油井环空气液界面测定方法及装置与流程

本发明涉及石油开采技术领域，尤其适应高温高压井气液界面的测定的一种油井环空气液界面的测定方法及装置。

背景技术：

目前油套环空液面监测方法主要方法包括回声法、浮筒法、压力计测试法和示功图法等。回声法原理是在井口利用药弹爆炸发声或高压气瓶作为声源，产生的振动波沿油管、套管内的环行空间向下传播，遇到液面产生反射波，利用井口微音器接收反射波并计算液面的深度。浮筒法利用浮筒探测液面工艺受到浮筒重量和浮筒体积的限制，一般只能在油套环形空间没有压力的环空井和敞开井口的作业井使用。压力计探测油井井下液面方法与测压方法基本相同，由压力梯度突变值确定气液界面，但是存在施工复杂、测试周期长的弊病。而示功图法利用连通器原理，该方法操作简单、成本低，但存在后期数据处理难度大、误差较大。采用注空气的方法存在安全隐患，需要针对具体油井情况选择性采用。

目前有众多的稠油热采井，这种井一般环空都是高温高压，温度在200℃以上，环空压力高达10mpa左右，常规液面监测方法从操作安全性、施工难度、施工成本、测试精度方面都难以达到要求。因此有必要提出适应能力更强的油井环空气液界面方法。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种测定油井环空气液界面的方法及装置，以便于简化施工，同时适合环空高温高压井，不受环空介质干扰的完成油井环空气液界面的测定及监测。

为达上述目的，本发明所提供的油井环空气液界面测定方法，具体包含：向油井环空内注入氮气，并监测所述油井环空内气体压力变化数据；根据所述气体压力变化数据及注入氮气的体积通过气体状态方程计算获得环空体积数据；根据油井的管柱参数及所述环空体积数据计算获得油井环空内气液界面的位置高度。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，向油井环空内注入氮气，并监测所述油井环空内气体压力变化数据包含：通过氮气瓶向所述油井内注入氮气并通过电子压力计监测所述油井环空内气体压力变化数据。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，所述注入氮气的体积通过以下公式计算获得：p0×v0＝p1×v；p0×v0＝n0r0t0；p1×v＝n0r0t0；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；n0为注入氮气的气体的摩尔数；r0为空压机进入气体的状态常数；v1为注氮气前环空中体积；t0为空压机进入气体的绝对温度；v为注入氮气的体积。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，所述注入氮气的体积通过以下公式计算获得：

p1×(v1+v)＝p2×v1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；v为注入氮气的体积。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，所述注氮气前环空中气体的压力和所述注氮气后环空中气体的压力通过以下公式计算获得：

p1×(v1+v)＝n1r1t1；p2×v1＝n1r1t1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；n1为注入后环空中总的气体的摩尔数；r1为环空中气体的状态常数；t1为环空中气体的绝对温度。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，所述根据油井的管柱参数及所述环空体积数据计算获得油井环空内气液界面的位置高度包含：通过以下公式计算获得油井环空内气液界面的位置高度：

上式中，h为油井环空内气液界面的位置高度；φ1为油井的管柱内径；φ2为油井的管柱外径；v1为注氮气前环空中体积。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，监测所述油井环空内气体压力变化数据之后还包含：通过线性公式判断油井环空内注入的氮气量与油井环空内气体压力是否成线性关系；当满足线性公式时，根据所述气体压力变化数据及注入氮气的体积通过气体状态方程计算获得环空体积数据；

所述线性公式包含：

在上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；v1为注氮气前环空中体积。

本发明还提供一种油井环空气液界面测定装置，所述装置包含氮气瓶、电子压力计和计算模块；所述氮气瓶用于向油井环空内注入氮气；所述电子压力计用于监测所述油井环空内气体压力变化数据；所述计算模块用于根据所述气体压力变化数据及注入氮气的体积通过气体状态方程计算获得环空体积数据；以及根据油井的管柱参数及所述环空体积数据计算获得油井环空内气液界面的位置高度。

