CN114278279B - 一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统 - Google Patents
一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，包括油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，预警计算装置，报警器，油嘴控制器。本发明通过考虑井下套管实际外挤压力、井口套压和油井产量变化等因素，实时评估全井筒生产套管动态允许极限掏空深度并与实时监测的油套环空液面深度对比，从而快速经济实现油井套管防挤毁实时预警和自动反馈降低油套环空液面深度，确保套管安全，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于油气井管柱完整性与安全技术领域，具体涉及一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统。
背景技术
套管柱是深部高温高压油井的重要安全屏障，防止深井套管柱发生变形和挤毁对于油气井高效安全生产至关重要。然而，油井生产后期由于地层能量不足需要对油井下泵深抽，深抽阶段地层压力的衰减和生产制度的变化都将导致油套环空动液面波动变化，从而影响套管柱有效支撑内压力。当油套环空动液面下降至油井允许极限掏空深度时，套管面临挤压失效风险。
由于现有套管柱结构与强度设计规范中均按考虑管内一固定掏空深度值来设计生产套管最大外挤载荷并进行套管抗外挤强度校核和套管选型，因此油井转抽后目前现场也多将该固定掏空深度值作为深抽泵下深设计和油套环空液面管理的依据参数，而没有考虑井下套管实际外挤压力、井口套压和油井产量变化等因素对全井筒生产套管动态允许极限掏空深度和套管挤毁失效风险的影响，加之现场缺乏一套油套环空液面自动监测与套管失效风险动态评估预警机制，导致油井转抽后生产套管挤毁事故时有发生。因此，建立基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，实时评估全井筒生产套管动态允许极限掏空深度并与实时监测的油套环空液面深度对比，从而快速经济实现油井套管防挤毁实时预警和自动反馈降低油套环空液面深度，对于确保全井筒套管柱全生命周期安全服役至关重要。
发明内容
本发明的发明目的是，提供一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，克服现有技术采用生产套管柱设计时的固定掏空深度管理油套环空液面无法开展套管失效风险动态评估和预警的缺陷。
本发明提供一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，其特征在于，包括油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，预警计算装置，报警器，油嘴控制器；
所述预警计算装置分别与油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，报警器，油嘴控制器有线或/和无线连接；
所述油套环空动液面测深仪实时获取油套环空液面深度数据，并将所述油套环空液面深度数据实时发送至预警计算装置；
所述压力计实时获取油套环空井口套压数据并将所述油套环空井口套压数据实时发送至预警计算装置；
所述流量计实时获取油井产量数据并将所述油井产量数据实时发送至预警计算装置；
所述预警计算装置存储油井资料基础数据；
所述预警计算装置按照一定时间间隔，重复执行以下步骤：
步骤一：采用以下公式计算井深h处油层套管外压力当量密度曲线ρe(h)
式中：h为井深，单位为m，ρe(h)为井深h处油层套管外压力当量密度，单位为g/cm3，ν(h)为井深h处地层岩石静态泊松比，单位为无量纲，ρr为上覆岩层压力平均当量密度，单位为g/cm3，ρm(h)为井深h处油层套管固井时钻井液密度，单位为g/cm3，ρp(h)为井深h处实钻地层孔隙压力当量密度，单位为g/cm3，max为最大值函数；
