CN104131811A - 一种气井标况下体积泄漏速率获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气井标况下体积泄漏速率获取方法及装置，其中，该方法包括：根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处体积泄漏速率表达式，对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；根据泄漏点处体积泄漏量确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

Description

一种气井标况下体积泄漏速率获取方法及装置

技术领域

本发明涉及采气工程技术领域，特别涉及一种气井标况下体积泄漏速率获取方法及装置。

背景技术

目前，随着天然气勘探开发的不断发展，一大批高温、高压、含酸性介质气井试产或投产，随之而来的气井完整性问题也愈发突出。气井的完整性要求是在整个寿命期间，通过管理和技术手段确保地下流体不发生无控制的溢流。如果发生完整性失效问题，轻则导致井下天然气进入油套环空，即环空带压，严重者可导致环空异常带压，甚至导致井下天然气泄漏至地面、发生爆炸，给人民生命财产安全造成巨大损失，并引发严重的社会负面影响。

气井完整性失效最根本的原因是井屏障组件失效导致天然气发生泄漏，彻底解决该问题就是进行修井作业，如果不加以区分，对所有环空带压井全部进行修井作业，一方面作业成本太高，以塔里木油田为例，一口气井的修井成本在2000万元以上；另一方面高温、高压、含酸性介质气井的修井作业风险很大。因此，非常有必要评价气井的完整性，按照不同完整性等级区别对待。

目前，气井完整性评价的主要标准挪威NORSOK D-010《油气井钻井与作业时的完整性要求》和挪威石油联合会(OLF)117标准《油气井完整性推荐做法指南》都提出了以井屏障组件的标况下体积泄漏速率作为评价气井完整性最基本的参数(气体0.42m³/min，液体0.40l/min)。

国内外对于油气井标况下体积泄漏速率计算研究较少。在国内外公开发表的文献资料中，还未有采用数学理论方法可同时确定标况下体积泄漏速率泄漏面积的报道。目前已知挪威SCANWELL公司研发一套设备，可在井口测量井下泄漏速率及泄漏点深度，该技术在国外已经现场应用，在国内还未见现场实验。

发明内容

为解决现有技术无法确定气井标况下体积泄漏速率的问题，本发明提出一种气井标况下体积泄漏速率获取方法及装置，利用气井常规基础数据，以地面输气管线小孔泄漏模型为基础，采用积分原理，确定气井井下环空泄漏面积，实现标况下体积泄漏速率和泄漏面积。

为实现上述目的，本发明提供了一种气井标况下体积泄漏速率获取方法，该方法包括：

根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；

根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为若泄漏的流动状态为临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为其中，q_m表示泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁表示油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o表示泄漏点处环空压力，Pa；T_a表示泄漏点处温度，K；A表示泄漏面积，m²；φ表示流速系数，表示实际流速与理论流速之比，无因次；k表示绝热指数，即定压热容与定容热容之比，无因次；C_D表示流量系数，与泄漏孔的形状有关，无因次；M表示天然气摩尔质量，kg/mol；R表示摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z表示气体体积偏差因子，无因次；

对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处体积泄漏速率表达式，对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；根据泄漏点处体积泄漏量确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；

根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

优选地，所述油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态的步骤包括：

当时，泄漏的流动状态为亚临界流动状态；当时，泄漏的流动状态为临界流动状态；其中，

优选地，述对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率的步骤具体为：

所述泄漏点处质量泄漏量表达式按照式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率表达式；其中，q_mi表示为i时刻泄漏点处的质量泄漏速率，kg/s；q_vi表示为i时刻泄漏点处的体积泄漏速率，m³/s；ρ_gi表示为i时刻泄漏点处的天然气密度，kg/m³。

优选地，所述对所述泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分的步骤具体为：

对所述泄漏点处体积泄漏速率表达式按照式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；其中，Q表示为任意时间段内泄漏点处累计体积泄漏量，m³；Δ表示等效积分量，m。

优选地，所述根据泄漏点处的体积泄漏速率确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积的步骤具体包括：

