CN119266809A - 一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，包括：确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失；若目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，确定生产管柱的泄漏点深度；根据确定泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一；根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二；根据变化曲线一和变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内。本申请可以在不更换生产管柱、不大修井的前提下降低油套环空压力至安全阈值以内，有效管控管柱泄漏起压现象，避免超过井筒承压能力，降低管控成本和维修周期。

Description

一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法

技术领域

本申请涉及天然气井筒安全控制领域，特别是涉及一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展和环保要求的不断提高，天燃气的消费量不断增加，促使天然气的勘探开发向深部地层进军。与此同时，天然气的供应和价格受国际局势影响较大且消费存在季节性高峰，需要建设大量地下储气库来保障天然气的供需平衡。天然气的生产需要依赖于井筒和生产管柱，生产管柱也叫油管是由金属油管等通过丝扣连接而成的，作为天然气从地下到地面产出通道，生产管柱承受了复杂的载荷和苛刻温压条件，部分情况下还伴随着硫化氢和二氧化碳等腐蚀性气体，会发生管壁腐蚀穿孔、应力开裂、接箍脱扣和丝扣密封失效等多种形式的泄漏现象，构成油套环空与油管之间的气液交互通道，进而导致油套环空压力上升，形成生产管柱泄漏起压现象。

生产管柱泄漏起压所带来的安全隐患极大，尤其是当油套环空压力超过井筒承压能力后，安全隐患主要体现在三个方面：第一是井筒安全屏障损坏，油套环空高压会造成井口抬升、水泥环开裂和管柱挤毁等事故；第二是可燃气体在环空中大量聚集，存在泄漏失火的风险；第三是环境污染，天然气会沿着井筒内的泄漏通道进入浅层土壤或地下水中，部分情况下持续向大气中释放甲烷，形成温室气体泄漏来源。所以，当生产管柱泄漏后，需要采取有效的措施来降低泄漏产生的油套环空压力，避免油套环空压力超过井筒承压能力。

然而，现有的生产管柱泄漏风险管控对大修井作业依赖程度较高，主要通过更换生产管柱来治理泄漏起压，作业成本高昂，且大修过程存在管柱断裂、储层污染和井控风险，化学堵漏则面临着高温高压、管壁污染和缺乏承压屏障的挑战，难以实现有效封堵。

因此，亟需提供一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法来解决以上提出的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，可以在不更换生产管柱、不大修井的前提下降低油套环空压力至安全阈值以内，从而有效管控生产管柱泄漏起压现象，避免超过井筒承压能力，从而降低管控成本和维修周期，实现气井的持续高强度生产。

第一方面，本申请提供了一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失；其中，所述油套环空由油管头、生产管柱、生产套管和封隔器组成；

步骤2：若所述目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，则确定所述生产管柱的泄漏点深度；

步骤3：根据确定所述泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一；

步骤4：根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二；

步骤5：根据所述变化曲线一和所述变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内。

优选的是，所述确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失，包括：基于生产管柱发生泄漏的目标气井，通过监测油套环空内的环空液面高度来确定环空液体是否发生漏失，根据监测特定时间内的环空液面深度最大值与最小值的差值除以井深最大值，定义环空液面波动幅值；当特定时间内所述环空液面波动幅值未超过阈值时，认为环空液体未发生漏失；当特定时间内所述环空液面波动幅值超过阈值时，则认为环空液体发生漏失。

优选的是，所述若所述目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，则确定所述生产管柱的泄漏点深度，包括：

步骤2.1：获取关井条件下的生产管柱内压力剖面；

步骤2.2：根据气柱和液柱压力，计算确定油套环空内压力剖面；

步骤2.3：基于所述生产管柱内压力剖面和所述油套环空内压力剖面的压力差为泄漏的驱动力，分析确定油套环空压力最大值随泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三；

步骤2.4：根据关井条件下计算的所述油套环空压力，所述变化曲线三上该压力值所对应的泄漏点深度，即为所述生产管柱的泄漏点深度。

优选的是，所述步骤2.1：获取关井条件下的生产管柱内压力剖面，包括：关闭目标气井的井口，记录对应的油套环空压力和井口油压，然后在井内下入压力计获取所述生产管柱内压力剖面；

