一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与反演方法技术方案

本发明专利技术涉及一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与反演方法，属于石油与天然气工程技术领域，基于计算的火焰长度建立井口参数计算模型，通过对求解计算模型得到井喷着火工况下井口的气体流量，最后根据计算得到的井口参数反演地层压力。借助本发明专利技术的气井井喷着火情况下的地层压力反演系统精准测量井喷着火工况下火焰高度，本发明专利技术气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与方法可以精准确定井喷着火井口气体流速及流量，为井喷着火条件下地层压力反演及抢险作业提供指导。层压力反演及抢险作业提供指导。层压力反演及抢险作业提供指导。

【技术实现步骤摘要】
一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与反演方法


[0001]本专利技术涉及一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与反演方法，属于石油与天然气工程


技术介绍

[0002]井喷的喷出物主要是原油、天然气、钻井液和地下水等，这其中危害最大应属气井的井喷，气井发生井喷甚至井喷失控都会造成较大的危害。因为天然气中大部分是烃类气体像甲烷、乙烷等，这些易燃易爆物质与空气混合，遇明火、高温的情况极易燃烧爆炸。气井井喷着火的主要特点及危害有：气井井喷失控着火一般具有突发性,猛烈性,很容易造成人员伤亡；火焰柱高,一般50～100m；火焰温度高,热辐射强,火柱表面温度一般在1500℃左右,在无水或掩体掩护的情况下,人距井口100m左右难以停留；油气喷出的压力高、产量大,并夹带大量岩屑对套管、井口冲刺,破坏力极强；因喷出油气压力高,产量大,再加之燃烧爆炸,声音频率高,因此响声高、噪声大、震耳欲聋,对环境造成极大破坏,给抢险人员造成很大威胁,给抢险指挥系统造成极大困难；抢险时间长,耗水量大、人力物力消耗大、抢险环境和条件恶劣,给抢险作业带来困难。在气井井喷着火情况下无法接近钻井平台的情况下，不能通过传统办法来获得关井立压和关井套压，因此利用关井后读取套管压力、立管压力来确定地层压力的常规方法无法在井喷着火情况下使用。此外，进行气井井喷着火研究可以为制定事故处理方案，进行抢险作业提供帮助。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，为克服现有技术的缺陷，本专利技术提供一种气井井喷着火情况下的地层压力确定方法；该方法解决了现有方法无法解决的难题可为随后的压井设计与压井施工提供依据。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统，包括地面井喷火焰高度测量系统和数据信息反演系统；
[0006]地面井喷火焰高度测量系统包括：红外热成像摄像机、可见光摄像机、小型气象站、测距传感器；红外热成像摄像机和可见光摄像机用于拍摄气井井喷火焰现场图像，用来研究、分析和确定火焰的高度；小型气象站用来连续记录以下气象条件：风向、风速和环境温度，这些变量是重要的，因为它们可能直接或间接地影响射流火焰；测距传感器用来合理计算布置红外热成像摄像机和可见光摄像机距井喷火焰距离；
[0007]数据信息反演系统包括：数据采集管线、计算机、显示器；
[0008]数据采集管线连接计算机和地面井喷火焰高度测量系统，向计算机传递测量数据；计算机根据获得的测量数据进行地层信息反演，得到地层压力；显示器连接计算机，用于直观输出地层压力反演结果。
[0009]优选的，火焰高度确定由红外热成像摄像机、可见光摄像机拍摄到的图像，由计算
机处理识别，以温度800k作为井喷火焰边界。
[0010]根据本专利技术优选的，所述的测距传感器为防爆激光测距传感器，适用于井喷着火现场作业。
[0011]数据采集管线与测量设备的连接按现有技术即可。计算机用于采用专利技术的地层压力反演方法，分析地层压力；显示器连接计算机，主要用于直观输出测量数据不断丰富过程中的地层压力反演结果。
[0012]上述的气井井喷着火情况下的地层压力反演系统的反演方法，包括步骤如下：
[0013]在确保人员生命安全和设备正常运行的情况下，采用防爆激光测距传感器确定安全距离；将现场的红外热成像摄像机和可见光摄像机设置为记录模式，测得的火焰图像和防爆激光测距传感器测得的距离通过数据采集管线导入到计算机，通过地层压力反演进行处理分析，反演得到地层压力。
[0014]一种气井井喷着火情况下地层信息反演方法，具体步骤包括如下：
[0015](1)根据现场钻井施工资料，确定地层压力反演所需要的工程参数；
[0016](2)根据红外热成像摄像机和可见光摄像机测得的火焰图像计算火焰高度，由于环境风的存在，火焰高度计算公式为：
[0017][0018]式(1)中L0为井喷火焰长度，m；H为测量的火焰高度，m；θ为井喷火焰与水平线的夹角(0
°
～90
°
)；uW为当地风速，m/s；
[0019](3)由于失控井喷流射流速度通常处于超音速区域，属于气体射流，因此采用Spalart—Allmaras模型对失控井喷射流进行描述：
[0020][0021]式中t表示时间，s；ρ表示混合气体密度，kg/m3；x
i
，x
j
分别表示不同位置的张量符号；表示湍流黏度系数；u
i
表示时均匀速度分量；G
v
表示湍流黏度产生项；Y
v
表示由于壁面阻挡与黏性阻尼引起的湍流黏度减少项；和C
b2
为常数；μ表示分子黏度，Pa
·
s；
[0022](4)在超音速流动的射流过程中，由于真实气体具有可压缩性，故利用泊松式和pV＝ZnRT得：