当泄压平衡时，井下泄漏与井口泄漏达到平衡，即：V_s＝E_gV＝E_gΔA；其中，V表示任意时间段t内井下体积泄漏量，m³，V_s表示任意时间段t内井口体积泄漏量，m³，天然气井下和井口的体积相差一个天然气体积膨胀系数E_g，m³/m³；Z表示天然气体积偏差因子，无因次；

若现场测得任意时间段t内井口体积泄漏量V_s，则直接根据V_s＝E_gV＝E_gΔA确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；否则，根据所述泄漏点处体积泄漏量表达式获取任意时间段内井口累计体积泄漏量，根据V_s＝E_gV＝E_gΔA确定任意泄压时间段t内泄漏点处对应的泄漏面积。

优选地，所述根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率的具体步骤包括：

根据所述泄漏点处的体积泄漏速率表达式以及任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得标况下的体积泄漏速率；其中，若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则标况下的体积泄漏速率为：若泄漏的流动状态为临界流动状态，则标况下的体积泄漏速率为： $q=\frac{C_D\mathrm{A\φ}{P}_1}{{\mathrm{\ρ}}_g}{E}_g\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{ZRT}}_a}\frac{k}{k-1}[{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}.$

为实现上述目的，本发明还提供了一种气井标况下体积泄漏速率获取装置，该装置包括：

第一处理单元，用于根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；

判断单元，用于根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为若泄漏的流动状态为临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为其中，q_m表示泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁表示油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o表示泄漏点处环空压力，Pa；T_a表示泄漏点处温度，K；A表示泄漏面积，m²；φ表示流速系数，表示实际流速与理论流速之比，无因次；k表示绝热指数，即定压热容与定容热容之比，无因次；C_D表示流量系数，与泄漏孔的形状有关，无因次；M表示天然气摩尔质量，kg/mol；R表示摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z表示气体体积偏差因子，无因次；

第二处理单元，包括转换模块、积分模块和确定模块；所述转换模块用于对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率表达式；所述积分模块用于对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；所述确定模块用于根据泄漏点处体积泄漏速率确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；

标况下体积泄漏速率获取单元，用于根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

优选地，所述判断单元具体用于当时，泄漏的流动状态为亚临界流动状态；当时，泄漏的流动状态为临界流动状态；其中，

优选地，所述转换模块具体用于所述泄漏点处质量泄漏速率表达式按照式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率；其中，q_mi表示为i时刻泄漏点处的质量泄漏速率，kg/s；q_vi表示为i时刻泄漏点处的体积泄漏速率，m³/s；ρ_gi表示为i时刻泄漏点处的天然气密度，kg/m³。

优选地，所述积分模块具体用于对所述泄漏点处体积泄漏速率表达式按照式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；其中，Q表示为任意时间段内泄漏点处累计体积泄漏量，m³；Δ表示等效积分量，m。

上述技术方案具有如下有益效果：本技术方案应用气井日常生产数据和油套环空泄压参数，通过求任意时间段内泄漏点处体积泄漏速率关于时间的积分，确定泄漏点处的泄漏面积，最终确定气井井油套环空泄漏气体在标况下体积泄漏速率模型，首次通过数学理论计算方法确定气井泄漏点处的泄漏面积，利用获得的气井泄漏点处的泄漏面积建立标况下体积泄漏速率计算表达式，减少了现有利用仪器设备现场测量带来的成本过高，以及测量过程风险大的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种气井标况下体积泄漏速率获取方法流程图；

图2为本发明提出的一种气井标况下体积泄漏速率获取装置框图；

图3为本实施例的气井泄漏模型示意图；

图4为本实施例的气井环空泄压曲线。

具体实施方式

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。

根据文献资料可知，关于天然气地面输气管线的泄漏速率模型研究较多，也较为成熟，主要有小孔模型、大孔模型和管道模型。小孔模型假设气体泄漏是绝热过程，天然气为理想气体考虑，泄漏过程，管道内压力维持不变，根据伯努利方程和绝热方程，可以得出气体泄漏速度计算公式。计算天然气地面输气管线小孔泄漏，输气管线内外压力、泄漏面积都是已知的。

