CN111832194B - 井口装置抬升高度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种井口装置抬升高度的确定方法，属于油田开发技术领域。确定方法包括：获取环空上顶力，获取油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量；确定油管受到的第一轴向热应力和套管的自由段受到的第二轴向热应力，基于环空上顶力、第一轴向热应力和第二轴向热应力，确定油气井的总上顶力；基于环空上顶力以及径向热应力，确定套管与水泥环之间的胶结力；获取油管、套管以及井口装置的总重力，并根据总重力和胶结力，确定油气井的阻止力；根据阻止力和总上顶力，确定井口装置的抬升高度。本公开通过该方法能够精确的确定井口装置抬升高度，为井口抬升防控措施制定提供依据。

Description

井口装置抬升高度的确定方法

技术领域

本公开属于油田开发技术领域，特别涉及一种井口装置抬升高度的确定方法。

背景技术

在油气田开采过程中，高温、高压、高产、高酸性气井的井口温度高，当产量变化时，会出现井口温度差，而该温度差会使得井口自由段套管产生热应力变化，进而导致井口装置被抬升，破坏气井完整性，损坏地面设备。对于含硫气井，井口装置被抬升后极易发生泄漏，这会严重威胁周围环境和人生安全。因此，准确预测井口装置抬升高度对井口抬升风险防控和保障油气井井筒完整性具有重要意义。

相关技术中，对井口装置抬升高度的确定方法主要包括：分析生产过程中温度效应造成的油套管在井口处产生的轴向力，以及环空带压对井口产生的上顶力，通过轴向力以及环空带压产生的上顶力，最终预测出井口装置的抬升高度，(其中，油气井的井身结构具体可见附图1)。

然而，以上确定方法在分析井口产生的上顶力时，由于仅仅考虑油套管中的轴向力，所以无法真实的反应套管和水泥环之间的滑移机理，以致不能准确预测井口装置的抬升高度。

发明内容

本公开实施例提供了一种井口装置抬升高度的确定方法，可以准确预测井口装置的抬升高度，为井口抬升防控措施制定提供依据。所述技术方案如下：

本公开实施例提供了一种井口装置抬升高度的确定方法，应用于计算机设备，所述确定方法包括：

获取环空上顶力，所述环空上顶力为生产过程中，油气井的环空对井口装置施加的轴向作用力；

获取所述油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量；

基于所述油管的温度变化量及所述套管的温度变化量，确定所述油管受到的第一轴向热应力和所述套管的自由段受到的第二轴向热应力，所述套管的自由段为所述套管的未被水泥所固化的管段；

基于所述环空上顶力、所述第一轴向热应力和所述第二轴向热应力，确定所述油气井的总上顶力；

基于所述套管的温度变化量，确定径向热应力，所述径向热应力包括所述套管受到的第一径向力和所述油气井的水泥环受到的第二径向力；

基于所述环空上顶力以及所述径向热应力，确定所述套管与所述水泥环之间的胶结力；

获取所述油管、所述套管以及所述井口装置的总重力，并根据所述总重力和所述胶结力，确定所述油气井的阻止力；

根据所述阻止力和所述总上顶力，确定所述井口装置的抬升高度。

在本公开的又一种实现方式中，所述基于所述套管的温度变化量，确定径向热应力，包括：

获取各层所述套管的热膨胀系数以及所述套管的原始长度；

基于所述热膨胀系数、所述原始长度和所述套管的温度变化量，确定各层所述套管的径向体积变化量以及所述水泥环的径向体积变化量；

根据所述套管的径向体积变化量以及所述水泥环的径向体积变化量，确定所述第一径向力以及所述第二径向力。

在本公开的又一种实现方式中，所述基于所述环空上顶力以及所述径向热应力，确定所述套管与水泥环之间的胶结力，包括：

获取径向初始地应力；

根据所述环空上顶力、所述径向热应力以及所述径向初始地应力，确定所述水泥环与所述套管的接触面上的初始正向力；

基于所述初始正向力，确定所述接触面的最终正向力；

基于所述最终正向力，确定所述胶结力。

在本公开的又一种实现方式中，所述基于所述初始正向力，确定所述接触面的最终正向力，包括：

基于所述初始正向力，确定所述接触面的横向力、第一正向力以及第二正向力，所述第一正向力为所述接触面由混凝土收缩效应产生的正向力，所述第二正向力为所述接触面由拉伸泊松效应产生的正向力；

