一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于井筒完整性良好情况下由温度及油井泄压导致环空带压的预测方法；该方法包括以下步骤：1)根据现场生产情况明确各个环空温度分布及变化值；2)初步明确环空流体初始PVT；3)考虑相邻套管温度以及材料热物性变化求解环空套管体积随环空温压变化；4)考虑流体热物性变化求解环空流体体积随环空温压变化；5)根据密闭环空中，流体与套管变化体积相等，建立环空压力升高预测模型；6)求解对应条件环空压力；7)确定上述状态下环空流体变化体积以及环空流体若未被限制升温变化体积；8)确定环空中流体所被限制的体积(泄压释放体积)；9)确定环空流体剩余体积(即初始体积)，进而求得每次泄压后因温度引起环空带压。进而求得每次泄压后因温度引起环空带压。进而求得每次泄压后因温度引起环空带压。

【技术实现步骤摘要】
一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法


[0001]本专利技术涉及一种预测方法，特别涉及一种基于井筒完整性良好情况下由温度及油井泄压导致环空带压的预测方法。

技术介绍

[0002]环空带压是指井口处的环空压力经过卸压后又重新恢复到卸压前压力水平的现象，目前现场针对环空持续带压问题，主要采用当环空带压值达到设定安全值时即对环空压力进行释放的办法来保障井筒的安全，但是频繁的压力释放会使管柱和水泥环受到交变载荷的影响从而使管柱和水泥环可能发生疲劳破坏，造成井筒完整性失效。
[0003]精确预测计算环空带压，对高温高压气井井筒完整性的评估与控制具有指导意义，目前已有的环空压力计算模型只分析了在初期环空压力升高这一单一时间历程中的环空压力计算问题，在后续的泄压
‑
升压这一反复压力变化过程中，由于每次泄压后环空流体的质量、组分等因素都会产生一定的变化，因此每次泄压后环空压力的变化趋势也是不同的，目前泄压升压这一反复过程中环空压力动态变化没有相应计算预测方法，无法对现场环空带压的防治提供相应指导。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于井筒完整性良好情况下由温度及油井泄压导致环空带压的预测方法，该预测方法能够为高温高压油气井套管柱设计及圈闭压力防治方案制定提供支持。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于井筒完整性良好情况下由温度及油井泄压导致环空带压的预测方法，包括以下步骤；1)根据现场生产情况明确各个环空温度分布及变化值；2)初步明确环空流体初始PVT；3) 考虑相邻套管温度以及材料热物性变化求解环空套管体积随环空温压变化；4) 考虑流体热物性变化求解环空流体体积随环空温压变化；5)根据密闭环空中，流体与套管变化体积相等，建立环空压力升高预测模型；6)求解对应条件环空压力；7)确定上述状态下环空流体变化体积以及环空流体若未被限制升温变化体积；8)确定环空中流体所被限制的体积(泄压释放体积)；9)确定环空流体剩余体积(即初始体积)，进而求得每次泄压后因温度引起环空带压。
[0006]所述步骤3)中，考虑相邻套管温度以及材料热物性变化求解环空套管体积随环空温压变化，其过程如下：
[0007]①
测定不同温压下套管弹性模量与热胀系数，并进行实验统计拟合，确定不同温压下套管的套管弹性模量与热胀系数；
[0008]②
考虑相邻套管温度引起热应力变化对环空流体膨胀体积影响，推导内层套管由于热膨胀产生的径向位移方程，径向位移推导方程如下：
[0009][0010]③
确定套管因压力变化而产生的位移，可参照如下公式：
[0011][0012]④
确定不同温压下套管体积变化，可参照如下公式：
[0013]ΔV1＝π[b2‑
(b+u
b1
‑
u
b2
)2]Δx
[0014]其中u
b1
