套管放气油井环空多相流动计算方法研究

为了研究套管放气油井环空多相流的流动形式,以泰勒气泡在粘滞流体中的上升流速作为主要依据,建立不同原油粘度下套管环空放气流动的截面含气体积分数计算模型和压降计算模型。模型适用于泡状流和段塞流,不适用于过渡流、环空流和雾状流。据计算模型编制了套管放气井环空流动计算软件,用该计算软件计算输出环空压力分布,将计算得到的参考点压力与实测的参考点压力对比40井次。结果表明,建立的计算模型正确、可靠,可为套管环空放气工艺提供多相流计算手段,也可为套管环空压降计算、压力估算和沉没度估算提供依据。     

油套环空带压气井漏点位置放压诊断研究

高压含硫气井中天然气通过完井管柱渗入油套环空的情况较常见,环空压力超过额定承压能力时,气井将面临较大泄漏风险。漏点位置是适当控制油套环空压力、制定处理措施的重要参考数据。下入漏点检测仪器可确定漏点位置,但是影响生产,费用高,目前应用较少,因此有必要研究漏点位置地面放压诊断方法。基于多相流原理,首先研究了油套环空带压的原因与过程,提出了3类带压原因及其特点,5个气体窜入环空的过程与带压特征,然后针对完井管柱渗漏引起的油套环空带压,依据长时间渗漏后达到压力平衡的原理,建立起压力平衡模型,在此基础上依托多相流计算形成漏点位置计算方法。将油套环空放压测试与漏点位置计算方法相结合,进一步形成漏点位置放压诊断方法,并开展现场应用,确定了漏点大致位置,对油套环空带压气井的生产管理提出了有效建议。形成的漏点位置放压诊断方法为简便有效地粗略确定漏点位置提供了途径,对气井的生产管理和措施制定具有重要作用。     

非环状流气井两相流机理模型

针对目前气井两相流模型难以正确预测非环状流气井井筒压降和微观流动参数的问题,建立了非环状流气井两相流机理模型.首先基于液滴受力平衡和液膜桥接原理,提出了气井非环状流流型判别方法;其次根据非环状流中泰勒泡和液塞交替上升的流动特征,建立了单元体压降模型,封闭关系式中泰勒泡上升速度基于漂移模型得到,液塞含气率由Schmidt实验数据得到.38口非环状流气井数据评价表明,非环状流模型预测压降的相对误差仅为-1.464％.该模型能够精细描述非环状流气井多个微观参数,且计算简单.     

高温高压井套管多环空压力体积耦合分析

生产过程中,高温高压井套管环空温度上升,加热密闭环空液体,导致套管外载增大,威胁套管的安全。鉴于此,考虑多个套管环空压力体积耦合效应,基于Lame厚壁筒公式,建立了内外压作用下套管径向位移方程,分析了不同温差下套管径向热膨胀、套管径向压缩、环空流体热膨胀和环空流体压缩引起的环空体积变化量;依据PVT状态方程,建立了多环空的压力体积耦合计算模型,分析了典型高温高压井B、C密闭环空的压力。计算结果表明,随着温度的升高,B环空受热膨胀,引起C环空体积减小、压力升高;环空温度每升高10℃,B环空的压力上升5.3 MPa,C环空的压力上升5.7 MPa,与试验测量数据4.9 MPa较接近;随着温度升高,C环空压力增幅明显大于B环空。研究结果可以为套管环空压力管理提供依据,确保生产过程中井筒完整性。     

储气井充放气过程安全分析

按储气井的结构,在轴向建立储气井充放气模型,结合充放气时储气井井口压力、流量与时间的关系,运用ANSYS程序中的FLOTRANCFD分析储气井充放气过程;求得充放气过程中井下各深度的压力随时间变化情况,得到了储气井轴向动态的受力情况;运用弹性力学中圆筒受均布压力的理论建立了平面的套管一水泥环一地层的组合模型,用ANSYS分析不同压力下储气井套管、水泥环及地层的受力情况。对储气井充放气过程中的井下工况分析,可为储气井的实际工程设计和安全评估提供有益的参考。     

