本技術(shù)涉及天然氣井筒安全控制領(lǐng)域，特別是涉及一種控制生產(chǎn)管柱泄漏起壓的優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，天燃?xì)獾南M量不斷增加，促使天然氣的勘探開發(fā)向深部地層進軍。與此同時，天然氣的供應(yīng)和價格受國際局勢影響較大且消費存在季節(jié)性高峰，需要建設(shè)大量地下儲氣庫來保障天然氣的供需平衡。天然氣的生產(chǎn)需要依賴于井筒和生產(chǎn)管柱，生產(chǎn)管柱也叫油管是由金屬油管等通過絲扣連接而成的，作為天然氣從地下到地面產(chǎn)出通道，生產(chǎn)管柱承受了復(fù)雜的載荷和苛刻溫壓條件，部分情況下還伴隨著硫化氫和二氧化碳等腐蝕性氣體，會發(fā)生管壁腐蝕穿孔、應(yīng)力開裂、接箍脫扣和絲扣密封失效等多種形式的泄漏現(xiàn)象，構(gòu)成油套環(huán)空與油管之間的氣液交互通道，進而導(dǎo)致油套環(huán)空壓力上升，形成生產(chǎn)管柱泄漏起壓現(xiàn)象。

2、生產(chǎn)管柱泄漏起壓所帶來的安全隱患極大，尤其是當(dāng)油套環(huán)空壓力超過井筒承壓能力后，安全隱患主要體現(xiàn)在三個方面：第一是井筒安全屏障損壞，油套環(huán)空高壓會造成井口抬升、水泥環(huán)開裂和管柱擠毀等事故；第二是可燃?xì)怏w在環(huán)空中大量聚集，存在泄漏失火的風(fēng)險；第三是環(huán)境污染，天然氣會沿著井筒內(nèi)的泄漏通道進入淺層土壤或地下水中，部分情況下持續(xù)向大氣中釋放甲烷，形成溫室氣體泄漏來源。所以，當(dāng)生產(chǎn)管柱泄漏后，需要采取有效的措施來降低泄漏產(chǎn)生的油套環(huán)空壓力，避免油套環(huán)空壓力超過井筒承壓能力。

3、然而，現(xiàn)有的生產(chǎn)管柱泄漏風(fēng)險管控對大修井作業(yè)依賴程度較高，主要通過更換生產(chǎn)管柱來治理泄漏起壓，作業(yè)成本高昂，且大修過程存在管柱斷裂、儲層污染和井控風(fēng)險，化學(xué)堵漏則面臨著高溫高壓、管壁污染和缺乏承壓屏障的挑戰(zhàn)，難以實現(xiàn)有效封堵。

4、因此，亟需提供一種控制生產(chǎn)管柱泄漏起壓的優(yōu)化設(shè)計方法來解決以上提出的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供了一種控制生產(chǎn)管柱泄漏起壓的優(yōu)化設(shè)計方法，可以在不更換生產(chǎn)管柱、不大修井的前提下降低油套環(huán)空壓力至安全閾值以內(nèi)，從而有效管控生產(chǎn)管柱泄漏起壓現(xiàn)象，避免超過井筒承壓能力，從而降低管控成本和維修周期，實現(xiàn)氣井的持續(xù)高強度生產(chǎn)。

2、第一方面，本技術(shù)提供了一種控制生產(chǎn)管柱泄漏起壓的優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下步驟：

3、步驟1：確定目標(biāo)氣井的油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液體是否發(fā)生漏失；其中，所述油套環(huán)空由油管頭、生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管和封隔器組成；

4、步驟2：若所述目標(biāo)氣井的油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液體沒有發(fā)生漏失，則確定所述生產(chǎn)管柱的泄漏點深度；

5、步驟3：根據(jù)確定所述泄漏點深度情況下，確定油套環(huán)空的壓力最大值隨著環(huán)空液體密度的變化曲線一；

6、步驟4：根據(jù)油管頭、生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管和封隔器的承壓能力，確定油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值隨著環(huán)空液體密度的變化曲線二；