为套管受热引起的位移，m；α为钢的热膨胀系数，1/℃；μ为钢的泊松比；r为油层套管体上任意一点到圆心的距离，m；a为内层套管内半径， m；ΔT1为内层套管内部温度变化量，1/℃；ΔT2为内层套管外部温度变化量， 1/℃；b为内层套管外半径，m；u
b2
为压力变化引起套管位移，m；ΔV1不同温压下套管体积变化量，m3；Δx为悬空段套管长度微元；e为钢的弹性模量， MPa；ΔP为环空A压力变化量。
[0015]所述步骤4)中，考虑流体热物性变化求解环空流体体积随环空温压变化，其过程如下：
[0016]①
测定不同温压下环空流体密度变化，并进行实验参数拟合；
[0017]②
对步骤
①
中拟合密度方程求导求得流体热胀系数和压缩系数随温压变化方程，推导方程如下：
[0018][0019][0020]③
根据步骤
②
中所得方程可得环空流体体积随温度、压力变化方程，方程式如下：
[0021][0022][0023]ΔT2＝ΔT
[0024]④
根据步骤
③
所得方程可得环空流体(环空满液)体积总变化方程，方程式如下：
[0025]ΔV4＝ΔV2‑
ΔV3[0026]其中a1为外层套管内径，m3；ρ为泥浆密度，kg/m3，α
c
为泥浆体膨胀系数， 1/℃；E
c
为泥浆体积弹性系数，MPa；ΔV2为环空流体体积受温度变化引起的变化量，m3；ΔV3为环空流体体积受压力变化引起的变化量，m3；ΔV4为环空流体体积总变化量，m3；
[0027]⑤
若环空中液体未充满包含气体时，则环空流体总体积变化方程如下：
[0028]ΔV4＝ΔV2‑
ΔV3‑
|ΔV5|
[0029][0030]其中p
Ni
环空气体的初始压力，MPa；V
N
环空气体的初始体积，m3；T环空气体的初始
温度，k；Δp环空气体的压力增量，MPa；ΔV5环空气体的体积变化， m3；ΔT环空气体的温度变化量，k。
[0031]所述步骤5)中，根据密闭环空中，流体与套管变化体积相等，建立环空压力升高预测模型，其过程如下：
[0032]①
根据密闭容器中各个组分体积增长值之差为零，相应方程式如下：
[0033]ΔV1‑
ΔV4＝0
[0034]ΔV1不同温压下套管体积变化量，m3；ΔV4环空流体不同温压下体积变化量。
[0035]所述步骤6)中，求解对应条件环空压力，其过程如下：
[0036]①
求解过程中采用了牛顿迭代法，因其二阶收敛，收敛速度快，求解更快。
[0037]在所述步骤7)，确定泄压前状态下环空流体变化体积以及环空流体若未被限制升温变化体积，其过程如下：
[0038]①
根据密闭容器的体积相容性原则可推导环空泄压前状态下环空流体(环空满液)变化体积方程式，方程式如下：
[0039]Δv
ki
＝πΔx[((b+u
b1
)2‑
(b+u
b1
‑
u
b2
)2)]‑
πΔx[(b+u
bl
)2‑
b][0040]②
若环空非满液含气时，根据密闭容器的体积相容性原则可推导环空泄压前状态下环空流体变化体积方程式，方程式如下：
[0041]Δv
ki
＝πΔx[((b+u
b1
)2‑
(b+u
b1
‑
u
b2
)2)]‑
πΔx[(b+u
b1
)2‑
b]‑
ΔV5[0042]③
根据饱和蒸气压测定方法可推导环空流体若未被限制升温变化体积方程式，方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法，其特征在于，包括：1)根据现场生产情况明确各个环空温度分布及变化值；2)初步明确环空流体初始PVT；3)考虑相邻套管温度以及材料热物性变化求解环空套管体积随环空温压变化；4)考虑流体热物性变化求解环空流体体积随环空温压变化；5)根据密闭环空中，流体与套管变化体积相等，建立环空压力升高预测模型；6)求解对应条件环空压力；7)确定上述状态下环空流体变化体积以及环空流体若未被限制升温变化体积；8)确定环空中流体所被限制的体积(泄压释放体积)；9)确定环空流体剩余体积(即初始体积)，进而求得每次泄压后因温度引起环空带压。2.如权利要求1所述的一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法，其特征在于：在所述步骤3)中，考虑相邻套管温度以及材料热物性变化求解环空套管体积随环空温压变化，其过程包括：
