注惰性气体管控环空带压实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及油气井安全控制技术领域，具体为注惰性气体管控环空带压实验装置及其实验方法。

技术背景

在我国油气田开发以及储气库建设过程中，通常在油管与套管、套管与套管之间的环形空间注满环空保护液以平衡地层压力并防止发生油套管腐蚀。但是在生产过程中井筒内温度、压力剧烈变化，导致环空内流体以及井筒受温度效应、鼓胀效应影响发生体积变化，在密闭环空内形成较高的环空压力，目前我国油气井环空带压问题十分普遍，尤其以a环空带压问题最为突出。环空带压是指气井环空压力在泄压后短时间内又恢复到泄压前压力水平的现象，生产过程中若环空压力过高，会造成油套管、封隔器、井口装置等挤毁失效，进而导致井筒的完整性遭到破坏，对气井的安全生产造成巨大威胁。但是，目前尚未形成有效的技术措施来彻底根除环空带压问题，环空带压问题最主要的应对措施是将其控制在安全范围内，从而有效延长油气井安全开发周期。在环空内注入一定量惰性气体(如氮气)作为一种新型环空带压控制手段在我国某些油田已经进行了先导性应用，但是惰性气体注入量过多会导致防腐效果大大折扣，注入量过少又不能起到最佳的环空带压管控效果。而目前现有的含气柱环空带压迭代计算模型的假设条件和计算参数与真实井筒环境存在差异，对于产气量较大、温度、压力较高的油气井，使用现有理论计算模型会出现计算不收敛的问题，导致无法计算，不能用于确定惰性气体最佳注入量，因此对于注惰性气体的环空带压管控问题急需进行相关实验研究，以确定最佳惰性气体注入量。

技术实现要素：

为克服现有理论计算的不足以及理论计算模型对油田现场环境的不适应性，本发明提供注惰性气体管控环空带压实验装置及其实验方法，能有效解决上述技术问题，以此指导油田现场环空带压管控难题。

为实现上述研究目的，首先提出一种注惰性气体管控环空带压实验装置，

注惰性气体管控环空带压实验装置，包括测试装置主体部分、油管流体恒温循环及压力控制系统、数据显示和采集系统，流体加注与放喷系统；

所述的测试装置主体部分由内到外依次包括油管流动空间、a环形空间、地层模拟空间；所述的地层模拟空间，用于模拟地层温度、压力，测试地层环境对a环形空间的影响；

所述的油管流体恒温循环及压力控制系统为油管流动空间模拟现场油管服役环境；

所述的流体加注与放喷系统在地层模拟空间模拟地层环境，在a环形空间模拟现场a环空环境；

所述数据显示和采集系统用于检测油管流动空间、a环形空间、地层模拟空间内温度、压力及气柱高度。

进一步的，所述的流体加注与放喷系统包括惰性气体灌和环空保护液灌；

所述测试装置主体部分包括套筒组合，所述的套筒组合由内到外依次包括同轴心的测试油管、生产套管、辅助管柱，测试油管、生产套管、辅助管柱，套筒组合各部分管柱的长度与其半径之比均大于15，套筒组合上下端分别与上机械密封盖、下机械密封盖密封连接，测试油管内构成油管流动空间，测试油管与生产套管之间构成a环形空间，生产套管与辅助管柱之间构成地层模拟空间；辅助管柱外包裹着可拆卸的隔热垫；

所述的油管流动空间，上接油管流体注入管，下接油管流体排出管，油管流体注入管和油管流体排出管分别与油管流体恒温循环及压力控制系统连通构成回路；油管流动空间内流动着由油管流体恒温循环及压力控制系统控制的模拟井筒温度、压力的油管流体；

所述的a环形空间，下部连接环空保护液注入管、环空保护液排出管，环空保护液注入管与环空保护液灌相连，并通过液泵一、阀门一、阀门二形成环空保护液注、排回路，从而构成环空保护液加注与放喷系统；上部连接惰性气体注入管、a环形空间压力平衡管，惰性气体注入管与惰性气体灌相连，并通过气动增压泵和阀门三控制惰性气体注入量，a环形空间压力平衡管与软质橡胶球、阀门四连接，软质橡胶球体积大于a环形空间体积，用于平衡a环形空间内、外压力，以实现环空保护液和惰性气体在密闭环境下的注入、排出；a环形空间上部安装有通过通讯接口与数据显示和采集系统相连的a环空压力传感器、a环空温度传感器和高精度激光液面监测器；

所述的地层模拟空间，下部连接泄压管，上部连接加压管，所述的加压管与惰性气体灌相连，并由气动增压泵、阀门五、阀门六控制向该环空内加压、泄压；地层模拟空间上部安装有通过通讯接口与数据显示和采集系统相连的地层模拟空间压力传感器、地层模拟空间温度传感器；在生产套管外壁与辅助管柱内壁上安装有受油管流体恒温循环及压力控制系统控制的32个对称加热电偶，用于对地层模拟空间进行加热。

进一步的，所述油管流体恒温循环及压力控制系统包括温度控制系统、压力控制系统、储液罐、耐高温高压管线、液泵二、保温搅拌桶、管道增压泵、泄压阀、压力表一、压力表二、压力表三、安全阀；

所述保温搅拌桶内装有磁力搅拌器，以及由温度控制系统控制的制冷回路和制热回路，还安装有温度检测器；

管道增压泵、压力表一安装在与油管流体注入管连接的管路上，耐高温高压管线与油管流体排出管连通，耐高温高压管线上依次安装有液泵二、储液罐、安全阀、压力表三、泄压阀、压力表二，管道增压泵和泄压阀分别由压力控制系统控制，用于控制油管内流体压力，测试时如果压力表三显示压力过高，则通过安全阀进行泄压；