借鉴小孔泄漏速率模型确定气井标况下体积泄漏速率模型，实现气井标况下体积泄漏速率和泄漏面积的数学计算，不需要额外的测试设备和测试作业量，依靠气井自身的参数和油套环空泄压数据就可以确定气井标况下体积泄漏速率和泄漏面积。

经上述分析可知，本发明技术方案的工作原理为：利用高温、高压气井自身基础参数和油套环空泄压参数，确定井下泄漏点深度；通过求任意时间段内泄漏点处体积泄漏速率关于时间的积分，确定泄漏点处泄漏面积，最终得出气井标况下体积泄漏速率方程，包括以下步骤：(1)确定泄漏点深度；(2)确定泄漏点处体积泄漏速率表达式；(3)确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；(4)确定标况下体积泄漏速率表达式。这样能够实现气井标况下体积泄漏速率和泄漏面积的计算，弥补目前气井标况下体积泄漏速率和泄漏面积无法计算的不足，为气井完整性评价提供必需的技术手段与参数，避免现场测量与安全隐患。

如图1所示，为本发明提出的一种气井标况下体积泄漏速率获取方法流程图。该方法包括：

步骤101)：根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；

步骤102)：根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为若泄漏的流动状态为临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为其中，q_m表示泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁表示油管内泄漏点处气体压力，Pa；P_o表示泄漏点处环空压力，Pa；T_a表示泄漏点处温度，K；A表示泄漏面积，m²；φ表示流速系数，表示实际流速与理论流速之比，无因次；k表示绝热指数，即定压热容与定容热容之比，无因次；C_D表示流量系数，与泄漏孔的形状有关，无因次；M表示天然气摩尔质量，kg/mol；R表示摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z表示气体体积偏差因子，无因次；

步骤103)：对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处体积泄漏速率表达式，对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；根据泄漏点处体积泄漏量确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；

步骤104)：根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

如图2所示，为本发明提供的一种气井标况下体积泄漏速率获取装置框图。该装置包括：

第一处理单元201，用于根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；

判断单元202，用于根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为若泄漏的流动状态为临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为其中，q_m表示泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁表示油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o表示泄漏点处环空压力，Pa；T_a表示泄漏点处温度，K；A表示泄漏面积，m²；φ表示流速系数，表示实际流速与理论流速之比，无因次；k表示绝热指数，即定压热容与定容热容之比，无因次；C_D表示流量系数，与泄漏孔的形状有关，无因次；M表示天然气摩尔质量，kg/mol；R表示摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z表示气体体积偏差因子，无因次；

第二处理单元203，包括转换模块2031、积分模块2032和确定模块2033；所述转换模块2031用于对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处体积泄漏速率表达式；所述积分模块2032用于对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；所述确定模块2033用于根据泄漏点处体积泄漏量确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；

标况下体积泄漏速率获取单元204，用于根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

(1)确定泄漏点深度

根据气井基本数据以及已有的压力数据，通过拟合对比，优选适合本气井的多相管流计算模型，计算得出气井的温度、压力剖面，并回归温度、压力剖面的计算公式。根据平衡原理，在井口环空压力稳定平衡时，认为在井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，即式1。

P₁＝P_o＝P_a+ρ_agh    (1)

其中，P₁为油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o为泄漏点处环空压力，Pa；P_a为井口处环空压力，Pa；g:9.8m/s²；ρ_a为环空保护液的密度，kg/m³；h为泄漏点深度，m；