或者，对生产管柱进行分段，根据压力和温度，计算分段内气体密度，然后计算相应深度的生产管柱内的压力。

优选的是，所述对生产管柱进行分段，根据压力和温度，计算分段内气体密度，然后计算相应深度的生产管柱内的压力，包括：

根据气体的PVT方程，得到气体密度，所述气体密度可以通过如下公式进行描述：

式中，ρ_gi为第i分段的气体密度，g/cm³；pt_i为第i分段的生产管柱内压力，MPa；p_s为标况压力，Pa；T_s为标况温度，K；T_ti为第i分段的生产管柱内温度，即地层温度，K；ρ_gs为气体标况密度，g/cm³；i为分段编号，无因次，i＝1，2，3....；

计算第i分段的生产管柱内温度，即地层温度，通过如下公式表示为：

T_ti＝T_t0+g_e×i×H_F (4)

式中，T_t0为井口，K；g_e为地温梯度，K/100m；H_F为分段长度，m；

根据所述气体密度计算相应分段深度的生产管柱内的压力，如公式所示：

p_ti+1＝p_ti+10^-3×ρ_gi×g×H_F (5)

式中，p_ti+1为第i+1分段的生产管柱内压力，MPa；g为重力加速度，m/s²；根据上述步骤，自井口依次计算到井底，得到相应深度的所述生产管柱内压力。

优选的是，所述步骤2.2：根据气柱和液柱压力，计算所述油套环空内压力剖面，包括：计算油套环空内的气体密度，因油套环空内气柱的长度较短，因此不再考虑地层温度对气体密度的影响，所述油套环空内的气体密度通过如下公式进行表示：

式中，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm³；T_ta为油套环空的井口温度，K；

根据位于油套环空液面以上的油套环空压力剖面，仅与环空气柱相关，位于环空液面以下的油套环空压力剖面同时受到气柱和液柱压力的影响，分别计算油套环空压力剖面，其中，计算该剖面时，预设所述油套环空压力等于零，通过如下公式进行表示：

式中，H_ta为油套环空深度，m；p_ta为深度H_ta的油套环空压力剖面数值，MPa；ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm³，ρ_L为油套环空内的环空液体密度，g/cm³；pa油套环空压力，MPa。

优选的是，所述步骤2.3：基于所述生产管柱内压力剖面和所述油套环空内压力剖面的压力差为泄漏的驱动力，分析确定油套环空压力最大值随泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三，包括：根据泄漏的驱动力来自于泄漏点两侧的压力差，泄漏点内侧的压力取决于泄漏点所在深度处的所述生产管柱内压力剖面，泄漏点外测压力取决于泄漏点所在深度处所述油套环空压力剖面，通过如下公式进行表示：

式中，p_ln表示泄漏点内侧压力，MPa；p_lw表示泄漏点外侧压力，MPa；H为井深，m；H_L为泄漏点所在的井深，m；p_tL为泄漏点所在深度处的生产管柱内压力剖面对应的压力值，MPa；p_taL为泄漏点所在深度处的油套环空压力剖面对应的压力值，MPa；

生产管柱泄漏后，生产管柱、泄漏点和油套环空形成U型管，根据U型管原理，当油套环空压力达到最大值时，泄漏点内侧与外侧的压力相等，确定不同深度泄漏点所对应的油套环空压力最大值，通过如下公式进行表示；

p_anmax＝p_ln-p_lw|H＝H_L (9)

式中，p_anmax为油套环空压力最大值，MPa；

根据目标气井的井口至封隔器深度，变换泄漏点深度，根据油套环空压力最大值随着泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三。

优选的是，所述步骤3：根据确定所述泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一，包括：当泄漏点深度位于环空液面以下时，泄漏点外侧的压力受到环空液柱压力的影响，环空液柱的压力则与环空液体的密度相关；

根据已知的泄漏点深度，建立泄漏起压所导致的环空压力最大值与环空液体密度之间的关系，通过如下公式进行表示：

p_amaxL＝p_lnL-10^-3×[(ρ_ga×g×H_max)+ρ_L×g×(H_LD-H_max)] (11)

式中，p_anmaxL为确定气井实际泄漏点所在的深度条件下的油套环空压力最大值，MPa，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm3，ρ_L为油套环空内的环空液体密度，g/cm3；p_lnL为已知泄漏点深度为HL情况下的，泄漏点内侧压力，MPa；根据变换所述环空液体的密度，获取油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一。