[0023]pρ
‑
γ
＝C
ꢀꢀ
(3)
[0024]再结合欧拉方程推导出真实气体伯努利方程：
[0025][0026]式中p为井喷出口位置压力，Pa；V为气体体积，m3；Z为天然气压缩系数；n为气体的物质的量；mol；R为摩尔气体常数；J/(mol
·
k)；T表示绝对温度，k；γ为比热比；v为井喷气体速度，m/s；g为重力加速度m/s2；H为火焰高度，m；C为常数；
[0027](5)由真实气体伯努利方程建立火焰高度与流速的表达公式：
[0028][0029]式中p0为井底压力，Pa；ρ0为井底气体密度；p为井喷出口位置压力，Pa；f为阻力系数，m/s；l为套管长度，m；r为套管半径，m；表示雷诺平均后的平均速度，m/s；
[0030](6)根据现场施工资料确定气体组分，可由公式(6)计算井喷气体相对分子质量：
[0031][0032]式中M
g
表示天然气相对分子质量；x
i
表示天然气组分i的摩尔数；n表示组分数；M
i
为组分i的相对分子质量；
[0033](7)将气体理想状态方程(7)与公式(5)联立可求出气体井喷着火井口处的气体流速表达式(8)：
[0034][0035][0036]式中ρ
g
表示气体密度kg/m3；T0表示相对温度，k；R为摩尔气体常数；J/(mol
·
k)；
[0037](8)在获得井口流速的基础上，计算井喷气体产量Q公式(9)为：
[0038][0039]式中K表示井喷气体产量与流量的转换系数，该系数由气体质量流量转换系数表查得；
[0040](9)在对地层压力求解过程中，需要先对井底流动压力P
s
进行求解，得到井底流动压力后，方可求出地层压力；在对井底流动压力P
s
的求解方法如下：
[0041]9‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统，其特征在于，包括地面井喷火焰高度测量系统和数据信息反演系统；地面井喷火焰高度测量系统包括：红外热成像摄像机、可见光摄像机、小型气象站、测距传感器；红外热成像摄像机和可见光摄像机用于拍摄气井井喷火焰现场图像，用来研究、分析和确定火焰的高度；小型气象站用来连续记录以下气象条件：风向、风速和环境温度；测距传感器用来计算布置红外热成像摄像机和可见光摄像机距井喷火焰距离；数据信息反演系统包括：数据采集管线、计算机、显示器；数据采集管线连接计算机和地面井喷火焰高度测量系统，向计算机传递测量数据；计算机根据获得的测量数据进行地层信息反演，得到地层压力；显示器连接计算机，用于直观输出地层压力反演结果。2.根据权利要求1所述的气井井喷着火情况下的地层压力反演系统，其特征在于，火焰高度确定由红外热成像摄像机、可见光摄像机拍摄到的图像，由计算机处理识别，以温度800k作为井喷火焰边界。3.根据权利要求1所述的气井井喷着火情况下的地层压力反演系统，其特征在于，所述的测距传感器为防爆激光测距传感器。4.一种利用权利要求1
‑
3任意一项权利要求所述的气井井喷着火情况下的地层压力反演系统的反演方法，其特征在于，包括步骤如下：在确保人员生命安全和设备正常运行的情况下，采用测距传感器确定安全距离；将现场的红外热成像摄像机和可见光摄像机设置为记录模式，测得的火焰图像和测距传感器测得的距离通过数据采集管线导入到计算机，通过地层压力反演进行处理分析，反演得到地层压力。5.一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统的反演方法，其特征在于，具体步骤包括如下：(1)根据现场钻井施工资料，确定地层压力反演所需要的工程参数；(2)根据红外热成像摄像机和可见光摄像机测得的火焰图像计算火焰高度，由于环境风的存在，火焰高度计算公式为：式(1)中L0为井喷火焰长度，m；H为测量的火焰高度，m；θ为井喷火焰与水平线的夹角(0
°
～90
°
)；u
W
为当地风速，m/s；(3)由于失控井喷流射流速度通常处于超音速区域，属于气体射流，因此采用Spalart—Allmaras模型对失控井喷射流进行描述：式中t表示时间，s；ρ表示混合气体密度，kg/m3；x
i
，x
j
分别表示不同位置的张量符号；表示湍流黏度系数；u
i
表示时均匀速度分量；G
v
表示湍流黏度产生项；Y
v
表示由于壁面阻挡与黏性阻尼引起的湍流黏度减少项；和C
b2
为常数；μ表示分子黏度，Pa
·
s；(4)在超音速流动的射流过程中，由于真实气体具有可压缩性，故利用泊松式和pV＝
ZnRT得：pρ
‑
γ
＝C
ꢀꢀꢀꢀ
(3)再结合欧拉方程推导出真实气体伯努利方程：式中p为井喷出口位置压力，Pa；V为气体体积，m3；Z为天然气压缩系数；n为气体的物质的量；mol；R为摩尔气体常数；J/(mol
·
k)；T表示绝对温度，k；γ为比热比；v为井喷气体速度，m/s；g为重力加速度m/s2；H为火焰高度，m；C为常数；(5)由真实气体伯努利方程建立火焰高度与流速的表达公式：式中p0为井底压力，Pa；ρ0为井底气体密度；p为井喷出口位置压力，Pa；f为阻力系数，m/s；l为套管长度，m；r为套管半径，m；表示雷诺平均后的平均速度，m/s；(6)根据现场施工资料确定气体组分，可由公式(6)计算井喷气体相对分子质量：式中M
g
表示天然气相对分子质量；x
i
表示天然气组分i的摩尔数；n表示组分数；M
i
为组分i的相对分子质量；(7)将气体理想状态方程(7)与公式(5)联立可求出气体井喷着火井口处的气体流速表达式(8)：达式(8)：式中ρ
g
表示气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛磊，王志远，王海斌，崔海林，刘晓，
申请(专利权)人：中石化胜利石油工程有限公司塔里木分公司，
类型：发明
国别省市：