减缓油气井环空带压的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明有关于一种减缓油气井环空带压的方法及装置，尤其有关于一种天然气开 发及储存技术领域中的减缓油气井环空带压的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 石油天然气开发及天然气储存的生产井中，存在多个管柱组成的，没有被水泥封 固的环空，运些环空均充填了不同性能的液体。如生产管柱与生产套管环空，为平衡生产 封隔器上下压力，减缓生产管柱及生产套管环空间的腐蚀，常规做法是在生产管柱及生产 套管环空间注满一定密度的压力平衡保护液；大多数生产套管与技术套管环空，水泥没有 返至井口，里面充满了钻井液。运些环空，均由井口密封组件密封，与下部密封组件（水泥 环、封隔器等）、管柱共同组成了密闭环空。运种做法存在如下几个问题：1)石油天然气生 产时，生产管柱内压力、溫度急剧上升，由于压力、溫度效益，使各环空压力急剧上升，运种 上升难W判断是生产管柱、封隔器、套管等泄漏引起，还是压力、溫度效应引起；2)环空压 力的急剧升高，有可能导致生产管柱、封隔器、套管等的密封失效或破裂。3)为消减压力的 急剧升高，现场不得不采取频繁的压力释放、环空液体的补充等措施，比如环空中接管线出 井场，卸压点火燃烧。在井口密封处高压注入液体，提高生产封隔器上面的压力。运些都会 导致现场工作量的增加和管理成本的上升；4)由于作业程序的改变，如压裂、压井、修井等 作业，生产管柱内压力、溫度会降低，生产及环空液体在溫度、压力效应的影响下会发生体 积收缩，导致环空压力急剧降低，在井口密封不能及时补充液体的情况下，可能会形成真空 段，甚至引起井口设备、井口段生产管柱及生产套管的密封失效、泄漏，从而易引起井口段 环空部件的腐蚀。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种减缓油气井环空带压的方法，可减缓油气井环空压力急 剧上升或降低，降低生产管柱、套管、封隔器、井口设备密封失效泄露及破裂的可能性。
[0004] 本发明的另一目的是提供一种减缓油气井环空带压的装置，可减缓油气井环空压 力急剧上升或降低，降低生产管柱、套管、封隔器、井口设备密封失效泄露及破裂的可能性。 阳0化]本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
[0006] 本发明提供一种减缓油气井环空带压的方法，所述减缓油气井环空带压的方法包 括如下步骤：
[0007] a)提供一储气罐，将所述储气罐通过管线与油气井环空相连通；
[0008] b)向所述储气罐内灌注预定体积的惰性气体。
[0009] 在优选的实施方式中，在所述步骤b)中，向所述储气罐内灌注的惰性气体的体积 为V，所述油气井环空为由内管和套设在所述内管外的外管形成的环形空间，其中，由所述 内管的内压力效应引起的所述内管的体积变量为AVi，由所述内管的外压力效应引起的所 述内管的体积变量为Av,，由所述内管的溫度效应引起的所述内管的体积变量为AV3,所 述油气井环空内的液体的体积变量为AVm，则V=AVi-ΔV2+AV3+AVm。
[0010] 在优选的实施方式中，所述内管的内半径为a,其外半径为b，所述内管的长度为 以所述内管的溫度变化量为AT，所述内管的热体积膨胀系数为γ，则由所述内管的溫度 效应引起的所述内管的体积变量AV3:
[0011]
[0012] 在优选的实施方式中，所述油气井环空的液体的热膨胀系数为αm，所述外管的内 半径为C，所述油气井环空的液体的液柱高度为Lm，所述内管的溫度变化量为ΔΤ，则，所述 油气井环空内的液体的体积变量AVm:
[0013]
[0014] 在优选的实施方式中，所述内管的外半径为b，所述内管的长度为以由所述内管 的内压力变化引起的所述内管的外径变化量为Aubi，则，由所述内管的内压力效应引起的 所述内管的体积变量AVi:
[0015] AVi=Ji(化+Aubi)2-b2)L。
[0016] 在优选的实施方式中，所述内管的内半径为a,所述内管的弹性模量为E，所述内 管的内压力变化量为Δρι，所述内管的泊松比为μ，则，由所述内管的内压力变化引起的所 述内管的外径变化量AUbi:
[0017]
[0018] 在优选的实施方式中，所述内管的外半径为b，所述内管的长度为以由所述内管 的外压力变化引起的所述内管的外径变化量为Aub2,则，由所述内管的外压力效应引起的 所述内管的体积变量AV2:
[0019] AV2=π(化+Aub2)2-b2)L。
[0020] 在优选的实施方式中，所述内管的内半径为a,所述内管的弹性模量为E，所述内 管的外压力变化量为Δρ。，所述内管的泊松比为μ，则，由所述内管的外压力变化引起的所 述内管的外径变化量AUb2:
[0021]