根据所述横向力、所述第一正向力以及所述第二正向力，确定所述最终正向力。

在本公开的又一种实现方式中，所述基于所述最终正向力，确定所述胶结力，包括：

建立微元段的平衡方程；

基于所述最终正向力以及所述平衡方程，确定所述接触面的胶结强度；

获取每层所述套管的横截面积；

基于所述胶结强度以及所述套管的横截面，确定所述胶结力。

在本公开的又一种实现方式中，所述获取环空上顶力，包括：

获取各个所述环空的压力值、所述环空内的流体密度以及所述水泥环的高度；

基于所述环空的压力值、所述环空内的流体密度以及所述套管外的水泥环的高度，确定所述环空上顶力。

在本公开的又一种实现方式中，基于所述油管的温度变化量，确定所述油管受到的第一轴向热应力，包括：

获取所述油管的轴向变形量以及所述油管的轴向刚度；

基于所述油管的轴向变形量以及所述油管的轴向刚度，确定所述第一轴向热应力。

在本公开的又一种实现方式中，基于所述套管的温度变化量，确定所述套管的自由段受到的第二轴向热应力，包括：

获取所述套管的自由段的轴向变形量以及所述套管的轴向刚度；

基于所述套管的自由段的轴向变形量以及所述套管的轴向刚度，确定所述第二轴向热应力。

在本公开的又一种实现方式中，所述根据所述阻止力和所述总上顶力，确定所述井口装置的抬升高度，包括：

基于所述阻止力和所述总上顶力，确定所述井口装置受到的总轴向力；

根据所述总轴向力以及各层所述套管的轴向刚度，确定所述井口装置的抬升高度。

在本公开的又一种实现方式中，所述获取所述油管、所述套管以及所述井口装置的总重力，包括:

获取所述油管的线重以及所述油管的原始长度，并确定所述油管的重力；

获取所述套管的线重以及所述套管的原始长度，并确定所述套管的重力；

获取所述井口装置的重力；

根据所述油管的重力、所述套管的重力以及所述井口装置的重力，确定总重力。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

首先，获取该油气井的各个环空在带压作业时对井口装置产生的环空上顶力，环空上顶力是井口装置抬升的主要动力；接着，获取油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量，以便为后续计算第一轴向热应力、第二轴向热应力以及径向热应力做准备。然后，基于油管的温度变化量及套管的温度变化量，确定油管受到的第一轴向热应力和套管的自由段受到的第二轴向热应力，如此能够进一步确定出井口装置抬升的次要动力。再然后，通过上述的环空上顶力以及第一轴向热应力、第二轴向热应力便可轻松得到该井口装置抬升的总动力，即总上顶力。也就是说，通过上述步骤便可得到井口装置抬升的总作用力。

其次，确定出该油气井中油管、套管以及井口装置的总重力，由于重力是竖直向下，即与总上顶力的方向相反，属于井口装置在抬升时受到的一个阻力。接着，通过计算套管以及水泥环的径向热应力，并通过环空上顶力以及径向热应力计算套管与水泥环之间的胶结力，可以知道该井口装置在抬升时由于水泥环与套管之间滑移机理产生的阻力，即井口装置在抬升时受到的另一个阻力。通过这两个阻力，即得到油气井的阻止力。也就是说，通过上述步骤便可得到阻止井口装置抬升的总作用力。

最后，根据阻止力和总上顶力，确定井口装置的抬升高度。

本公开实施例提供的井口装置抬升高度的确定方法由于综合考虑套管和水泥的热应力，并将套管与水泥环之间的胶结力作为抬升时的阻止力，所以能够精确的预测井口装置的抬升高度，为井口抬升防控措施制定提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的油气井的井身结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种井口装置抬升高度的确定方法流程图；

图3是本公开实施例提供的另一种井口装置抬升高度的确定方法流程图；

图4是本公开实施例某个油气井中不同产量下总上顶力和阻止力之间的变化关系图；

图5是本公开实施例某个油气井中不同产量下井筒的总上顶力的变化关系图；

图6是本公开实施例某个油气井中不同产量下井口抬升高度预测图。

图中各符号表示含义如下：

1、油管；2、封隔器；3、生产套管；4、水泥环；5、技术套管；6、表层套管；7、井口装置。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