优选的是，所述步骤4：根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二，包括：基于所述油套环空的压力控制范围最大值需要保证油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，分别计算油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力以确定所述油套环空压力控制范围最大值；其中，所述油管头所决定的油套环空的压力控制范围最大值为其额定耐压能力的80％，通过如下公式进行表示：

p₁＝0.8×p_额 (12)

式中，p₁为油管头所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p_额为油管头额定耐压能力，MPa；

所述生产管柱所决定的油套环空的压力控制范围最大值为开井生产及关井工况下的生产管柱的抗外挤强度，通过如下公式进行表示：

式中，p₂为生产管柱所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p_挤为气井内生产管柱的最小抗外挤强度，MPa；S₂为抗外挤安全系数，无因次；p_t2为生产管柱最小抗外挤强度所在深度对应的油管柱内压力，MPa；h₂为生产管柱最小抗外挤强度所在深度，m；

所述生产套管所决定的油套环空压力的控制范围最大值为所述生产套管的抗内压强度，通过如下公式进行表示：

式中，p₃为生产套管所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p_内为生产套管的最小抗内压强度，MPa；S₃为生产套管的抗内压安全系数，无因次；p_b为B环空带压值，MPa；ρ_b为B环空的等效盐水密度，g/cm³；h₃为生产套管的最小抗内压强度所在深度，m；

所述封隔器所决定的油套环空的压力控制范围最大值为所述封隔器坐封压力的限制，通过如下公式进行表示；

p₄＝p_封+p_下-10^-3ρ_Lgh₄ (15)

式中，p₄为封隔器所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p_封为封隔器坐封工作压差，MPa；p_下为封隔器下端压力，MPa；h₄为环空保护液液面到封隔器深度，m；

根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器所决定的油套环空压力控制范围最大值中的最小值得到所述油套环空的压力控制范围最大值，通过如下公式进行表示；

Δp_aA＝min(p₁，p₂，p₃，p₄) (16)

式中，△pa_A为油套环空的压力控制范围最大值，MPa；

根据变换所述环空液体密度，得到油套环空的压力控制范围最大值随环空液体密度的变化曲线二。

优选的是，所述步骤5：根据所述变化曲线一和所述变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内，包括：在同一坐标内绘制所述油套环空的压力最大值随着所述环空液体密度的变化曲线一、所述油套环空的压力控制范围最大值随所述环空液体密度的变化曲线二；

当油套环空压力小于油套环空力控制范围时，所对应的所述环空液体密度即为所需的优化后的环空液体密度值；

当该密度值不存在或过大时，则提高环空液面深度，然后重复上述步骤2到步骤5，重新确定所述环空液体密度。

本申请至少具有以下优点：

(1)在不动生产管柱免大修的前提下有效管控生产管柱泄漏起压现象，避免超过井筒承压能力，从而降低管控成本和维修周期，实现气井的持续高强度生产；

(2)不需要采用额外的装置，不需要上提生产管柱进行大修，成本低、效果持续时间长，环空压力不会反复上升；

(3)应用范围广，适用于储气库注采井、高压气井。

附图说明

图1为一个实施例中显示井筒结构示意图；

图2为一个实施例中一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法的步骤示意图；

图3为一个实施例中油套环空的压力最大值随着泄漏点深度的变化曲线一定位泄漏点的示意图；

图4为一个实施例中环空液体的密度值优化设计示意图；

图5为一个实施例中计算机设备的示意性结构图。

附图标记：1、地层；2、水泥环；3、生产套管；4、生产管柱；5、封隔器；6、储层；7、井口；8、环空液体；9、环空气体；10、油套环空液面。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意

图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的标记是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合，相互引用。

请参照图1所示，井筒作为油气开采和碳能注入/采出通道，井筒结构一般包括设置在井口7内的生产套管3，生产套管3的下端插进储层6，生产套管3和地层1(井口7侧壁)之间形成空间为套管环空，该套管环空内被水泥环2填充，水泥环2起到固定生产套管3，防止生产套管3腐蚀以及防止不同层的流体相互窜通的作用实现固井效果，在生产套管3的中部位置设置生产管柱4，生产管柱4和生产套管3之间合围形成的区域为油套环空，该油套环空被环空液体8和环空气体9填充，环空液体8和环空气体9之间的界面为油套环空液面10，生产套管3内的底部设置封隔器5，生产管柱4的下端穿过封隔器5，可以理解的是，油套环空由油管头、生产套管3、生产管柱4和封隔器5组成。

