黄小龙1德1田瑞瑞1刘正礼2叶吉华2 方满宗3张星星1严
( 1．中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司;
2．中海石油( 中国) 有限公司深圳分公司; 3．中海石油( 中国) 有限公司湛江分公司)
摘要针对深水井测试及生产过程中套管环空圈闭压力增加导致套管挤毁和破坏的问题，建立了环空圈闭压力计算模型，利用平面应变问题的基本方程和拉梅方程对环空圈闭段套管应力、应变和位移进行了求解，分析了油藏与海底温度、流体性质与生产流速、井身结构与套管材质以及固井水泥返高等因素对环空圈闭压力的影响。在此基础上，对目前国际上采取的环空圈闭压力控制技术进行了分析，认为安装破裂盘和使用可压缩泡沫材料这 2 种技术方案可有效控制深水套管环空圈闭压力，确保深水油气开发井筒完整性和作业安全性。
关键词深水; 套管; 环空; 圈闭压力; 破裂盘; 可压缩泡沫材料
随着我国深水油气勘探开发战略的逐步推进，深水井测试及生产过程中的一些安全问题引起了人们的高度关注。深水油气田测试过程和生产初期，由于地层流体温度高达100℃以上，而海床温度仅为2 ～4℃，两者相差大，在油气测试或生产时可以使井口各层套管间环空圈闭流体受热膨胀而产生很大的
附加压力载荷，严重时将挤毁或胀裂套管，给生产作业带来严重的安全隐患［1-3］。国内外有不少工程技术人员和专家学者对陆地和浅水高温高压井因温度升高引起的附加载荷进行了研究，而对于深水套管环空圈闭压力引起的附加载荷作用机理和控制技术研究较少，主要集中在对现场管理措施进行简单的论述，缺乏理论支撑［4-6］。陆地及浅水干式井口套管环空圈闭压力泄压措施相对容易实施，而深水湿式井口采用水下测试树和采油树导致环空圈闭压力控制技术难度大。因此，研究套管环空圈闭压力控制技术对于深水油气测试和生产作业非常重要。笔者通过对套管环空圈闭压力力学理论模型、环空圈闭压力影响因素和附加载荷计算方法进行研究，对比分析多种深水套管环空圈闭压力控制技术，以期为我国深水油气开发环空圈闭压力管理提供借鉴。1
1. 1
模型建立
力学模型
深水井测试和生产时采用水下测试树和采油树，测试或生产过程中储层热流体通过油管流动到井口装置，热流体在油管流动过程中会对油管、套管和水泥环进行加热，同时将热量传递到地层中去。图1为深水开发井生产过程中井筒热传递示意图，
图1 深水开发井生产过程中井筒热传递示意图
* “十二五”国家科技重大专项“深水钻完井及其救援井应用技术研究( 编号: 2011Z X05026-001-04)”部分研究成果。
第一作者简介: 黄小龙，男，2003 年毕业于东北石油大学地质工程专业，中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司总经理，主要从事深水及超深水井钻完井管理及技术研究工作。地址: 广东省深圳市南山区蛇口工业二路一号海洋石油大厦B 座14 楼( 邮编: 518067) 。电话: 0755-********。E-ma il: huangx l@cnooc．com． cn。
62
中 国 海 上 油 气
2014 年
设油管与生产套管间圈闭空间为环空 1，生产与技 术套管间圈闭空间为环空 2，技术与表层套管间圈 闭空间为环空 3。
如图 1 所示的 339. 73 m m 技 术套管，其环空 段受到内外流体热膨胀压力作用而产生应力、应变 和
位移，这将对套管强度设计和校核产生影响。由 于水下采油树的重力作用，套管的纵向变形受到限 制，若忽略轴 向 应 变，其受力情况即为平面应变问 题。如图 2 所 示，设技术套管内径为 d ，外 径 为 D ， 受到
的内压为 Q ，外压为 q ，利用弹性力学中平面应 变问
题的基本方程和拉梅方程可对其进行分析和研 究
［7］
。
在平面 应 变 问 题 中，采用圆柱坐标系，径 向 距离、方位角和高度分别用 r 、θ 和 z 表示; 非零应力 分量
有径向、方位角和切向 3 个，分别用 σr 、σθ 、τr θ 表示; 非
零应变分量有径向、方位角和切向 3 个，分 别用 εr 、εθ
、εr θ
表示; 非零位移分量有径向和方位角 2 个，分别用 u r 和 u θ 表 示。这些参数满足几何方 程、平衡方程和本构方程，如公式( 1) ～ ( 3) 所示。 本构方程:
= 1 +
v ［( 1 － v) σ ⎧ε v σ ］ r － r θ E 1 + v
⎪
⎪ ⎨εθ ⎪ ( 3)
= ［
( 1 － v) σθ － v σr ］ E ⎪ 1
+ v = ⎩εr θ τr θ
