0 引言

在油水井生产过程中，固井后的作业(如试油、压裂和生产等)会引起井筒压力和温度的变化，导致井口各层套管间环空圈闭流体受热膨胀而产生附加圈闭压力，进而造成井筒完整性失效，严重时将使套管挤毁或者胀裂，给生产带来严重的安全隐患^[1-3]。国内外学者分别从不同角度研究了环空圈闭压力的作用机理及控制方法。R.F.VARGO等^[4]从现场管理措施的角度出发，论述了1999年英国石油公司在墨西哥湾Marlin油田开发的几口深水井生产数小时后的套管坍塌事故，认为生产热效应造成的圈闭压力是事故发生的主要原因。部分学者从理论角度出发，建立了高温高压油气井井筒温度变化导致的套管附加载荷计算模型，模型考虑了套管的温度效应、膨胀效应、屈曲效应和流体的热膨胀效应、体积压缩效应等因素，为现场管理提供了理论支撑^[5-8]。周波等^[9]分析了深水井筒环空圈闭压力的影响因素，结合环空圈闭介质温度和压力特性室内模拟试验，提出了环空注氮气控制圈闭压力的方法。

但这些研究大多从现场管理措施以及理论模型的角度出发，而对于采用全尺寸水泥环密封完整性试验装置模拟环空圈闭压力还未见相关报道。本文从室内试验的角度出发，采用全尺寸水泥环密封完整性试验装置模拟了环空圈闭压力的影响因素，运用气窜试验测试了环空圈闭压力对水泥环密封完整性的影响，并提出一种套管内采用硅酸铝复合隔热涂料控制圈闭压力的新方法。经验证，该方法可有效减少井筒内热量传递，保障井筒完整性。

1 圈闭压力计算模型 1.1 圈闭压力存在形式

环空圈闭压力是指套管环空圈闭介质受温度升高影响发生膨胀而产生的附加压力，其主要存在形式分为3种(见图 1)：第一种是固井作业时水泥浆不上返至井口，形成较长自由段套管环空；第二种是注水泥阶段水泥浆由于各种原因没有完全替换掉隔离液；第三种是由于固井质量较差，在套管之间形成部分环空。

1.2 计算模型

在油气生产阶段，环空圈闭流体会因热膨胀而导致圈闭压力迅速增加。P.OUDEMAN等^[10-11]描述了导致圈闭压力增加的3个因素，相关公式如下：

(1)

式中：Δp为环空压力附加量，MPa；α₁为环空流体热膨胀系数，1/℃；κ_T为环空流体等温压缩率，1/MPa；V_a为环空体积，m³；ΔV_a为环空体积变化量，m³；V_l为环空流体体积，m³；ΔV_l为环空流体体积变化量，m³；ΔT为环空温度变化量，℃。

固井后环空为一个封闭系统，因此环空内流体的体积恒定，故环空流体的体积变化量ΔV_l为0。因为环空流体的类型决定了环空流体的性质，所以在环空流体类型确定的情况下，环空流体热膨胀系数α₁和等温压缩率κ_T不变，由公式(1)推导出影响环空压力附加值的主要因素为环空温度以及环空体积的变化量。许多国内外学者已经对井筒热传递及温度场理论模型进行了深入分析，其中有很多环空温度变化的计算模型^[12-13]可供参考。而环空体积变化量的理论模型需要考虑4个因素的影响，即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^{[7, 14]}。

1.2.1 套管径向热膨胀效应

由于温度升高，生产套管将会受到径向热膨胀影响，从而减小B环空体积。由温度变化引起的套管径向位移S_r1和法向位移S_v分别为：

(2)

(3)

式中：μ为套管泊松比；α为套管热膨胀系数，1/℃；a为套管内半径，m；b为套管外半径，m；ΔT为套管B环空的温度变化量，℃。

由套管径向热膨胀效应引起的B环空体积减少量为：

(4)

式中：Δx为自由段套管长度微元，m。

1.2.2 套管径向压缩效应

由于B环空压力的增加，生产套管外壁会产生径向位移S_r2，即有：

(5)

由套管径向压缩效应引起的B环空体积增加量为：

(6)

1.2.3 环空流体热膨胀效应

由于温度升高引起的B环空中流体体积膨胀量为：

(7)

式中：β₁为技术套管内半径，m。

1.2.4 环空流体压缩效应

由B环空中压力升高引起的环空流体体积压缩量为：

(8)