本计算方法假设：

1)油套环空仅存在一处泄漏点；

2)油套环空中气柱的高度h_l可以忽略；现场气井环空充满保护液，即使未完全充满，h_l也很低，由h_l引起的压差也很小，可以忽略不计。

根据平衡环空压力值，可得泄漏点深度。

(2)确定泄漏点处体积泄漏速率表达式

可根据地面输气管线小孔泄漏模型，即式(2)和式(3)，得出泄漏点处质量泄漏速率的计算公式：

$q_m=C_D\mathrm{A\φ}{P}_1\sqrt{{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}\frac{\mathrm{Mk}}{{\mathrm{ZRT}}_a}}---\left(2\right)$

$q_m=C_D\mathrm{A\φ}{P}_1\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{ZRT}}_a}\frac{k}{k-1}[{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}---\left(3\right)$

其中，q_m为泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁为油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o为泄漏点处环空压力，Pa；T_a为泄漏点处温度，K；A为泄漏面积，m²；φ为流速系数，表示实际流速与理论流速之比，一般为0.97～0.98，无因次；k为绝热指数，即定压热容与定容热容之比，对于天然气一般取k＝1.28，无因次；C_D为流量系数，取值范围在0.6-1.0，与泄漏孔的形状有关，圆孔取1.0，无因次；M为天然气摩尔质量，kg/mol；R为摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z为气体体积偏差因子，无因次。

式(2)和式(3)分别是输气管道小孔质量泄漏速率计算公式，其中，式(2)是临界流动计算公式，式(3)为亚临界流动计算公式。

临界流动与非临界流动是由临界压力比决定，见式(4)：

$R_{\mathrm{cp}}={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}---\left(4\right)$

其中，R_cp为临界压力比，无因次。

当时，为亚临界流动，当时，为临界流动。

由于泄漏点深度已知，则可知泄漏处出油管压力与温度，且认为其在泄漏阶段保持不变；泄漏点处环空压力可根据井口环空压力与保护液液柱压力计算得出，只要有一个井口环空压力值，则可求出对应的泄漏点处环空压力；此外，式(2)和式(3)中除泄漏面积外，其余均可容易获取，部分为系数，部分为常量，部分为气井基本参数，仅泄漏面积未知。

(3)确定任意泄压时间段内泄漏面积

假设在单次环空泄压过程中，泄漏点处泄漏面积为定值，则可根据式(2)和式(3)分别得出任意时刻i泄漏点处的质量泄漏速率，即式(5)和式(6)；

$q_{\mathrm{mi}}=C_D\mathrm{A\φ}{P}_1\sqrt{{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}\frac{\mathrm{Mk}}{{\mathrm{ZRT}}_a}}---\left(5\right)$

$q_{\mathrm{mi}}=C_D\mathrm{A\φ}{P}_1\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{ZRT}}_a}\frac{k}{k-1}[{\left(\frac{P_{0i}}{P_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_{0i}}{P_1}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}---\left(6\right)$

其中，q_mi为i时刻泄漏点处的质量泄漏速率，kg/s；P_0i为i时刻泄漏点处环空压力，Pa；根据式(5)和式(6)，采用环空泄压数据以及气井基础数据可得出各个时刻的泄漏点处质量泄漏速率表达式，且其是泄漏面积A的函数，必须确定一个边界条件，得出泄漏面积A。

以上得出的都是质量泄漏速率，可通过式7，将质量泄漏速率转换成体积泄漏速率，

$q_{\mathrm{vi}}=\frac{q_{\mathrm{mi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gi}}}---\left(7\right)$

其中，q_vi为i时刻泄漏点处的体积泄漏速率，m³/s；ρ_gi为i时刻泄漏点处天然气密度，kg/m³。

根据积分原理，对泄漏点处体积泄漏速率求关于时间的积分，即可得到井下任意时间段t内的体积泄漏量，即式(8)，

$Q=\frac{\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{\mathrm{dq}}_{\mathrm{mi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gi}}}=\mathrm{\ΔA}---\left(8\right)$

