0 引言

对于海上油气井生产而言，油管不仅是油气流从井底到地面的通道，而且是人工举升所需井下工具的载体^[1-2]。与陆地油田有所不同，海上油田多采用电潜泵举升方式开采，受海上油气井特殊井身结构和套管尺寸的影响，加之井筒环境恶劣，修井困难、费用高等，使得海上油气田对油管尺寸、材质、钢级和强度的优选有着特殊要求^[3-4]。合理选择油管是油气井稳定生产及提高采收率的有力保障，关系到采油和采气工艺技术水平的提高。优选油管可以减少能量损失，提高油气井采收率，同时延长单井寿命，减小修井频率，节约费用，降低油田整体开发成本^[5-6]。海上油管选择方法目前主要依靠经验法，方法笼统，不够科学，往往造成管材浪费，增加投资成本。同时，经验法在选择油管时考虑因素单一，没有对油管尺寸、磅级、钢级和材质等因素进行深入系统研究^[7-8]。因此，亟需针对海上油气井环境和工况特点等，建立更为合理、有效、适应于海上油气井油管优选的综合方法，进一步实现低油价“寒冬”下降本增效的目标。

1 油管材质的选择

目前海上油气井油管材质的选择主要依据《海上油气井油管和套管防腐设计指南》^[9]，CO₂环境防腐设计主要考虑CO₂分压和温度，含H₂S的井参考NACE MR0175标准和国际图版。

图 1为海上防腐选材图版^[9]。由图可知，海上防腐图版材质选择主要考虑分压值和温度，笼统地根据饱和压力计算的最大分压值并结合温度选择材质。这种方法考虑因素单一，同时依据最大分压值所选择的油管材质对整井而言有时会偏高，往往造成管材的浪费和经济损失，在防腐情况恶劣的油气井中更加突出。这种方法未考虑沿井筒剖面的CO₂分压变化，亦未兼顾均匀腐蚀条件下腐蚀速率对管材强度的影响。

从油管腐蚀机理出发，在油管材质优选时，腐蚀环境工况应评估腐蚀气体的分压、环境温度、含水量、矿化度(氯离子、氢氧根离子、碳酸氢根离子含量等)、流速及pH值等因素的影响。为此，在考虑腐蚀气体分压沿井筒剖面变化的基础上，综合考虑防腐图版、同层位邻近周边生产井的管材腐蚀情况、平台是否具备修井能力以及起下生产管柱是否方便，采办统一性和便捷性、现场操作实施方便性以及经济性等因素，提出海上油气井油管材质优选新方法，具体做法及步骤如下。

第1步：考虑油井整个生命周期，计算最大分压，进一步按照式(1)依据温度和分压计算pH值^[9]，即：

(1)

式中:x--气体pH值；

  T--温度，K；

  p_CO2--CO₂气体分压，MPa。

第2步：依据式(2)的腐蚀速率计算模型^[9]，计算短期腐蚀速率，即：

(2)

式中：CR--腐蚀速率。

第3步：依据式(3)计算不同材质在均匀腐蚀下的长期腐蚀速率^[9]，即：

(3)

(4)

(5)

第4步：根据油管强度校核结果，在满足抗内压、抗外挤和抗拉要求下，计算油管最大允许磨损量，根据公式(3)计算腐蚀速率，对比各类防腐材质能否满足生产要求。

2 油管尺寸的选择

油井油管尺寸的选择有2种方法：经验法和节点分析法^[2]。经验法主要是根据油井的产量和参考邻近油田或油井资料进行选择，经验表明，可以使用下面推荐的资料(见表 1)，对不同的采油方式来简单地选择井下油管。

节点分析法也叫做系统分析法，是国外20世纪80年代推行的一种新方法^[10]。其主要做法是通过流入曲线(IPR曲线)和垂直管流曲线(TPR曲线)确定产量协调点，对应产量就是在某一油管中的最佳产量，依据最佳产量来确定油管的尺寸^[2]，如图 2所示。图中测深为4 004 m。

经验方法取决于工程师个人经验，缺乏理论支撑与依据；节点分析法虽基本原理简单，但具体选择时需要考虑的因素较多，要得到准确的IPR曲线和TPR曲线，可以采用软件输入基础数据，对油管选择进行变量敏感性分析。

2.1 油井的油管尺寸优选

对于油井，油管尺寸选择需考虑的主要因素有：不同尺寸油管耗能大小(对于自喷井，满足油藏配产要求的前提下，自喷期的长短；电潜泵举升方式下，不同尺寸油管在油藏配产下的电量差异)、油管冲蚀及经济性。

对油井油管尺寸进行优选时，在满足地质油藏要求的前提下，首先依据油藏配产计算不同油管尺寸下的电量差，折算成电费差，并与油管的价差进行对比，同时考虑一定年限的检泵周期，综合考虑不同油管尺寸油管耗能及经济性，对油管尺寸作出初次优选；然后，在油管尺寸初选的基础上，结合油井最高配产数据按照式(6)进行油管冲蚀风险分析；最后再结合冲蚀分析结果以及考虑采办和现场施工统一性和便捷性，进一步优选确定油管最终尺寸。

(6)

式中：v_e--冲蚀速度，m/s；

  ρ_rho--流体混合密度，g/cm³；

  K--经验系数，碳钢推荐100，防腐管材推荐200。

2.2 气井的油管尺寸优选

所选定的气井油管直径应满足2个原则：第一，气井开采过程中，在井底气流速度下能将井底液体带出井筒，达到排水采气的目的；第二，气流在选定的油管内产生的压力损失必须小于采气和输气所允许的最大压力损失。

