深水井套管环空泄压装置的研制与应用
胡志强1, 杨进1, 黄小龙2, 宋宇1, 李文龙1, 李舒展1     
1. 中国石油大学(北京)石油工程学院, 北京 102249;
2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术深圳分公司, 广东深圳 518067
摘要: 针对深水油气开发中因密闭环空压力升高而导致的套管挤毁、破裂等问题,研制了一种深水井套管环空泄压装置,并对其进行了性能测试和现场应用。该泄压装置以高精度破裂盘为核心部件,利用爆破片材料能瞬时泄压的特性,释放环空高压膨胀流体,消除套管环空压力升高带来的危害。破裂盘阀体选用SS316不锈钢,爆破片选用NS312镍铬合金,采用普通正拱形结构,最高设计破裂压力36.6 MPa;破裂盘套管短节采用双孔泄压设计,以防破裂失效。室内性能测试结果显示,破裂盘结构完整,耐温性能、时效稳定性好,能满足工程中0.80倍设计破裂压力条件下的稳压要求;实测破裂压力符合制造范围偏差±3.0%的设计要求;同时,随着流体介质温度升高,破裂压力降低,降低幅度不超过5.0%,小于破裂压力允值,满足现场应用需求。深水井套管环空泄压装置在南海东部某区块3口深水井进行了应用,均取得良好的应用效果,投产至今未出现由于环空压力升高导致的井下故障。研究表明,深水井套管环空泄压装置达到了预期的环空压力控制和管理的目的,可保障井筒安全。
关键词: 深水井     圈闭压力     泄压装置     破裂盘     性能测试    
Development and Application of a Casing Annulus Pressure Relief Device for Better Wellbore Integrity in Deepwater Wells
HU Zhiqiang1, YANG Jin1, HUANG Xiaolong2, SONG Yu1, LI Wenlong1, LI Shuzhan1     
1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing, 102249, China;
2. Shenzhen Branch of Engineering Technology Company, CNOOC Energy Technology & Services Limited, Shenzhen, Guangdong, 518067, China
Abstract: A kind of casing annulus pressure relief device with high precision rupture disk as the core part was developed to solve the problem of annular pressure buildup problems which can cause casing collapse and rupture during deepwater oil and gas production.It makes use of the characteristics of rupture disk material to release the annulus expansion fluid instantaneous and eliminate the potential risk caused by the increase of the annulus pressure.The rupture disk assembly body is manufactured with stainless steel SS316, and burst disk is manufactured from nicochrome NS312, which incorporate a conventional domed inward type structure design with a maximum design rupture pressure level of 36.6 MPa.The rupture disk casing sub design has a double hole pressure relief to prevent failure.Laboratory tests demonstrate that the rupture disk maintains structure integrity, has high temperature resistance and good aging stability with 0.80 times of designed rupture pressure for the engineering requirement.The actual test rupture pressure complies with the design requirement of manufacturing deviation of ±3.0%.With the increasing of test fluid temperature, the test rupture pressure would slightly decrease, with the total change volume less than 5.0% and lower than rupture pressure tolerance, meeting field application requirements.The casing annulus pressure relief device achieved success in field applications in 3 deepwater wells in one eastern block of the South China Sea, and no downhole accidents have occurred up to now that were caused by annular pressure buildup problems.The research showed that the casing annular pressure relief device achieved the anticipated annular pressure management objectives and could ensure the wellbore safety.
Key words: deepwater well     pressure buildup     pressure relief device     rupture disk     performance test    

深水油气开发过程中存在套管环空圈闭压力升高(annular pressure buildup,APB)的问题,若不采取有效措施,会威胁油气井井筒的安全性,甚至造成套管挤毁、破裂等井下故障[1-2],如:英国石油公司在开发墨西哥湾Marlin油田过程中,生产初期由于环空压力升高导致数口井套管破裂[3];加拿大Husky公司在南海荔湾3-1气田开发过程中也面临环空压力控制和管理问题。陆地和浅水井可利用套管阀解决环空带压问题[4],而深水井水下井段没有设定泄压通道,因此需要依靠工程途径构建环空压力释放渠道。破裂盘[5]是一种能瞬时泄压的高精度爆破设备,可以与深水套管配合释放环空高压膨胀流体,消除环空压力升高带来的危害[6]。但是,目前只有CDC、Hunting和Fike等少数国外公司掌握深水破裂盘泄压技术,设备价格高昂,交货周期长; 国内对深水破裂盘工作原理、材料选择和测试评价等方面的研究匮乏。因此,研发具有自主知识产权的国产破裂盘和环空泄压装置,对于提高深水钻井完井过程中的井筒安全性,降低生产成本,实现低油价下降本增效的开发模式具有重要意义。为此,笔者通过优选破裂盘材料和优化结构设计,研制了一种能满足不同环空压差等级和环境温度的深水井套管环空泄压装置,对破裂盘进行了室内性能测试,并在南海东部3口深水井进行了应用,取得了良好的应用效果。