其中，Q为任意时间段内井下累计体积泄漏量，m³；Δ为等效积分量，m。Δ表示式(8)中积分式中除泄漏面积A外的积分数值，在任意给定的时间段内，Δ为定值。

当泄压平衡时，井下泄漏与井口泄漏(标况下)达到平衡，由于天然气在井下和井口(标况下)的性质不同，两者的体积相差一个天然气体积膨胀系数，E_g，即式(9)。

$E_g=2.8917\×{10}^{-3}\frac{P_0}{{\mathrm{ZT}}_a}---\left(9\right)$

其中，E_g为天然气体积膨胀系数，m³/m³；Z为天然气体积偏差因子，无因次。

由此可得平衡等式(10)。

V_s＝E_gV＝E_gΔA    (10)

其中，V表示为任意时间段内泄漏点处累计体积泄漏量，m³；V_s表示为任意时间段内标况下累计体积泄漏量，m³。

如果现场可以测得任意时间段t内井口累计体积泄漏量V_s，则可以确定泄漏面积A；如果没有井口累计体积泄漏量V_s数据，可以根据泄压数据中的平衡压力，选用式(2)或式(3)对应的质量泄漏速率模型确定质量泄漏速率表达式，并转换成体积泄漏速率表达式；由于泄压平衡时，井口环空压力与大气压均为定值，泄压管道横截面积已知，可以计算任意时间段t标况下累计的体积泄漏量，由此确定泄漏面积A。

此外，现场每次环空泄压后，恢复的环空压力值并不是保持在泄压前的水平，认为是A发生变化，导致泄漏速率发生变，进而反过来影响环空压力。认为在每次泄压时，A保持恒定，可以通过在下次泄压曲线，得出变化后的A。

(4)确定环空泄漏速率计算表达式

根据得出的泄漏面积，则可以得出气井标况下体积泄漏速率计算模型，即式(11)和式(12)。

$q=\frac{C_D\mathrm{A\φ}{P}_1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gi}}}{E}_g\sqrt{{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}\frac{\mathrm{Mk}}{{\mathrm{ZRT}}_a}}---\left(11\right)$

$q=\frac{C_D\mathrm{A\φ}{P}_1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{gi}}}{E}_g\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{ZRT}}_a}\frac{k}{k-1}[{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}---\left(12\right)$

可以根据式(11)和式(12)得出的任意时间段内气井标况下的体积泄漏速率，判断气井的完整性状态，给予现场的气井生产运行及管理提出可靠的建议。

实施例

以XX气田XX-1井为例为例，如图3所示，为本实施例的气井泄漏模型示意图，其中标注了各参数的代表的意义。

(1)确定泄漏点深度；

如图4所示，为本实施例的XX-1井环空泄压压力恢复曲线图。需要根据该曲线确定环空压力平衡稳定阶段，进而可以确定环空泄漏点深度。根据气井的基础数据以及油套环空泄压数据，确定平衡环空压力，优选Hagedorn-Brown方法计算气井的温度、压力剖面。XX-1井泄压平衡时，井口环空压力为34710000MPa；当压力恢复平衡时，即泄漏点处油管内外压力相等，此时井口环空压力为64420000MPa。根据计算结果，回归温度、压力剖面的计算公式：

T＝10^-7h²+0.018h+45.04         (13)

P₁＝2*10^-3h²+4100h+86775000    (14)

P₀＝64420000+1200gh           (15)

根据式(1)、式(14)和式(15)可得泄漏点深度为2920.63m，泄漏点处油管内压力为98766088Pa，温度为373.80K。

(2)确定泄漏点处体积泄漏速率表达式

根据油管内泄漏点处气体压力以及式(1)可得出不同时刻泄漏点处环空压力，根据式(4)判断泄漏的流动状态。由于泄漏点深度已知，则可知泄漏点出油管内压力与温度，且认为其在泄漏阶段保持不变；泄漏点处环空压力可根据井口环空压力与保护液液柱压力计算得出，只要有一个井口环空压力值，则可求出对应的泄漏点处环空压力；此外，式(2)和式(3)中除泄漏面积外，其余均可容易获取，部分为系数，部分为常量，部分为气井基本参数，仅泄漏面积未知。实际运算过程中可进行编程计算。

