确认深水井处于APB风险的筛选系统

1、确认深水井处于APB风险的筛选系统摘要井筒环空圈闭压力升高（Annular Pressure Build-up以下简称APB）在深水井中是一个很常见的问题，如果APB引起的荷载破坏了管线的完整性，则需要进一步选择和设计减小APB的方法。这种计算的分析过程十分乏味，因为许多情况下确定关键变量和“假设”情景必须对其进行评估。尽管分析技术需要评估APB和减压的方法是众所周知的，但有必要快速和可靠地执行这些计算。本文探讨了开发过程和计算工具确定了深水井在APB下的风险，虽然工具的结构对安装启用的电子数据表来说是单一的，但是在技术上和精密度上来说是严格的，这个工具将作为一个个案来分析一个或者多个减压方法

2、对井的完整性是有必要的。需要一些详尽的办法才能组建这样一个工具，即APB矩阵方程，把减压方法展开成一个定量的模型，最重要的是，在APB运算法则中对一个井筒创建一个数学表达式，这在附录中有提到。在APB的作用下地层弹性作用（即环形边界条件）是通过将地层视为弹性地层的方程计算。引言调查遵照了BP Marlin 项目确定了APB的潜在原因。后续的操作比如Pompano表明APB在钻井和生产过程中都威胁到了井筒的完整性。深水带来的挑战导致了对DPB的关注和它对井筒完整性的影响。这些工作已经确定了一组作为研究设计基础中应该考虑APB的深水井。我们分析APB及其影响发现，APB的减缓策略对于一个成功设计并

3、安装这些深井装置都是至关重要的技术尽管APB模型从概念上来说是很简单的，在成为一个可以让人接受的结果之前一定在细节上有很多漏洞也需要丰富的经验和工程评价。在算法的程度上这些细节包括选择合适的PVT环流模型和热敏模拟器，使用合适的边界条件评价环空的灵活性，以及能有效解决APB方程的数值计算方法。一旦确定了这些细节问题，软件的运用上就不会表现出很多计算上的困难。不过，在创造井筒数学表达式的时候还是或多或少有困难的。这一步需要将井的几何结构，定位，环空是怎样联系的，把这些转变成一个环形几何问题的数学表达式，尽管这个问题用FEA软件可以很简单的解决，但确定这些方法是否导入到电子数据表中是一个极大的挑战

4、。本文论述了对APB筛选的办法和计算方法的发展。APB的概念基础已经众所周知，下一节开始介绍更多的APB设计的细节分析还有缓解措施的量化。本文伴随着一个APB几何解释的问题，这种方法极大地简化了目标的计算。附录A明确列出了APB环形灵活矩阵方程和检查APB上形成的弹性作用。把地层作为一个弹性地基，忽视水基形成的弹性和合成泥土带来的差异。这些观点都以一个例子来说明了，审核典型深水APB的候选办法。本文的结论根据创建一个井筒的数学表达式的过程而得出。表达式将计划和井筒的立面作为一组二元矩阵。这些矩阵具有具有独特的拓扑性。因此类似这种井筒表示方法是独立于施工草案的，是独特的适合代表深水井的复杂几何机

5、构的表示方法，通常包括环空外部深层套管，多重封隔器之间的环空，水泥顶部和基底顶部封隔器。除了APB计算和井筒热传导应用程序中明显的使用，这种方法是一个电子数据表中简单的程序。技术背景计算APB科学家们很好的理解和记录过APB的物理性质，APB的结果是由无约束流体体积变化和容器允许体积变化的的差异所决定。环空体积的变化是由维持力学平衡所引起通过了解流体体积变化的大小以及压力和温度的变化在力学上的反应。APB的大小在一个或多个环空里计算得到。这样一个结果有关温度压力包含温度压力方程诱导的环空容积变化引起的环空流体体积变化方程导致。APB的建模方法区别于计算流体体积变化的方法。体积变化的流体DVfl

6、 是在温度变化DT的硬质容器中，压力变化DP。Vfl是流体体积的初值，afl和 Bfl分别是热膨胀系数和弹性模量。这个方程往往是转变成更熟悉的净流体体积应变的定义如下：第二种计算流体体积的方法使用r(P, T)是在压力P和温度T下密度，D表示数量的变化，和环空体积Va的整合。方程(3)是一个环形流体质量守恒的结果，在环空中添加增量体积变化评价流体体积为根据的结果。方程(3)不需要体积弹性模量和热膨胀系数的显性知识。相反,这个方程是基于了解是温度和压力的作用下流体密度函数。不考虑使用计算流体体积变化的方法，最后一步等同于环空体积变化下DVa的流体体积变化DVfl。对于多重环空，在给定的环空压力变