[0022] 在优选的实施方式中，所述储气罐的容积大于或等于2. 0m3,所述储气罐的承压压 强大于或等于5.OMPa。
[0023] 本发明还提供一种减缓油气井环空带压的装置，其包括储气罐，所述储气罐通过 管线与油气井环空相连通，所述储气罐内灌注有惰性气体。
[0024]在优选的实施方式中，所述储气罐的容积大于或等于2. 0m3,所述储气罐的承压压 强大于或等于5.OMPa。
[00巧]在优选的实施方式中，所述储气罐内灌注的惰性气体的压强为1.OMPa~2.OMPa。 [00%] 本发明的减缓油气井环空带压的方法及装置的特点及优点是：本发明通过储气罐 与油气井环空相连通，可减缓油气井环空内压力的急剧上升或降低，降低生产管柱、套管、 封隔器、井口设备密封失效泄露及破裂的可能性，本发明可减少井口维护保养次数，降低作 业成本。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他 的附图。
[0028] 图1为本发明的减缓油气井环空带压的装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 实施方式一
[0031] 如图1所示，本发明提供一种减缓油气井环空带压的方法，其包括如下步骤：
[0032] a)提供一储气罐1，将所述储气罐1通过管线2与油气井环空3相连通；
[0033] b)向所述储气罐1内灌注预定体积的惰性气体。
[0034] 具体是，在步骤a)中，该储气罐1设置在井口，其通过一管线2与油气井环空3相 连通。在该实施例中，油气井环空3内全部充满液体。
[0035] 在步骤b)中，在本实施例中，向储气罐1内灌注的惰性气体为氮气，其体积为V， 该油气井环空3为由内管和套设在内管外的外管形成的环形空间，其下部通过封隔器7封 隔，其中，由内管的内压力效应引起的内管的体积变量为AVi，由内管的外压力效应引起的 内管的体积变量为AVz，由内管的溫度效应引起的内管的体积变量为AV3,该油气井环空3 内的液体的体积变量为AVm，则V=AVi-AV2+ΔV3+AVm。
[0036] 在一具体实施例中，该内管可为生产管柱4,外管可为套管5,储气罐1通过管线2 连接至生产管柱4与套管5之间形成的油气井环空3内；或者，在其他的实施方式中，该内 管可为套管5,外管可为技术套管6,储气罐1通过管线2连接至套管5与技术套管6之间 形成的油气井环空3内。
[0037] 在步骤b)中，由于溫度变化时，内管将发生热膨胀或冷收缩，其体积变化将引起 油气井环空3的体积变化，因此，需计算由内管的溫度效应引起的内管的体积变量，该体积 变量ΔVs由下述公式求得：
[0038] AV3= 丫π化2_曰2)ATL
[0039] 式中：a为内管的内半径，单位m; W40] b为内管的外半径，单位m; 阳041] L为内管的长度，单位m;
[0042] ΔT为内管的溫度变化量，单位°C;
[0043] γ为内管的热体积膨胀系数，单位1/°C。
[0044] 在本发明中，假设内管、外管为各向同性固体，其体积膨胀系数γ= 3α，其中，α 为内管的热线膨胀系数，单位1/°C。
[0045] 进一步的，当溫度变化时，将引起油气井环空3内的液体热膨胀或冷收缩，因此， 需计算油气井环空3内的液体的体积变量，该体积变量ΔVm由下述公式求得：
[0046] ΔVm=曰mπ(c2-b2)ΔTLm
[0047] 式中：αm为油气井环空3的液体热膨胀系数，单位1/°C; W4引 C为外管的内半径，单位m;
[0049] b为内管的外半径，单位m;
[0050] Lm为油气井环空3的液体的液柱高度，单位m;
[0051] ΔΤ为内管的溫度变化量，单位°C。
[0052] 再有，根据弹性力学平面应变状态下厚壁筒径向位移公式，得到内管上任一点r 处的径向位移：
[0053]
阳054] 式中：μ为内管的泊松比； 阳化5] Ε为内管的弹性模量，单位MPa;
[0056] a为内管的内半径，单位m;
[0057] b为内管的外半径，单位m;
[005引 r为内管上任意一点至内管圆屯、的距离，单位m;
[0059]Pi为内管的内压力，单位MPa; W60] P。为内管的外压力，单位MPa。
[006U对于图1所示的油气井管柱，主要研究在内管的内外压力变化的情况下，引起的 油气井环空3的体积及压力变化。因此，只考虑内管压力变化引起的内管外半径变化，即r =b的变化，因此，式（1)变为：
[0062]
阳06引如果内管的内压力变化，内管的外压力不变，则有由内管的内压力变化引起的内 管的外径变化量AUbi:
[0064]
W65] 式中：a为内管的内半径，单位m;
[0066] b为内管的外半径，单位m;
[0067] E为内管的弹性模量，单位MPa;
[0068] ΔPi为内管的内压力变化量，单位MPa;
[0069] μ为内管的泊松比。 阳070] 此时，由内管的内压力效应引起的内管