步骤二：采用以下公式实时计算生产套管允许掏空深度曲线Ht(h)
式中：Ht(h)为井深h处套管允许掏空深度，单位m，Ho为油管下深，单位为m，Hc为油层套管下深，单位为m，pcw为实时监测的油套环空井口套压，单位为MPa，pc(h)为井深h处油层套管抗外挤强度，单位为MPa，Sc为油层套管允许抗外挤安全系数，单位为无量纲，ρo为原油密度，单位为g/cm3，ρg为空气平均密度，单位为g/cm3，μo为原油动力粘度，单位为Pa·s，Qo为实时测量的油井产量，单位为t/d，Dci为生产套管内径，单位为mm；
步骤三：采用以下公式实时计算套管允许极限掏空深度Htw
Htw＝min[Ht(h)] (0＜h≤Hc)
式中：Htw为全井筒套管允许极限掏空深度，单位为m，min为最小值函数；
步骤四：将套管允许极限掏空深度Htw与实时监测的油套环空液面深度Ha比较，若Ha≥Htw，则预警计算装置向报警器发送报警指令并向油嘴控制器发送油嘴节流指令，油嘴控制器实时降低油井产量，若Ha＜Htw，则预警计算装置向报警器发送关闭报警指令并向油嘴控制器发送停止油嘴节流指令，油嘴控制器停止降低油井产量。
进一步的，
所述油井资料基础数据包括，地层岩石静态泊松比数据，上覆岩层压力平均当量密度数据，油层套管固井时钻井液密度数据，实钻地层孔隙压力当量密度数据，油层套管抗外挤强度数据，油管下深数据，油层套管下深数据，油层套管允许抗外挤安全系数数据，原油密度数据，原油动力粘度数据，空气平均密度数据，生产套管内径数据。
本发明的有益效果在于：通过考虑井下套管实际外挤压力、井口套压和油井产量变化等因素，实时评估全井筒生产套管动态允许极限掏空深度并与实时监测的油套环空液面深度对比，从而快速经济实现油井套管防挤毁实时预警和自动反馈降低油套环空液面深度，确保套管安全，可靠性高。
附图说明
本发明提供的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1地层岩石静态泊松比ν(h)分布。
图2油层套管固井时钻井液密度ρm(h)分布。
图3实钻地层孔隙压力当量密度ρp(h)分布。
图4油层套管抗外挤强度pc(h)分布。
图5油层套管外压力当量密度ρe(h)分布。
图6生产套管允许掏空深度曲线Ht(h)分布。
图7基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警流程图。
图8本发明系统架构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整性地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供的基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，属于油气井管柱完整性与安全技术领域。套管柱是深部高温高压油井的重要安全屏障，防止深井套管柱发生变形和挤毁对于油气井高效安全生产至关重要。目前，油井转抽后现场按照生产套管柱设计时的固定掏空深度值作为深抽泵下深设计和油套环空液面管理的依据参数，而没有考虑井下套管实际外挤压力、井口套压和油井产量变化等因素对全井筒生产套管动态允许极限掏空深度和套管挤毁失效风险的影响，导致油井转抽后生产套管挤毁事故时有发生，给油井安全生产带来巨大威胁。本发明基于全井筒地层岩石静态泊松比分布、油层套管固井时钻井液密度分布、实钻地层孔隙压力当量密度分布获得油层套管外压力当量密度分布；通过压力计和流量计实时监测油套环空井口套压和油井产量，通过动液面测深仪实时监测油套环空液面深度；基于流体力学和管柱力学理论动态评估全井筒生产套管允许极限掏空深度并与实时监测的油套环空液面深度对比，实现套管防挤毁实时预警和油嘴自动节流，及时恢复油套环空液面，确保油井套管安全。本发明克服了目前采用生产套管柱设计时的固定掏空深度管理油套环空液面而无法开展套管失效风险动态评估和预警的局限性，通过考虑井下套管实际外挤压力、井口套压和油井产量变化等因素，实时评估全井筒生产套管动态允许极限掏空深度并与实时监测的油套环空液面深度对比，从而快速经济实现油井套管防挤毁实时预警和自动反馈降低油套环空液面深度，确保套管安全，可靠性高。