7、化影响相邻的环空的压力变化。方程（4）适用于所有环空，导致一组联立方程的解决办法屈服于APB的大小。 DV fl是表示流体在井筒内体积变化的列向量，D P表示在环空中未知的APB的向量，L表示井筒环空柔度矩阵，这个矩阵中的每个词表示一个组件的体积变化经历了单元的环空压力的变化。 h表示由于在环空内的热膨胀提供的体积变化，DT表示套管柱内温度变化，每个DV fl 都由方程（3）得来，方程（3）中的函数包含环空未知的最终压力，方程（5）需要反复的迭代，具体见附录A。模型描述见参考文献5、7、8、10，计算DVfl需要使用方程（1）或者（2），参考文献9中的模型使用方程（3）。它表明可以通过认识热膨

8、胀体积系数和体积弹性模量油管流体密度的变化来说明方程（1）和（3）在计算上是完全统一的。根据方程（1），并假定流体性质的常数，当满足以下条件，能完成满意的计算：（1） 在环空体积的条件下流体的温度初值和压力分布没有明显的变化。（2） 温度初值和最终温度值没有太大的变化（3） 温度变化值是正值在典型的深水环空中，这些条件不是总能满足。比如，在典型的深水井中海底环空顶部的初始温度是40F，然后在底部的温度是200F。这样的结果是，在顶部的和在底部的流体弹性模量的变化值高达10%的合成流体。对于水的流体，差异还会更大，除非方程（1）在流体性能上温度和气压的变化占有一定比例，它的使用能导致很大的差异。

9、最终，使用方程(1)会导致计算中温度变化成为负值的问题。从现实的角度看，目前的工作已经足够，解释了在环空流体的物体性质的变化比方程（3）简单。其他差异的条件有比如流体性质的影响，在井内边界构造的影响，井的类型等等在参考文献2中有讨论。假设流体体积Vfl在初始温度为Ti压力为Pi在密闭的环空中。尽管在下面的论证是有效的，当温度和压力在环空中变化时，假设温度和压力恒定，图1中的实曲线代表在恒温条件下由于压力的变化导致环空流体体积的改变。压力轴线的原点代表压力初值Pi，图中的虚曲线代表流体体积在不同温度时的变化。在图3中压力和体积变化曲线由流体状态描述所构造。由于初始温度值和压力值都已知道，图1中的

10、实曲线和虚曲线都能被计算出来。最终温度时Tf，APB是虚曲线上的某一个点，这一点是由绘图三分之一的体积变化曲线代表环空压力和温度变化的函数。当给定一个温度变化，单个不受约束的环空体积的改变DVa大约是一个压力变化函数DP，所以：l代表环空的灵活度，单位用/psi 或者m3/Pa表示。容器的弹性变化体积，如图6所示，由经过原点的实线表示。C点，环空的曲线与流体曲线的交点是应变兼容性力学平衡点。AC代表流体从最初到最终状态的变化。因此，APB等同于AC，AC的投影在压力轴线上。对于一个完美的硬质容器，容器体积的变化由AB表示，从图中可以看出由于容器的弹性导致APB的减小。图1 在弹性环空中APB图

11、1表明了以下重点：1 APB是一个孤立的区域无法超过AB，B点代表在硬质容器中的流体状态。2 AC投射在DV轴上表示环空体积的变化，为避免多重环空邻近的环空影响目标环空的体积变化，因此，直线代表环空体积变化于是有了倾斜，如果邻近环空的APB比比目标环空中的APB更大的话，AC可以在P轴线下方。3 AC的长度代表由于纯粹的热膨胀引起的流体体积的变化AD的长度和AC在DV轴线上的投影不同点在于由于压力和温度变化导致容器体积的变化。4 通过方程（3）的体积变化曲线计算适用于不同类型的流动。比如，在环空中气垫的存在包括没有疑问在方程（1）中没有使用弹性模量。5 最后当Tf Ti，如果流体冷却了，则说明

