海上生產管柱優化設計論文
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1生產管柱受力分析
1.1軸向應力
生產管柱的軸向應力應該包括管柱的自重、井內鉆井液的浮力、壓力載荷、彎曲載荷、沖擊載荷、溫度載荷、管柱屈曲以及管柱摩阻等因素的共同作用。
1.2軸向應力彎曲載荷
當管柱發生彎曲時，由于狗腿度所產生的彎曲應力會產生附加的軸向力，計算中考慮了彎曲應力產生的附加軸向力的影響。
1.3三軸應力
當三軸應力超過屈服強度時，就會引起管柱屈服失效。三軸安全系數是材料屈服強度與三軸應力的比值，只是為了與單軸破壞準則（屈服強度）進行比較而設立的一個理論值。
海上高溫高壓氣井生產管柱需要滿足氣井全壽命周期內壓力溫度的變化，同時需重點分析高溫高壓氣藏的應力敏感、井筒承壓能力、現有海上施工工藝的成熟度、海洋作業環境以及后期修井措施等問題，確保施工作業的順利進行、氣井開發的安全高產。陸地高溫高壓氣田常規射孔生產聯作一趟下入的管柱形式能否滿足海上氣田生產和修井要求，還需進行進一步分析。以東方氣田D2井為例，對一趟下入式和兩趟下入式生產管柱分別進行了深入的分析。東方氣田D2井的目的層為黃流組，壓力因數1．50～1．93，地溫梯度4．17℃／100m，完鉆井深3358m，177．8mm（7in）尾管回接完井。
2.1井筒溫度預測分析
利用Wellcat軟件對洗井結束、開始生產、開始生產后關井、生產1a后、生產10a后這5種工況的井筒溫度進行了預測和分析。由于地層與井筒和井筒內流體的傳熱作用，隨著深度的增加，流體和井筒的溫度是增加的，并最終趨向于井底的地層溫度。開始生產時從井口到井底的溫度變化是最小的，但是溫度是最高的。生產10a后井口溫度明顯降低，這是由于長時間生產造成地層壓力降低導致產量降低，并最終導致井口溫度明顯降低的顯著原因。
2.2射孔生產聯作一趟下入式生產管柱受力分析
D2井射孔聯作一趟下入式生產管柱。基于以上5種工況下的井筒溫度分布，利用Well－cat軟件分別計算了初始狀態、管柱下放、生產封隔器坐封、環空打壓驗封、過提、管柱內加壓射孔、生產初期、穩定生產期、關井、油管掏空、油管泄漏等不同工況下生產管柱的受力情況。
2.3射孔生產聯作兩趟下入式生產管柱受力分析
考慮到氣藏的高壓特性和海上作業的安全風險，生產管柱若采用上部封隔器一道密封難以保證長期生產的井筒完整性，一旦封隔器密封失效，油套管環空連通，井筒全部充斥高壓氣，事故風險極高。所以，推薦D2井采用兩趟下入式生產管柱，雙封隔器坐封，形成兩道環空屏障，保障井筒安全，管柱類型為射孔聯作式生產管柱。第一趟管柱利用鉆桿將射孔槍送入井底，送入到位后坐封頂部封隔器，脫手。第二趟下入生產管柱，下部插入密封，再投堵坐封生產封隔器，然后管柱內加壓射孔。該管柱類型的主要特點是射孔管柱和生產管柱需要兩趟下入工序，完井工期相對多，射孔作業后，射孔槍留在井內；但對于氣井長期生產管柱設置雙重密封，井筒安全更可靠。后期壓力衰竭，上提上部生產管柱進行修井操作，簡單易行。基于5種工況下的井筒溫度分布，計算多種可能工況下生產管柱的受力情況。分析結果表明在各種工況條件下的生產管柱強度校核均可以滿足設計要求。管柱內加壓射孔工況下生產封隔器以上管柱受拉，以下生產管柱受壓，兩封隔器之間管柱受壓最為嚴重，井口受拉最為嚴重。加壓射孔時管柱強度安全系數大于臨界安全系數，此時軸向安全系數為1．661，接近臨界安全系數。因此在這一工況操作時，要嚴格注意封隔器有可能發生解封以及油管破壞的風險。
2.4環空密閉空間流體膨脹分析
D2井生產管柱上部采用油管攜帶式封隔器，下放至2651m；下部采用插入密封式封隔器，下放至2920m（兩者之間相差269m）。這樣出現了封隔器以上的油套環空和兩個封隔器之間兩個密閉區域。以下對環空密閉空間流體膨脹情況進行了分析。由環空密閉空間溫度變化引起密閉壓力變化結果：區域1（0～2651m），環形空間由于溫度升高引起的圈閉壓力為69．8MPa，可以在生產過程中通過井口放壓控制壓力；區域2（2651～2920m），密閉環空流體膨脹壓力上升19．20MPa，通過強度校核，發現流體膨脹不會對油管及封隔器產生破壞。常規射孔生產聯作一趟下入式管柱和兩趟下入式生產管柱形式在不同工況條件下均能夠滿足海上氣田開采要求，但考慮海上作業條件和風險承受能力，并結合后期井筒安全保障和修井作業難度，推薦海上高溫高壓氣田采用射孔生產聯作兩趟下入式生產管柱。
3認識與建議
1）油管和井下工具應根據地層壓力、流體性質及產能情況進行優化設計，滿足井下溫度和壓力的要求，同時確保在高溫高壓的地質條件下滿足生產的需要。在滿足安全和工程需要前提下，高溫高壓氣井盡量減少井下工具數量。
2）高溫高壓氣藏采用生產射孔聯作管柱，在采氣井口安裝到位后，管柱內加壓射開地層，可以消除井筒作業過程中的井漏、噴、涌等風險，直接投產，減少了壓井作業和誘噴程序。
3）由于海上嚴苛的作業條件、風險承受能力和后期修井操作難度，推薦采用射孔生產聯作兩趟下入式生產管柱，最大程度地保證高溫高壓氣井的井筒完整性。生產管柱需要考慮井筒溫度變化，分析多種工況下的受力情況，并進行強度校核，同時對于現場實際操作提前做出一定的警示作用。
作者：文敏 何保生 王平雙 孫騰飛 曹硯峰 范志利 單位：中海油研究總院
