深水水下井口抬升预防方案研究

庞东豪

（中海油能源发展工程技术公司，天津 300450）

油气井在勘探开发过程中，地层油气水流将井底的热量携带至井口，导致井口管柱受热膨胀伸长并形成轴向上顶力。同时圈闭流体温度升高，造成圈闭压力，井口管柱在圈闭压力条件下也会产生轴向上顶力，进而造成井口抬升，对油气井生产造成重大安全隐患[1-8]。井口抬升现象严重影响了油气井正常生产作业，与生产过程中产生的复杂的温度变化和压力变化密切相关[9-11]。

1 主流水下井口系统

1.1 Vetco公司

Vetco公司的产品广泛应用于世界各地，生产水下井口系统的开始时间较早。该公司的水下井口系统主要有2种结构，分别可以挂四层和三层套管，“四挂”比“三挂”增加了非传统尺寸套管挂，钻井作业可以适应更多的套管层次和更小的压力窗口。

该公司的产品主要有SG-5、SG-5XP、MS-700和MS-800等不同系列。

1.2 Dril-Quip公司

Dril-Quip公司产品同样广泛应用于世界各地，在南中国海的深水油气勘探开发生产作业中应用较多。该公司的水下井口系统的额定工作压力有69 MPa和103.5 MPa，在不同海洋环境中均可以很好地完成钻完井作业。该公司的产品主要有SS-10和SS-15等不同型号。SS-15高压井口头结构如图1所示。这2种型号的水下井口系统，主要是强度和适合水深不一样，SS-10的额定压力为69 MPa，SS-15的额定压力为103.5 MPa，SS-10更适合浅水钻完井作业，SS-15更适合深水钻完井作业。

图1 SS-15高压井口头结构示意图

1.3 FMC公司

相比较于前两家公司，FMC公司的产品有如下特点：（1）安装密封没有额定扭矩的要求；（2）作业过程中的起下钻次数较少，因为其下放工具集合成了模块；（3）起下难度较小，受井口倾斜角的限制较小；（4）安装快，钻完井效率更高。

该公司的产品主要有UWD-15、UWD-10和UWD-HC等型号，HC型号又包括HC-15和HC-20等不同压力等级，15型号也包括标准型、带流道型和预载荷型等不同产品。

1.4 Aker公司

Aker公司的产品最主要特点是采用了金属密封，其主要优点是：（1）密封总成可承受载荷较高；（2）套管受力可以直接作用于高压井口头；（3）环空密封锁紧装置设计成2个方向锁紧，更适用于深水或高压油气井的勘探开发。

该公司的产品主要是S-B型水下井口系统，额定压力是103.5 MPa。

2 预防井口抬升监测和预测

为了有效防止井口抬升事故的出现，必须对可能产生井口抬升的种种迹象进行监测或预测。井口产生明显的轴向位移、井口的温度明显升高和气井产量较大以及环空压力升高都是较为敏感的影响因素，密切监视这些敏感因素或在作业前的设计阶段进行软件仿真模拟预测，都是减小井口抬升风险的有效方式[12-15]。

2.1 水下井口应力数据采集

在陆地油田或海上作业的水上井口，井口抬升产生的轴向位移的跟踪监测通常可以用现场可视化甚至人工的方式进行，较为常见的方式是在位移敏感部件参照物上标识刻度、安装位移传感装置或安装位移监测警报系统，当井口的轴向位移超过某一边界值，即视为井口抬升风险过高，需要进行必要的应对。

而在海上深水作业或浅水水下作业工况下，采取上述方式不经济甚至无法完成。较为可行的方式是采集和监测井口的应力，再用配套的软件对采集到的应力进行受力分析，当受力超过某一边界值，即视为井口抬升风险过高，即启动相应的处理程序。

2.2 水下井口温度数据采集

油气井生产过程中，如果地层温度较高，产出的地层油气水流携带的热量会逐步加热井口及附近的管柱。通常情况下，未进行固井水泥封固的套管自由段的轴向伸长和相应的上顶力是造成井口抬升的敏感因素。而温度升高造成的环空压力升高，其轴向的分力也会产生上顶力，对井口抬升形成部分诱因。

如果把套管自由段的轴向伸长和环空压力看作抬升上顶力的自变量，把上顶力看作井口抬升风险边界值的自变量，而井口温度就是套管轴向伸长和环空压力的自变量，所以水下井口温度数据的采集则是减小井口抬升风险的有效方式。

2.3 产量和环空压力数据采集

如上所述，环空压力可能间接造成井口抬升。如果未产生环空压力的影响（即环空压力产生的轴向上顶力接近0），产量较大时可能发生井口抬升，因此需要密切监测产量；如果存在环空压力时，生产过程中的井口抬升风险同时受到产量和环空压力影响，因此需要充分评估和统筹考虑产量和环空压力的综合影响。

对于深水水下井口系统，只有A环空的环空压力可以监测和控制，水下生产系统A环空压力管理方式，如图2所示。实际作业过程中需要结合不同工况进行分析计算，结合实际产量进行井口抬升风险评估。