12、这个方法可以不用修改直接使用，这个方法的特点在研究注水期间环空压力是十分重要的。识别这些APB易于实现电子数据表格计算的特点，当方程（5）明确的标注一个井筒的时候，问题减少到在图（1）去搜寻在每个环空中的C点，这样的搜索算法可以适用于在典型数据表格应用使用内置常规算法程序。这些常规运算方法是高斯搜索算法和牛顿非线性方程的修改。流体PVT关系很多合成物的密度和水基钻井泥浆是温度和压力复杂的作用下完成的。一般的，钻井泥浆由基液，水，增重剂组成。泥浆的重量是独立部件的平均密度r 和g分别代表密度和下标组成成分的体积分数。固体的压缩率比液体的小很多，在APB应用中,假定增重剂的密度一直是在恒温恒压条件

13、下。我们知道基液和水的PVT特征，合理的表示应对压力和温度变化的泥浆密度。一个合理的描述在钻井过程中应用的大量的合成基液乳液和盐水密度r(P,T)通过以下方程给出：rw是在标准温度和压力下的水的密度，压力P和温度T分别用psi和F的单位。数字常量Ai, Bi, i =0, 1, 2，由实验数据拟合得到。因此，使用方程8的时候需要注意，特别是当温度和压力超出测试时P-T变化的数据。表格（1）表示一个典型盐水，合成的流体的曲线拟合常量。参考文献14和15提供了油基和水泥基的PVT统计供我们选择，盐水也同样如此。水的最优密度是从ASME蒸汽表得到。表1 方程8中的典型流动拟合曲线系数模型缓解策略在大

14、多数深水井中，在开始的时候APB上升的很快，以接近30psi/min的速率达到峰值5000-8000+。减小APB风险需要像（a）氮阻隔，（b）防爆膜，（c）可压缩的复合泡沫。虽然使用隔热套管也能有效减小AP。真空隔热套管的热量从生产传送到换新空间流体而不是直接从环空，这样可以有效的减小APB。复合泡沫复合泡沫属于多孔固体材料一类，由其内部的多孔构造的特点归为这一类。空隙通过球体增强。图2表明了复合泡沫对流体静压的反应，复合泡沫的动态取决于破裂压力和压缩率。当达到破裂压力时，泡沫开始大量的破裂知道所有的孔隙空间有的坍塌或者充满了浸入的流体。在终点的体积应变呗认为是压缩率。对泡沫的综述和设计见参

15、考文献6。这里需要注意的是，破裂压力和压缩率都是可以通过一些泡沫工程方法进行控制的，破裂压力受温度的影响。设在温度为T1和压力P1，装有流体的容器质量为m,。在图3中A点是密度与压力的比值。Va是容器的体积，f是泡沫的体积与容器体积的比，在容器中流体的密度初值由下面公式给出：之后，将容器封闭防止泡沫流失，流体的密度仍然为常量，如图3所示状态变化从A点到B点。图2复合泡沫对压力的反馈图3复合泡沫在密封容器中APB的减小让泡沫的破裂压力随着温度Pc (P1 Pc P2)变化（变化范围从T1 to T2）。随着温度升高。泡沫破裂后的体积设为fxVa，X为泡沫的压缩率。因此流体的密度从ri变化到：图3

16、中的C点，通常Pc Pc,两种压力的差异由流体PVT的反馈和泡沫破裂时产生的体积所决定。如果温度继续升高，在封闭容器中流体的密度不能改变，流体状态变化到D点即最终温度T2时压力达到P2,foam，AB代表泡沫流失后的APB，AD代表泡沫之前的APB，因此这个图表明了减小的效果。图4复合泡沫在弹性容器中的APB在图4中与图内容相似，实线和虚线分别代表网状流体体积在容器中开始时的温度和最后时的温度体积的变化。在破裂压力PC，泡沫的破裂影响网状流体的体积变化。因此，虚线下降。泡沫之前的APB就已知道，在许仙和实线的交点。图中几乎图形表示泡沫的减缓效应。氮气缓冲气顶像一个巨大的吸收器，单位体积变化的气