1 深水井套管环空泄压装置工作原理

深水油气井测试初期,地层高温流体在井筒内流动易造成A层和B层套管环空(见图 1)产生圈闭憋压现象[7],威胁井筒安全。为解决该问题,可在油层套管或者中间套管安装环空泄压装置,当套管内、外环空压差达到破裂盘的额定破裂压力时,破裂盘中的金属爆破薄片破裂,泄压装置启动,从而实现环空压力的释放。同时,根据泄压方向的不同,泄压装置可分为内向型和外向型2类(见图 1):内向型泄压装置的泄压方向为内层套管环空,外向型的泄压方向为外层套管环空或地层。泄压过程中,随着流体压力的释放,套管环空体积膨胀量也随之减小,并在后续生产阶段保持稳定。泄压装置工作状态下的套管环空温度、压力和体积变化趋势如图 2所示(图 2中:po为破裂盘的设计破裂压力,MPa;pt为密闭环空泄压后的静液柱压力,MPa)。

图 1 外向型和内向型深水井套管环空泄压装置示意 Fig.1 Outward and inward structure type of casing annulus pressure relief device
图 2 泄压装置工作时套管环空温度、压力和体积的变化趋势 Fig.2 Changes in temperature, pressure and volume of casing annulus during pressure relief device
2 破裂盘结构设计

泄压装置中的破裂盘主要由阀体、爆破片和密封件构成。为了解决泄压装置长时间浸泡在钻井液中承受高温高压及腐蚀性介质作用的问题,笔者选用SS316不锈钢作为破裂盘阀体材料。但是,SS316不锈钢在加工成金属薄片的过程中存在冷作硬化的应变时效现象[8],可能会导致其抗拉强度升高、塑性强度下降。因此,为防止出现该问题,爆破片材料选用NS312镍铬合金,其密度为8.5×103 kg/m3,弹性模量为207 GPa,泊松比为0.28。另外,镍铬合金中碳含量降低、镍含量升高会减弱加工硬化效应[9],提高破裂精度;O形密封圈采用氟橡胶,安装于破裂盘中部阶梯位置,用于密封爆破片组件及防止流体介质腐蚀。此外,由于破裂盘安装在套管中,受套管壁厚的影响,其结构与尺寸要求严格。根据实际情况,笔者设计的破裂盘直径为16.0 mm,厚度为12.0 mm。设计的破裂盘结构、尺寸如图 3所示。

图 3 破裂盘结构及尺寸设计 Fig.3 Design of rupture disk structure and size 1.爆破片;2. O形密封圈轴面;3.阀体;4.母扣接箍;5.内六角头凹槽;6.润滑脂填充腔

破裂盘的结构比较特殊,因此需要加工制作单独的套管短节来安装破裂盘(见图 4)。同时,考虑到破裂盘存在失效风险,故在套管短节上对称安装2个泄压阀孔以作备用。

图 4 深水井套管环空泄压装置整体结构示意 Fig.4 Structure diagram of deepwater casing annulus pressure relief device

爆破片作为破裂盘中核心的压力泄放部件,根据压溃方向和破裂强度的不同,其结构形态分为普通正拱形、开缝正拱形和开缝反拱形3种,如图 5所示。普通正拱形爆破片结构简单,金属膜片在拉伸力作用下发生塑性变形,当达到材料极限强度时膜片拱形顶部破裂[10];开缝正拱形爆破片是在普通正拱形爆破片的拱形膜片凸面侧加工数条减弱槽,同时凹面受压侧设有密封膜,以防止介质漏过减弱槽,其强度主要取决于拱顶减弱槽端孔桥的强度[11];开缝反拱形爆破片是在拱形膜片的凹面侧加工数条减弱槽,凸面为受压侧,当所受压力达到破裂压力时,拱形膜片先失稳反转,随后沿减弱槽规则撕开[12]。3种爆破片的破裂方式、破裂压力范围及其适用介质见表 1