①
测定不同温压下套管弹性模量与热胀系数，并进行实验统计拟合，确定不同温压下套管的套管弹性模量与热胀系数；
②
考虑相邻套管温度引起热应力变化对环空流体膨胀体积影响，推导内层套管由于热膨胀产生的径向位移方程，径向位移推导方程如下：
③
确定套管因压力变化而产生的位移，可参照如下公式：
④
确定不同温压下套管体积变化，可参照如下公式：ΔV1＝π[b2‑
(b+u
b1
‑
u
b2
)2]Δx其中u
b1
为套管受热引起的位移，m；α为钢的热膨胀系数，1/℃；μ为钢的泊松比；r为油层套管体上任意一点到圆心的距离，m；a为内层套管内半径，m；ΔT1为内层套管内部温度变化量，1/℃；ΔT2为内层套管外部温度变化量，1/℃；b为内层套管外半径，m；u
b2
为压力变化引起套管位移，m；ΔV1不同温压下套管体积变化量，m3；Δx为悬空段套管长度微元；E为钢的弹性模量，MPa；ΔP为环空A压力变化量。3.如权利要求1所述的一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法，其特征在于：在所述步骤4)中，考虑流体热物性变化求解环空流体体积随环空温压变化，其过程包括：
①
测定不同温压下环空流体密度变化，并进行实验参数拟合；
②
对步骤
①
中拟合密度方程求导求得流体热胀系数和压缩系数随温压变化方程，推导方程如下：方程如下：
③
根据步骤
②
中所得方程可得环空流体体积随温度、压力变化方程，方程式如下：
ΔT2＝ΔT
④
根据步骤
③
所得方程可得环空流体(环空满液)体积总变化方程，方程式如下：ΔV4＝ΔV2‑
ΔV3其中a1为外层套管内径，m3；ρ为泥浆密度，kg/m3，α
c
为泥浆体膨胀系数，1/℃；E
c
为泥浆体积弹性系数，MPa；ΔV2为环空流体体积受温度变化引起的变化量，m3；ΔV3为环空流体体积受压力变化引起的变化量，m3；ΔV4为环空流体体积总变化量，m3；
⑤
若环空中液体未充满包含气体时，则环空流体总体积变化方程如下：ΔV4＝ΔV2‑
ΔV3‑
|ΔV5|其中p
Ni
环空气体的初始压力，MPa；V
N
环空气体的初始体积，m3；T环空气体的初始温度，k；Δp环空气体的压力增量，MPa；ΔV5环空气体的体积变化，m3；ΔT环空气体的温度变化量，k。4.如权利要求1所述的一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法，其特征在于：在所述步骤5)中，根据密闭环空中，流体与套管变化体积相等，建立环空压力升高预测模型，其过程包括：
①
根据密闭容器中各个组分体积增长值之差为零，相应方程式如下：ΔV1‑
ΔV4＝0ΔV1不同温压下套管体积变化量，m3；ΔV4环空流体不同温压下体积变化量。5.如权利要求1所述的一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法，其特征在于：在所述步骤6)中，求解对应条件环空压力，其过程包括：
①
求解过程中采用了牛顿迭代法，因其二阶收敛，收敛速度快，求解更快。6.如权利要求1所述的一种基于井筒完整性良好环空带压的预测方法，其特征在于：在所述步骤7)，确定泄压前状态下环空流体变化体积以及环空流体若未被限制升温变化体积，其过程包括：
①
根据密闭容器的体积相容性原则可推导环空泄压前状态下环空流体(环空满液)变化体积方程式，方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙腾飞，王志雷，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：