一种深水井油套管环空圈闭压力预测方法与流程

本发明属于油气钻井领域，具体涉及一种深水井油套管环空圈闭压力预测方法。

背景技术：

1、海洋的深处蕴藏着世界未来的巨大石油储量。据报道，在全球水深超过500m的地层里已经发现了6.9×109m3油气新增资源，潜在的油气资源储量约为1.37×1010m3，我国深水海域例如南海同样储藏着十分丰富的海上油气资源与天然气水合物资源，据估计，深水石油地质储量占我国油气总资源量的33％，约为230亿～300亿吨，其中约70％的油气资源蕴藏于深水区域。随着全球能源消耗的不断增加，在增大现有油气资源开发力度的同时，钻井作业向深水进军将是未来石油勘探的一大方向。

2、随着深水高温高压油气田勘探程度的不断深入，深水井的井底温度普遍已超过200℃，井底压力超过100mpa。深水井在高温、高压、高速气流冲击的生产工况下，井筒管柱、环空流体会发生鼓胀效应、温度效应以及井筒屏障泄漏而产生环空圈闭压力。随着大量深水油气田的开发，许多井筒完整性良好的油气井，特别是“三高”(高温、高压、高酸气含量)气井也出现较大的早期圈闭压力，以油套环空最为严重。环空圈闭压力是导致井筒完整性失效的主要形式，过高的圈闭压力会降低管柱安全系数，影响井筒屏障的可靠性，环空早期圈闭高压的出现对全生命周期的井筒完整性带来极大挑战。

3、对于气井油套环空早期圈闭压力的计算模型目前主要有2种，第一种是油套环空注满保护液的纯液相圈闭压力计算模型；第二种是环空气液共存的圈闭压力计算模型。油田现场油气井在实际完井后，由于各种作业以及泄压的原因，环空通常会留有一段气柱，第一种计算模型并不符合油田现场实际使用，会带来很多盲目性，严重影响现场井筒完整性管理。现有的第二种圈闭压力计算模型存在当井筒温度压力过大时，模型迭代不收敛，对圈闭压力类型判断以及治理手段选择带来诸多困难。因此现有的计算模型均无法满足深水井井圈闭压力预测、管理需求，严重影响油田现场井筒完整性管理。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是提供一种深水井油套管环空圈闭压力预测方法，为准确预测环空早期圈闭压力，在经典温度、压力预测模型的基础上引入气液两相滑脱效应的漂移模型，通过分段迭代的方法建立了井筒温度、压力耦合预测模型，更加精确地预测了井筒温度压力，为早期圈闭压力提供更为准确的计算参数；另外，将环空分为气柱段和环空保护液段两部分分别计算，再采用迭代法计算求解，实现“三高”气井高温、高压、产水及非烃气体等实际工况下的气液两相圈闭压力计算，并解决了现有模型计算“三高”气井圈闭压力时适用性差以及迭代不收敛的问题，提高了井身结构设计、管柱强度校核以及评估井筒完整性状态的能力。

2、具体技术方案为：

3、一种深水井油套管环空圈闭压力预测方法，具体包括以下步骤：

4、s1、将井筒平均分成n段，每段长度均为δl，根据给定的油气井的井底边界温压条件，由下到上依次计算每一段的温度压力；

5、s2、基于漂移模型求解井段的持液率以及流体物性参数；

6、s3、基于温压模型公式计算井段的温降梯度和压降梯度，进而得到出口的温度和压力；

7、s4、将所得温压结果与假设井段出口的温压进行对比，根据差值确定下一段入口的温度和压力，直到计算出整个井筒的温度和压力；

8、s5、令稳产油气井环空气体被压缩xg，将井筒环空分为环空气体段和环空液体段，分别计算出由于环空气体被压缩产生的压力增量和环空保护液段由于温压效应产生的压力增量；