在上述油井环空气液界面测定装置中，优选的，所述计算模块包含计量单元，所述计量单元用于通过以下公式计算获得注入氮气的体积：p0×v0＝p1×v；p0×v0＝n0r0t0；p1×v＝n0r0t0；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；n0为注入氮气的气体的摩尔数；r0为空压机进入气体的状态常数；v1为注氮气前环空中体积；t0为空压机进入气体的绝对温度；v为注入氮气的体积。

在上述油井环空气液界面测定装置中，优选的，所述计算模块包含检测单元，所述检测单元用于通过以下公式计算获得注入氮气的体积：

p1×(v1+v)＝p2×v1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；v为注入氮气的体积。

在上述油井环空气液界面测定装置中，优选的，所述检测单元还用于通过以下公式计算获得注氮气前环空中气体的压力和所述注氮气后环空中气体的压力：

p1×(v1+v)＝n1r1t1；p2×v1＝n1r1t1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；n1为注入后环空中总的气体的摩尔数；r1为环空中气体的状态常数；t1为环空中气体的绝对温度。

在上述油井环空气液界面测定装置中，优选的，所述计算模块还包含：通过以下公式计算获得油井环空内气液界面的位置高度：

上式中，h为油井环空内气液界面的位置高度；φ1为油井的管柱内径；φ2为油井的管柱外径；v1为注氮气前环空中体积。

在上述油井环空气液界面测定装置中，优选的，所述装置还包含校准模块，所述校准模块用于通过线性公式判断油井环空内注入的氮气量与油井环空内气体压力是否成线性关系；当满足线性公式时，将所述气体压力变化数据及注入氮气的体积交由所述计算模块计算获得环空体积数据；

所述线性公式包含：

在上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；v1为注氮气前环空中体积。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明所提供的油井环空气液界面测定方法及装置采用氮气快速注入、高速电子压力计采样，利用气体状态方程对排量压力特征曲线上的数据进行分析获得动液面数据，具有施工简单、快速、不受环空介质干扰以及适合环空高温高压井监测的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明所提供的油井环空气液界面测定方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例所提供的环空排量压力随时间变化情况示意图；

图3为本发明一实施例所提供的油井环空积液情况示意图；

图4为本发明一实施例所提供的环空气体压缩示意图；

图5为本发明所提供的油井环空气液界面测定装置的结构示意图；

图6为本发明一实施例所提供的油井环空气液界面测定装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1所示，本发明所提供的油井环空气液界面测定方法，具体包含：s101向油井环空内注入氮气，并监测所述油井环空内气体压力变化数据；s102根据所述气体压力变化数据及注入氮气的体积通过气体状态方程计算获得环空体积数据；s103根据油井的管柱参数及所述环空体积数据计算获得油井环空内气液界面的位置高度。在该实施例中，其理论基础来源于气体状态方程，考虑短时间监测过程，将环空气体视为理想气体；具体的，在实际工作中，可采用氮气瓶(加装有流量计)向环空瞬间注入氮气，氮气瓶内部压力比较高，可以满足不同级别油井的测试要求；由于氮气的注入，环空气体压力会瞬时升高，采用高速电子压力计连续监测环空气体压力。由于环空液面高度是会变随气体压力的变化而变化的，也就是说，气体压力的变化与环空液面高度的变化相互影响，环空的压力、排量和液面高度之间会形成一种平衡状态，如图2所示；由此，通过采用了快速注入以及高速压力计采样，这样就可以准确获得液面在未的发生移动时的气体状态量，也就是监测到的压力与注入气体量在环空液面未发生变化之前具有的线性关系；当具备线性关系时，则可在其线性变化阶段，通过气体状态方程进行计算，可得出环空体积大小；然后再根据隔热管或油管的外径和套管的内径，计算出环空气液界面位置高度；该方法具有施工简单、快速、不受环空介质干扰以及适合环空高温高压井监测的特点。