17、体压力的变化远远大于液体。APB的减小，气体不需要特殊分析，气体被认为是另一种流体，在环空中的流体体积的变化是通过液体和气体反馈的PVT计算出来的。减小的效果依靠怎么将氮气注入到环空。气顶减小APB方法详见参考文献6和19。图5 打开阀门的影响打开阀门和破裂盘没必要为了减缓策略打开套管阀门，井的建设实践建议不管未胶结的套管柱阀门，除非具有渗透性的碳氢化合物部分能从井筒独立。如果一个开放的井眼趋于仍然打开，环空中的压力被阀门的压力泄漏所限制，流体泄漏的体积如图5计算得出。图5与图1和图4相似，除了X轴线现在是环空底部的压力，即在开放井眼区域，同样的思路计算破裂盘的影响。检测工具构架检测工具构架在

18、本文中提到的主要有三个模块，一个温度模拟器，一个APB计算器，还有一个管状设计检查计算器。热量模拟器决定所给的生产条件的井筒温度。使用者不能被强迫去使用内置热量模拟器，保留使用其他有关设备输入温度廓线的权力。现有的温度模拟器是基于井筒热量转换方程的有限差公式。这些模拟器有很强的计算能力，一个更简单的但是更严密的热量模型是以Ramey提出的设想为基础。Ramey表达的是一个闭合形似解，这个方法在检测工具中适用的话要满足：1 一个能多相管线流动能量转移的模型2 一个能描述从井筒到地层界面的热辐射的模型3 一个能描述在井筒中各区域的热量阻力流体的热传导系数从Pethukov correlation得

19、到，这需要流体纵向流动的热学性质。一个准确的解法需要用到多相流动关系，一个简单的经验关系式包含多相和压缩性的影响，这是由Sagar提出。在地层中的放射热传导模型和Ramey提出的有些类似，使用标准的热量传递方程计算井筒实心部分的热阻。充满流体的环空的热阻通过使用垂直环空的自然对流关系得到，这是由Dropkins 和 Somerscales提出。一旦计算出给定一个热状态下的APB，使用者可以检查变量带来的影响，比如，水泥顶部，流动类型，减缓策略等等。同时设计检查计算器升级了能反映安全因素和设计余量这是符合套管设计实践的惯例的。一个示范井图6 是以个深水油井。表2表明ABI爆破（最小内部屈服压力）

20、，井中使用的管线坍塌评定。井下正常地热增温率为of 1.05F/100 ft，稳定井口温度是233F，差不多等于井底温度。在继续讨论图6中井特点之前，先对APB作一些分析。APB从概念上来讲是一种非常常见的，需要了解到环空流体温度的变化DTann，PVT反馈和对环空弹性认识。这些影响能以理论精确的合理比重去计算，设计师关心的是在一个井的有效工作时间中所创造的的价值以及一些可能性。因此，预测条件不确定性必须彻底的检查一下。图6典型的APB状态下的井表2 在是示范井中管线API评定即使复杂井筒的热量模拟和在评价热量流动中，有限差网格，假设流涕和地层特性的热量传递的精确性相差无几，通常认为从工业标准

21、误差为5来进行热量预测。另一种不确定来自于PVT的动态。直到几年前，流体的APB是通过体积弹性模量和热膨胀系数计算得到。详细的流体性质特别是新型合成流体，重型卤水，乳液的缺乏。一般这种数据从项目计划中得到。APB很大程度上是被环空中灵活性所控制。灵活性是环空边界弹性的作用。虽然环空的灵活性能计算出来，但是对于环空的改造以及水泥区块的改造是不确定的。因此，计算APB预测是十分复杂的，作为一个经验法则，是以80-150psi/F，的流体温度增加的趋势，。因此，在生产过程中环空热量上升100F，APB将会减少约8000到15000psi。环空中A，B和D点，在生产中10 的TOC 在 9 5/8的生

22、产套管中 降到阀门的13 5/8，C点有一个气阀打开区域，有些井的设计者认为环空有气阀打开的区域有不会持续的APB，由于在阀门超过破裂梯度时流体的泄漏。Marlin事件和从GOM操作者得来的一些证据表明长时间开放的井眼很难了解到一些信息，已经举例说明过把环空插入到井眼中是行不通的。就此而论，谨慎的设计者不会依赖于开放井眼区域，甚至在他们出席的时候。一段时间之后，在泥浆中使用的增重剂开始起作用，并开始封堵开放经验区域。后一个例子，取决于堵塞的位置能导致高APB由于平均温度变化在井中狭小的区域变化的更高，堵塞的深度可由概率评估。在更多的例子中，概率性的改造可以通过明智的分析避免。图7生产温度稳定状

