高温高压气井环空压力异常原因分析及预防措施

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2023年12月19日发(作者：)

•

52

•PETROLEUM

TUBULAR

GOODS

& INSTRUMENTS2020年12月-失效分析与预防-高温高压气井环空压力异常原因分析及预防措施赵密锋，胡芳婷,耿海龙(中国石油塔里木油田公司新疆库尔勒841000)摘

要：高温高压气井环空压力异常严重影响气井井筒的完整性，也是影响高温高压气井安全生产的重要因素。通过对塔里木

油田高温高压气井环空压力异常井统计和典型井油管接头密封失效分析，结果表明，高温高压气井环空压力异常的主要原因是油

管接头发生泄漏，使油管内的天然气泄漏至套管内，而油管接头发生泄漏是由于油管接头的压缩效率较低。高温高压气井所选接

头需通过ISO

13679

CAL

!试验,且应满足压缩效率为100%的要求，同时进行补充振动试验,并且在振动条件下油管接头不发生

泄漏是预防高温高压气井环空压力异常的有效措施。现场选择压缩效率为100%的特殊螺纹接头油管，环空压力异常井比例由原

来的18.9%下降为3.3%，说明高温高压气井选择高压缩效率接头可有效降低环空压力异常比例，即油管接头压缩效率越高，环空

压力发生异常的概率越低。关

键

词：高温高压气井；环空压力异常;压缩效率;预防措施中图法分类号:TE931

文献标识码:A

文章编号：2096

-0077(2020)06

-0052

-07DOI：10.19459/j. cnki.

61

-

1500/te.

2020.

06.

012Failure

Analysis

and

Prevention

Measures

of

Sustained

Casing

Pressurr

in

HPHT

Gas

WellZHAO

Mifeng,

HU

Fangting,

GENG

Hailong

(PetroChina

Tarim

OilField

Company,

Korla, Xinjiang

841000,

China)Abstraci:In

the

production

process

of

high-temperature

and

high-pressure

(

HTHP)

gas

wells,

abnormaO

annulus

pressure

is

the

most

im-

portani

well

integety

problem.

It

is

also

an

important

factoe

restricting

the

safe

production

of

gas

wells.

Based

on

the

statisticc

of

abnormal

annulus

pressure

wells

and

failure

analysis

of

tubing

jointt

in

typiccl

wells,

it

is

believed

that

the

main

reason

foe

sustained

ccsing

pressure

of

HTHP

gas

weH

is

tubing-ccsing

channeling

ccused

by

tubing

joint

leakage.

Furthermore,

tubing

leakage

is

obviousty

related

t。the com­pression

efOciency

of

joint.

The

joint

type

selected

for

HTHP

gas

well

needs

1o

pass

the

ISO

13679

CAL

!

test,

and

the

selected

compres­sion

efOciency

is

100%

.

At

the

same

time,

the

supplementare

vibration

test

is

the

guarantee

te

prevent

sustained

ccsing

pressure

in

HTHP

gas

weHs.

When

the

special

threaded

joint

tubing

with

100%

compression

eSiciency

is

selected

in

the

field,

the

leakage

rate

of tubing

is

greatty

reduced

from

18.

9% ta

3.

3%

.

It

shows

that

selecting

high

compression

efOciency

yoint

for

HTHP

gas

weH can eVectively

reducc

the

ratio

of

abnormd

annular

pressure.

The

higher

the

compression

eliciency

of tubing

joints,

the

lower

the

probabilita

of

abnormd

annulao

words:

high-temperature

and

high-pressure

gas

weli

；

abnormai

annulus

pressure

；

compression

eliciency；

prevention

measure气井(“三超”气井)，同时产层流体含二氧化碳(0.3%

~

1.5%),且产层

度较高,Ci

s含量约为130

000

mg/Lo塔里木油田气藏集中

坡条带状的构造上,按国际上广泛认可的高温高压气井分级标准，上述地区

是世界上少有的超咼压气藏的富集区域。气

层压

力为100

~

125

MPa、地层温度为150

~

180

C

%储层埋藏6

000

~

8

100

m,多数

已进入超高温超高压级(Ultra

HTHP)