在上述实施例中，所述注入氮气的体积可通过以下公式计算获得：p0×v0＝p1×v；p0×v0＝n0r0t0；p1×v＝n0r0t0；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；n0为注入氮气的气体的摩尔数；r0为空压机进入气体的状态常数；v1为注氮气前环空中体积；t0为空压机进入气体的绝对温度；v为注入氮气的体积。

当然，如位置氮气瓶的相关数据，也可通过以下公式计算获得所述注入氮气的体积：

p1×(v1+v)＝p2×v1；

在上述实施例中，所述注氮气前环空中气体的压力和所述注氮气后环空中气体的压力可通过以下公式计算获得：

p1×(v1+v)＝n1r1t1；p2×v1＝n1r1t1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；n1为注入后环空中总的气体的摩尔数；r1为环空中气体的状态常数；t1为环空中气体的绝对温度；v为注入氮气的体积。

在上述油井环空气液界面测定方法中，优选的，所述根据油井的管柱参数及所述环空体积数据计算获得油井环空内气液界面的位置高度包含：通过以下公式计算获得油井环空内气液界面的位置高度：

上式中，h为油井环空内气液界面的位置高度；φ1为油井的管柱内径；φ2为油井的管柱外径；v1为注氮气前环空中体积。

为保证所述油井环空气液界面测定的准确性，在计算所述环空体积之前还应对油井环空内注入的氮气量与油井环空内气体压力是否成线性关系进行验证，为此，在本发明一实施例中，可通过线性公式判断油井环空内注入的氮气量与油井环空内气体压力是否成线性关系；当满足线性公式时，根据所述气体压力变化数据及注入氮气的体积通过气体状态方程计算获得环空体积数据；

其中，所述线性公式包含：

在上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；v1为注氮气前环空中体积。

为便于更清楚的理解本发明所提供的上述实施例，以下将整体对上述计算方法做详细说明，请参考图3所示，环空中上部分是空气，下部分是液体(油或水)，只要知道上部分气体的体积，经过计算就可以得到气液面的深度位置。

为此，请参考图4所示，上述部分气体体积计算方法如下：

步骤一：

向环空注入氮气前，假定上部分环空体积为v1，压力为p1(可根据井口压力表得知)；通过打开氮气瓶向环空瞬间注入氮气，同时利用高速电子压力计进行环空气体压力监测；假定注入体积折算到注入前环空压力状态时的体积为v，由于温度变化不大，将注入氮气的过程视为气体压缩的等温变化过程，见图2。

状态一：

p1×(v1+v)＝n1r1t1；(1)

状态二：

p2×v1＝n1r1t1；(2)

根据气体等温状态方程：

p1×(v1+v)＝p2×v1；(3)

上式中：p1—注氮气前环空中气体的压力，mpa；p2—注氮气后环空中气体的压力，mpa；v1—注氮气前环空中体积，m³；v—注入氮气的体积(折算至注前状态)，m³(折算方法详见步骤三)；n1—注入后环空中总的气体的摩尔数，mol；r1—环空中气体的状态常数，无因次；t1—环空中气体的绝对温度，k。

从以上的结论可以看出，p1、v、p2是已知量，都是现场实际测试值，其中p2由高速电子压力计监测得出，具体取值方法见步骤四。因此可以简易得到注入前环空中气体体积v1的大小。

步骤二：

关于井筒积液深度计算方法，则可根据井筒结构，折算出气液位置，具体折算公式为：

上式中：h—环空气液位置深度(从井口到液面)，m；φ1—套管内径，mm；φ2—隔热管或油管外径，mm。

步骤三：

关于注入氮气量折算方法

假定氮气瓶提供的注入气体体积为v0，压力为p0，注入到油井环空后的气体体积为v，压力为p1(井筒环境)，通过等温状态变化。

状态一：

p0×v0＝n0r0t0；(5)

状态二：

p1×v＝n0r0t0；(6)