E 式( 1) ～ ( 3) 中: E 和 v 分别是材料的弹性模量和泊 松比。套管属于厚壁圆筒，内外边界为受均布载荷
的环形 区 域，是一个轴对称问题，边 界 条 件 如 公 式 ( 4) 所示。 {
r = d ，σr － Q ，τr θ = = 0 = 0 ( 4) r = D ，σr － q ，τr θ
= 联立方程( 1) ～ ( 4) ，可求得技术套管受内外环 空作用下的应力、应变和 位 移，如 公 式 ( 5) ～ ( 7) 所 示。 d 2 D 2 D 2 d 2 ( 1 － 2 )
q ⎧σr － ) Q + = D 2 － d 2 r 2 D 2 － d 2 ⎪ r
⎪ d 2
D
2 D 2 d 2 r 2 D 2 － d 2 ( r 2 )
) Q + 1 + q
( 5)
⎨ = ( 1 + D 2 － d 2 σθ ⎪ ⎩ = 0
τr θ d 2
1 + v [
2 2 (
1 － 2v + D － d D
2 r 2 Q + εθ
= E d 2 d 2
D 2 － d 2 (
1 － 2v + r
2 )q
]
( 6) ( 1 + v ) r 2 u = u r
= r εθ
= ［( 1 － 2v) ( d Q + E( D 2 － d 2 )
2 2 D 2
q) + d D
( Q + q) ］ ( 7)
r 2
1. 2 计算模型
环空圈闭压力计算的基础是 PVT 状态方程，对 该方程求偏微分得到公式( 8) ，即
图 2 环空圈闭套管力学模型示意图
几何方程:
αl 1
1 Δp = ΔT － ΔV an + ΔV l ( 8)
κT κT V an κT V l
u r
1 u θ ⎧ ⎪εr
⎪ ⎨εθ =
式( 8) 中: Δp 为环空压力附加量，MPa; κ 为环空流
T 体等温 压 缩 系 数，1 / M P a; α 为 环 空 流 体 热 膨 胀 系 u r
l ( 1)
= +
数，1 / ℃ ; V 为环空体积，m 3 ; ΔV 为环空体积变化 r 1 u r θ ⎪
an an
3 3 ⎩εr θ 2 (
1 )
r 量，m ; V l 为环空内流体体积，m ; ΔV l 为 环 空 内 流 体体积变 化 量，m 3
。由 于 套 管 环 空 为 密 闭 空 间，环 空内流体体积无变化，因 此 ΔV l = 0。另 外，套 管 环 空流体等温压缩系数 κT 和热膨胀系数 αl 取决于流
体的类型。
由公式( 8) 可 知，在环空流体类型和性质确定
的情况下，环空圈闭压力的大小主要取决于环空温
u θ u θ
公安部迎来最年轻副部长⎪ = + － r
r θ 平衡方程:
{
τr θ + 1 σθ + 2τr θ σr + τr θ + σr － σθ 1
= 0
r
r r θ ( 2)
= 0
r
r r θ
第 26 卷 第6 期
黄小龙等: 深水套管环空圈闭压力计算及控制技术分析 63
度和环空体积的变化量。国内外已有不少文献对井 筒热传递及温度场模型进行了分析，环空温度的计 算可参考文献［
8］、［9］中给出的模型。对于环空体 积的变化量，如图 1 所示的环空 2，需要考虑套管径 向热膨胀效应、套管径向压缩效应、环空流体热膨胀
效应和环空流体压缩效应等 4 个因素的影响［4］
。
1) 套管径向热膨胀效应。环空 2 中生产套管
因温度升高将发生径向热膨胀，从而使得环空 2 的 体积减小，由温度变化引起的法向位移 S v 为
影响因素分析
深水套管环空圈闭流体受热膨胀产生压力，其 压力值的大小主要受到了以下因素的影响:
1) 油藏初始温度和海底温度。油藏初始温度 和海底温度对环空流体在深水井测试或生产阶段所 受到
的热量值有重要影响，套管环空压力与油藏初 始温度成正比，如在尼日利亚 AKPO -130 区块深水 井的计算中，油藏初 始 温 度 升 高 20℃ 时，环 空 压 力 增加了 20 MP a 。如果实际油藏温度比计算采取 的 温度高，将造成实际的环空压力值比初始计算值高， 对作业安全不利。
2 1 + μ b 2
－ a 2 S v = αΔT
1 － μ
( 9)
2b 式( 9) 中: μ 为钢的泊松比; α 为钢材的热膨胀系数， 1 / ℃ ; a 为套管内半径，m; b 为套管外半径，m; ΔT 为 套管环空 2 温度变化量，脊灰野病毒
℃ 。 由此引起的环空 2 体积减少量 ΔV 1 为 2) 流体性质及生产流速。密闭环空内不同性 质的流体由于其热膨胀系数( α) 和压缩系数( κ) 不 同，在受热时产生的压力差别很大，即使是同一性质 的流体，其某一种物质含量不同也会导致温压特性 不同。2003 年 W illi ams o n 和 S anders 在室内对水基 2