参见图8，本发明提供一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，包括油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，预警计算装置，报警器，油嘴控制器；
预警计算装置可以是计算机，或者具有计算能力的便携式设备；
所述预警计算装置与油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，报警器，油嘴控制器分别连接；连接方式可以是无线连接；
所述油套环空动液面测深仪实时获取油套环空液面深度数据，并将所述油套环空液面深度数据实时发送至预警计算装置；
所述压力计实时监测油套环空井口套压并将所述油套环空井口套压实时发送至预警计算装置；
所述流量计实时监测油井产量并将所述油井产量数据实时发送至预警计算装置；
所述预警计算装置内置油井资料基础数据，包括地层岩石静态泊松比数据，上覆岩层压力平均当量密度数据，油层套管固井时钻井液密度数据，实钻地层孔隙压力当量密度数据，油层套管抗外挤强度数据，油管下深数据，油层套管下深数据，油层套管允许抗外挤安全系数数据，原油密度数据，原油动力粘度数据，空气平均密度数据，生产套管内径数据。
所述预警计算装置按照一定时间间隔，重复步骤一～步骤四，实现套管防挤毁实时预警和自动反馈降低油套环空液面深度，确保套管安全：
步骤一：采用以下公式计算井深h处油层套管外压力当量密度曲线ρe(h)
式中：h为井深，单位为m；ρe(h)为井深h处油层套管外压力当量密度，单位为g/cm3；ν(h)为井深h处地层岩石静态泊松比，单位为无量纲；ρr为上覆岩层压力平均当量密度，单位为g/cm3；ρm(h)为井深h处油层套管固井时钻井液密度，单位为g/cm3；ρp(h)为井深h处实钻地层孔隙压力当量密度，单位为g/cm3；max为最大值函数。
步骤二：采用以下公式实时计算生产套管允许掏空深度曲线Ht(h)
式中：Ht(h)为井深h处套管允许掏空深度，单位m；Ho为油管下深，单位为m；Hc为油层套管下深，单位为m；pcw为实时监测的油套环空井口套压，单位为MPa；pc(h)为井深h处油层套管抗外挤强度，单位为MPa；Sc为油层套管允许抗外挤安全系数，单位为无量纲；ρo为原油密度，单位为g/cm3；ρg为空气平均密度，单位为g/cm3；μo为原油动力粘度，单位为Pa·s；Qo为实时测量的油井产量，单位为t/d；Dci为生产套管内径，单位为mm。
步骤三：采用以下公式实时计算套管允许极限掏空深度Htw
Htw＝min[Ht(h)] (0＜h≤Hc) (3)
式中：Htw为全井筒套管允许极限掏空深度，单位为m；min为最小值函数。
步骤四：将套管允许极限掏空深度Htw与实时监测的油套环空液面深度Ha比较，若Ha≥Htw，预警计算装置向报警器发送报警指令，实现套管防挤毁实时预警，同时预警计算装置向油嘴控制器发送油嘴节流指令，油嘴控制器实时降低油井产量，从而降低油套环空液面深度；若Ha＜Htw，则预警计算装置向报警器发送关闭报警指令，同时预警计算装置向油嘴控制器发送停止油嘴节流指令，油嘴控制器停止降低油井产量。
上述步骤中pcw、Qo、Ha各值通过现场测量获取；ν(h)、ρm(h)、ρp(h)、pc(h)、ρr、Ho、Hc、Sc、ρo、ρg、μo、Dci各值可通过查阅油井相关技术资料获取。
实施例一
下面通过一个具体实例说明本发明基于油套环空动液面监测实现油井套管防挤毁预警的过程。
通过查阅油井相关技术资料获取地层岩石静态泊松比分布(图1)、油层套管固井时钻井液密度分布(图2)、实钻地层孔隙压力当量密度分布(图3)、油层套管抗外挤强度分布(图4)、上覆岩层压力平均当量密度为2.45g/cm3|、油管下深为3000m、油层套管下深为7447m、油层套管允许抗外挤安全系数为1.1、原油密度为0.8g/cm3，原油动力粘度数据0.006Pa·s、空气平均密度为1.239×10-3g/cm3、生产套管内径为152.5mm，并将以上数据存储在预警计算装置中；通过油套环空动液面测深仪测得油套环空液面深度为783m，通过压力计测得油套环空井口套压为0.6MPa，通过流量计测得油井产量为25t/d。
