深水油气开采期间环空压力预测及释放机理研究

The temperature difference between hot flowing production and fluid in the sealed annular leads to the annular pressure buildup(APB). As the increase of high pressure high temperature offshore wells, the problem of APB is more important. The pressure increase could be very high, thereby endangering the well integrity and casing safety. In this project, we separate the wellbore into several parts according to the amount of annuli and then establish the semi-steady state wellbore heat transmission model. The semi-steady state APB prediction model is presented considering the ratio change between isobaric thermal expansion and the iso-thermal compressibility. Then establish the transient APB prediction models based on the transient wellbore prediction model and the volume change caused by the temperature and pressure change in the annuli. Finally, we design a test to validate both of the semi-steady state and transient APB prediction models..Meanwhile, we also focus on some APB mitigation methods through the test. Predicting the APB accurately is helpful to make some mitigation strategies in advance and sustain the well production.

深水油气井生产过程中，由于生产管柱内产出的高温地层流体和油管、生产套管以及各层套管之间的环空中低温液体温差较大，环空液体受热而使温度和环空压力上升。随着海上深水和高温油气井的逐渐增多，在石油开采过程中环空压力升高引起的安全问题将越来越突出，严重威胁井筒完整性、套管、油管安全以及油井的安全、可持续开采。首先根据不同井段环空数量不同引起的传热差异，分井段建立半稳态环空温度计算模型；考虑环空液体等温压缩系数和热膨胀系数随温度的非线性变化关系，建立半稳态环空压力预测模型。然后，建立深水油井生产过程中多环空瞬态环空温度模型，结合多层环空温度和压力耦合作用引起环空体积变化，建立瞬态环空压力预测模型。最后，通过设计试验，验证建立的半稳态和瞬态环空压力预测模型，并且研究和分析环空压力释放方法。准确掌握环空压力动态变化，有助于提前制定合理的压力释放措施，保证油井安全可持续开采。

本项目考虑不同井深处环空数量不同引起的传热差异，环空液体等温压缩系数和热膨胀系数随温度的非线性变化关系，建立油井生产过程中环空压力半稳态预测模型；针对半稳态环空压力预测模型生产初期计算结果偏高的情况，同时考虑环空体积变化对环空压力的影响，建立瞬态环空压力预测模型。基于环空压力计算结果，分析多层环空情况下，各层环空压力升高对井筒完整性和套管安全的影响，并最终制定相关的压力释放措施。项目的主要研究内容及结论包括：.（1）建立了深水油气井开采期间半稳态环空压力预测模型，从井筒周围地层的非稳态传热、井筒多环空半稳态温度预测、环空压力预测模型等方面对环空压力预测方法进行了研究，分析结果得出：半稳态环空压力预测模型主要针对环空热膨胀效应引起的环空压力升高，同时考虑不同井段环空数量的不同所引起的传热规律的差异；环空液体热膨胀系数与等温压缩系数之比α_l/K_T随温度呈非线性变化；各环空不同深度温度增量的不同，其对环空压力的贡献亦不相同。.（2）建立了深水油气井开采期间瞬态环空压力预测模型，分析了半稳态环空压力预测模型的不足之处、分井段建立了深水油气井开采期间瞬态环空温度预测模型、考虑环空温度和压力共同作用下环空体积的变化。.（3）研究了深水油气井开采期间环空温度和环空压力影响因素，实例分析得出：环空温度和环空压力在生产初期升高，随生产时间增加最终趋于稳定；油井产量通过对流换热系数和单位时间井筒内地层流体携带能量的大小来影响环空温度和环空压力，油井产量越高，环空温度和环空压力升高越急剧。.（4）研究了深水油气井开采期间环空压力释放技术，真空隔热油管技术、环空注氮气技术以及安装破裂盘技术分别通过降低油管内流体至环空热量的传递效率、增加环空介质的可压缩性以及释放环空中一定量的液体，降低环空压力；套管和油管外安装一层压缩性泡沫为受热膨胀的环空液体提供额外空间，可降低环空压力。