(3)确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积

根据上一步确定的泄漏点处体积泄漏速率表达式，按照式(7)进行转换可以得出泄漏点处的体积泄漏速率，按照式(8)对泄漏点处体积泄漏速率进行积分，可得出对应时间内的体积泄漏量表达式，该表达式式关于泄漏面积的函数；按照式(10)转换可得标况下体积泄漏量。如果对应时间内体积泄漏量已知，则可得出泄漏面积。

本例中，未取得对应时间内的井口体积泄漏量，可采用井口泄压的泄漏流量计算体积泄漏量。由图4可知，当泄压平衡时，环空压力基本保持不变，为34710000Pa，可求取t＝15h至t＝18h之间的总泄漏量。本例中采用1/4"管线泄压，壁厚为2.25mm，则内径为1.85mm，面积为2.68×10^-6m²；φ取0.98；k取1.28；C_D取1.0；R取8.314J(mol.K)；P_a取泄压平衡时井口环空压力，为34710000Pa；T_a取井口处温度，为318.2K；P_a和T_a可根据泄压数据直接得出；M可根据天然气组分的体积百分比以及各组分的摩尔质量求出，本例中为0.017628kg/mol；Z可根据采用目前成熟的图版法和计算法得出，也可以采用气田的体积偏差因子，本例中取2.01。由于此时为临界流动，采用式5可得质量泄漏速率。当t＝15h至t＝18h时，井口泄压泄漏为临界流动，体积泄漏量见式16，

$V_s=0.13735=\frac{1.079\×100000\×263.96}{0.803987}A---\left(16\right)$

此时，E_g为263.96m³/m³，天然气密度为0.803987kg/m³。

由此可得泄漏点处泄漏面积为3.877×10^-9m³，等效泄漏半径为3.514×10^-5m。

(4)确定标况下体积泄漏速率表达式

根据得出的泄漏点处泄漏面积和式(11)及式(12)，可得XX-1井标况下体积泄漏速率表达式。最终得出XX-1的最大标况下体积泄漏速率为8.24m³/min。该方法为气田现场评价判断气井的完整性状态，为气井生产运行及管理提出可靠的建议。

综上所述，本发明实施例在高温、高压、含酸性介质气井中的完整性评价中发挥重要作用。该方法仅依靠现场已有数据经过理论模型计算，可确定气井油套环空泄漏面积，最终得出油套环空标况下体积泄漏速率计算模型，实现基于气井基本数据的标况下体积泄漏速率确定。

此外，本发明实施例还创新性提出利用气井现场最基本的已有数据确定油套环空泄漏面积和标况下体积泄漏速率的计算方法，对气井的完整性评价及风险评估有重要指导意义。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气井标况下体积泄漏速率获取方法，其特征在于，该方法包括：

根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；

根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为若泄漏的流动状态为临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为其中，q_m表示泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁表示油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o表示泄漏点处环空压力，Pa；T_a表示泄漏点处温度，K；A表示泄漏面积，m²；φ表示流速系数，表示实际流速与理论流速之比，无因次；k表示绝热指数，即定压热容与定容热容之比，无因次；C_D表示流量系数，与泄漏孔的形状有关，无因次；M表示天然气摩尔质量，kg/mol；R表示摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z表示气体体积偏差因子，无因次；

对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处体积泄漏速率表达式，对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；根据泄漏点处体积泄漏量确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；

根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态的步骤包括：

当时，泄漏的流动状态为亚临界流动状态；当时，泄漏的流动状态为临界流动状态；其中，

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率表达式的步骤具体为：

所述泄漏点处质量泄漏量表达式按照式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率表达式；其中，q_mi表示为i时刻泄漏点处的质量泄漏速率，kg/s；q_vi表示为i时刻泄漏点处的体积泄漏速率，m³/s；ρ_gi表示为i时刻泄漏点处的天然气密度，kg/m³。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分的步骤具体为：

