对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法及其装置，其涉及油气田开发井筒完整性领域，所述对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法包括：通过实际测量得到气井井口环空压力随时间的变化的数据一；获取气井的井身结构参数、井筒温度参数和气体性质参数；将环空压力随时间的变化的数据一、气井的井身结构参数、井筒温度参数、气体性质参数与预定的井口环空压力预测解析模型进行拟合得到水泥渗透率、近井地层压力、初始气柱高度；基于初始气柱高度得到液柱高度；基于液柱高度、近井地层压力得到最大井口环空压力；等等。本申请能够对环空压力进行有效的定量分析，为环空压力管理规程的制定提供依据。

Analysis method and device for monitoring data of gas well wellhead annulus pressure

The invention discloses an analysis method and its device for the monitoring data of the annular pressure of the casing of a gas well, which involves the field integrity of the oil and gas field. The analysis method of the monitoring data of the annular pressure of the casing of the gas well includes the data of the change of the annular pressure with time by the actual measurement. First, the parameters of the wellbore structure, wellbore temperature and gas properties are obtained, and the permeability and near well formation of the cement are obtained by fitting the data of the annular pressure with time, the parameters of the wellbore structure, the wellbore temperature parameter, the gas property parameters and the predicted analytical model of the predicted wellhead annular pressure. Pressure and height of the initial gas column; the height of the liquid column is obtained based on the height of the initial gas column; the maximum wellhead ring air pressure is obtained based on the height of the liquid column and the near well formation pressure; and so on. This application can carry out effective quantitative analysis of annulus pressure and provide basis for the establishment of annulus pressure management regulations.

【技术实现步骤摘要】
对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法及其装置
本专利技术涉及油气田开发井筒完整性领域，特别涉及一种对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法及其装置。
技术介绍
在气井生产运行过程中，尤其是对于高温高压气井，井口环空持续带压现象普遍，严重威胁人员、环境和井筒的安全。根据环空压力的来源，环空压力可分为两种类型：(1)由于温度升高、天然气鼓胀引起，油套环空和套管环空内流体在有限空间内受热膨胀，导致环空压力上升；(2)由于天然气泄漏导致环空压力升高，主要包括油管柱、套管柱密封失效和水泥环密封失效。其中，对于第一类环空压力，可以通过降低产量或使用绝热材料来解决；对于第二类环空压力则必须在井筒设计和生产中采取有效措施、制定合理操作规程来解决。合理分析井口环空压力数据为制定科学的环空压力管理措施提供了依据。目前针对气井环空带压现象，油气生产现场采取了一定措施。如APIRP90和APIRP90-2标准分别规定了海上和陆上油气井井口各环空的最大许用操作压力的计算方法；Anders等(2008)在SPE会议论文《PrudhoeBayWellP215SurfaceCasingCollapse》(SPE116771)中记载了阿拉斯加普拉德霍湾现场的提高井筒完整性的管柱设计原则：设计最大可接受带压值A环空为2000psi，B环空为1000psi，后续的环空为500psi。通过现场资料调研可知这些操作规程人为主观性较强，并未结合环空压力形成的特征。针对井口环空压力，国内学者研究了预测模型，如《石油学报》中2015年的文献《深水油气井开采过程环空压力预测与分析》，该文针对环空流体热膨胀引起的环空压力，根据能量守恒和多层圆筒壁传热提出了环空压力的迭代计算方法。然而，针对气体泄漏引起井口环空压力，在目前未见到有关现场监测数据的分析方法以分析环空压力，从而制定有效的管理措施。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术实施例所要解决的技术问题是提供了一种对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法及其装置，其能够对环空压力进行有效的定量分析，为环空压力管理规程的制定提供依据。