为了更清楚的说明本公开实施例提供井口装置抬升高度的确定方法，先介绍一下油气井的常见井身结构，如图1所示，油气井包括油管1、封隔器2、生产套管3、水泥环4、技术套管5、表层套管6以及井口装置7。生产套管3套在油管1上，并与油管1形成环空A，技术套管5套在生产套管3上，并与生产套管3形成环空B，表层套管6套在技术套管5的上，并与技术套管5形成环空C。其中，生产套管3、技术套管5、表层套管6均通过水泥环4固化在油气井的井壁上。井口装置7固定在油管1以及生产套管3靠近井口的位置处。封隔器2安装在环空A中，封隔器2用来封隔环空A。

本公开实施例提供了一种井口装置抬升高度的确定方法，应用于计算机设备，如图2所示，该确定方法包括：

S201：获取环空上顶力，环空上顶力为生产过程中，油气井的环空对井口装置施加的轴向作用力。

S202：获取油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量。

S203：基于油管的温度变化量及套管的温度变化量，确定油管受到的第一轴向热应力和套管的自由段受到的第二轴向热应力，套管的自由段为套管的未被水泥所固化的管段。

S204：基于环空上顶力、第一轴向热应力和第二轴向热应力，确定油气井的总上顶力。

S205：基于套管的温度变化量，确定径向热应力，径向热应力包括套管受到的第一径向力和油气井的水泥环受到的第二径向力。

S206：基于环空上顶力以及径向热应力，确定套管与水泥环之间的胶结力。

S207：获取油管、套管以及井口装置的总重力，并根据总重力和胶结力，确定油气井的阻止力。

S208：根据阻止力和总上顶力，确定井口装置的抬升高度。

通过本公开实施例提供的井口装置抬升高度的确定方法，在分析某个实际生产中的油气井的井口装置的抬升高度时。

首先，获取该油气井的各个环空在带压作业时对井口装置产生的环空上顶力，环空上顶力是井口装置抬升的主要动力；接着，获取油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量，以便为后续计算第一轴向热应力、第二轴向热应力以及径向热应力做准备。然后，基于油管的温度变化量及套管的温度变化量，确定油管受到的第一轴向热应力和套管的自由段受到的第二轴向热应力，如此能够进一步确定出井口装置抬升的次要动力。再然后，通过上述的环空上顶力以及第一轴向热应力、第二轴向热应力便可轻松得到该井口装置抬升的总动力，即总上顶力。也就是说，通过上述步骤便可得到井口装置抬升的总作用力。

其次，确定出该油气井中油管、套管以及井口装置的总重力，由于重力是竖直向下，即与总上顶力的方向相反，属于井口装置在抬升时受到的一个阻力。接着，通过计算套管以及水泥环的径向热应力，并通过环空上顶力以及径向热应力计算套管与水泥环之间的胶结力，可以知道该井口装置在抬升时由于水泥环与套管之间滑移机理产生的阻力，即井口装置在抬升时受到的另一个阻力。通过这两个阻力，即得到油气井的阻止力。也就是说，通过上述步骤便可得到阻止井口装置抬升的总作用力。

最后，根据阻止力和总上顶力，确定井口装置的抬升高度。

本公开实施例提供的井口装置抬升高度的确定方法由于综合考虑套管和水泥的热应力，并将套管与水泥环之间的胶结力作为抬升时的阻止力，所以能够精确的预测井口装置的抬升高度，为井口抬升防控措施制定提供依据。

图3是本公开实施例提供的另一种井口装置抬升高度的确定方法流程图，结合图3，确定方法包括：

S301：获取环空上顶力，环空上顶力为生产过程中，油气井的环空对井口装置施加的轴向作用力。

示例性地，步骤S301通过以下方式实现：

首先，获取各个环空的压力值、环空内的流体密度以及水泥环的高度。

接着，基于环空的压力值、环空内的流体密度以及套管外的水泥环的高度，确定环空上顶力。

本实施例中，环空上顶力可以通过以下公式进行计算；

dF_hji＝2π(P_hk+ρgh)r_jndh (1)

