CN106368633A - 深水油气生产井环空密闭压力调控管柱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种深水油气生产井环空密闭压力调控管柱系统。深水油气井环空密闭压力调控管柱系统，包括：表层套管、技术套管、油管管柱、生产套管管柱、封隔器；油管管柱由普通油管与隔热油管构成，隔热油管位于整个油管管柱上方，普通油管位于油管管柱下方；生产套管管柱由生产套管与隔热套管构成，隔热套管位于整个生产套管管柱上方，生产套管位于生产套管管柱下方。本发明不受地层条件、深水环境的限制，仅通过下入隔热管材来增加井筒的径向的导热热阻，即可实现对密闭环空压力的控制；且不会增加额外的施工程序和工作量；因其隔热管材只应用于部分井段，亦不会增加过多额外施工成本，有利于广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种深水油气生产井环空密闭压力调控管柱系统，用于调控深水油气生产井密闭环空中流体受热膨胀引起的异常压力。
背景技术
深水油气生产井在不同层次的套管之间会形成密闭的环形空间，这个环形空间充满了残存的钻井液或者完井液。投产以后，由于深部地层产出的流体会加热整个井筒，致使密闭环空中残存的液体温度升高，温度升高导致液体体积发生膨胀，进而在密闭环空中会产生异常高压，这种压力被称为密闭环空压力。现在的深水油气井一般采用水下井口，无法释放密闭环空压力，从而威胁了套管以及油管的完整性，造成重大经济损失和环境污染。
现在控制密闭环空压力的方法主要有全井段固井、破裂盘技术、可压缩泡沫技术、地层漏失法和注入高压缩性液体等。但是以上措施均具有局限性，全井段固井技术难度过高，破裂盘受到套管强度影响且可靠性低，可压缩泡沫和高压缩性液体受到水深的限制，地层漏失法的风险过大，且上述技术及方法均不能够同时调控多个环空的压力。因此，亟需一种可靠性高、风险低、调控效果好的方法来减少密闭环空压力所带来的风险。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种深水油气井环空密闭压力调控管柱系统。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
深水油气井环空密闭压力调控管柱系统，包括：表层套管、技术套管、油管管柱、生产套管管柱、封隔器；表层套管位于技术套管外侧，技术套管位于生产套管管柱外侧，生产套管管柱位于油管管柱外侧，封隔器位于油管管柱底端，油管管柱与生产套管管柱之间；表层水泥环位于表层套管与地层之间；第三环空水泥环位于技术套管与表层套管及地层构成的环形空间底部，第三环空水泥环上部为环空；第二环空水泥环位于生产套管管柱与技术套管及地层构成的环形空间底部，第二环空水泥环上部为环空；油管管柱与生产套管管柱之间为环空。
进一步地，所述的油管管柱由普通油管与隔热油管构成，隔热油管位于整个油管管柱上方，普通油管位于油管管柱下方，油管管柱位于井筒中心，地层流体通过油管系统提升到地面。
进一步地，所述的生产套管管柱由生产套管与隔热套管构成生产套管管柱，隔热套管位于整个生产套管管柱上方，生产套管位于生产套管管柱下方。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、不受地层条件、深水环境的限制：仅通过下入隔热管材来增加井筒的径向的导热热阻，延缓热量传递的速度，即可实现对密闭环空压力的控制。
2、实施技术难度低：隔热管材在石油工程领域应用广泛，其安装过程属于正常的完井作业，不会增加额外的施工程序和工作量。
3、施工成本低：本发明中的管柱系统并未在整个井筒中全部使用隔热管材，隔热管材只应用于部分井段，最大下入深度不会超过技术套管和生产套管之间的环空水泥返高，从而降低了整体成本。