根据气体等温状态方程：

p0×v0＝p1×v；(7)

上式中：p0—氮气瓶压力(现场测试得到)，mpa；v0—注入氮气体积流量(瓶口流量计测试得到)，m³；n0—注入氮气的气体的摩尔数，mol；r0—空压机进入气体的状态常数，无因次；t0—空压机进入气体的绝对温度(标准状态)，k。

可看出，p0、v0、p1是已知量，因此可以简易得到注入氮气量v的大小。结合公式(3)和(7)可得：

步骤四：

测试取值方法

根据以上公式，可以得出在环空液面位置变化之前，注入氮气量v0与注氮气后环空中气体的压力p2成线性关系：

其中，p1为已知量，v1为未知量(在环空液面变化前为固定值)，p0为氮气瓶稳定住氮气时的压力(固定值)。因此，根据公式(9),可知，注入氮气量v0与注氮气后环空中气体的压力p2之间的关系是线性的。在现场测试时，利用高速电子压力计监测瞬间注入氮气时油井环空气体的压力值，可得出一条注氮量与油井环空气体压力的曲线。这条曲线开始时会存在一段线性曲线，此时间段内油井环空液面位置未发生变化，在线性曲线段内任意取一点，结合上述的计算公式，就可折算出油井环空气液界面的位置。

请参考图5所示，本发明还提供一种油井环空气液界面测定装置，所述装置包含氮气瓶、电子压力计和计算模块；所述氮气瓶用于向油井环空内注入氮气；所述电子压力计用于监测所述油井环空内气体压力变化数据；所述计算模块用于根据所述气体压力变化数据及注入氮气的体积通过气体状态方程计算获得环空体积数据；以及根据油井的管柱参数及所述环空体积数据计算获得油井环空内气液界面的位置高度。

请参考图6所示，在上述油井环空气液界面测定装置中，所述计算模块包含计量单元，所述计量单元用于通过以下公式计算获得注入氮气的体积：p0×v0＝p1×v；p0×v0＝n0r0t0；p1×v＝n0r0t0；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；n0为注入氮气的气体的摩尔数；r0为空压机进入气体的状态常数；v1为注氮气前环空中体积；t0为空压机进入气体的绝对温度；v为注入氮气的体积。

在本发明一实施例中，所述计算模块包含检测单元，所述检测单元用于通过以下公式计算获得注入氮气的体积：

p1×(v1+v)＝p2×v1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；v为注入氮气的体积。其中，所述检测单元还用于通过以下公式计算获得注氮气前环空中气体的压力和所述注氮气后环空中气体的压力：

p1×(v1+v)＝n1r1t1；p2×v1＝n1r1t1；

上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；v1为注氮气前环空中体积；n1为注入后环空中总的气体的摩尔数；r1为环空中气体的状态常数；t1为环空中气体的绝对温度。

在本发明一实施例中，所述计算模块还包含：通过以下公式计算获得油井环空内气液界面的位置高度：

上式中，h为油井环空内气液界面的位置高度；φ1为油井的管柱内径；φ2为油井的管柱外径；v1为注氮气前环空中体积。

在本发明一实施例中，所述装置还包含校准模块，所述校准模块用于通过线性公式判断油井环空内注入的氮气量与油井环空内气体压力是否成线性关系；当满足线性公式时，将所述气体压力变化数据及注入氮气的体积交由所述计算模块计算获得环空体积数据；

所述线性公式包含：

在上式中，p1为注氮气前环空中气体的压力；p2为注氮气后环空中气体的压力；p0为氮气瓶压力；v0为注入氮气体积流量；v1为注氮气前环空中体积。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述方法的计算机程序。

本发明所提供的油井环空气液界面测定方法及装置采用氮气快速注入、高速电子压力计采样，利用气体状态方程对排量压力特征曲线上的数据进行分析获得动液面数据，具有施工简单、快速、不受环空介质干扰以及适合环空高温高压井监测的特点。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。