图2 水下生产系统A环空压力管理方式

2.4 软件仿真模拟预测

评价和减小井口抬升风险，是海上深水水下生产系统作业设计阶段不可或缺的内容。通过软件进行建模，然后对没有环空压力管理及井口抬升预防措施进行可行性分析，继而对不同产量、不同地层温度压力和不同环空压力管理方式进行敏感性分析，充分评估井口抬升的风险，进而在设计阶段采取不同的方案进行防范，以达到安全高效生产的目的。Workbench平台下有限元模拟分析的数据关联如图3所示。

图3 Workbench平台下有限元模拟分析的数据关联

3 水下井口抬升预防方案

3.1 保证表层套管下深和上返

水下井口抬升的预防，首先需要防止整体抬升，而大尺寸的导管和表层套管有决定性的影响。表现在导管和表层套管本身的重力较大，可以部分克服中间套管和生产套管受热伸长产生的上顶力。其次，大尺寸的导管和表层套管与井壁的接触面积较大，轴向摩阻可以很大程度减小井口整体抬升的风险。

而导管的入泥深度受到浅层地层强度的影响，同时需要考虑井口稳定性，其下入深度通常受到限制。而表层套管下入深度较大，且水泥返高尽量上返至泥线并保证固井质量，一方面可以增加轴向的摩阻，另一方面可以减少套管自由段造成的轴向上顶力，进而降低水下井口抬升的风险。

3.2 安装套管热补偿装置

在高温高压气井生产过程中可以采用套管热补偿装置来避免由于套管温度升高所带来的井口抬升而引起的危害。热补偿装置的工作原理是当套管受热伸长产生轴向力，轴向力达到一定边界值时剪断销钉，中心管和外管产生相对位移，从而减小套管的轴向伸长。在海上深水作业中，日趋成熟的配套技术，让这项陆地应用成熟的技术应用到海上深水成为可能。

3.3 限定测试或生产产量

如前所述，海上探井的测试产量或生产井的生产产量较大时，携带地层的热量更快更多，可能发生井口抬升，需要密切监测产量；而产量较大可能造成环空压力升高，进而间接升高井口抬升风险，生产过程中的井口抬升风险受到产量影响最大。因此，需要严格控制探井测试和生产井生产的产量。

3.4 使用隔热技术

在深水水下生产系统生产过程中，井口抬升的原因归根结底是地层热量携带至井口，并在井口附近传递热量，继而造成热膨胀产生了轴向的上顶力。如果在油套环空试用隔热完井液，最大程度地减小热传递，则可有效避免井口抬升的发生。

另外，使用隔热套管、隔热水泥材料，充填隔热气体、隔环空保护液等措施也是很好的隔热措施，不过材料成本较高，限制了其应用和推广。隔热油管及结构示意图如图4所示。

图4 隔热油管及结构示意图

3.5 减少套管自由段

相对于套管的水泥封固段，套管自由段的轴向上顶力和伸长量更大。在预防海上油气井井口抬升时，可以在设计阶段提高水泥返高，特别是表层套管，因为尺寸较大继而相应的自由段受热上顶力更大，从而更需要减少套管自由段，没有特殊情况下，应尽量返高到泥线。中间套管和生产套管的水泥返高，应统筹考虑环空圈闭压力的影响，避免水泥返高过高导致的环空压力过大。

3.6 提高固井质量

类似于上述减少套管自由段的理论，相对于套管的水泥封固段，套管自由段的轴向上顶力和伸长量更大。套管水泥环胶结质量不好的比例越大，相当于自由段套管长度越长，井口抬升的风险越大，因此应该尽量保证套管的固井胶结质量。

3.7 使用水下井口防抬升锁紧环

带锁紧环的深水水下井口系统包含高压井口头、套管挂（套管挂个数根据套管层数确定）、环空密封（本体及锁紧环）、锁紧补心装置（本体、驱动环及锁紧环），紧邻锁紧补心的套管挂上端面与锁紧补心本体接触，锁紧补心下端面与紧邻套管挂不接触，存在缝隙。水下井口防抬升锁紧环结构示意图如图5所示。

图5 水下井口防抬升锁紧环结构示意图

环空密封的锁紧环座于高压井口的限位槽内，锁紧补心的锁紧环座于高压井口的锁紧槽内，从而限制套管挂上移，达到预防井口抬升的目的。水下井口防抬升锁紧环实物图如图6所示。

图6 水下井口防抬升锁紧环实物图

4 结论

（1）世界范围内，主流水下井口系统的生产商包括Vetco公司、Dril-Quip公司、FMC公司和Aker公司等。

（2）预防井口抬升监测和预测方式，包括井口位移监测、井口温度监测、产量及环空压力监测和软件仿真模拟预测等。

（3）水下井口抬升预防方案，包括保证表层套管下深和上返、安装套管热补偿装置、限定测试或生产产量、使用隔热技术、减少套管自由段、提高固井质量和使用水下井口防抬升锁紧环等。