附图说明
图1是调控管柱系统示意图；
图2是密闭环空压力随隔热油管下入深度变化示意图；
图3是密闭环空压力随隔热油管和隔热套管下入深度的变化云图；
图4是调控管柱系统参数优选流程示意图。
图中：1、水下井口，2、地层，3、表层水泥环，4、表层套管，5、技术套管，6、隔热套管，7、隔热油管，8、产出液，9、生产套管，10、普通油管，11、封隔器，12、第三环空水泥环，13、第二环空水泥环。
具体实施方式
如图1所示，深水油气井环空密闭压力调控管柱系统，包括：表层套管4、技术套管5、油管管柱、生产套管管柱、封隔器11；表层套管4位于技术套管5外侧，技术套管5位于生产套管管柱外侧，生产套管管柱位于油管管柱外侧，封隔器11位于油管管柱底端，油管管柱与生产套管管柱之间；表层水泥环3位于表层套管4与地层2之间；第三环空水泥环12位于技术套管5与表层套管4及地层2构成的环形空间底部，第三环空水泥环12上部为环空3；第二环空水泥环13位于生产套管管柱与技术套管5及地层2构成的环形空间底部，第二环空水泥环13上部为环空3；油管管柱与生产套管管柱之间为环空1。
所述的油管管柱由普通油管10与隔热油管7构成，隔热油管7位于整个油管管柱上方，普通油管10位于油管管柱下方，油管管柱位于井筒中心，地层流体通过油管系统提升到地面。
所述的生产套管管柱由生产套管9与隔热套管6构成生产套管管柱，隔热套管6位于整个生产套管管柱上方，生产套管9位于生产套管管柱下方。
所述的隔热油管7与隔热套管6下入深度确定方法：
(1)、获取地层参数、环空液体参数、地层流体参数、井身参数和最大生产时间，基于上述参数确定环空最大允许压力；地层参数包括：地温梯度、地层比热容、地层导热系数和地层密度；环空液体参数包括：等温压缩系数和等压膨胀系数、导热系数；地层流体参数包括：日产量、比热容和含水率变化；井身参数包括：各环空水泥返高、水泥环导热系数和套管导热系数、泊松比以及线性膨胀系数；环空最大允许压力依据API RP90标准确定；
(2)、选择最低等级的隔热油管和普通生产套管,绘制该条件下环空压力随隔热油管下入深度的变化曲线，如图2所示。
(3)、计算上述管柱结构内的环空温度变化值，公式为：上式中，环空温度为：无因次地层温度为：
(4)、把环空温度变化代入体积平衡矩阵计算得出环空压力值，具体公式为：其中环空体积变化为：上面两个公式中：zo—环空顶部位置，m；zi—环空底部位置，m；Tan—环空温度，℃；Tani—环空初始平均温度，℃；Tf—油管内流体温度，℃；λe—地层导热系数，W/(m·℃)；Te—地层温度，℃；Rto—径向传热总热阻，m·℃/W；Ran—环空热阻，m·℃/W。tD为无因次生产时间，tD＝tαe/rw2；t为生产时间，s；αe为地层热扩散系数，m2/s；rw为井筒半径，m。Δrti—温度引起的内径变化，m；Δrpi—压力引起的内径变化，m；Δrto—温度引起的内径变化，m；Δrpo—压力引起的内径变化，m。
(5)、选取压力等于最大允许压力所对应的深度作为隔热油管的下入深度，设计结束，得出隔热油管下入深度及其隔热参数。若压力始终大于最大允许压力，提高油管隔热等级，重复(3)至(4)；当油管隔热等级达到最高时，选择最低等级的隔热套管和最高等级的隔热油管，设定隔热油管下入深度等于环空2水泥返高，绘制该条件下环空压力随隔热套管套管下深的变化曲线。计算方法如(3)所示。
(6)、在曲线上选取压力等于最大允许压力所对应的深度作为隔热套管的下入深度，设计结束，获取隔热套管下入深度及其隔热参数，此时隔热油管下入深度等于环空2水泥返高，隔热等级为最高级。若压力始终大于最大允许压力，提高套管隔热等级，重复(5)，(6)；若套管隔热等级达到最时，仍无法满足设计条件，则降低日产液量1t/d，重复(5)、(6)直至满足要求。