在进行气井油管直径优选时，首先应根据地层流压和油藏配产，将油管直径作为变量，逐年计算井口压力和温度，对比分析沿程摩阻；然后，按照式(7)进行油管携液能力分析，优选出现积液年限较长的油管直径；最后，按照油井油管冲蚀计算公式(式(6))进行油管冲蚀分析。以延长单井的自喷期和提高产量为原则，在考虑油藏配产、摩阻、携液能力和冲蚀风险的基础上，综合优选气井油管尺寸。

(7)

式中：ρ_g--气体密度，g/cm³；

  ρ_L--液体密度，g/cm³；

  σ--界面张力，N/m；

  v_t--临界速度，m/s；

  E--修正系数，一般推荐取1.2。

3 海上油气井油管综合优选方法 3.1 油管公称质量、钢级和扣型选择原则 3.1.1 公称质量

公称质量要考虑设计油气井所在区块工具匹配性。例如Ø73.0 mm油管经常使用的公称质量为9.52/9.67 kg/m，Ø88.9 mm油管主要采用的公称质量为13.69/13.84 kg/m。

3.1.2 钢级

钢级考虑设计油气井的生产管柱强度满足要求，同时部分钢级具备一定抗腐蚀能力，为了降低成本，也可以采用组合钢级设计。例如采用13Cr材质的油管，生产管柱可以采用L80+P110的组合方式。

3.1.3 扣型

扣型主要考虑油管连接强度(连接效率)、气油比大小及井下工具扣型的匹配性等，气井需考虑扣型密封性，可选用气密扣油管。

3.2 油管综合优选方法建立

在油管材质、尺寸、公称质量、钢级和扣型优选方法研究的基础上，形成海上油气井油管综合优选方法^[11]，优选方法的流程如图 3所示。具体优选步骤如下。

(1)油管材质优选。具体方法是：①考虑油井整个生命周期，计算最大分压，进一步依据温度和分压计算pH值；②计算短期腐蚀速率和长期腐蚀速率；③计算不同材质在均匀腐蚀下的生产年限，以生产年限长的作为初选结果；④综合考虑计算结果，结合周边邻近油田油管管材实际应用情况，按第1章的方法优选确定材质。

(2)油管尺寸优选。具体方法是：①首先明确目标井是气井还是油井；②在综合考虑油藏配产、电费差、油管价格、检泵周期、耗能、经济成本和冲蚀风险的基础上，按照2.1节方法优选油井油管尺寸；③在综合考虑油藏配产、摩阻、携液能力和冲蚀风险的基础上，油井按照2.2节方法优选气井油管尺寸。

(3)按照第3.1节原则对油管公称质量、钢级和扣型进行优选。

(4)结合油管材质、尺寸、公称质量、钢级和扣型优选结果，综合选择确定油管。

4 实例应用与分析

在海上油田开发过程中，选择一口油井进行实例分析。根据探井资料计算结果，计算CO₂分压为0.72 MPa，井底温度121 ℃。根据《海上油气井油管和套管防腐设计指南》图版，油管材质在13Cr区间，如果笼统选择采用13Cr油管，经济上会造成很大的浪费。为此，根据油藏配产数据，计算了沿井筒的温度和压力变化，如图 4所示。对应的CO₂分压随井筒的变化曲线如图 5所示。

计算结果显示，在井底3 148~2 250 m需要采用13Cr+9Cr材质油管，由式(1)~式(5)计算3Cr油管的腐蚀裕量为0.86 mm，在均匀腐蚀前提下，Ø88.9 mm油管(壁厚6.45 mm)可以生产7.5 a，Ø73.0 mm油管(壁厚5.51 mm)可以生产8.3 a，根据对于邻近油田检泵周期统计，同层位生产井生产年限一般在4~5 a，所以推荐整口井选用3Cr材质的油管。

本井产液量在300 m³/d左右，采用Ø73.0 mm油管比采用Ø88.9 mm油管沿程摩阻增加约0.5 MPa，相应的耗电量增加约0.38 kW；采用Ø88.9 mm油管比采用Ø114.3 mm油管沿程摩阻增加约0.1 MPa，相应的耗电量增加约0.17 kW。根据沿程摩阻和电量差(见图 6和图 7)，初步推荐采用Ø88.9 mm油管，再结合不同尺寸油管冲蚀比计算结果(见表 2)，最终推荐采用Ø88.9 mm油管。

根据油管材质和油管尺寸选择结果，同时结合本区块常用磅级，以及油管强度校核结果，最终推荐本井采用Ø88.9 mm、13.69 kg/m、3Cr、L80油管。实际应用结果表明，按照该套海上油气井油管综合优选方法所选择的油管能很好地满足现场生产需求，单井节省开发成本约40万元。

5 结论与建议

(1)基于目前海上油气井油管选用存在的问题及不足，系统、深入地探讨了海上油气井油管材质、尺寸、公称质量、钢级和扣型优选方法，进而形成了一套适用于海上油气井油管选择的综合优选方法。

(2)该方法考虑因素全面、系统，能很好地满足海上油气井开采工艺需求，避免了管材浪费，减少了投资成本，有利于实现降本增效的目标。

(3)建议进一步推广应用该套油气井油管综合优选方法，在广泛应用的基础上，逐步形成适应于海上油气井油管优选相关标准与技术规范。