套管封固段变形对高温高压井环空圈闭压力影响规律

高温高压井在钻井及生产过程中，由于密闭环空流体受热膨胀产生的环空圈闭压力严重影响着气井的安全，环空圈闭压力大小与密闭环空体积变化密切相关。为研究套管封固段变形对环空圈闭压力的影响，根据弹性变形理论，在建立套管— 水泥环—地层协调变形模型的基础上，综合考虑环空流体参数、套管变形等因素，建立了多管柱环空圈闭压力计算模型，结合实际案例分析了套管变形对环空圈闭压力的影响规律。研究表明考虑套管封固段变形预测的环空圈闭压力值较不考虑该因素时降低约13%，且与现场实测值更接近。该研究对于指导高温高压井的套管柱设计及安全生产有重要的现实意义。     

页岩气田套管环空带压原因及保护对策

随着页岩气田的生产和开发力度加大,压裂及投产中的气井相继出现了页岩气井表层套管、技术套管环空带压现象。套管环空带压一方面增大气井管理难度,另一方面也存在一定安全风险。针对页岩气田气井套管环空带压的现状,从气井套管环空带压时间、套管环空带压机理、气井的固井质量对套管环空带压的影响、气井在生产过程中套管环空压力的变化情况等方面开展理论研究,并根据现场实际情况对套管环空压力变化特征进行分析,为日后页岩气井安全生产提供参考依据。     

高含硫高产气井环空带压安全评价研究

针对部分油气井环空带压的现状, 调研了国内外油气井环空带压的大小及分布, 发现大约有 ５ ０ ％环空带压是发生在生产套管和油管间的环空。为此, 研究了造成环空带压的原因, 认为作业施加的环空压力, 受温度、 压力变化使环空和流体膨胀引起的环空压力以及由于油气从地层经水泥封固井段和环空液柱向上窜流引起的环空压力, 是造成环空带压的主要原因。借鉴国际上知名油公司环空带压安全评价方法, 建立了高含硫高产气井环空允许最大带压值的计算方法, 结合某高产气井的实际井身结构（ 完钻井深为 ５２ ０ ０ｍ , 产层压力为 ７ ２ ． ８ＭＰ ａ ）井下管串组合、 实测的环空带压值, 对比计算了允许的环空带压值, 并评价了该井的安全状况, 评价结果表明, 虽然该井出现较高的环空带压情况, 但还可以正常开采。所建立的高含硫高产气井环空允许最大带压值的计算方法, 为高含硫高产气井环空带压安全评价奠定了基础。     

页岩气水平井套管偏心条件下注水泥全过程压力动态预测

某油田二叠系山西组页岩气水平井注水泥过程中易出现漏失和溢流等复杂问题,严重影响固井质量,现有套管居中条件下井筒压力计算方法难以满足井筒压力精确计算要求。亟需建立一套考虑实际井下工况的注水泥全过程井筒压力计算模型来准确预测、实时评价井筒压力分布特征,以确保固井安全与提高固井质量。考虑套管偏心工况下注水泥过程中多种流体注入对井筒静压和循环摩阻的影响,引入偏心环空摩阻压降修正系数,建立了考虑套管偏心条件下注水泥环空流动计算模型,结合计算A井套管偏心数据,分析了套管偏心对环空压力的影响。结果表明,套管偏心条件下环空摩阻压降比同心环空降低了22.7%～33.42%,套管偏心条件下压力计算模型的预测值与实际泵压吻合度高,计算误差在1.37%以内,采用该计算方法确保了注水泥施工过程中的压稳不漏原则。验证了建立的注水泥全过程压力预测模型与计算方法的准确性,成果对低压易漏地层固井施工具有重要指导意义,避免了井下复杂情况发生,确保固井施工安全。     