请参照图2所示，本申请提供一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，包括以下步骤：

S201：确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失；其中，所述油套环空由油管头、生产管柱、生产套管和封隔器组成；

S202：若所述目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，则确定所述生产管柱的泄漏点深度；

S203：根据确定所述泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一；

S204：根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二；

S205：根据所述变化曲线一和所述变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内。

本申请实施例中通过优化油套环空内环空液体的密度，继而来降低油套环空压力到安全阈值以内，从而有效控制生产管柱泄漏起压所产生的安全风险，并且更为重要的是，在不动生产管柱免大修的前提下有效管控生产管柱泄漏起压现象，避免超过井筒承压能力，从而降低管控成本和维修周期，实现气井的持续高强度生产。

下面对每个步骤具体展开详细说明：

S201：确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失；其中，所述油套环空由油管头、生产管柱、生产套管和封隔器组成；

在本实施例中，需要说明的是，首先需要确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失，以此来确定本申请的这种优化设计方法的适用性。具体的，对于生产管柱发生泄漏的目标气井，通过监测油套环空内的环空液面高度来确定环空液体是否发生漏失，其中监测方法可以为但不限于声波液面监测等。定义环空液面波动幅值为：特定时间内监测到的环空液面深度最大值与最小值的差值除以井深最大值，其中，特定时间可以为但不限于24h，监测频次可以为但不限于12h，但特定监测时间内的总监测次数不应少于2次，通过如下公式(1)进行表示：

式中，F₁为环空液面波动幅值，无因次；H_max为环空液面深度最大值，m；H_min为环空液面深度最小值，m；H_W为井深最大值，m；

当环空液面在特定时间内波动幅值未超过阈值时，认为环空液体未发生漏失；当环空液面在特定时间内波动幅值超过阈值时，则认为环空液体发生了漏失。其中，阈值可以为但不限于0.01。

因为本申请是通过优化设计环空液体的密度来控制生产管柱泄漏起压的，当环空液体发生漏失时，控制效果会被削弱，因此本申请所提供的优化设计方法不适用于环空液体发生漏失的情况，当环空液体未生漏失时，可采用本申请提供的优化设计方案来控制生产管柱泄漏起压。

式中，F为判断方法是否适用的阈值，无因次。

S202：若所述目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，则确定所述生产管柱的泄漏点深度；具体包括：

S202.1：获取关井条件下的生产管柱内压力剖面；

S202.2：根据气柱和液柱压力，计算油套环空内压力剖面；

S202.3：基于所述生产管柱内压力剖面和油套环空内压力剖面的压力差为泄漏的驱动力，确定油套环空压力最大值随泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三；

S202.4：根据关井条件下计算的所述油套环空压力，变化曲线三上该压力值所对应的泄漏点深度，即为所述生产管柱的泄漏点深度。

下面详细说明，在本实施例中，需要说明的是，对于适用于本申请的这种优化设计方法的气井，首选确定泄漏点深度，主要是通过绘制环空压力最大值随泄漏点深度的变化曲线，为绘制该变化曲线，首先需确定关井条件下的生产管柱内压力剖面和油套环空压力剖面。具体地，关闭目标气井的井口，并记录对应的油套环空压力和井口油压，然后在井内下入压力计获取生产管柱内的压力剖面；或者，在不具备下入压力计的情况下，可采用计算的方式获取对应深度生产管柱内的压力剖面，首先，对生产管柱进行分段，分段长度可以但不限于1m，然后根据压力和温度，计算分段内气体密度，再然后计算相应深度的生产管柱内的压力。根据气体的PVT方程，得到气体密度，气体密度可以表示为：

式中，ρ_gi为第i分段的气体密度，g/cm3；p_ti为第i分段的生产管柱内压力，MPa；p_s为标况压力，Pa；Ts为标况温度，K；T_ti为第i分段的生产管柱内温度，即地层温度，K；ρ_gs为气体标况密度，g/cm3；i为分段编号，无因次，i＝1，2，3....；

计算第i分段的生产管柱内温度，即地层温度，通过如下公式表示为：

T_ti＝T_t0+g_e×i×H_F (4)

式中，T_t0为井口，K；g_e为地温梯度，K/100m；H_F为分段长度，m；

根据气体密度计算相应分段深度的生产管柱内的压力如公式所示：

p_ti+1＝p_ti+10^-3×ρ_gi×g×H_F (5)