图 5 爆破片的结构形态 Fig.5 The structure of the burst discs
表 1 3种爆破片的破裂及适用情况 Table 1 Rupture and application of three kinds of burst discs
类型 破裂方式 破裂压力/MPa 适用介质
  普通正拱形 系统压力作用在爆破片凹面,压力达到破裂压力时,爆破片发生塑性变形并破裂 0.02~100.00 气液
  开缝正拱形 爆破片凹面接触介质,凸面处于泄压侧,在爆破片的拱面上加工“十”字形或环形减弱槽,压力达到破裂压力时,爆破片沿减弱槽破裂 10.00~1 000.00 气液粉尘
  开缝反拱形 爆破片凸面接触介质,凹面处于泄压侧,在爆破片的拱面上加工“十”字形或环形减弱槽,破裂时爆破片向凹面翻转,同时沿减弱槽破裂 10.00~100.00 气粉尘

笔者采用普通正拱形爆破片(LP型号),它由金属原片直接加压(气或液)成型,流体介质压力作用在爆破片的凹面侧(高压侧),当系统压力超过爆破片的破裂压力时,金属膜爆破泄压。正拱形爆破片破裂压力的计算公式为[13]

(1)

式中:pB为爆破片的破裂压力,MPa;K为材料系数,取3.0~3.8;σB为材料的拉伸极限强度,MPa;So为爆破片的初始厚度,mm;D为爆破片的泄放口径,mm。

为了制造方便,可定义爆破片的制造范围[14],即允许破裂压力在一定范围内存在变动。通常情况下,制造范围越宽,爆破片成本越低,笔者设计其制造范围偏差为±3.0%。同时,可根据破裂试验标准规定爆破片的压力允差[15],即爆破片的实际破裂压力与设计破裂压力的最大允许偏差,笔者设计的破裂压力允差为±5.0%。

3 破裂盘室内性能测试

实际工况下,破裂盘破裂泄压的准确性直接关系到被保护设备的安全性。如果爆破片不能在预先设定的破裂压力下定时破裂,不仅起不到防止环空压力上升的作用,还会对套管柱的安全造成威胁。破裂盘的时效稳定性[16]是指在环境压差未达到设计破裂压力之前爆破片能长时间保持结构稳定,不提前破裂泄压。工程上一般取设计破裂压力的0.80~0.85倍作为破裂片时效稳定性的测试压力;破裂盘的破裂精准性是指实测破裂压力与设计破裂压力的差值是否在爆破压力允差范围之内。笔者根据现场实际工况需求,研制出了4个破裂压力等级(14.5,20.7,27.6和36.6 MPa)的破裂盘,并在室内试验测试了其时效稳定性和破裂精准性,分析了破裂盘的可靠性,同时研究了流体介质温度对实际破裂压力的影响。

3.1 测试装置

由于研制的破裂盘结构特殊,无法按照标准试件进行检测[17-20],为此,自制了小型高压釜试验机(量程为0~60 MPa,精度为0.01 MPa),对破裂盘进行了性能测试。该高压釜试验机主要包括加热水箱、破裂盘连接腔、油管四通密封腔、进出液管线、4DSY/100 MPa型高压泵和压力控制系统等(见图 6),其优点是测试精度高、压力控制灵活。破裂盘连接腔的气密封螺纹连接油管四通和破裂盘,其优点是便于破裂盘的安装测试,利于试验操作。

图 6 破裂盘性能测试装置 Fig.6 Test device of rupture disk performance
3.2 测试流程

选取4个破裂压力等级的普通正拱形破裂盘各10个进行压力测试。每个等级分2组,一组为常温测试(设为23.0 ℃),另一组为极限额定温度测试(设定温度时,一方面考虑破裂片的耐温范围,另一方面需要根据破裂盘的压力等级计算圈闭流体升温极限,并据此设定)。具体的破裂盘测试流程(见图 7)为:将水箱内的流体加热至测试温度;破裂盘安装在破裂盘连接腔内;连通破裂盘连接腔,增压至0.80~0.85倍设计破裂压力,保压3 min;继续增压至破裂盘破裂,记录压力数据。