$高温高压气井除

自身井况复杂苛刻外，由于自然产能低,普遍需要进行

大排量的酸压或加砂压裂增产改造

，

气井工况典型的超深超高温超高压初投稿收稿日期：2020

-05

-11

；修改稿收稿日期：2020

-09

-03第一作者简介:赵密锋，女,1979年生，高级工程师,2006年毕业于吉林大学生物化学专业,获硕士学位，现从事油气田油井管腐蚀与防护

研究工作

$

E-maiI:

zhaomf -

tlm@

petrochina.

com.

cn

2020年第6卷第6期更加

复杂1：

$

面临重大

赵密锋等:高温高压气井环空压力异常原因分析及预防措施-53

-&,实现高温高压井安全高效开发压缩能力的百分数）分别为60%和80%，而TSH563和

，特

是井筒的

性。

世界VAM

TOP特

同扣型

接头油管的压缩

的压缩

100%，说明压内可

的

验较少，为了

开发需要,塔接头与高温高压气

高的特

接头油管里木油田高温高压气井生产套管多采用特

套管，

管柱普遍采用超级13Cr特

力有

的，压缩

发生

接头油，气

压力发生的

$管，常用的扣型多为国际先进的气密封扣型，如TSH563

%

BEAR、FOX、VAM

TOP等，但是

高温高压气井生产过

,

高温高压气

压力

况2「5。压力

况进了进

油管进

年

4

分析

压力

，对DN2-22井$

2009

年

8

产，

2015&'18

过

中

发现

A、B、

C

压力对上述现象，本文对高温高压气

上升，2015年8月进 作业，对

的501

HP1接头）进

了全面的腐了深入调研和系统分析， 高温高压气

压$-13C油管（FOX和BEAR

蚀检测和

分析。已

力

重

层温度132.4

C，原始地层压力107

MPa,目前井底压力为88.2

MPj（预测），

CO2含量为0.35%

$

±10.0%公

生

油管后发现油管管体最大壁厚内，

减

，仅发腐蚀现!!对塔里木油 田

143

高温高压气

分析，发现31

油管和套管连通

产井的18.9%。对管柱

管柱扣型进行了

压力

进腐蚀,但发现

接部位

压力

，其中油管柱

i象,腐蚀形

1和图2

,中397油管接头发压力

有27

，已压力

'井生了

面腐蚀,164根油管接头发生内倒角腐蚀,134

油管接

面与内

结

腐蚀,134

油管接分析，其中采用FOX和BEAR特殊压力

头内 与管体过

腐蚀，

型密封面均发生严接头油管的气井发生

19起，压力重点蚀，最大

蚀深度为201

"i$从图2可

，正

比

73.1%；采用TSH563和VAM

TOP特殊螺纹压力

况下,高压气体在油管内由

腐蚀形

，

上流动，

2中的，

高接头油管的气

7起，环空压力

比例面

和密封面已 有

腐蚀

26.9%$进

分析发现，FOX和BEAR特

接压气体已通过密封面，油管接头已发生泄漏,油管和套

管连通造

压力升高$油管的压缩（油管接头压缩

管体

:现场密封面腐蚀现场端台肩面腐蚀图1

FOX扣型油管接头密封面点蚀形貌倒角处和密封面已有腐蚀痕迹，说明高压气体通过了密

封面,油管接头发生了泄漏，

油管接头泄漏引起油管和套管连通是造

压力升高的直接原因。经过总高温高压气井的1/4,分析，

压力

压力

气井比例较高,是

高温高压气井的主要事！故形式。由于塔里木油气田均采用国际主流的特

接

油管，

同

型的气

压力

比

同，

当油管接

型压缩

于100%时，气

就容型的压缩

100%图2

BEAR扣型油管接头密封面点蚀形貌现 压力异常;当油管接

时，

气

现

压力

的

就

比较

，

油管接

型的压缩

从图1和图2的宏观形貌可见，油管接头的台肩面、与高

温

高压气

压力有的

性，从生产工况下油管

的载荷和接头压

•

54

•条谕荤爲均仪器2020年12月缩能力两个方面进

算分析。1)生产工况下油管所受的载荷塔里木油田研究

表明，油管柱在生产工况&'

力条件苛刻：6_10',

窦益华的研究结果11，在内压%外压%轴向力、管柱弯曲后

与

的接触支反力和弯矩等五个

管柱应力和变形的载荷及温度作用下，

管柱将产生轴向变形。按照结构分析及管柱力学分析的一般方法,将

管柱的轴向变形分为轴力(包括自重和活塞力)变形、温度变

形、鼓胀变形、螺旋弯曲变形四个分量；将坐封工况下上

述四

形的数值作为“零点”，它

况下管柱的各个变形分量与“零”对应分量的差值称作活塞效应、温度

应、鼓胀效应、螺旋弯曲效应;上述四种“效应”的代数

和就是 况

管柱变形的

量；若

形变量受到限制，将转

轴向力。其中温度变形#7和鼓胀变形#7的简

算公式如(1)式和(2)式所示：#7

8

!