海上高含气井新型井下气液分离器设计及性能评价北大核心CSCD

为了解决海上油田高含气井电泵举升效率低、检泵周期短等难题,设计了一种适用于高含气井的新型井下气液分离器。采用多相流实验方法,分析了新型井下气液分离器在不同运行分流比、入口含气率、旋流离心加速度及倾角条件下的分离性能,并对其分离效率进行了评价。研究结果表明,在合理的运行分流比、高入口含气率、低旋流离心加速度、低倾角等条件下,新型气液分离器具有较高的分离效率,分离性能曲线形态呈现"半交叉X形状";验证了新型气液分离器具有较宽的自适应入口含气率变化能力。本文所设计的新型井下气液分离器可为海上高含气井电泵井的平稳运行提供有效的解决思路。     

迭代法计算油气井密闭环空压力

在充分考虑压力和体积耦合变化的基础上,建立了计算密闭环空压力的数学模型,并简要阐述了用迭代法计算环空压力的思路。以文献1中的实例为例,计算了环空温度变化所引起的环空压力增加值。计算表明,同文献1的结果比较,用迭代法计算的环空压力平均小大约10%。文章方法对高温高压井井身结构设计、套管强度设计有一定的指导作用。     

深水井筒环空圈闭压力单向控制机理

深水油气井水下完井技术条件下,多级中间套管的环空圈闭压力是影响深水井筒完整性的关键因素之一。为有效控制油气生产或测试过程中圈闭压力对井筒安全性的威胁,开发了一种深水井筒环空圈闭压力单向控制技术。以南海深水油气典型井的井身结构为设计依据,研究了深水井筒生产测试过程的圈闭空间压力单向释放与控制工艺技术方法;构建了单向控制技术的室内实验模拟系统,实验模拟了井筒产出热流体对圈闭空间内圈闭液体温度、压力的影响。基于所设计的环空圈闭压力单向控制的方法,研制了一套压力单向控制的套管短节工具,并对压力单向控制套管短节工具的原理样机进行了室内模拟实验。实验结果表明,圈闭压力单向控制的方法可有效降低圈闭热应力异常升高而导致的套管变形、井口密封破坏等井筒安全事故的发生。圈闭空间的单向控制技术可有效保护深水井筒完整性,同时为深水圈闭压力的控制提供了安全方法。     

Experimental Investigation of Second Interface Cement Bond Evaluation

Cement bond model wells (1:10 scaled-down) were made with a gradually degrading cement annulus for cement bond evaluation of the first interface (between the casing and the cement annulus) and the second interface (between the cement annulus and the formation). Experimental simulation on cement bond logging was carried out with these model wells. The correlation of acoustic waveforms, casing wave energy and free casing area before and after cement bonding of the second interface was established. The experimental results showed that the arrival of the casing waves had no relationship with the cement bonding of the second interface, but the amplitude of the casing head wave decreased obviously after the second interface was bonded. So, cement bonding of the second interface had little effect on the evaluation of the cement bond quality of the first interface by using casing head wave arrivals. Strong cement annulus waves with early arrivals were observed before the second interface was bonded, while obvious "formation waves" instead of cement annulus waves were observed after the second interface was bonded.     

排水采气井油管和环空两相流压降优化模型

根据川西南威远气田大水量气井现场测试数据,建立了举升油管和油套环空气液两相流压降优化模型.将油管内的持液率模化为气相、液相无因次速度和液相无因次粘度的函数;环空流动的持液率模化为气相与液相折算速度、密度和粘度三个相对量的函数.以最小计算压降与实测值的平均绝对误差作为目标函数,优化持液率关系式的参数值和管壁粗糙度修正系数.经综合评价表明,对于大水量气井条件下,新模型的计算结果与现场数据十分吻合,其性能明显优于所比较的5个常用经验相关式.文中还对此模型进行了水气比敏感性分析.     