7、步驟5：根據(jù)所述變化曲線一和所述變化曲線二優(yōu)化確定環(huán)空液體密度，以降低油套環(huán)空的壓力至安全閾值以內(nèi)。

8、優(yōu)選的是，所述確定目標(biāo)氣井的油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液體是否發(fā)生漏失，包括：基于生產(chǎn)管柱發(fā)生泄漏的目標(biāo)氣井，通過監(jiān)測油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液面高度來確定環(huán)空液體是否發(fā)生漏失，根據(jù)監(jiān)測特定時間內(nèi)的環(huán)空液面深度最大值與最小值的差值除以井深最大值，定義環(huán)空液面波動幅值；當(dāng)特定時間內(nèi)所述環(huán)空液面波動幅值未超過閾值時，認(rèn)為環(huán)空液體未發(fā)生漏失；當(dāng)特定時間內(nèi)所述環(huán)空液面波動幅值超過閾值時，則認(rèn)為環(huán)空液體發(fā)生漏失。

9、優(yōu)選的是，所述若所述目標(biāo)氣井的油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液體沒有發(fā)生漏失，則確定所述生產(chǎn)管柱的泄漏點深度，包括：

10、步驟2.1：獲取關(guān)井條件下的生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面；

11、步驟2.2：根據(jù)氣柱和液柱壓力，計算確定油套環(huán)空內(nèi)壓力剖面；

12、步驟2.3：基于所述生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面和所述油套環(huán)空內(nèi)壓力剖面的壓力差為泄漏的驅(qū)動力，分析確定油套環(huán)空壓力最大值隨泄漏點深度的變化規(guī)律，得到變化曲線三；

13、步驟2.4：根據(jù)關(guān)井條件下計算的所述油套環(huán)空壓力，所述變化曲線三上該壓力值所對應(yīng)的泄漏點深度，即為所述生產(chǎn)管柱的泄漏點深度。

14、優(yōu)選的是，所述步驟2.1：獲取關(guān)井條件下的生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面，包括：關(guān)閉目標(biāo)氣井的井口，記錄對應(yīng)的油套環(huán)空壓力和井口油壓，然后在井內(nèi)下入壓力計獲取所述生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面；

15、或者，對生產(chǎn)管柱進行分段，根據(jù)壓力和溫度，計算分段內(nèi)氣體密度，然后計算相應(yīng)深度的生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力。

16、優(yōu)選的是，所述對生產(chǎn)管柱進行分段，根據(jù)壓力和溫度，計算分段內(nèi)氣體密度，然后計算相應(yīng)深度的生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力，包括：

17、根據(jù)氣體的pvt方程，得到氣體密度，所述氣體密度可以通過如下公式進行描述：

18、

19、式中，ρgi為第i分段的氣體密度，g/cm3；pti為第i分段的生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力，mpa；ps為標(biāo)況壓力，pa；ts為標(biāo)況溫度，k；tti為第i分段的生產(chǎn)管柱內(nèi)溫度，即地層溫度，k；ρgs為氣體標(biāo)況密度，g/cm3；i為分段編號，無因次，i＝1，2，3....；

20、計算第i分段的生產(chǎn)管柱內(nèi)溫度，即地層溫度，通過如下公式表示為：

21、tti＝tt0+ge×i×hf???(4)

22、式中，tt0為井口，k；ge為地溫梯度，k/100m；hf為分段長度，m；

23、根據(jù)所述氣體密度計算相應(yīng)分段深度的生產(chǎn)管柱內(nèi)的壓力，如公式所示：

24、pti+1＝pti+10-3×ρgi×g×hf??(5)

25、式中，pti+1為第i+1分段的生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力，mpa；g為重力加速度，m/s2；根據(jù)上述步驟，自井口依次計算到井底，得到相應(yīng)深度的所述生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力。

26、優(yōu)選的是，所述步驟2.2：根據(jù)氣柱和液柱壓力，計算所述油套環(huán)空內(nèi)壓力剖面，包括：計算油套環(huán)空內(nèi)的氣體密度，因油套環(huán)空內(nèi)氣柱的長度較短，因此不再考慮地層溫度對氣體密度的影響，所述油套環(huán)空內(nèi)的氣體密度通過如下公式進行表示：