式中，p_ti+1为第i+1分段的生产管柱内压力，MPa；g为重力加速度，m/s²；

依据上述公式(3)～(5)，自井口依次计算到井底，即可得到相应深度的生产管柱内的压力剖面。

获取生产管柱内的压力剖面后，再计算油套环空压力剖面，当油套环空压力为零时，油套环空压力剖面受到气柱和液柱压力的影响。首先计算油套环空内的气体密度，因为油套环空内气柱的长度较短，因此不再考虑地层温度对气体密度的影响，则油套环空内的气体密度如公式所示：

式中，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm³；T_ta为油套环空的井口温度，K；

根据位于油套环空液面以上的油套环空压力剖面，仅与环空气柱相关，位于环空液面以下的油套环空压力剖面同时受到气柱和液柱压力的影响，分别计算油套环空压力剖面，其中，计算该剖面时，预设所述油套环空压力等于零，通过如下公式进行表示：

式中，H_ta为油套环空深度，m；p_ta为深度Hta的油套环空压力剖面数值，MPa；ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm³；ρ_L为油套环空内的环空液体密度，g/cm³。

在获取生产管柱内的压力剖面和油套环空的压力剖面后，分析油套环空压力最大值随着泄漏点深度的变化规律，泄漏的驱动力来自于泄漏点两侧的压力差，泄漏点内侧的压力取决于泄漏点所在深度处的生产管柱内压力剖面，泄漏点外测压力取决于泄漏点所在深度处油套环空压力剖面，通过如下公式进行表示：

式中，pl_n表示泄漏点内侧压力，MPa；pl_w表示泄漏点外侧压力，MPa；H为井深，m；H_L为泄漏点所在的井深，m；pt_L为泄漏点所在深度处的生产管柱内压力剖面对应的压力值，MPa；pta_L为泄漏点所在深度处的油套环空压力剖面对应的压力值，MPa；

生产管柱泄漏后，生产管柱、泄漏点和油套环空形成了U型管，根据U型管原理，当油套环空压力达到最大值时，泄漏点内侧与外侧的压力相等，确定不同深度泄漏点所对应的油套环空压力最大值，通过如下公式进行表示；

p_anmax＝p_1n-p_1w|H＝H_L (9)

式中，p_anmax为油套环空压力最大值，MPa；

根据目标气井的井口至底部封隔器深度，变换泄漏点深度，即可获取油套环空压力最大值随着泄漏点深度的变化规律，并绘制该变化曲线得到变化曲线三。

根据上述记录的关井条件下的油套环空压力，曲线上该压力值所对应的泄漏点深度，即为气井生产管柱泄漏点实际所在的深度，通过如下公式进行表示：

H_LD＝H_L1|p_anmax＝p_as (10)

式中，H_LD为气井实际泄漏点所在的深度，m；pa_s为关井后记录的油套环空压力，MPa；H_L1为泄漏点关井条件下的油套环空压力所对应的泄漏点深度，m。

S203：根据确定所述泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一；

在本实施例中，需要说明的是，根据泄漏点深度，确定固定深度泄漏点情况下，油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一。当泄漏点深度位于环空液面以下时，泄漏点外侧的压力受到环空液柱压力的影响，环空液柱的压力则与环空液体的密度相关；在泄漏点深度已知的条件下，可建立泄漏起压所导致的环空压力最大值与环空液体密度之间的关系，通过如下公式进行表示：

p_amaxL＝p_lnL-10^-3×[(ρ_ga×g×H_max)+ρ_L×g×(H_LD-H_max)] (11)

式中，panmax_L为为确定气井实际泄漏点所在的深度条件下的油套环空压力最大值，MPa，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm3，ρ_L为油套环空内的环空液体密度，g/cm3；

通过变化环空液体的密度，即可获取油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一。

S204：根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二；

在本实施中，需要说明的是，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二。首先，油套环空的压力控制范围最大值需要保证油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力；其中，油管头所决定的油套环空的压力控制范围最大值为其额定耐压能力的80％，通过如下公式进行表示：

p₁＝0.8×p_额 (12)