其中，F_hji为环空上顶力，N；P_hk为各个环空的压力值，MPa；ρ为环空内的流体密度，g/cm³；h为各层套管外的水泥返深，m，r_in为第i层套管的内径，m。

S302：获取油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量。

在上述实现方式中，通过获取油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量，便可对应知道由温度变化造成的油管的轴向热应力、套管的轴向热应力以及径向热应力。

S303：基于油管的温度变化量及套管的温度变化量，确定油管受到的第一轴向热应力和套管的自由段受到的第二轴向热应力，套管的自由段为套管的未被水泥所固化的管段。

示例性地，步骤S303通过以下方式实现：

首先，获取油管的轴向变形量以及油管的轴向刚度。

接着，基于油管的轴向变形量以及油管的轴向刚度，确定第一轴向热应力。

再接着，获取套管的自由段的轴向变形量以及套管的轴向刚度；

最后，基于套管的自由段的轴向变形量以及套管的轴向刚度，确定第二轴向热应力。

本实施例中，第一轴向热应力可以通过以下方式进行计算；

套管的自由段的轴向变形量满足以下公式：

其中，Δl_zy为第i层套管的自由段受热膨胀产生的轴向变形量，l_zy为第i层套管的自由段的长度；α_tg为套管的热膨胀系数；ΔT_i(z)为第i层套管在井筒深度z处的温度变化量；

套管的轴向刚度K_i；轴向刚度K_i满足以下公式：

其中E_tg为套管的弹性模量，N/m²；r_iw为第i层套管的外径，m；r_in为第i层套管的内径，m；l_i为第i层套管的原始长度，m；

第一轴向热应力满足以下公式：

F_zy＝Δl_zy×K_i (4)

可以理解，第二轴向热应力也可以通过以上方式进行得到，只要对应的把套管的物理量替换为油管的物理量即可，本公开在此不再赘述。

S304：基于环空上顶力、第一轴向热应力和第二轴向热应力，确定油气井的总上顶力。

总上顶力F_sd满足以下公式：

F_sd＝∑F_zy+∑F_hji (5)

其中，这里的F_zy包括第一轴向热应力和第二轴向热应力。

S305：基于套管的温度变化量，确定径向热应力，径向热应力包括套管受到的第一径向力和油气井的水泥环受到的第二径向力。

首先，获取各层套管的热膨胀系数以及套管的原始长度。

接着，基于热膨胀系数、原始长度和套管的温度变化量，确定各层套管的径向体积变化量以及水泥环的径向体积变化量。

然后，根据套管的径向体积变化量以及水泥环的径向体积变化量，确定第一径向力以及第二径向力。

本实施例中通过以下公式进行计算第一径向力或者第二径向力：

计算套管与水泥环间的径向热应力时，首先假设套管和水泥环的之间的径向变形不会受到限制，则套管和水泥环的径向体积变化量满足以下公式：

公式(6)中：ΔV_i为第i层套管的径向体积变化量，m³；ΔV_j为第j层水泥环的径向体积变化量，m³；ΔT_i(z)为第i层水泥环在井深z处的温度变化量，℃；α_sn为水泥环的热膨胀系数，℃^-1；ΔT_j(z)为第j层水泥环在井深z处的温度变化量，℃；V_i为第i层套管的原始体积，m³；V_j为第j层水泥环的原始体积，m³；。

另外，每层套管和水泥环的原始体积为：

式中：r_jw为第j层水泥环的外径，m；r_jn为第j层水泥环的内径，m；l_j为第j层水泥环的原始长度，m；r_iw为第i层套管的外径，r_in为第i层套管的内径，m；l_i为第i层套管的原始长度，m。

套管与水泥环的径向热应力F_jxi满足以下公式；

式中：F_jxi为第i层套管的受到的第一径向热应力，N；F_jxj为第j层水泥环的受到的第二径向热应力，N；E_sn为水泥环的弹性模量，N/m²；E_tg为套管的弹性模量，N/m²。

S306：基于环空上顶力以及径向热应力，确定套管与水泥环之间的胶结力。

示例性地，步骤S206通过以下方式实现：

6.1：获取径向初始地应力。

6.2：根据环空上顶力、径向热应力以及径向初始地应力，确定水泥环与套管的接触面上的初始正向力，正向力为垂直作用在受力面上的作用力。

示例性地，初始正向力P满足以下公式：

∑P＝∑F_jxi+∑F_jxj+∑F_hij+F_tj (9)