ΔV 1 = π( 2bS v + S v ) Δx
式( 10) 中: Δx 为自由段套管长度微元，m 。 ( 10)
2) 套管径向压缩效应。生产套管外表面因环
空压力增加将产生径向位移 S r ，即
3 钻井液、合成基钻井液、油基钻井液、1. 38 g / c m 和 3 1. 62 g / c m 盐水钻井液等 5 种不同的环空流体进行 了温度压力实验，结果表明在封闭容器中初始压力 为 13. 8 MP a 、温 度 为 26. 7℃ ，升 温 到 90℃ 时，容 器 中各种钻井液产生的压力不同，其中盐水钻井液的 变化相对较大，盐水、合成基和油基钻井液对温度的 敏 感 性 逐 渐 降 低，这与流体自身的压缩性质相
( 1
+ μ) ［α2 + 2( 1 － 2μ) b 2］ S r = － b Δp
( 11)
E( b 2 － a 2 ) 由此引起的环空 2 体积增加量 ΔV 2 为 2
－
－ S ) 2
］
Δx ( 12) ΔV 2 = π［
( b + S v ) ( b + S v r 3) 环空流体热膨胀效应。环空 2 中流体因温 度升高引起的体积膨胀量 ΔV 3 为
［10］ 2 2 ΔV 3 = αl π( a l － b ) ΔT Δx
式( 13) 中: a l 为技术套管内半径，m 。
( 13)
关 。环空中流体 热膨胀系数和压缩系数可通过
实验测量获得，大多数情况下其热膨胀系数与压缩 系数的比值近似取当时水的热膨胀系数与压缩系数 的比值。0. 1 MPa 时不同温度条件下水的热膨胀系 4) 环空流体压缩效应。设环空流体体积模量 为 E c ，则环空 2 中压力升高引起的环空流体体积压
缩变化量 ΔV 4 为
［11］
数和压缩系数见表 1
。
π 2 2
=
E ( a l
－ b ) Δp Δx ( 14)
ΔV 4 表 1 0. 1 MPa 时不同温度条件下水的热膨胀系数和
压缩系数［11］
c 因此得到环空 2 总体积变化量 ΔV an 为
热膨胀系数与 压缩系数的比值 / ( 0. 1 M P a ·℃ － 1 )
( 15)
ΔV an = ΔV 2 + ΔV 3 － ΔV 1 － ΔV 4
温度 /
℃ 热膨胀系数 / ( 10 － 6 ℃ － 1
) 压缩系数 /
( 10 － 5 MPa － 1 )
将公式( 15) 代入公式( 8) 中，即可求得环空圈
闭压力附加值。
上述公式推导中仅考虑了环空 2 温度升高引起 的体积变化对其圈闭压力的影响，如图 1 所示; 而环 空 1 和环空 3 温度升高时体积变化也会对环空 2 的 体积变化产生影响。因此，在计算环空 2 的圈闭压 力时须定量综合考虑环空 1 和环空 3 的体积变化对 环空 2 体积变化的影响，这是一个复杂的迭加运算 过程，具体计算时可借助计算机编程实现。
10 20 30 40 50 60 70 80 90
88. 0 206. 8 303. 2 385. 3 457. 6 523. 1 583. 7 641. 1 696. 3
478 459 448 442 442 445 452 461 477
0. 18
0. 45 0. 68 0. 87 1. 04 1. 18 1. 29 1. 39 1. 46
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中 国 海 上 油 气
2014 年
从表 1 可以看出，热膨胀系数与压缩系数的比 值随着温度的升高有一个很大的变化，
80℃ 时的比 值大约是 10℃ 时的 8 倍。也就是说，环空圈闭压力 随着温度的增加而快速增加。 同时，生产流速对环空圈闭压力的影响也较大。 在油井生产的后期，产液中水的比例将不断的升高， 而水的导热能力强，若保持原来的生产流速，将进一 步造成环空流体温度的升高。
3) 井身结构和套管柱材质。深水井套管圈闭 环空存在的形式和位置与井身结构有密切的关系， 井身结构设计直接影响套管环空的位置和大小。环 空段套管柱受内外流体压力的影响将产生变形，从 而引起环空体积和流体压力的变化。此外，不同材 质的套管柱在受温度的影响下其热膨胀系数不同， 如 N80 材质的套管在温度 100℃ 时 热 膨 胀 系 数 是 50℃ 时的 3 倍。
4) 水泥返高。水泥返高直接影响套管圈闭环 空的长度 和 环 空 流 体 的 体 积。在实际的固井作业 中，水泥的返高与设计值可能相差很大，这将会对环 空圈闭压力的计算产生很大的影响，在水泥返高不 低于上层套管鞋的条件下，返高越低，环空压力值将 越大。