式中：E_c为环空流体体积模量。

B环空总体积变化量为：

(9)

利用式(1)、式(4)、式(6)、式(7)和式(9)即可求得环空圈闭压力附加值Δp。

2 环空圈闭压力模拟试验 2.1 试验装置及力学参数

采用一套与实际井段中套管和水泥环相同尺寸的试验装置进行研究。该装置可用于测量不同条件下的水泥环密封完整性。试验装置如图 2所示。

试验组合体尺寸及力学参数如表 1所示。

2.2 试验流程

首先按照水泥:细砂:水为1.0:3.0:0.5的比例配置地层，并养护7 d。待地层养护完成后，组装试验装置。然后配置水泥浆，本次模拟试验选用南海抗高温固井水泥浆体系为试验材料，密度为2.35 g/cm³。将水泥浆组分充分混合后倒入密封模拟评价装置的环空间隙，待水泥浆返至顶部20 cm处，加入钻井液充满环空间隙。最后在套管内注入导热油，密封试验模具，并按试验方案进行养护。

2.3 钻井液类型对圈闭压力的影响

油藏初始静态温度、地层流体类型、生产流速、井身结构和水泥浆返高等决定了环空圈闭压力的大小。其中，环空圈闭流体的热膨胀效应和压缩效应是环空压力的关键影响因素^[14-16]。本文通过全尺寸仿真试验，测试了套管圈闭环空内水基钻井液、合成基钻井液、油基钻井液、密度1.38 g/cm³和1.62 g/cm³的盐水钻井液等5种不同环空流体的温压变化关系，并通过气窜试验，分析了圈闭压力对水泥环密封完整性的影响规律。

根据南海东方区块某井现场数据，确定试验养护环境为地层围压35 MPa，套管压力20 MPa，养护温度100 ℃，养护时间3 d，记录环空圈闭压力p₁；升温至储层温度150 ℃，记录环空圈闭压力p₂。测试结果显示，圈闭压力p₁在水泥浆凝固阶段已经开始逐渐增加，持续至12 h后达到平衡(见图 3)；待水泥浆养护3 d后，升高温度，圈闭压力p₂逐渐增加。不同圈闭流体对温度的敏感度差异较大，其中盐水钻井液的变化相对较大，盐水钻井液、水基钻井液、合成基钻井液以及油基钻井液对温度的敏感性依次减弱(见图 4)。

3 套管涂隔热材料控压法

控制圈闭压力的措施主要有3种：第一种是采用增强型套管设计，能够承受更高的压力条件；第二种是在外壳中安装爆破片，以提供受控泄漏路径；第三种是在环空中注入一定量的氮气，以提供可压缩的空间，有助于减小温度膨胀的影响^[4]。本文从套管传热的角度出发，在套管内部涂上硅酸铝复合隔热涂料，以减少热量传至环空圈闭，实现压力控制。

图 5为套管加入硅酸铝复合隔热涂料后测得的井筒圈闭流体温压变化曲线。图 5与图 3、图 4相比，圈闭压力降低了约50%。因此，加入复合隔热涂料后的套管可有效控制圈闭压力。

套管隔热前、后温度变化对水泥环气窜压力的影响如图 6所示。从图 6可看出：圈闭压力对水泥环密封完整性影响较大，圈闭压力变化量越大，气窜压力越小；套管隔热后的水泥环比套管隔热前的水泥环气窜压力明显增大，说明套管隔热后提高了水泥环防气窜能力。

4 结论

在深水高温高压油气井开发过程中，环空圈闭压力是威胁井筒完整性的主要因素之一。利用全尺寸套管-水泥环-地层试验装置，模拟了环空不同圈闭介质形成的压力随温度的变化规律，运用窜流试验测量了不同流体圈闭压力对水泥环密封完整性的影响，并提出了一种控制环空圈闭压力的新方法，得到如下结论。

(1) 不同圈闭流体对温度的敏感性不同。盐水钻井液、水基钻井液、合成基钻井液以及油基钻井液对温度的敏感性依次减弱。

(2) 圈闭流体受温度影响引起的圈闭压力对水泥环密封完整性影响较大。因此，在陆上或浅海油田应时刻关注环空圈闭压力的变化。

(3) 采用硅酸铝复合隔热涂层的套管很大程度上降低了环空圈闭内的温度，可以有效抑制环空圈闭压力，保障井筒安全。