其中，F_tj为径向初始地应力，N。

6.3：基于初始正向力，确定接触面的最终正向力。

步骤6.3通过以下方式进行实现：

(1)基于初始正向力，确定接触面的横向力、第一正向力以及第二正向力，横向力为平行作用在受力面上的作用力，第一正向力为接触面由混凝土收缩效应产生的正向力，第二正向力为接触面由拉伸泊松效应产生的正向力。

(2)根据横向力、第一正向力以及第二正向力，确定最终正向力。

根据厚壁圆筒的经典问题，由混凝土收缩效应和管柱拉伸泊松效应产生的接触面的横向力和第一正向力、第二正向力满足以下公式：

其中，r_s为水泥环的外径，m；r_t为套管的外径，m；ν_s为水泥环的泊松比；ν_t为套管的泊松比；σ_s为套管承受的拉力，N；m＝E_tg/E_sn，n＝r_t/r_s，ε_o＝ν_sF_zxi/E。

作用在接触面上的最终正向力满足以下公式：

σ_N＝σ_jj+σ_ss+σ_bs；(11)

其中，σ_jj为横向力，N；σ_ss为混凝土收缩效应产生的第一正向力，N；σ_bs为管柱拉伸泊松效应产生的第二正向力，N；

6.4：基于最终正向力，确定胶结力。

(1)建立微元段的平衡方程。

示例性地，平衡方程形式如下：

式中：μ为水泥环表面产生滑移的摩擦系数，无量纲。

(2)基于最终正向力以及平衡方程，确定接触面的胶结强度。

对式(12)进行求解，将式(11)带入式(12)，令A＝(1-vt)+m(1+vs)，最终可得

对上式两边进行积分可得：

式中：I为积分常数；对于式(14)，其边界条件为：

结合边界条件，套管和水泥环之间的胶结强度为：

式中：Q_cj为胶结强度，N/m²；D为积分常数；l_b为套管外水泥环长度，m。

(3)获取每层套管的横截面积。

(4)基于胶结强度以及套管的横截面，确定胶结力。

胶结力满足以下公式：

F_cj＝Q_cjA_i (17)

式中：F_cj为胶结力，N；A_i为每层套管的横截面积，m²。

由于井筒每一层套管都固定在套管头上，因此水泥环与套管之间的胶结力最终作用在套管上，因此套管与水泥环之间的胶结力满足公式(17)。

S307：获取油管、套管以及井口装置的总重力，并根据总重力和胶结力，确定油气井的阻止力。

示例性地，总重力F_PZ满足以下公式；

F_PZ＝M+m_il_i+m_tl_t (18)

其中，M为井口装置的防顶力，N；m_i为第i层套管的线重，N/m；l_i为第i层套管的原始长度，m；m_t为油管的线重，N/m；l_t为油管的长度，m。

阻止力F_zd满足以下公式；

F_zd＝F_PZ+F_cj (19)

S308：基于阻止力和总上顶力，确定井口装置受到的总轴向力。

S309：根据总轴向力以及各层套管的轴向刚度，确定井口装置的抬升高度。

当总轴向力大于零时，即总上顶力F_sd大于阻止力F_zd，则井口装置发生抬升，且抬升高度满足以下公式：

其中L_tot为井口装置的抬升高度。

下面通过具体实例进一步说明上述确定方法的实施过程：

某高温高压气井完钻井深5500m，为直井，油套管热膨胀系数为0.000012℃^-1，水泥环热膨胀系数为0.00001℃^-1，油套管弹性模量为206GPa，水泥环弹性模量为28GPa，油套管泊松比为0.25，水泥环泊松比为0.2，A环空压力为17MPa，B环空压力为10MPa，C环空压力为0MPa，地层压力为70MPa，地层温度为165℃，各环空流体密度为1g/cm³，封隔器坐封深度5400m，水泥环表面产生滑移的摩擦系数为0.251，井口装置最大防顶力500t，产量为43×10⁴/d，该井井身结构如表1所示。