23、态曲线图七是油管中稳定状态温度分布曲线和示范井的环空曲线。图8是每个环空APB由于C区域深度堵塞的作用。就之前的讨论，家假设C环形区域的底部不同于阀门的13 5/8，12000ft的深度。在很多深水井中，带有热量的流体流经之前提到过的环形油管。压力的限度被决定如网状井口压力在生产套管中不能导致环向应力超过一部分屈服应力。因此，在图8中，环空A中规定压力为2600psi，这样在这个环空中网状井口压力不会超过4950psi。环空B深7英寸，生产套管不能影响其他环空，被平均温度变化控制的APB保持在1900psi不变。环空C和E在生产进行时会有温度大幅度的升高，能提高APB。在环空C中堵塞深度减少，

24、两个环空的硬度都有所提高引起APB的单调上升。环空D则表现的不同，是一种相反的趋势。当环空C中的堵塞深度低于TOC的套管的13 5/8英尺时，环空D的APB受它流体温度变化控制，在环空C中的APB比环空D的更大，环空C中的高APB驱动了环空D中的压力。在套管顶部当环空C堵塞到了目标井13 5/8英尺以上，环空C中的压力影响环空D中的APB。在这个过程中，环空D中的APB仅仅只受流体温度变化控制。因此，当堵塞到环空C13 5/8英尺时的环空D的APB和堵塞在13 5/8英尺一下时TOC更小。当堵塞深度从15500ft到14000ft时，环空D中的APB呈直线下降，这是由于环空D硬度的降低引起的。

25、图8充填环空C的APB的敏感性讨论在环空D中的APB的动态不仅仅是学术上的兴趣，尽管环空D暴露在地层中，之前已经讨论过APB可能存在的原因。由于环空C和E需要减小APB的办法，有可能在密封的环空D中充填13 5/8时达到破坏负荷，然而环空C并没有。很容易的知道这个方案中在充填13 5/8时最小API破坏系数是0.83，这样APB减小办法就不能在这个环空实施，其他的办法如使用更好的更坚固的管柱保证套管完全的粘合，概述ISO DIS 10400中由讨论。ISO DIS 10400提供计算管柱性能的知道方法，计算结果是比API方法下计算出的结果小的。测试损毁值的数据表明在之前损毁值上升的经验上能得到

26、更高的损毁值。这些测试都是以所有数据结合起来为基础的还有对物理性质和几何学上小心的控制。这样的控制是典型地通过制造套管过程中QA/QC过程小心仔细的按规程试验。当管柱生产厂商定下来生产规格后，QA/QC能并入OCTG购物单。环空C和E。在环空C和E中由于很高的APB所以导致通过选择更重的或者更高等级的管柱来满足井眼的完整性是不切合实际的。有效的使用破裂盘能使环空E中的APB减小。一般地，破裂盘在外部管线20英尺上是最有效的如图6，破裂盘的方法是从从压力容器工厂借鉴，现在已经很好很有效地被用于一些深水井的项目中。他们的操作方法在概念上很简答，合适的盘的设计需要对管状制造精度，盘的评级变化，对完成

27、盘盘期望尽可能的是按盘的最大荷载设置。这些变量已经在专门的计算方法中很好的运用了。破裂盘的等级的选择，是由超过API MIYP20英寸，133ppf，J-55套管,但是小于最终管道破裂能力，这样的要求趋向于Klever-Stewart方程。通过图5描述的方法，依靠盘安装的深度，能证实如果在环空C中APB没有降低的情况下环空B中的APB等限度是2800psi，如果固体在11.3ppg SBM能解决，流体的密度降到流体基础密度7ppg，则APB的限度为4100psi。在降低环空C中中的APB时所用到的技术包括，将爆破盘设置子13 5/8英尺在15500ft，在合成泡沫模块的10 英尺，生产套管，一个氮气气顶。大多数这些方法的使用是去平衡井筒完整性的风险和接触安装。这些试验往往需要一些敏感度分析去检查在一个或者多个环空是否有或者没有APB影响管道的完整性。这样的敏感性试验应该对所有的管道都适用。图9是环空C中气顶对APB的影响，缓和技术包括可压缩流体在环空中的布置。硝化垫片是泡沫工程能带来很大体积的氮气。硝化垫片放到水泥顶部后，垫片最终分离，氮气会在环空中上移。压缩气体的减少能