Claims (4)
1.一种深水油气井环空密闭压力调控管柱系统，包括：表层套管、技术套管、油管管柱、生产套管管柱、封隔器；其特征在于：表层套管位于技术套管外侧，技术套管位于生产套管管柱外侧，生产套管管柱位于油管管柱外侧，封隔器位于油管管柱底端，油管管柱与生产套管管柱之间；表层水泥环位于表层套管与地层之间；第三环空水泥环位于技术套管与表层套管及地层构成的环形空间底部，第三环空水泥环上部为环空；第二环空水泥环位于生产套管管柱与技术套管及地层构成的环形空间底部，第二环空水泥环上部为环空；油管管柱与生产套管管柱之间为环空。
2.根据权利要求1所述的深水油气井环空密闭压力调控管柱系统，其特征在于，所述的油管管柱由普通油管与隔热油管构成，隔热油管位于整个油管管柱上方，普通油管位于油管管柱下方，油管管柱位于井筒中心，地层流体通过油管系统提升到地面。
3.根据权利要求1-2所述的深水油气井环空密闭压力调控管柱系统，其特征在于，所述的生产套管管柱由生产套管与隔热套管构成生产套管管柱，隔热套管位于整个生产套管管柱上方，生产套管位于生产套管管柱下方。
4.权利要求1-3所述的隔热油管与隔热套管下入深度确定方法,其特征在于，步骤如下：
(1)、获取地层参数、环空液体参数、地层流体参数、井身参数和最大生产时间，基于上述参数确定环空最大允许压力；地层参数包括：地温梯度、地层比热容、地层导热系数和地层密度；环空液体参数包括：等温压缩系数和等压膨胀系数、导热系数；地层流体参数包括：日产量、比热容和含水率变化；井身参数包括：各环空水泥返高、水泥环导热系数和套管导热系数、泊松比以及线性膨胀系数；环空最大允许压力依据API RP90标准确定；
(2)、选择最低等级的隔热油管和普通生产套管,绘制该条件下环空压力随隔热油管下入深度的变化曲线；
(3)、计算上述管柱结构内的环空温度变化值，公式为：上式中，环空温度为：无因次地层温度为：
(4)、把环空温度变化代入体积平衡矩阵计算得出环空压力值，具体公式为：
其中环空体积变化为：上面两个公式中：zo—环空顶部位置，m；zi—环空底部位置，m；Tan—环空温度，℃；Tani—环空初始平均温度，℃；Tf—油管内流体温度，℃；λe—地层导热系数，W/(m·℃)；Te—地层温度，℃；Rto—径向传热总热阻，m·℃/W；Ran—环空热阻，m·℃/W；tD为无因次生产时间，tD＝tαe/rw2；t为生产时间，s；αe为地层热扩散系数，m2/s；rw为井筒半径，m；Δrti—温度引起的内径变化，m；Δrpi—压力引起的内径变化，m；Δrto—温度引起的内径变化，m；Δrpo—压力引起的内径变化，m；
(5)、选取压力等于最大允许压力所对应的深度作为隔热油管的下入深度，设计结束，得出隔热油管下入深度及其隔热参数；若压力始终大于最大允许压力，提高油管隔热等级，重复(3)至(4)；当油管隔热等级达到最高时，选择最低等级的隔热套管和最高等级的隔热油管，设定隔热油管下入深度等于环空水泥返高，绘制该条件下环空压力随隔热套管套管下深的变化曲线；
(6)、在曲线上选取压力等于最大允许压力所对应的深度作为隔热套管的下入深度，设计结束，获取隔热套管下入深度及其隔热参数，此时隔热油管下入深度等于环空水泥返高，隔热等级为最高级。若压力始终大于最大允许压力，提高套管隔热等级，重复(5)，(6)；若套管隔热等级达到最时，仍无法满足设计条件，则降低日产液量1t/d，重复(5)、(6)直至满足要求。
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