Calculation analysis of sustained casing pressure in gas wells

Sustained casing pressure (SCP) in gas wells brings a serious threat to worker safety and environmental protection. According to geological conditions, wellbore structure and cement data of gas wells in the Sichuan-Chongqing region, China, the position, time, environmental condition and the value of SCP have been analyzed. On this basis, the shape of the pressure bleed-down plot and pressure buildup plot were diagnosed and the mechanism of SCP has been clarified. Based on generalized annular Darcy percolation theory and gas-liquid two-phase fluid dynamics theory, a coupled mathematical model of gas migration in a cemented annulus with a mud column above the cement has been developed. The volume of gas migrated in the annulus and the value of SCP changing with time in a gas well in Sichuan have been calculated by this model. Calculation results coincided well with the actual field data, which provide some reference for the following security evaluation and solution measures of SCP.     

气井A环空压力恢复与泄压实验

国内外多个气田生产气井出现了不同程度的环空带压现象,尤以A环空最为严重,严重影响气井正常生产。针对气井A环空带压开展了压力恢复与泄压实验测试,分析了采气过程中不同初始气窜流量和气顶体积对稳定后的环空压力值及环空压力恢复时间的影响规律。研究结果表明,稳定后的环空压力值随气顶体积增加而增大,且环空压力恢复时间也随之增长;而初始气窜流量对稳定后的环空压力值影响甚微,但气窜流量的增加会减小环空压力恢复时间;泄压时长与泄压前的气体总量和环空压力有关,气体总量越大或环空压力越小,泄压时长越长。基于量纲分析理论,利用数学优化软件1stOpt（First Optimization）拟合了环空压力恢复时间与初始气窜流量、气顶高度、油管外径、液体密度等参数的经验公式,为实际气井A环空带压管理与控制提供参考。     

赫-巴流体在偏心环空中的波动压力计算模型

在窄环空间隙中下套管、小井眼钻进、深水钻进和大位移井钻进等作业中,精确的波动压力计算模型是准确预测井底压力的前提。以往利用CFD软件模拟赫-巴流体在偏心环空中流动的波动压力计算方法不仅对计算机性能要求高,而且时间成本高,导致现场应用受限。用窄槽流动模型模拟偏心环空建立了流体流动的物理模型,在稳态层流条件下,结合流体流动的控制方程和赫-巴流体的流变方程,建立了波动压力数学模型和基于自适应辛普森积分与黄金分割理论的数值求解方法,利用室内试验结果对模型的合理性进行了对比验证。结果表明：建立的赫-巴流体在偏心环空中的波动压力数学模型结果准确;采用的数值求解方法精度高、速度快,与室内试验数据对比误差在10% 以内,满足现场精度需求;分析了波动压力的影响因素,在管柱处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50%左右,在窄环空间隙中作业时,应严格限制起下钻的速度。     

海洋深水高温高压气井环空带压管理

中国南海高温高压油气藏开发过程中,井筒环空带压问题突出,一旦超过允许值将会影响安全生产。为了保证气井的正常生产,需要确定环空压力的合理范围,为此基于ISO 16530-1:2017标准和API RP 90-2的推荐做法,研究并建立了考虑管柱承压能力和关键节点校核的深水高温高压气井环空带压控制值计算模型以及一套环空压力管理图版。研究结果表明:(1)管柱承压能力计算主要针对环空对应的油管和套管;(2)关键节点校核计算主要针对井口装置、封隔器、井下安全阀和尾管悬挂器等;(3)建立了环空最小预留压力计算模型,以确保对深水高地层压力或井底高流压气井的环空施加一定的备压,保证井下管柱和工具在合理环空压力范围内正常工作;(4)以某深水气井为实例进行了计算与分析,得到了考虑和不考虑壁厚减薄情况下随投产时间变化的各环空带压控制值。结论认为,所建立的模型及图版应用于海上深水高温高压气井,使用简便、可操作性强,可以为深水高温高压气井及类似井的井筒环空压力管理提供借鉴。     

均匀地应力下套管壁厚对储气井井筒受力的影响

基于储气井结构满足弹塑性力学中厚壁圆筒理论,建立了套管-水泥环-地层耦合模型,并用ANSYS软件分析不同壁厚套管对井筒径向应力和环向应力的影响,对储气井套管的正确选择以及防止储气井失效有指导意义。