27、

28、式中，ρga為油套環(huán)空內(nèi)的氣體密度，g/cm3；tta為油套環(huán)空的井口溫度，k；

29、根據(jù)位于油套環(huán)空液面以上的油套環(huán)空壓力剖面，僅與環(huán)空氣柱相關(guān)，位于環(huán)空液面以下的油套環(huán)空壓力剖面同時受到氣柱和液柱壓力的影響，分別計算油套環(huán)空壓力剖面，其中，計算該剖面時，預(yù)設(shè)所述油套環(huán)空壓力等于零，通過如下公式進行表示：

30、

31、式中，hta為油套環(huán)空深度，m；pta為深度hta的油套環(huán)空壓力剖面數(shù)值，mpa；ρga為油套環(huán)空內(nèi)的氣體密度，g/cm3，ρl為油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液體密度，g/cm3；pa油套環(huán)空壓力，mpa。

32、優(yōu)選的是，所述步驟2.3：基于所述生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面和所述油套環(huán)空內(nèi)壓力剖面的壓力差為泄漏的驅(qū)動力，分析確定油套環(huán)空壓力最大值隨泄漏點深度的變化規(guī)律，得到變化曲線三，包括：根據(jù)泄漏的驅(qū)動力來自于泄漏點兩側(cè)的壓力差，泄漏點內(nèi)側(cè)的壓力取決于泄漏點所在深度處的所述生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面，泄漏點外測壓力取決于泄漏點所在深度處所述油套環(huán)空壓力剖面，通過如下公式進行表示：

33、

34、式中，pln表示泄漏點內(nèi)側(cè)壓力，mpa；plw表示泄漏點外側(cè)壓力，mpa；h為井深，m；hl為泄漏點所在的井深，m；ptl為泄漏點所在深度處的生產(chǎn)管柱內(nèi)壓力剖面對應(yīng)的壓力值，mpa；ptal為泄漏點所在深度處的油套環(huán)空壓力剖面對應(yīng)的壓力值，mpa；

35、生產(chǎn)管柱泄漏后，生產(chǎn)管柱、泄漏點和油套環(huán)空形成u型管，根據(jù)u型管原理，當(dāng)油套環(huán)空壓力達到最大值時，泄漏點內(nèi)側(cè)與外側(cè)的壓力相等，確定不同深度泄漏點所對應(yīng)的油套環(huán)空壓力最大值，通過如下公式進行表示；

36、panmax＝pln-plw|h＝hl???(9)

37、式中，panmax為油套環(huán)空壓力最大值，mpa；

38、根據(jù)目標(biāo)氣井的井口至封隔器深度，變換泄漏點深度，根據(jù)油套環(huán)空壓力最大值隨著泄漏點深度的變化規(guī)律，得到變化曲線三。

39、優(yōu)選的是，所述步驟3：根據(jù)確定所述泄漏點深度情況下，確定油套環(huán)空的壓力最大值隨著環(huán)空液體密度的變化曲線一，包括：當(dāng)泄漏點深度位于環(huán)空液面以下時，泄漏點外側(cè)的壓力受到環(huán)空液柱壓力的影響，環(huán)空液柱的壓力則與環(huán)空液體的密度相關(guān)；

40、根據(jù)已知的泄漏點深度，建立泄漏起壓所導(dǎo)致的環(huán)空壓力最大值與環(huán)空液體密度之間的關(guān)系，通過如下公式進行表示：

41、pamaxl＝plnl-10-3×[(ρga×g×hmax)+ρl×g×(hld-hmax)]???(11)

42、式中，panmaxl為確定氣井實際泄漏點所在的深度條件下的油套環(huán)空壓力最大值，mpa，ρga為油套環(huán)空內(nèi)的氣體密度，g/cm3，ρl為油套環(huán)空內(nèi)的環(huán)空液體密度，g/cm3；plnl為已知泄漏點深度為hl情況下的，泄漏點內(nèi)側(cè)壓力，mpa；根據(jù)變換所述環(huán)空液體的密度，獲取油套環(huán)空的壓力最大值隨著環(huán)空液體密度的變化曲線一。

43、優(yōu)選的是，所述步驟4：根據(jù)油管頭、生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管和封隔器的承壓能力，確定油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值隨著環(huán)空液體密度的變化曲線二，包括：基于所述油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值需要保證油管頭、生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管和封隔器的承壓能力，分別計算油管頭、生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管和封隔器的承壓能力以確定所述油套環(huán)空壓力控制范圍最大值；其中，所述油管頭所決定的油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值為其額定耐壓能力的80％，通過如下公式進行表示：