本专利技术实施例的具体技术方案是：一种对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，包括以下步骤：通过实际测量得到气井井口环空压力随时间的变化的数据一；获取气井的井身结构参数、井筒温度参数和气体性质参数；将所述环空压力随时间的变化的数据一、所述气井的井身结构参数、井筒温度参数、气体性质参数与预定的井口环空压力预测解析模型进行拟合得到水泥渗透率、近井地层压力、初始气柱高度；基于所述初始气柱高度得到液柱高度；基于所述液柱高度、所述近井地层压力得到最大井口环空压力；基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述初始气柱高度、初始气柱高度和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到达到最大环空压力所需时间；基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述液柱高度、所述最大井口环空压力和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到环空压力随时间变化的数据二；基于所述环空压力随时间变化的数据二、所述近井地层压力、所述水泥渗透率、所述初始气柱高度和所述液柱高度计算得到气体泄漏流量随时间变化的数据；根据所述水泥渗透率和/或所述近井地层压力和/或所述环空压力随时间变化的数据二和/或所述最大井口环空压力/或气体泄漏流量随时间变化的数据得到气井井口环空压力诊断与分析的结论。在一种优选的实施方式中，在步骤通过实际测量得到气井井口环空压力随时间的变化的数据一中，连续监测井口环空压力一次性建立该过程中的气井井口环空压力随时间的变化的数据一，监测期间不能进行泄压、关井操作。在一种优选的实施方式中，所述气井的井身结构参数、所述井筒温度参数和所述气体性质参数中包括：垂深井深、测深井深、井底温度、生产稳定后的井口温度、环空的外层套管内径和内层套管外径、环空内完井液的密度和压缩系数、井底温度压力下的气体粘度、气体密度和气体压缩因子、水泥返高。在一种优选的实施方式中，在步骤将所述环空压力随时间的变化的数据一、所述气井的井身结构参数、井筒温度参数、气体性质参数与预定的井口环空压力预测解析模型进行拟合得到水泥渗透率、近井地层压力、初始气柱高度中，所述预定的井口环空压力预测解析模型井口环空压力由初始时刻的环空压力P0增加至t时刻的环空压力Pw所需的时间△t的计算公式为：其中，b＝0.00981·ρmLf，Ti、Tw分别表示井底温度和井口温度，单位为K；Zi表示井底条件下气体的压缩因子；μi为井底条件下的气体粘度，单位为mPa.s；K表示水泥渗透率，单位为10-9m2；A为环空截面积，单位为m2；P0、Pw分别为初始时刻零时刻和t时刻的环空压力，单位为MPa；Lc表示水泥顶面到井底的长度，单位为m；ρm表示完井液密度，单位为g/cm3；Lg表示初始气柱高度，单位为m；Lf表示环空中完井液柱的高度，单位为m，Lf根据垂深井深、初始气柱高度和水泥返高的关系表示，Lf＝H-Lg-Lc，H表示井深，单位为m；Vm为完井液柱的初始体积，Vm＝Lf·A，单位为m3；Pf为近井地层压力，单位为MPa；Cm为完井液压缩系数，单位为MPa-1。在一种优选的实施方式中，对预定的井口环空压力预测解析模型与实测数据进行拟合，拟合目标函数为预定的井口环空压力预测解析模型的估算值与实测数据的均方根误差达到最小，限制条件为拟合参数为正值，拟合目标函数的计算公式如下：其中，Y'表示模型预测值n维向量，Y为n个实测数据点构成的向量，RMSE表示拟合目标函数。在一种优选的实施方式中，在步骤基于所述液柱高度、所述近井地层压力得到最大井口环空压力中，其计算公式如下：Pmax＝Pf-0.00981·ρmLf其中，Pmax表示最大井口环空压力，单位为MPa；Pf为近井地层压力，单位为MPa；Lf表示环空中完井液柱的高度，单位为m，ρm表示完井液密度，单位为g/cm3。在一种优选的实施方式中，在步骤基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述液柱高度、所述最大井口环空压力和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到环空压力随时间变化的数据二中，将所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述液柱高度、所述最大井口环空压力代入所述预定的井口环空压力预测解析模型中，按一定增量在(0，Pmax)范围内给定不同的环空压力值，分别计算对应的时间，从而得到环空压力随时间变化的数据二。在一种优选的实施方式中，在步骤基于所述环空压力随时间变化的数据二、所述近井地层压力、所述水泥渗透率、所述初始气柱高度和所述液柱高度计算得到气体泄漏流量随时间变化的数据中，将所述近井地层压力、所述水泥渗透率、所述初始气柱高度和所述液柱高度代入以下公式中计算不同环空压力Pw下的气体流量，从而得到气体泄漏流量随时间变化的数据，公式如下：其中，Qsc表示标况气体流量，单位为m3/s；Tsc表示标况温度，单位为273.5K；Psc为标况压力，单位为0.1MPa；K表示水泥渗透率，单位为10-9m2；A为环空截面积，单位为m2；μi为井底条件下的气体粘度，单位为mPa.s；Zi表示井底条件下气体的压缩因子；Ti表示井底温度，单位为K；Lc表示水泥顶面到井底的长度，单位为m；Pf为近井地层压力，单位为MPa；Pw为t时刻的环空压力，单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：通过实际测量得到气井井口环空压力随时间的变化的数据一；获取气井的井身结构参数、井筒温度参数和气体性质参数；将所述环空压力随时间的变化的数据一、所述气井的井身结构参数、井筒温度参数、气体性质参数与预定的井口环空压力预测解析模型进行拟合得到水泥渗透率、近井地层压力、初始气柱高度；基于所述初始气柱高度得到液柱高度；基于所述液柱高度、所述近井地层压力得到最大井口环空压力；基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述初始气柱高度、初始气柱高度和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到达到最大环空压力所需时间；基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述液柱高度、所述最大井口环空压力和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到环空压力随时间变化的数据二；基于所述环空压力随时间变化的数据二、所述近井地层压力、所述水泥渗透率、所述初始气柱高度和所述液柱高度计算得到气体泄漏流量随时间变化的数据；根据所述水泥渗透率和/或所述近井地层压力和/或所述环空压力随时间变化的数据二和/或所述最大井口环空压力/或气体泄漏流量随时间变化的数据得到气井井口环空压力诊断与分析的结论。...