表1某井井身结构

(1)计算环空带压产生的环空上顶力；

气井生产过程中，环空带压在轴向上会对井口产生一个上顶力，加剧井口抬升，径向上会作用在内外侧套管壁上，改变套管和水泥环的受力状态，环空上顶力可以根据公式(1)进行计算：

A环空产生的上顶力为：3.14×(17+54)×88.9÷1000×5400×1000000＝19819366N；

B环空产生的上顶力为：7257796N；

C环空产生的上顶力为：3838650N。

(2)计算套管的自由段的第二轴向热应力以及油管的第一轴向热应力，第一轴向热应力和第二轴向热应力可以根据公式(2)、(3)、(4)进行计算，

油管收到的第一轴向热应力272440.9742N；

生产套管产生的第二轴向热应力为：

3.726÷4500×300×316658.3659＝78657.93808N；

技术套管产生的第二轴向热应力为：331254.041N；

表层套管产生的第二轴向热应力为：0；

在根据公式(5)便可计算得出总上顶力为：

19819366+7257796+3838650+272440.9742+78657.93808+331254.041＝31598164.95N。

(3)计算油气井中油管、套管以及井口装置的总重力F_PZ：

利用公式(18)可以计算出该油气井中油套管和井口自身重量产生的井筒阻止力为：

-5000000-134.16×5400-350×4500-700×2500-900×1000＝-9949464N，负号表示力的方向向下。

(4)计算套管与水泥环的径向热应力F_jxi：

利用公式(7)计算出油管原始体积为：5400×3.14×((88.9/2000)^2-(76/2000)^2)＝9.01724319m³；

生产套管原始体积：31.1278248m³；技术套管原始体积：22.33374063m³。

表层套管原始体积为：11.27347166m³；生产套管外水泥环原始体积为：(4500-300)×3.14×((220/2000)^2-(177.8/2000)^2)＝55.34726652m³；

技术套管外水泥环原始体积为：64.76992547m3。

利用公式(6)计算出油管径向体积变化为：9.01724319×0.000012×(165-99)＝0.007141657。

生产套管径向体积变化为：0.025773839。

技术套管径向体积变化为：0.020100367。

表层套管径向体积变化为：0.011498941。

生产套管外水泥环径向体积变化为：0.040403505。

技术套管外水泥环径向体积变化为：0.05246364。

利用公式(8)计算出油管径向热应力为：

0.007141657÷9.01724319×0.000012×6.28×88.9×5400÷1000＝2.45933×1011N

生产套管径向热应力为：4.2852×1011N。

技术套管径向热应力为：3.55843×1011N。

表层套管径向热应力为：2.24126×1011N。

生产套管外水泥环径向热应力为：4235985600N。

技术套管外水泥环径向热应力为：11318231736N。

(5)计算套管和水泥环之间的胶结力。

利用公式(9)计算出水泥环与套管胶结面上的正向力为：

19819366+7257796+3838650+4.2852×10¹¹+3.55843×10¹¹+2.24126×10¹¹+4235985600+11318231736+70000000000＝1.34001×10¹²。

利用公式(10)-(16)计算出套管和水泥环之间的胶结强度为：3.14×(177.8/2000)^2×(1.1455×10^-6×0.000012+2×7.357142857×1.34001×10¹²)×(1-e^(2×0.251×0.000036×300×0.2)÷9.578571429÷(177.8/2000))÷0.2＝-3117815373Pa。

接着利用公式(17)计算出套管与水泥环之间的胶结力为：3117815373×0.006917294＝-21566846.82N；负号表示力的方向是向下。

(6)计算阻止力F_zd。

利用公式(19)计算出阻止力-9949464-21566846.82＝-31516310.82N。

(7)判断井口装置是否抬升以及抬升后的高度。

利用公式(20)判断出井口抬升高度为：

(31598164.95-31516310.82)÷(63702.06094+316658.3659+736120.091+2322335.163)＝0.023803001m。

另外，也可以结合上述方法来分析油气井中不同产量下，环空上顶力、阻止力以及总上顶力的变化情况，如图4和图5所示，可以看出随着油气井中产量的增加，胶结力逐渐降低，当气井产量高于40×10⁴/d时，总上顶力会超过阻止力，发生井口抬升，发生井口抬升后，不同产量下井口抬升高度如图6所示，因此，推荐该井在配产不超过40×10⁴/d。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种井口装置抬升高度的确定方法，其特征在于，应用于计算机设备，所述确定方法包括：

