使用充氮泡沫隔离液来减缓环空的压力聚集已是一项成熟技术。1999年,BP公司在墨西哥湾Marlin油田的一口深井在投产后几小时便发生了事故。事故调查小组认为油井损坏可能有两种原因,即过大的环空压力聚集和环空中的水合物分解造成的。
Marlin A-2井的套管早期损坏原因调查表明,损坏是由套管椭圆化引起的。在13-3/8in套管与16in套管之间的环空中存在水合物桥堵地层的各种条件。在油井生产期间,由于温度升高,以及压力环空中水合物的分解作用产生过高的压力将13-3/8in套管挤毁,这种破坏又进一步影响到回接套管和油管。此外,当固油层套管时,要密封油层套管与技术套管间的环空。被封闭在环空中的流体温度较低,当油井生产时环空会被生产出的流体加热。环空中的流体会产生热膨胀,流体膨胀产生的压力会挤毁套管。油层套管损坏后迅速导致油管的损坏。
产生环空压力聚集的条件是密封的环空和压力上升。由于Marlin油田特殊的产层位置,要求水泥返高必须高于环空。环空中温度升高到一定程度后,便会挤毁套管。
Marlin油田主要通过使用高强度套管,充氮隔离液、多层套管柱设计和注水泥作业设计来降低压力集聚的风险。需要把充氮隔离液替入水泥环的顶部来吸收液体的体积膨胀。一段时间以后氮气会从隔离液分离出来,充斥在环空上部。环空中的液体在生产过程中被加热时,压缩的是隔离液,从而防止了压力聚集的发生。
通过室内试验模拟了井内的温度和压力情况,测定了不同含氮量隔离液的性能。同样采用温度模拟方法来测定注水泥后的温度(T1)和生产过程中环空中的最高温度(T2)。液体放入高温试验腔内。实验设定的初始温度为80℉,压力为2000psi(注水泥作业后的静水压力),隔离液的氮含量分别为5%、10%和20%。试验结果指出,所需的最小含氮量为5%,设计中选用了含氮量为10%的隔离液。
注水泥模拟可以帮助确定隔离液的含氮量,模拟还有助于确定水泥浆体系的最佳泡沫质量。模拟时选用不同几何形状的容器,确保了压力测量的准确性,并有助于保证地层的破裂梯度不会高于注水泥时的压力。如果发生滤失,隔离液未能充填在技术套管与表层套管之间的环空,需采取别的一些补救措施来减缓环空压力聚集。
BP公司曾在一口报废井中侧钻了一口井来恢复生产。在这口井中又下了一层9-7/8in油层套管。13-5/8in技术套管与9-7/8in油层套管之间的环空需要隔离。利用上述技术设计了充氮隔离液并注入到环空中,环空中充入了43bbl氮,约占环空体积的10%,顺利完井并投产,没发生环空压力聚集。目前,该井是BP公司的三口世界级高产井之一。
墨西哥湾有很多深水油井存在封闭环空的情况,这些油井会产生环空压力聚集而影响井的完整性。有许多措施可以减轻环空压力聚集。充氮泡沫注水泥作业已应用多年,已证实这是一项安全、可靠的技术。利用充氮隔离液可有效防止环空压力聚集。在固井作业中,已有100多井次使用了隔离液。该技术已得到软件模拟、室内试验和现场试验的证实,并将继续用于防止环空压力聚集。