对所述泄漏点处体积泄漏速率表达式按照式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；其中，Q表示为任意时间段内泄漏点处累计体积泄漏量，m³；Δ表示等效积分量，m。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据泄漏点处的体积泄漏速率确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积的步骤具体包括：

当泄压平衡时，气体在井下泄漏与井口泄漏达到平衡，即：V_s＝E_gV＝E_gΔA；其中，V表示任意时间段t内井下体积泄漏量，m³，V_s表示任意时间段t内井口体积泄漏量，m³，天然气井下和井口的体积相差一个天然气体积膨胀系数E_g，m³/m³；Z表示天然气体积偏差因子，无因次；

若现场测得任意时间段t内井口体积泄漏量V_s，则直接根据V_s＝E_gV＝E_gΔA确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；否则，根据所述泄漏点处体积泄漏量表达式获取任意时间段内井口累计体积泄漏量，根据V_s＝E_gV＝E_gΔA确定任意泄压时间段t内泄漏点处对应的泄漏面积。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率的具体步骤包括：

根据所述泄漏点处的体积泄漏速率表达式以及任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得标况下的体积泄漏速率；其中，若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则标况下的体积泄漏速率为：若泄漏的流动状态为临界流动状态，则标况下的体积泄漏速率为： $q=\frac{C_D\mathrm{A\φ}{P}_1}{{\mathrm{\ρ}}_g}{E}_g\sqrt{\frac{M}{{\mathrm{ZRT}}_a}\frac{k}{k-1}[{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{2}{k}}-{\left(\frac{P_0}{P_1}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}.$

7.一种气井标况下体积泄漏速率获取装置，其特征在于，该装置包括：

第一处理单元，用于根据井下泄漏点处环空压力与油管内压力平衡，获得泄漏点深度、油管内泄漏点处气体压力以及对应温度；

判断单元，用于根据油管内泄漏点处气体压力以及不同时刻泄漏点处环空压力判断泄漏的流动状态；若泄漏的流动状态为亚临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为若泄漏的流动状态为临界流动状态，则确定泄漏点处质量泄漏速率表达式为其中，q_m表示泄漏点处质量泄漏速率，kg/s；P₁表示油管内泄漏点气体压力，Pa；P_o表示泄漏点处环空压力，Pa；T_a表示泄漏点处温度，K；A表示泄漏面积，m²；φ表示流速系数，表示实际流速与理论流速之比，无因次；k表示绝热指数，即定压热容与定容热容之比，无因次；C_D表示流量系数，与泄漏孔的形状有关，无因次；M表示天然气摩尔质量，kg/mol；R表示摩尔气体常数，8.314J(mol.K)；Z表示气体体积偏差因子，无因次；

第二处理单元，包括转换模块、积分模块和确定模块；所述转换模块用于对所述泄漏点处质量泄漏速率表达式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率表达式；所述积分模块用于对泄漏点处体积泄漏速率表达式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；所述确定模块用于根据泄漏点处体积泄漏速率确定任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积；

标况下体积泄漏速率获取单元，用于根据任意泄压时间段内泄漏点处的泄漏面积获得气井油套环空泄漏气体在标况下的体积泄漏速率。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述判断单元具体用于当时，泄漏的流动状态为亚临界流动状态；当时，泄漏的流动状态为临界流动状态；其中， $R_{\mathrm{cp}}={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}.$

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述转换模块具体用于所述泄漏点处质量泄漏速率表达式按照式转换得到泄漏点处的体积泄漏速率表达式；其中，q_mi表示为i时刻泄漏点处的质量泄漏速率，kg/s；q_vi表示为i时刻泄漏点处的体积泄漏速率，m³/s；ρ_gi表示为i时刻泄漏点处的天然气密度，kg/m³。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述积分模块具体用于对所述泄漏点处体积泄漏速率表达式按照式进行关于时间的积分，得到对应时间内泄漏点处的体积泄漏量表达式；其中，Q表示为任意时间段内泄漏点处累计体积泄漏量，m³；Δ表示等效积分量，m。