9、s6、比较由于环空气体被压缩产生的压力增量和环空保护液段由于温压效应产生的压力增量误差，根据差值确定最终所要求得的环空圈闭压力；

10、步骤s1中，由于环空液柱段相对较长，沿井筒方向温度压力差异较大，为准确计算实际工况下的圈闭压力，对环空液相段进行分段处理，将其平均划分为n段，每段长度为δl，共n-1个计算步长。根据起始给定的井底的温度和压力条件，令首段出口的温度压力分别为t1、p1，可计算该段的平均温度

11、步骤s2中采用了气液两相漂移模型。通过确定漂移模型的两个重要参数(分布系数和漂移速度)，便可以得到截面含气率，从而可以确定井筒各位置处流体的平均物性参数。

12、气体的截面平均流速可表示为：

13、vm＝covm+vd

14、气相以及液相表观速度相加即为气液两相混合物的截面平均速度：

15、

16、

17、其中，m、n、fv取值需针对实验进行确定，但在气液两相流的情况下，可取m＝1.2，n＝0.3，fv＝1.0进行计算。

18、漂移速度是气液两相混合物运移过程中气体、液体相对运动时的截面平均速度：

19、

20、s3中，压力梯度方程为：

21、

22、ρm＝ρl(1-hg)+ρghg

23、ηm＝ηl(1-λ)+ηghg

24、温度梯度方程为：

25、

26、

27、步骤s4中，所述精度可依据需求自行确定，本方法假定误差值均为0.5℃。若差值在0.5℃以内，则将该段出口温度压力作为下一段入口温压条件继续计算，直到求解出整个井筒的温度压力；若误差未在0.5℃以内，则将假设的首段出口温度压力替换为已计算出的该段平均温度压力，按上述步骤继续计算，直到求解出整个井筒的温度压力；

28、步骤s5中，将环空分为气柱段和环空保护液段两部分，采用迭代法分别计算求解，当两部分压力增量相等时，即可认为该压力为环空圈闭压力。令环空保护液为均质，并且生产过程是从生产作业前的稳定初始状态开始，并在一段时间后达到稳定生产状态(即温度、油管压力、圈闭压力达到稳定之后不随时间变化)。

29、初始状态环空气体体积为:

30、vg＝π(r32-r12)lg

31、令当压力达到平衡时，气体被压缩x(i)，则终点环空气体体积为：

32、vg'＝vg[1-x(i)]

33、液相段环空圈闭压力增量由环空保护液热膨胀、环空体积变化以及环空保护液质量变化构成。对于生产初期的密闭环空而言，不存在环空保护液的泄漏运移，流体质量的变化δm＝0。

34、此外，根据气体状态方程，当压力达到平衡时，管柱内外温度、压力变化后，环空气体段产生的内压力增量为：

35、

36、环空任意一点的压力都是流体质量、体积和温度的函数：

37、p＝p(vann,m,t)

38、对上述公式求偏微分可得：

39、

40、压力导致的环空体积变化量为：

41、

42、vann＝(h-lg)π(r32-r12)

43、气相段内压力增量、环空液相段内压力增量、环空体积这三者是相互影响的动态变化过程。

44、本发明技术方案中具有以下优点：

45、1.在经典温度、压力预测模型的基础上引入气液两相滑脱效应的漂移模型以及非烃成分校正模型，并结合动量守恒、能量守恒、井筒传热学，通过分段迭代的方法建立了井筒温度、压力耦合预测模型，更加精确地预测了井筒温度压力，为早期圈闭压力提供更为准确的计算参数。

46、2.由于现有圈闭压力预测模型在高温情况下迭代不收敛，无法计算“三高”气井的早期圈闭压力，在改变原有思路的基础上建立了新的模型，将环空分为气柱段和环空保护液段两部分分别计算，再采用迭代法计算求解，实现深水油气井高温、高压、产水及非烃气体等实际工况下的气液两相圈闭压力计算，为管控圈闭压力提供了一定依据和支持。