[

+(9

-

+7

dz

(1)(2)式中，7为封隔器坐封深度,I；

+(9为井深z处管

柱的温度,c

；

+为下钻时的地面温度,°c

；

0为管材线

性热胀系数,1/oc

；

“为管材泊松比,无量纲；

<

为管柱外

径,m;0为管柱内径,1。对库车山前7

000

m左右的深井，下入4

$

in+3

%

in

(1

in

=25.4

mm)组合油管柱,需要往井内注入改造液,

注入改造液泵压约为90

MPj、改造液注入后期井底温度约100

C，代入(1)式和(2)式

算油管柱的温度效

应约为-

4.

2

m%鼓胀效应约为-

4.

4叫合计约为

-8.6

m(负号代表缩短)$反之，高产气井产出时，井口

温度升高约100

c

,油管柱的温度效应约为4.2

m。将

管柱轴向缩短变形或伸

形代入文献[12

'中杆件压缩或伸长变形计算公式，缩短8.6m产生附加拉力约为

440

kN,伸长4.2

m产生附加压力约为230

WN。当油气井处于生产状态时油管柱会发生螺旋弯曲,

在高流速流体作用下会发生震颤，

3

。

外，生产过程中每次开

，油管柱都会承受一次脉动载荷。由于生产过程中的震颤

油管接头可能发生松动，而且生产时的螺旋弯曲作用油管接

会附加压缩载荷(油管接头弯曲时一侧受拉，一侧受压)$上述的统计可

，油管接头压缩

时出现

压力

的

？高,油管接头压缩

高时出现环空压力

的

？;在厂家

压缩

条件下,接头具有良好的密封性能,如果油管接头所受载荷超过了其压缩效率,接头的

密封无法保证。由于存在震颤和附加载荷， 油管接管柱中

弱的环节,尤

是压缩载荷,当附加载荷和

的压缩载荷叠加超过接头的压缩极限，接可能发生密封，

选择和评价油管接头需要分析压缩

及接头的因振

的松动问题。图3油管柱弯曲震颤示意图2)接头压缩能力

根据API

RP

5C5全尺寸评价试

验标准,油管接头压缩

管体承受压缩能力的百分比，也即

压缩

进行评价试验时,接

发生密封泄

结构，密封评价试验主

载荷包络线

试验。以A系试验为例，在95TVME载荷路径沿顺时向为拉伸"拉伸+内压"内压"压缩+内压"压

缩"压缩+外压"外压"拉伸+外压"拉伸，试验时按

时针加载路径和逆时针加载路径分别进行载荷包络

线试验。油管接

到单轴拉伸和外压时

油管接头的密封性能(引

外

和内

密封面分离),油管接

到单轴压缩和内压时增加油管接头的密封性能(引夕卜

和内

密封面

)$当油管接头承受拉伸和压缩循环载荷时，由于95TVME载荷接近接

的极限强度，同时由于接

部存在应力集中，承受载荷时，可能局部(

、

、密封面)发生塑性变形，

4

(a)

，拉伸

可能发生塑性变形,4

(')

，压缩时

和

可能发生塑性变形，

4

(R

，拉伸

反向压缩，或压缩后再反向拉伸，由于

性变形，局部结构不能回到

位置,验时

期油管接头未发生泄漏,而环试验后期油管接头发生泄漏。高温高压气井通

深较深，压力也较高，油管在

入井时

拉伸载荷，

又

内压、外压和压缩

载荷。全尺寸油管试验是模拟油管

的受力状况进

验，

压缩

高

，

油管接

载荷

条

2020年第6卷第6期赵密锋等:高温高压气井环空压力异常原因分析及预防措施・55・件下，能够承受更高的压缩载荷而不发生泄漏。因此,

生产过程中由于温度

及采气过程中油管承受拉

伸和压缩

载荷，为了保证高温高压气井生产安全,

尽可能选择压缩

高的油管接头，以保证油气井的安

全生产。_■110.6320.925E-03

.11.05514.472■221.263■116.346耳^231.759

121.407218.22S442.525

331.894

A342.H1320.094

421.968

±553.156

^452.463口■523.842

663.787

A673.167

562.815^774.418^783.519625.716

0885.049

3893.871727.59■995.68

■1004829.464931.338（a）上扣工况（b）上扣我伸工况（c）上扣+压缩工况图4某特殊螺纹接头有限元分析应力云图高温高压气井环空压力异常的主要原因是油管接