图 7 破裂盘性能测试流程 Fig.7 Rupture disk testing process
3.3 测试结果及分析

利用专业压力测试监控软件记录每组测试得到的压力,并将其汇成曲线,其中14.5 MPa压力等级的破裂盘试样在流体温度35 ℃时的压力测试曲线如图 8所示。

图 8 压力测试曲线 Fig.8 Pressure test curve

图 8可以看出,破裂盘在测试压力10.34 MPa、稳压3 min条件下未发生破裂;当压力升至14.99 MPa时破裂盘破裂泄压。

4个压力等级共计40个破裂盘的压力性能测试结果如图 9所示。

图 9 4个压力等级下的破裂盘测试结果 Fig.9 Experimental test results of rupture disk under four pressure levels

图 9可知:当测试压力达到0.80~0.85倍设计破裂压力并稳压3 min时,破裂盘均未破裂且结构完整,可见其时效稳定性强,能满足现场实际工况需求;破裂盘实际破裂压力均未超过破裂盘最大设计破裂压力,符合制造范围偏差的设计要求;随着流体介质温度的升高,破裂盘实际破裂压力略微降低,这是由于爆破片材料的强度极限会随温度升高而下降所导致,但测试样品总体破裂压力变化幅度小于5.0%,满足破裂压力允值,符合设计要求。

4 现场应用

深水井套管环空泄压装置在南海东部某区块3口深水井进行了现场应用。3口井投产至今未出现由于环空压力升高导致的井筒安全性问题,说明深水井套管环空泄压装置性能稳定,达到了工程设计预期的压力控制要求。3口井(分别记为L1井、L2井和L3井)的总体应用情况见表 2

表 2 深水井套管环空泄压装置现场应用情况 Table 2 Field applications of deepwater well casing annulus pressure relief device
井号 水深/m 完钻井深/m 环空泄压装置下深/m 环空B附加压力/MPa 破裂压力/MPa 套管抗挤强度/MPa
L1 1 455.40 3 162.00 2 171.60 19.8 14.5 18.4
L2 1 388.30 3 160.00 2 123.30 19.4 14.5 18.4
L3 1 390.10 2 662.00 2 079.90 19.2 14.5 18.4

以L1井为例说明应用效果。该井的井身结构及深水井套管环空泄压装置的安装位置见图 1。该井所用ϕ339.7 mm油层套管的钢级为N80,额定抗内压强度为31.4 MPa,额定抗外挤强度为18.4 MPa。利用Landmark软件计算出B环空附加压力最高可达19.8 MPa,考虑油套环空A可能出现排空或渗漏等危险情况,会导致油层套管由于承受高强度外挤压力而破坏变形,因此在油层套管薄弱点处安装泄压装置主动泄压,以保持套管柱整体的完整性。根据美国石油学会2006年发布的API RP90《海上油井环空压力管理》,选取套管额定抗外挤强度的80%作为破裂盘的设计破裂强度,因此选取了14.5 MPa的普通外向型破裂盘。

L1井应用结果显示,环空B压力正常,该井生产过程中未发生井下套管挤毁、破裂等问题,证实了该泄压装置能较好地缓解环空压力,保护套管柱的安全。但由于目前现场缺少环空压力监测装置,导致无法记录破裂盘的实时工作状态,只能通过室内模型开展相关的模拟试验研究。

5 结论与建议

1) 深水井套管环空泄压装置破裂盘阀体选用SS316不锈钢,爆破片选用NS312镍铬合金,O形密封圈用氟橡胶,采用普通正拱形结构,最高设计破裂压力为36.6 MPa。

2) 室内测试结果表明,破裂盘时效稳定性强,能满足工程上稳压测试的要求;破裂精度高,符合制造范围偏差的要求;破裂压力随温度波动范围小,满足现场应用需求。

3) 深水井套管环空泄压装置现场应用效果良好,达到了工程预期的环空压力控制和管理的目的。

4) 深水井套管环空泄压装置可能会造成井筒套管屏障的破坏,威胁井筒完整性,因此建议开展可重复式泄压装置的研究。

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胡志强, 杨进, 黄小龙, 宋宇, 李文龙, 李舒展
HU Zhiqiang, YANG Jin, HUANG Xiaolong, SONG Yu, LI Wenlong, LI Shuzhan
深水井套管环空泄压装置的研制与应用
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石油钻探技术, 2018, 46(3): 72-77.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(3): 72-77.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018052

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收稿日期: 2017-08-11
改回日期: 2018-03-15

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