44、p1＝0.8×p額???(12)

45、式中，p1為油管頭所決定的油套環(huán)空壓力控制范圍最大值，mpa；p額為油管頭額定耐壓能力，mpa；

46、所述生產(chǎn)管柱所決定的油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值為開井生產(chǎn)及關(guān)井工況下的生產(chǎn)管柱的抗外擠強度，通過如下公式進行表示：

47、

48、式中，p2為生產(chǎn)管柱所決定的油套環(huán)空壓力控制范圍最大值，mpa；p擠為氣井內(nèi)生產(chǎn)管柱的最小抗外擠強度，mpa；s2為抗外擠安全系數(shù)，無因次；pt2為生產(chǎn)管柱最小抗外擠強度所在深度對應(yīng)的油管柱內(nèi)壓力，mpa；h2為生產(chǎn)管柱最小抗外擠強度所在深度，m；

49、所述生產(chǎn)套管所決定的油套環(huán)空壓力的控制范圍最大值為所述生產(chǎn)套管的抗內(nèi)壓強度，通過如下公式進行表示：

50、

51、式中，p3為生產(chǎn)套管所決定的油套環(huán)空壓力控制范圍最大值，mpa；p內(nèi)為生產(chǎn)套管的最小抗內(nèi)壓強度，mpa；s3為生產(chǎn)套管的抗內(nèi)壓安全系數(shù)，無因次；pb為b環(huán)空帶壓值，mpa；ρb為b環(huán)空的等效鹽水密度，g/cm3；h3為生產(chǎn)套管的最小抗內(nèi)壓強度所在深度，m；

52、所述封隔器所決定的油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值為所述封隔器坐封壓力的限制，通過如下公式進行表示；

53、p4＝p封+p下-10-3ρlgh4???(15)

54、式中，p4為封隔器所決定的油套環(huán)空壓力控制范圍最大值，mpa；p封為封隔器坐封工作壓差，mpa；p下為封隔器下端壓力，mpa；h4為環(huán)空保護液液面到封隔器深度，m；

55、根據(jù)油管頭、生產(chǎn)管柱、生產(chǎn)套管和封隔器所決定的油套環(huán)空壓力控制范圍最大值中的最小值得到所述油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值，通過如下公式進行表示；

56、δpaa＝min(p1，p2，p3，p4)???(16)

57、式中，△paa為油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值，mpa；

58、根據(jù)變換所述環(huán)空液體密度，得到油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值隨環(huán)空液體密度的變化曲線二。

59、優(yōu)選的是，所述步驟5：根據(jù)所述變化曲線一和所述變化曲線二優(yōu)化確定環(huán)空液體密度，以降低油套環(huán)空的壓力至安全閾值以內(nèi)，包括：在同一坐標(biāo)內(nèi)繪制所述油套環(huán)空的壓力最大值隨著所述環(huán)空液體密度的變化曲線一、所述油套環(huán)空的壓力控制范圍最大值隨所述環(huán)空液體密度的變化曲線二；

60、當(dāng)油套環(huán)空壓力小于油套環(huán)空力控制范圍時，所對應(yīng)的所述環(huán)空液體密度即為所需的優(yōu)化后的環(huán)空液體密度值；

61、當(dāng)該密度值不存在或過大時，則提高環(huán)空液面深度，然后重復(fù)上述步驟2到步驟5，重新確定所述環(huán)空液體密度。

62、本技術(shù)至少具有以下優(yōu)點：

63、(1)在不動生產(chǎn)管柱免大修的前提下有效管控生產(chǎn)管柱泄漏起壓現(xiàn)象，避免超過井筒承壓能力，從而降低管控成本和維修周期，實現(xiàn)氣井的持續(xù)高強度生產(chǎn)；

64、(2)不需要采用額外的裝置，不需要上提生產(chǎn)管柱進行大修，成本低、效果持續(xù)時間長，環(huán)空壓力不會反復(fù)上升；

65、(3)應(yīng)用范圍廣，適用于儲氣庫注采井、高壓氣井。