头泄漏引起油管和套管连通，而油管泄漏主要是

■其接

的压缩

,

,

高温高压气

压力异常方面需 验分析接头的压缩

及接头的振性能。3.1高温高压气井油管评价标准选择特殊螺纹油管和套管全尺寸评价方法主要采用ISO

13679和API

RP5C5,该标准包含了大多数油气井不同

工况的油管和套管试验,是石油

气

的油管和套管的

验证试验程序及产品接收准则的，验证所验油管和套管的性能能否达到生产厂家

的试样载荷包络线和极限载荷，从

油气田的使用$标准包含了油井管所承受的五种载荷:液体压力

（内压和/或外压）、气体压力（内压）、轴力（拉伸和/或压

缩）、弯曲（翘曲和/或井筒变形）及上

矩，

验目的是

、密封性能和结构

性。对应于接头应用级别有四个试验等级:CAL!（8个试样）为最苛

刻应用环境;CAL

&

（6个试样）为苛刻的应用环境;CAL

'（4个 "为非苛刻的应用

；CALI

（3个

）简单的应用

$ISO

13679和API

RP

5C5标准指出用户应根据特定

服役条件确定接头的适用级别。套管和油管的选用应

况

的，应

分析井深、压力、温度、环境载荷和介质等各

况的影响。由以上工况可知,地层压力为107

MPa,地层温度为132

C，该区域工况为

高温超高压气井，

况条件，所选油管需要通过CAL!试验（温度180

C,试验

气体）。由于井下油管

旋屈曲附加压缩载荷，选择压缩

•为100%

,同时油管在使用中存在震颤，因而需要增加振动

验。3.2高温高压气井油管全尺寸试验1）

试样高温高压气井油管全尺寸试验选取的试

样为#114.

3

mm

i

9.

65

mm

S13Ca

110特殊螺纹接头

油管。2）

试验项目和试验程序

高温高压气井油管全尺寸试验的试验项目和试验程序为:试验试样加工"常规

和附加理化性能试验"

数测量"刻槽"上、卸扣试验"密封试验"极限载荷试验，试验程序如图5$图5油管螺纹连接试验程序3）

验

!

验

全尺寸上、

验

和复合加载试验机$4）

全尺寸评价试验结果

根据ISO

13679—2002的有

，对外

油管接

矩

面进行刻槽$对1

~4号试样的A端扭矩台肩上径向贯穿刻槽;两处

刻槽周向相隔180。,刻槽最小深度为0.

2

mm；对两刻槽结发生,

刻

应

过外

主密封面,6$

・56・图6扭矩台肩刻槽要求对油管试样进行上、卸扣试验,上/卸扣方法依据

ISO

13679—2002《石油天然气工业套管和油管螺纹连接

试验程序》标准的。每次上

对螺纹进

'细检

查、清、

，内

和外

需

，上扣速度#6

r/min。所有试样在上卸扣过程中均未发

生粘扣，最后一次卸扣后4号内螺纹和外螺纹形貌如图

7所示。图7最后一次卸扣后螺纹形貌对油管接头进行振动模拟试验，试验过程中实际振

动频率与加速度检测如图8所示。10.912cG

正弦试验控制1.000

0mruHJmnl0.1000.082

03.000

7 0

10.000频率100.00

200.00/Hz(b)