参数，破裂盘应该满足以下要求: ①套管破裂盘额定 工作压力要小于安装套管抗内压屈服强度; ②套管破 裂盘抗外压应大于安装套管本体额定抗外压值; ③破 裂盘额定破裂压力要低于内层套管额定抗外压值。
多维度
表 2 目前国际上采取的环空圈闭压力主要控制技术方案
技术方案 说明
钻井液上返于 上层套管鞋以下 探井中会带来作业风险; 开发井中可以考虑
采用，已有应用实例。
深水作业中常采用水下井口和防喷器组，水泥 上返到井口时有可能将防喷器组封固，影响 防喷器组功能，并会造成其与井口解脱困难。 当环空的压力达到一定数值时，套管柱上的 破裂盘发生破裂，释放压力。破裂盘的设计 承压能力有一定的限制，应该低于内层套管 的抗外挤极限，从而起到保护内层套管的目 的，应用广泛。 该方法是所有方法中最易实现的，但温度压 力载荷过高时存在不到合适套管的风险。 这种方法已得到广泛应用，在水深小于 300 m 的海上油井中有很好的应用效果。水深大于 300 m 时容易将玻璃球压破，故不适合深水。 当压力达到一定程度时，可压缩泡沫材料压 缩，增加了环空体积，从而使环空压力下降， 应用广泛。
水泥 上返到井口
设计排泄孔， 安装破裂盘
提高套管强度 环空内添加 空心玻璃球或者 注入可压缩液体 套管柱设计中 使用可压缩性 泡沫材料
3 控制技术分析
国外在深水套管环空圈闭压力控制技术方面涉 及较早。1999 年，英国石油公司在墨西哥湾 Marlin 油田开发过程中，生产初期就发生了几口井套管爆 破事故，损失巨大。从此以后，该问题引起了各大深 水开发石油公司的重视。2003 年，道达尔公司开发西
非某深水油田，由于该区域地温梯度高达 4. 3℃ / m ， 大约是墨西哥湾的 2 倍，环空压力管理问题尤
为突 出，该公司采取了多种技术措施对环空压力进行管 理。另外，加 拿 大 哈 斯基公司在南中国海荔湾 3-1 气田开发过程中也采取了破 裂盘环空压力控制技 术。目前国际上采取的环空圈闭压力控制技术方案
主要有 6 种［1，3，5-6，10］
，详见表 2。
由表 2 分析可知，适合深水井套管环空圈闭压
力控制的技术方案主要是安装破裂盘( 图 3) 和使用 可压缩性泡沫材料( 图 4) ，实践证明这 2 种技术方 案具有经济有效的特点，已得到广泛应用。
在安装破裂盘时，为保证作业安全，通常在套管 180°方向上安装 2 个泄压孔。根据套管程序及套管
图 3 安装有破裂盘的套管短节
巨型火球坠落台湾 连续爆燃图 4 安装有可压缩泡沫的套管
第 26 卷 第6 期
条件致病菌黄小龙等: 深水套管环空圈闭压力计算及控制技术分析 65
在套管外安装可压缩泡沫材料，这是目前深水井 中常用的一种减小由温度引起的套管附加载荷的方 法。其原理是在内层套管上安装一定数量的可压缩性 泡沫材料，当环空压力增加到一定程度时，可压缩泡沫 材料开始变形，产生一定的流体膨胀的空间，从而致使 环空压力降低。可压缩泡沫材料采用模块化的方式安 装在内层套管上，考虑到下套管操作的方便，可压缩泡 沫模块只安装在套管本体，套管接头部分不安装。
南海西部某计划作业的深水井，水深 1 500 m ， 井深 3 600 m ，地 温 梯 度 4. 5℃ /100 m ，海 底 温 度 4℃ ，井底温度 100℃ 。经计算分析，在 50 万 m 3
测 试产量条件下，该井 339. 73 m m 技术套管抗外挤 安全系数 0. 985，小于标准值 1. 000 ～ 1. 125，不能满 足作业要求。最终该井采用在 339. 73 m m 技术套 管上安装破裂盘和在 244. 48 m m 生产套管安装可 压缩泡沫的方式来控制技术 套管内的圈闭环空压 力，满足了安全生产要求。
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［11］
收稿日期: 2014-02-13 改回日期: 2014-
05-20 ( 编辑: 孙丰成)
Ｒesea r c h on calculation of casing annulus t r apped
p r ess u r e and its cont r o l tec hniques f o r
deep w ate r w e ll
Huang Xi a o l o n g
1
Yan De
1
Tian Ｒu i ru i
1
Liu Zhen g li 2
Ye Ji hua 2 F an g Manzong 3
Zhang Xi n g x i n g 1
( 1． C N OOC E n e r T e ch -D r illi ng ＆ P r o duct i o n C o m p any