预警计算装置执行以下步骤：
步骤一：由式(1)计算油层套管外压力当量密度分布(图5)。
步骤二：由式(2)计算生产套管允许掏空深度分布(图6)
步骤三：由式(3)计算套管允许极限掏空深度781.8m。
步骤四：因为783m＝Ha≥Htw＝781.8m，预警计算装置向报警器发送报警指令、向油嘴控制器发送油嘴节流指令，油嘴控制器实时降低油井产量，从而降低油套环空液面深度。
2min后，预警计算装置重复步骤一～步骤四，此时油套环空液面已恢复到775m，因为775m＝Ha＜Htw＝781.8m，预警计算装置向报警器发送关闭报警指令、向油嘴控制器发送停止油嘴节流指令，油井恢复正常生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，其特征在于，包括油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，预警计算装置，报警器，油嘴控制器；
所述预警计算装置分别与油套环空动液面测深仪，压力计，流量计，报警器，油嘴控制器有线或/和无线连接；
所述油套环空动液面测深仪实时获取油套环空液面深度数据，并将所述油套环空液面深度数据实时发送至预警计算装置；
所述压力计实时获取油套环空井口套压数据并将所述油套环空井口套压数据实时发送至预警计算装置；
所述流量计实时获取油井产量数据并将所述油井产量数据实时发送至预警计算装置；
所述预警计算装置存储油井资料基础数据；
所述预警计算装置按照一定时间间隔，重复执行以下步骤：
步骤一：采用以下公式计算井深h处油层套管外压力当量密度曲线ρe(h)
式中：h为井深，单位为m，ρe(h)为井深h处油层套管外压力当量密度，单位为g/cm3，ν(h)为井深h处地层岩石静态泊松比，单位为无量纲，ρr为上覆岩层压力平均当量密度，单位为g/cm3，ρm(h)为井深h处油层套管固井时钻井液密度，单位为g/cm3，ρp(h)为井深h处实钻地层孔隙压力当量密度，单位为g/cm3，max为最大值函数；
步骤二：采用以下公式实时计算生产套管允许掏空深度曲线Ht(h)
式中：Ht(h)为井深h处套管允许掏空深度，单位m，Ho为油管下深，单位为m，Hc为油层套管下深，单位为m，pcw为实时监测的油套环空井口套压，单位为MPa，pc(h)为井深h处油层套管抗外挤强度，单位为MPa，Sc为油层套管允许抗外挤安全系数，单位为无量纲，ρo为原油密度，单位为g/cm3，ρg为空气平均密度，单位为g/cm3，μo为原油动力粘度，单位为Pa·s，Qo为实时测量的油井产量，单位为t/d，Dci为生产套管内径，单位为mm；
步骤三：采用以下公式实时计算套管允许极限掏空深度Htw
Htw＝min[Ht(h)](0＜h≤Hc)
式中：Htw为全井筒套管允许极限掏空深度，单位为m，min为最小值函数；
步骤四：将套管允许极限掏空深度Htw与实时监测的油套环空液面深度Ha比较，若Ha≥Htw，则预警计算装置向报警器发送报警指令并向油嘴控制器发送油嘴节流指令，油嘴控制器实时降低油井产量，若Ha＜Htw，则预警计算装置向报警器发送关闭报警指令并向油嘴控制器发送停止油嘴节流指令，油嘴控制器停止降低油井产量。
2.如权利要求1所述的一种基于油套环空动液面监测的油井套管防挤毁预警系统，其特征在于，
所述油井资料基础数据包括，地层岩石静态泊松比数据，上覆岩层压力平均当量密度数据，油层套管固井时钻井液密度数据，实钻地层孔隙压力当量密度数据，油层套管抗外挤强度数据，油管下深数据，油层套管下深数据，油层套管允许抗外挤安全系数数据，原油密度数据，原油动力粘度数据，空气平均密度数据，生产套管内径数据。
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