2#i式样图8振动试验频率--

图2020年12月从图8可见试验较真实地模拟了油管下钻和

期间的振

与加速度情况，并

况模拟之后,进了高频和高加速度的加速振动试验。复合载荷密封试验包括依据ISO

13679

B系加载点

的200

°C高温试验、模拟克深9气田工况试验以及参照

塔里木油田补充试验程序的

载荷试验。整个试验过程中

未发生泄漏和结构

，极限载荷

超过管材100%等效屈服强度水平，如图9所示。—100%VME——95%VME-▲

■-塔里木补充试验程序模拟工况载荷点——拉伸i氐低压+内压失效+拉彳申矣效图9试验载荷包络线图3.3现场应用情况根据确定的油管全尺寸试验评价方案，对满足压缩

效率100%、且通过补充振动评价试验的油管接头进行

现场试用。

塔里木库车

用油管接

压缩（接

与管体压缩强度之比）已全部达到100%

（数

据来源于各厂家委托第三方进行ISO

13679—2002

CAL

IV试验报告），已应用121井次，见表1。经过试用，仅有

4

压力

，占已产井数的3.3%。表1气密封接头油管抗压缩效率升级情况（数据截至2019年底）油管接级油管接接头名称压缩效率升级接头

压缩库车山前重点/%名称/%应用井次BGT180BGT210013FOX60LION10026BEAR80TSH56310082表1中2018年使用的LIVN接头油管的压缩效率均100%，26

未发生环空压力

，LION接头油管在26

中的使用情况见表2。从2可见，高温高压气

用的油管接头压缩效率越高，

压力出现

的

就越低。接

压缩

100%是高温高压下密封可靠性的

。，

高温高压气井油管接头选型提便

2020年第6卷第6期赵密锋等:高温高压气井环空压力异常原因分析及预防措施・57・表2

JFE的LION接头使用情况（26

口井）序号123井队A井B井C井外径/mm88.988.988.988.988.9油管壁厚/mm7.34根数7939材质钢级S13Crl10S13Crl10S13Crl10入井日期2018/2/262018/4/162018/9/232018/9/28环空有无异常9.529.527.347.347.34无无无无无无1575D井E井S13Cl110S13Cl110S13Cl1102019/1/92019/1/16F井73.0273.027.017.017.34492375287G井88.988.9S13Cl1102019/4/28无9.528H井73.0288.97.017.3454349S13Cl1102019/5/15无9I井73.027.019.6567S13Cl1102019/5/21114.373.0236655无7.017.3410F井88.988.92909.528.56125S13Cl1102019/6/20无114.373.02156587.017.3411-井88.9240S13Cl1102019/6/24无114.312L井9.657.3415840388.988.99.52147S13Cl1102019/6/25无73.02137.017.3415441M井88.988.9S13Cl1102019/7/3无9.527.3410442514N井88.988.99.526065S13Cl1102019/7/18无73.02150井7.017.3488.988.9418S13Cl1102019/8/14无无无无无9.521031617P井73.0288.97.017.3487S13Cl110S13Cl110S13Cl1102019/8/16Q井511542019/9/82019/9/1918R井73.0288.988.97.019.527.34167402195井114.373.029.65173S13Cl1102019/9/217.017.347043520T井88.9S13Cl1102019/9/27无无无114.3214井9.652256827373.0273.027.017.019.529.65S13Cl1102019/10/822V井88.9S13Cl1102019

o10

o17114.384

・58・续表2020年12月序号井队外径/mm73.02油管壁厚/mm7.017.349.529.65S13Crll0数78136材

级入

期有无23W井88.988.9114.39/10/25无73.027.017.34

S13Crll024X井88.9114.329834891382019/11/8无12.773.0288.9257.017.349.52

S13Crll08.569.656.45Y井88.9114.3114.39/11/10无26Z88.950S13Crll02019/11/13无&4]易俊.高压气井失效模式下的环空压力控制探讨&

A]//西

安石油大学.2018IPPTC国际石油石

会议论文集1)

高温高压气

压力

的主

是油管

&

C]

.2018

：187

-193.&

5

]

，

，，等•高温高压超深气井油管柱屈曲接头泄漏引起油管和套管连通，油管接头扣型的压缩效研究&

J]

•

气

，2018，38(1

)：89

-94.是油管接头泄漏的主

2)

现场应用

。3.3%

$&6

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&

7

]

，等•动载作用下特殊螺纹油管接头选择压缩效率100%扣型后环18.9%

密封性对比分析&J].石油机械，2014，42(2)：63

-65，72.压力井比例由

3)

了

•塔里木高压气

压力及安全生产方法研究高温高压气

压力

，建议高温&

D]

•西安:西安石油大学，2012.&8]学清，

高压气

选油管接

型应

压缩

100%

的，世财，等.DN2-6井套管压力升高及油，且应通过CAL

!试验和

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1

]

,

振

验。&9

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管接

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50.(编辑：葛明君)

本文标签： 试验油管压缩气井管接头