【技术特征摘要】
1.一种对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：通过实际测量得到气井井口环空压力随时间的变化的数据一；获取气井的井身结构参数、井筒温度参数和气体性质参数；将所述环空压力随时间的变化的数据一、所述气井的井身结构参数、井筒温度参数、气体性质参数与预定的井口环空压力预测解析模型进行拟合得到水泥渗透率、近井地层压力、初始气柱高度；基于所述初始气柱高度得到液柱高度；基于所述液柱高度、所述近井地层压力得到最大井口环空压力；基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述初始气柱高度、初始气柱高度和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到达到最大环空压力所需时间；基于所述水泥渗透率、所述近井地层压力、所述液柱高度、所述最大井口环空压力和所述预定的井口环空压力预测解析模型得到环空压力随时间变化的数据二；基于所述环空压力随时间变化的数据二、所述近井地层压力、所述水泥渗透率、所述初始气柱高度和所述液柱高度计算得到气体泄漏流量随时间变化的数据；根据所述水泥渗透率和/或所述近井地层压力和/或所述环空压力随时间变化的数据二和/或所述最大井口环空压力/或气体泄漏流量随时间变化的数据得到气井井口环空压力诊断与分析的结论。2.根据权利要求1所述的对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，在步骤通过实际测量得到气井井口环空压力随时间的变化的数据一中，连续监测井口环空压力一次性建立该过程中的气井井口环空压力随时间的变化的数据一，监测期间不能进行泄压、关井操作。3.根据权利要求1所述的对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，所述气井的井身结构参数、所述井筒温度参数和所述气体性质参数中包括：垂深井深、测深井深、井底温度、生产稳定后的井口温度、环空的外层套管内径和内层套管外径、环空内完井液的密度和压缩系数、井底温度压力下的气体粘度、气体密度和气体压缩因子、水泥返高。4.根据权利要求1所述的对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，在步骤将所述环空压力随时间的变化的数据一、所述气井的井身结构参数、井筒温度参数、气体性质参数与预定的井口环空压力预测解析模型进行拟合得到水泥渗透率、近井地层压力、初始气柱高度中，所述预定的井口环空压力预测解析模型井口环空压力由初始时刻的环空压力P0增加至t时刻的环空压力Pw所需的时间△t的计算公式为：其中，b＝0.00981·ρmLf，Ti、Tw分别表示井底温度和井口温度，单位为K；Zi表示井底条件下气体的压缩因子；μi为井底条件下的气体粘度，单位为mPa.s；K表示水泥渗透率，单位为10-9m2；A为环空截面积，单位为m2；P0、Pw分别为初始时刻零时刻和t时刻的环空压力，单位为MPa；Lc表示水泥顶面到井底的长度，单位为m；ρm表示完井液密度，单位为g/cm3；Lg表示初始气柱高度，单位为m；Lf表示环空中完井液柱的高度，单位为m，Lf根据垂深井深、初始气柱高度和水泥返高的关系表示，Lf＝H-Lg-Lc，H表示井深，单位为m；Vm为完井液柱的初始体积，Vm＝Lf·A，单位为m3；Pf为近井地层压力，单位为MPa；Cm为完井液压缩系数，单位为MPa-1。5.根据权利要求4所述的对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，对预定的井口环空压力预测解析模型与实测数据进行拟合，拟合目标函数为预定的井口环空压力预测解析模型的估算值与实测数据的均方根误差达到最小，限制条件为拟合参数为正值，拟合目标函数的计算公式如下：其中，Y'表示模型预测值n维向量，Y为n个实测数据点构成的向量，RMSE表示拟合目标函数。6.根据权利要求1所述的对气井井口套管环空压力监测数据的分析方法，其特征在于，在步骤基于所述液柱高度、所述近井地层压力得到最大井口环空压力中，其计算公式如下：Pmax＝Pf-0.00981·ρmLf其中，P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弘，申瑞臣，李景翠，夏焱，班凡生，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11