Shenzhen B ranc h ，Guangd o ng ，518067; 2． Shenzhen B ranch of CNOOC L td ． ，Guangd o ng ，518067; 3． Z hanj i ang B ranch
of CNOOC L td ． ，Guangd o ng ，524000)
A bst r ac t : Ai m i n g to t he deep w at er well c as i n g c o l -
l aps e fracture and destroy pr o b l ems due t o t he ra i s i n g of cas i n g annu l us trapped pressure dur i n g the pr o duc - t i o n and t es t i n g o pera t i o ns ，t he c a l cu l a t i o n m o de l o f trapped pressure was es t ab li s hed ; the s t res s ，s t ra i n and d i sp l acemen t of t he c as i n g w i t h annu l us pressure
trapped were c a l c u l a t ed by us i n g the basic equa t i o ns of p l ane s t ra i n and lame equa t i o n ; and the influence factors on cas i n g annu l us trapped pressure were ana - l yzed ，i nc l
ud i n g the o il res erv o i r and s eabed t empera - t ures ，pr o duc t i o n fluid property and f l o w ra t e ，we ll pr o f il e ，cas i n g ma t er i a l and cement return he i g h t ．A nd on t h i s basis ，s everal t ec hn i ques adopt ed in t he w o r l d for c o n t r o lli n g c as i n g annu l us trapped pressure were contrasted and the resu l t s show that the rup t ure disk and c o mpress i b l e f oam t ec hn i ques can c o n t r o l t he c as i n g annu l us trapped pressure for deep water wells and ensure the we ll b o re i n t e g r i t y and o pera t i o n sec ur i - ty for deepwater o il and gas ex p l o ra t i o n and dev e l o p - men t ． K e y w o r ds : deep wa t er ; cas i n g ; annulus; t rapped pressure; rupture disk; c o mpress i b l e f oam ma t er i a l
4 结束语
套管环空圈闭压力是深水井勘探开发作业中需 要考虑的关键技术问题之一。利用平面应变问题的 基本方程和拉梅方程对环空段套管应力、应变和位移 进行了求解，进而分析了影响环空圈闭压力的主要因 素，包括油藏初始温度与海底温度、流体性质与生产 流速、井身结构与套管材质以及固井水泥返高。在此 基础上，分析了目前国际上采取的环空圈闭压力控制 技术，认为适合深水井套管环空圈闭压力控制技术方 案主要是安装破裂盘和使用可压缩泡沫材料，确保了 南海西部深水井油气测试及生产作业的安全。
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du ct i on by m anag i ng annu l ar -pressure bu il dup ［C ］． S P E
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