式中，p₁为油管头所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p额为油管头额定耐压能力，MPa；

生产管柱所决定的油套环空的压力控制范围最大值主要考虑开井生产及关井工况下的生产管柱的抗外挤强度，通过如下公式进行表示：

式中，p₂为生产管柱所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p挤为气井内生产管柱的最小抗外挤强度，MPa；S₂为抗外挤安全系数，无因次；p_t2为生产管柱最小抗外挤强度所在深度对应的油管柱内压力，MPa；h₂为生产管柱最小抗外挤强度所在深度，m；

生产套管所决定的油套环空压力的控制范围最大值主要考虑套管的抗内压强度，通过如下公式进行表示：

式中，p₃为生产套管所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p内为生产套管的最小抗内压强度，MPa；S₃为生产套管的抗内压安全系数，无因次；p_b为B环空带压值，MPa；ρ_b为B环空的等效盐水密度，g/cm³；h₃为生产套管的最小抗内压强度所在深度，m；

封隔器所决定的油套环空的压力控制范围最大值，主要考虑封隔器坐封压力的限制，通过如下公式进行表示；

p₄＝p_封+p_下-10^-3ρ_Lgh₄ (15)

式中，p₄为封隔器所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa；p_封为封隔器坐封工作压差，MPa；p_下为封隔器下端压力，MPa；h₄为环空保护液液面到封隔器深度，m；

油套环空的压力控制范围最大值取油管头、生产管柱、生产套管和封隔器所决定的油套环空压力控制范围最大值中的最小值，通过如下公式进行表示；

Δp_aA＝min(p₁，p₂，p₃，p₄) (16)

式中，△p_aA为油套环空的压力控制范围最大值，MPa；

通过变化环空液体密度，即可获取油套环空的压力控制范围最大值随环空液体密度的变化曲线二。

请参照图3、图4所示，S205：根据所述变化曲线一和所述变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内。

在本实施例中，需要说明的是，在同一坐标内绘制油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一、油套环空的压力控制范围最大值随环空液体密度的变化曲线二；当油套环空压力小于油套环空力控制范围时，所对应的环空液体密度即为所需的优化后的环空液体密度值；当该密度值不存在或过大时，则提高环空液面深度，然后重复上述S202到S205，重新确定环空液体密度。

如图5所示，是根据本申请实施例的计算机设备的框图。计算机设备旨在表示各种形式的数字计算机或移动装置。其中数字计算机可以包括台式计算机、便携式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、大型计算机和其它适合的计算机。移动装置可以包括平板电脑、智能电话、可穿戴式设备等。

如图5所示，设备600包括计算单元601、ROM 602、RAM 603、总线604以及输入/输出(I/O)接口605，计算单元601、ROM 602以及RAM 603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。

计算单元601可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的计算机指令或者从存储单元608加载到随机访问存储器(RAM)603中的计算机指令，来执行本申请方法实施例中的各种处理。计算单元601可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元601可以包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。在一些实施例中，本申请实施例提供的方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元608。

RAM 603还可存储设备600操作所需的各种程序和数据。计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 602和/或通信单元609而被载入和/或安装到设备600上。

设备600中的输入单元606、输出单元607、存储单元608和通信单元609可以连接至I/O接口605。其中，输入单元606可以是诸如键盘、鼠标、触摸屏、麦克风等；输出单元607可以是诸如显示器、扬声器、指示灯等。设备600能够通过通信单元609与其他设备进行信息、数据等的交换。

需要说明的是，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。也可以仅包含实现本申请方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

此处描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件和/或它们的组合中实现。

用于实施本申请的方法的计算机指令可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机指令可以提供给计算单元601，使得计算机指令当由诸如处理器等计算单元601执行时使执行本申请方法实施例中涉及的各步骤。

本申请提供的计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储计算机指令，用以执行本申请方法实施例中涉及的各步骤。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的等形式的存储介质。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失；其中，所述油套环空由油管头、生产管柱、生产套管和封隔器组成；

步骤2：若所述目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，则确定所述生产管柱的泄漏点深度；

步骤3：根据确定所述泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一；

步骤4：根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二；

步骤5：根据所述变化曲线一和所述变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内。

2.根据权利要求1所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述确定目标气井的油套环空内的环空液体是否发生漏失，包括：

基于生产管柱发生泄漏的目标气井，通过监测油套环空内的环空液面高度来确定环空液体是否发生漏失；

根据监测特定时间内的环空液面深度最大值与最小值的差值除以井深最大值，定义环空液面波动幅值；

当特定时间内所述环空液面波动幅值未超过阈值时，认为环空液体未发生漏失；

当特定时间内所述环空液面波动幅值超过阈值时，则认为环空液体发生漏失。

3.根据权利要求1所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述若所述目标气井的油套环空内的环空液体没有发生漏失，则确定所述生产管柱的泄漏点深度，包括：

