損害甚至報(bào)廢。井噴或溢流也會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。采用常規(guī)修井作業(yè)的成本及風(fēng)險(xiǎn)有的時(shí)候超過(guò)了環(huán)空帶壓的成本及風(fēng)險(xiǎn)。 2） FUTUR活性固化水泥技術(shù)2007年，斯倫貝謝(Schlumbergef)公司用研究出的FUTUR活性固化水泥技術(shù)來(lái)解決環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。FUTUR活性固化水泥施工不需要額外的固井設(shè)備，采用常規(guī)固井工藝，將FUTUR活性固化水泥作為領(lǐng)漿及尾漿注入即可。為保證封固質(zhì)量，領(lǐng)漿及尾漿的長(zhǎng)度應(yīng)至少達(dá)到150m。FUTUR活性固化水泥具有自修復(fù)特性，當(dāng)發(fā)生氣竄時(shí)，不需要人工干預(yù)，F(xiàn)UTUR活性固化水泥會(huì)自動(dòng)活化，將裂縫封堵。該技術(shù)已成功應(yīng)用在加拿大

51、阿爾伯特油田的環(huán)空帶壓井及德國(guó)、意大利地下儲(chǔ)氣庫(kù)井。FUTUR活性固化水泥應(yīng)用密度范圍為1.401.929/cm3，應(yīng)用溫度范圍20138。3)LifeSeal自動(dòng)密封水泥與斯倫貝謝公司的活性固化水泥技術(shù)類似，哈里伯頓公司也推出了LifeSeal水泥。與FUTUR活性固化水泥機(jī)理類似，環(huán)空存在油氣竄流時(shí)，在沒(méi)有地面人工干預(yù)的情況下，水泥環(huán)能進(jìn)行膨脹，會(huì)封閉竄流通道。水泥環(huán)的這種自密封特性，是通過(guò)在水泥漿中加入特種外加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用常規(guī)注水泥設(shè)備就可以進(jìn)行施工。LifeSeal自密封水泥已成功地在70多口陸地或海上的井中進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用區(qū)域包括中東、亞洲、里海地區(qū)、歐洲、拉丁美洲、美國(guó)。4）壓

52、力活性密封劑SPE 91399中報(bào)道，為經(jīng)濟(jì)和安全地除墨西哥灣的環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，W&T海洋公司應(yīng)用了壓力活性密封劑。與常規(guī)修井作業(yè)相比，每口井可以節(jié)約100萬(wàn)美元。壓力活性密封劑的作用機(jī)理與血液在傷口處的凝結(jié)類似。密封劑在進(jìn)入竄流通道前處于液體狀態(tài)，在存在壓差竄流通道的點(diǎn)，配方中的單體和聚合物在配方中發(fā)生化學(xué)聚合交聯(lián)。反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，聚合交聯(lián)劑黏附在竄流通道上并不斷連接，同時(shí)密封整個(gè)竄流通道，聚合后的密封劑在竄流通道上呈纖維狀。如果不存在壓差，密封劑仍處于液體狀態(tài)，不會(huì)堵塞井眼。該方法已成功地在墨西哥灣、荷蘭、美國(guó)的路易斯安納州及哈薩克斯坦、澳大利亞進(jìn)行了應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該方法成功率

53、高，成本低。5）遇油氣膨脹封隔器根據(jù)不同情況，可以在套管上安裝一個(gè)或幾個(gè)封隔器。封隔器隨套管下人，不需要坐封壓力，膨脹器遇油氣就會(huì)發(fā)生膨脹。在膠結(jié)不好的部位、竄流通道或微環(huán)隙，封隔器膨脹都會(huì)建立起良好的密封，來(lái)阻止層問(wèn)以及氣層到井口的竄流。遇油氣膨脹封隔器呵膨脹至其體積的兩倍，不但能封閉竄流通道，并且能承受壓差。未激活時(shí)，封隔器處于潛伏狀態(tài)，水泥環(huán)出現(xiàn)封隔失效時(shí)，工具遇油氣膨脹會(huì)自動(dòng)封閉竄流通道。第4章 實(shí)例計(jì)算，指導(dǎo)氣田安全生產(chǎn)某高溫高壓氣井完鉆井深5200m，地層孔隙壓力當(dāng)量密度1.65g/cm3 ，產(chǎn)層壓力72.8MPa。 該井的油層套管下深5000m ，油層套管和技術(shù)套管之間的環(huán)空中，水泥返高2000m ，水泥之上的環(huán)空中充滿液柱。圖4.1 是該高溫高壓氣井的井身結(jié)構(gòu)圖，下面以這個(gè)井為例子，對(duì)該井的油層套管和技術(shù)套管之間的密閉