获取环空上顶力，所述环空上顶力为生产过程中，油气井的环空对井口装置施加的轴向作用力；

获取所述油气井中油管的温度变化量以及套管的温度变化量；

基于所述油管的温度变化量及所述套管的温度变化量，确定所述油管受到的第一轴向热应力和所述套管的自由段受到的第二轴向热应力，所述套管的自由段为所述套管的未被水泥所固化的管段；

基于所述环空上顶力、所述第一轴向热应力和所述第二轴向热应力，确定所述油气井的总上顶力；

基于所述套管的温度变化量，确定径向热应力，所述径向热应力包括所述套管受到的第一径向力和所述油气井的水泥环受到的第二径向力；

基于所述环空上顶力以及所述径向热应力，确定所述套管与所述水泥环之间的胶结力；

获取所述油管、所述套管以及所述井口装置的总重力，并根据所述总重力和所述胶结力，确定所述油气井的阻止力；

根据所述阻止力和所述总上顶力，确定所述井口装置的抬升高度。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述基于所述套管的温度变化量，确定径向热应力，包括：

获取各层所述套管的热膨胀系数以及所述套管的原始长度；

基于所述热膨胀系数、所述原始长度和所述套管的温度变化量，确定各层所述套管的径向体积变化量以及所述水泥环的径向体积变化量；

根据所述套管的径向体积变化量以及所述水泥环的径向体积变化量，确定所述第一径向力以及所述第二径向力。

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述基于所述环空上顶力以及所述径向热应力，确定所述套管与水泥环之间的胶结力，包括：

获取径向初始地应力；

根据所述环空上顶力、所述径向热应力以及所述径向初始地应力，确定所述水泥环与所述套管的接触面上的初始正向力；

基于所述初始正向力，确定所述接触面的最终正向力；

基于所述最终正向力，确定所述胶结力。

4.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，所述基于所述初始正向力，确定所述接触面的最终正向力，包括：

基于所述初始正向力，确定所述接触面的横向力、第一正向力以及第二正向力，所述第一正向力为所述接触面由混凝土收缩效应产生的正向力，所述第二正向力为所述接触面由拉伸泊松效应产生的正向力；

根据所述横向力、所述第一正向力以及所述第二正向力，确定所述最终正向力。

5.根据权利要求4所述的确定方法，其特征在于，所述基于所述最终正向力，确定所述胶结力，包括：

建立微元段的平衡方程；

基于所述最终正向力以及所述平衡方程，确定所述接触面的胶结强度；

获取每层所述套管的横截面积；

基于所述胶结强度以及所述套管的横截面，确定所述胶结力。

6.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述获取环空上顶力，包括：

获取各个所述环空的压力值、所述环空内的流体密度以及所述水泥环的高度；

基于所述环空的压力值、所述环空内的流体密度以及所述套管外的水泥环的高度，确定所述环空上顶力。

7.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，基于所述油管的温度变化量，确定所述油管受到的第一轴向热应力，包括：

获取所述油管的轴向变形量以及所述油管的轴向刚度；

基于所述油管的轴向变形量以及所述油管的轴向刚度，确定所述第一轴向热应力。

8.根据权利要求7所述的确定方法，其特征在于，基于所述套管的温度变化量，确定所述套管的自由段受到的第二轴向热应力，包括：

获取所述套管的自由段的轴向变形量以及所述套管的轴向刚度；

基于所述套管的自由段的轴向变形量以及所述套管的轴向刚度，确定所述第二轴向热应力。

9.根据权利要求8所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述阻止力和所述总上顶力，确定所述井口装置的抬升高度，包括：

基于所述阻止力和所述总上顶力，确定所述井口装置受到的总轴向力；

根据所述总轴向力以及各层所述套管的轴向刚度，确定所述井口装置的抬升高度。

10.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述获取所述油管、所述套管以及所述井口装置的总重力，包括:

获取所述油管的线重以及所述油管的原始长度，并确定所述油管的重力；

获取所述套管的线重以及所述套管的原始长度，并确定所述套管的重力；

获取所述井口装置的重力；

根据所述油管的重力、所述套管的重力以及所述井口装置的重力，确定总重力。

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