步骤2.1：获取关井条件下的生产管柱内压力剖面；

步骤2.2：根据气柱和液柱压力，计算油套环空内压力剖面；

步骤2.3：基于所述生产管柱内压力剖面和所述油套环空内压力剖面的压力差为泄漏的驱动力，分析确定油套环空压力最大值随泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三；

步骤2.4：根据关井条件下计算的所述油套环空压力，所述变化曲线三上该压力值所对应的泄漏点深度，即为所述生产管柱的泄漏点深度。

4.根据权利要求3所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2.1：获取关井条件下的生产管柱内压力剖面，包括：关闭目标气井的井口，记录对应的油套环空压力和井口油压，然后在井内下入压力计获取所述生产管柱内压力剖面；

或者，

对生产管柱进行分段，根据压力和温度，计算分段内气体密度，然后计算相应深度的生产管柱内的压力。

5.根据权利要求4所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，

所述对生产管柱进行分段，根据压力和温度，计算分段内气体密度，然后计算相应深度的生产管柱内的压力，包括：

根据气体的PVT方程，得到气体密度，所述气体密度可以通过如下公式进行描述：

式中，ρ_gi为第i分段的气体密度，g/cm³，p_ti为第i分段的生产管柱内压力，MPa，p_s为标况压力，Pa；T_s为标况温度，K，T_ti为第i分段的生产管柱内温度，即地层温度，K，ρ_gs为气体标况密度，g/cm³，i为分段编号，无因次，i＝1，2，3....；

计算第i分段的生产管柱内温度，即地层温度，通过如下公式表示为：

T_ti＝T_t0+g_e×i×H_F (4)，

式中，T_t0为井口，K，g_e为地温梯度，K/100m，H_F为分段长度，m；

根据所述气体密度计算相应分段深度的生产管柱内的压力，如公式所示：

p_ti+1＝p_ti+10^-3×ρ_gi×g×H_F (5)，

式中，p_ti+1为第i+1分段的生产管柱内压力，MPa；g为重力加速度，m/s²；

根据上述步骤自井口依次计算到井底，得到相应深度的所述生产管柱内的压力。

6.根据权利要求3所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，

所述步骤2.2：根据气柱和液柱压力，计算所述油套环空内压力剖面，包括：

计算油套环空内的气体密度，因油套环空内气柱的长度较短，不再考虑地层温度对气体密度的影响，所述油套环空内的气体密度通过如下公式进行表示：

式中，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm³，T_ta为油套环空的井口温度，K；

根据位于油套环空液面以上的油套环空压力剖面，仅与环空气柱相关，位于环空液面以下的油套环空压力剖面同时受到气柱和液柱压力的影响，分别计算油套环空压力剖面，其中，计算该剖面时，预设所述油套环空压力等于零，通过如下公式进行表示：

式中，H_ta为油套环空深度，m，p_ta为深度H_ta的油套环空压力剖面数值，MPa，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm³，ρ_L为油套环空内的环空液体密度，g/cm³；p_a油套环空压力，MPa。

7.根据权利要求3所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述步骤2.3：基于所述生产管柱内压力剖面和所述油套环空内压力剖面的压力差为泄漏的驱动力，分析确定油套环空压力最大值随泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三，包括：

根据泄漏的驱动力来自于泄漏点两侧的压力差，泄漏点内侧的压力取决于泄漏点所在深度处的所述生产管柱内压力剖面，泄漏点外测压力取决于泄漏点所在深度处所述油套环空压力剖面，通过如下公式进行表示：

式中，p_ln表示泄漏点内侧压力，MPa，p_lw表示泄漏点外侧压力，MPa，H为井深，m，H_L为泄漏点所在的井深，m，p_tL为泄漏点所在深度处的生产管柱内压力剖面对应的压力值，MPa，p_tal为泄漏点所在深度处的油套环空压力剖面对应的压力值，MPa；

生产管柱泄漏后，生产管柱、泄漏点和油套环空形成U型管，根据U型管原理，当油套环空压力达到最大值时，泄漏点内侧与外侧的压力相等，确定不同深度泄漏点所对应的油套环空压力最大值，通过如下公式进行表示；

p_anmax＝p_ln-p_1w|H＝H_L (9)，

式中，p_anmax为油套环空压力最大值，MPa；

根据目标气井的井口至封隔器深度，变换泄漏点深度，分析油套环空压力最大值随着泄漏点深度的变化规律，得到变化曲线三。

8.根据权利要求1所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述步骤3：根据确定所述泄漏点深度情况下，确定油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一，包括：

当泄漏点深度位于环空液面以下时，泄漏点外侧的压力受到环空液柱压力的影响，环空液柱的压力则与环空液体的密度相关；

根据已知的泄漏点深度，建立泄漏起压所导致的环空压力最大值与环空液体密度之间的关系，通过如下公式进行表示：

p_amaxL＝p_lnL-10^-3×[(ρ_ga×g×H_max)+ρ_L×g×(H_LD-H_max)] (11)，

式中，p_anmaxL为为确定气井实际泄漏点所在的深度条件下的油套环空压力最大值，MPa，ρ_ga为油套环空内的气体密度，g/cm3，ρ_L为油套环空内的环空液体密度，g/cm3；

根据变换所述环空液体的密度，获取油套环空的压力最大值随着环空液体密度的变化曲线一。

9.根据权利要求1所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述步骤4：根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力，确定油套环空的压力控制范围最大值随着环空液体密度的变化曲线二，包括：

基于所述油套环空的压力控制范围最大值需要保证油管头、油管、生产套管和封隔器的承压能力，分别计算油管头、生产管柱、生产套管和封隔器的承压能力以确定所述油套环空压力控制范围最大值；其中，所述油管头所决定的油套环空的压力控制范围最大值为其额定耐压能力的80％，通过如下公式进行表示：

β＝0.8×p_额 (12)

式中，p₁为油管头所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa，p_额为油管头额定耐压能力，MPa；

所述油管所决定的油套环空的压力控制范围最大值为开井生产及关井工况下的油管的抗外挤强度，通过如下公式进行表示：

式中，p₂为油管所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa，p_挤为气井内油管的最小抗外挤强度，MPa，S₂为抗外挤安全系数，无因次，p_t2为油管最小抗外挤强度所在深度对应的油管柱内压力，MPa，h₂为油管最小抗外挤强度所在深度，m；

所述生产套管所决定的油套环空压力的控制范围最大值为所述生产套管的抗内压强度，通过如下公式进行表示：

式中，p₃为生产套管所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa，p_内为生产套管的最小抗内压强度，MPa，S₃为生产套管的抗内压安全系数，无因次，p_b为B环空带压值，MPa，ρ_b为B环空的等效盐水密度，g/cm³；h₃为生产套管的最小抗内压强度所在深度，m；

所述封隔器所决定的油套环空的压力控制范围最大值为所述封隔器坐封压力的限制，通过如下公式进行表示；

p₄＝p_封+p_下-10^-3ρ_Lgh₄ (15)

式中，p₄为封隔器所决定的油套环空压力控制范围最大值，MPa，p_封为封隔器坐封工作压差，MPa，p_下为封隔器下端压力，MPa，h₄为环空保护液液面到封隔器深度，m；

根据油管头、生产管柱、生产套管和封隔器所决定的油套环空压力控制范围最大值中的最小值得到所述油套环空的压力控制范围最大值，通过如下公式进行表示；

Δp_aA＝min(p₁，p₂，p₃，p₄) (16)

式中，△p_aA为油套环空的压力控制范围最大值，MPa；

根据变换所述环空液体密度，得到油套环空的压力控制范围最大值随环空液体密度的变化曲线二。

10.根据权利要求1所述的控制生产管柱泄漏起压的优化设计方法，其特征在于，所述步骤5：根据所述变化曲线一和所述变化曲线二优化确定环空液体密度，以降低油套环空的压力至安全阈值以内，包括：

在同一坐标内绘制所述油套环空的压力最大值随着所述环空液体密度的变化曲线一、所述油套环空的压力控制范围最大值随所述环空液体密度的变化曲线二；

当油套环空压力小于油套环空力控制范围时，所对应的所述环空液体密度即为所需的优化后的环空液体密度值；

当该密度值不存在或过大时，则提高环空液面深度，然后重复上述步骤2到步骤5，重新确定所述环空液体密度。