所述数据显示和采集系统还安装有温度压力报警器，在温度压力过高时及时关闭装置。

本发明还提供环空带压实验方法，使用所述的注惰性气体管控环空带压实验装置进行实验，包括以下步骤：

第一步，实验准备

准备好现场使用的惰性气体、环空保护液、油管、生产套管，组装实验仪器，测量管柱长度为l米，检测加热电偶的分布情况及工作状态，确保其分布均匀和正常工作，并对实验装置进行试压，确保实验装置的密封性，将现场油管流体(原油、天然气、水、超临界co2等)注入储液罐，收集现场监测数据，包括地层温度、地层压力、油管内温度、油管内压力、流速、环空预留压力等生产参数；

第二步，地层模拟空间温度、压力设定：

利用地层模拟空间模拟实际的地层环境，首先关闭阀门六，通过温度控制系统控制加热电偶对地层模拟空间加热至现场地层实测温度，打开阀门五、气动增压泵注入惰性气体使压力升至现场地层实测压力，并通过数据显示和采集系统进行实时监控，当压力上升至现场地层实测压力后关闭阀门五、气动增压泵；

第三步，a环空注满保护液：

打开阀门二、阀门三、气动增压机循环3分钟以排除a环空内的空气，之后关闭阀门二、阀门三、气动增压机，打开a环形空间压力平衡管上的阀门四，打开阀门一、液泵一，向a环形空间注入环空保护液，通过数据显示和采集系统监测气柱长度和压力，当气柱长度为0，关闭a环空压力平衡管上的阀门四，当a环空压力压力升高至现场预留环空压力nmpa时，关闭阀门一、液泵一；

第四步，启动油管流体恒温循环及压力控制系统：

首先将保温搅拌桶内流体温度升温至现场油管流体温度，打开磁力搅拌器、液泵二使流体循环并达到现场油管流体流动速度，控制管道增压泵和泄压阀使得油管流体空间内压力保持为现场实测压力；

第五步，通过数据显示和采集系统记录a环形空间压力，当压力保持不变时，记录该压力p0，此时p0为气柱长度为0米时现场环境下由于温度效应和鼓胀效应导致a环空带压值；

第六步，关闭加热系统，并关闭磁力搅拌器、液泵二循环系统，使油管流体空间温度降至室温；

第七步，不同体积惰性气体注入：

当a环空压力降低至nmpa后，打开a环空压力平衡管上的阀门四平衡内外压力，打开阀门二排出环空保护液，并通过数据显示和采集系统监测气柱高度，当气柱高度上升至预设高度时候，关闭阀门二、阀门四，打开阀门三，气动增压机注入惰性气体，通过数据显示和采集系统监测a环形空间压力，当压力升高至nmpa后，关闭阀门三，气动增压机；

每次实验，气柱高度上升至预设高度，预设高度依次为h1米、2*h1、3*h1、…30*h1，h1＝l/100米；

第八步，重复第四步、第五步，并通过数据显示和采集系统记录a环形空间压力，当压力保持不变时，记录该压力p1，此时的压力为注入惰性气体h1m时由于温度效应、压力效应导致的环空带压值；

第九步，重复第六步、第七步、第八步，并记录a环空压力p2；

a环空压力p2对应第七步中气柱2*h1米、p3对应第七步中气柱3*h1米…p30对应第七步中气柱30*h2米。

第十步，实验结束，将流体泵出装置外，并清洗实验仪器；

第十一步，绘制环空压力与惰性气体柱长度关系曲线，根据不同惰性气体柱长度下环空压力下降幅度确定现场合理的惰性气体柱长度，实验测得最佳惰性气体柱长度为n*h1，则现场应施加惰性气体柱长度为hx＝(n*h1*hm)/l；

式中：hx为现场应预留惰性气体柱长度，m；n*h1为实验测得最佳惰性气体柱长度，m；l为实验测试管柱长度，m；hm为现场封隔器下入深度，m。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明可以依据实际情况的需要，模拟现场环境下由于温度效应、鼓胀效应导致的环空带压情况，实验结果贴合现场实际；

(2)基于该实验装置的环空带压优化方法能有效缓解现场由环空带压引起的井筒完整性风险，并有效降低现场频繁放喷带来的工作量及管理成本；

(3)本发明可以模拟不同类型环空保护液、不同类型注采井(储气库注天然气、co2注采井、油井、气井)、不同种类惰性气体、不同油套管材质、尺寸下的环空带压优化实验，可以实现多种工况的模拟；

(4)本发明解决了理论数学模型的局限性，能够模拟高温高压高产井极端工况下的环空带压管控问题，具有良好的现场应用价值。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明测试装置主体部分及流体加注与放喷系统结构示意图；

图3为本发明油管流体恒温循环及压力控制系统示意图；

图4为实施例实验得到不同氮气柱长度下环空带压值关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步进行诠释。

如图1所示，注惰性气体管控环空带压实验装置，包括测试装置主体部分1、油管流体恒温循环及压力控制系统2、数据显示和采集系统3，流体加注与放喷系统4；

所述的测试装置主体部分1由内到外依次包括油管流动空间11、a环形空间12、地层模拟空间13；所述的地层模拟空间13，用于模拟地层温度、压力，测试地层环境对a环形空间12的影响；

所述的油管流体恒温循环及压力控制系统2为油管流动空间11模拟现场油管服役环境；

所述的流体加注与放喷系统4在地层模拟空间13模拟地层环境，在a环形空间12模拟现场a环空环境；

所述数据显示和采集系统3用于检测油管流动空间11、a环形空间12、地层模拟空间13内温度、压力及气柱高度。

所述的流体加注与放喷系统4包括惰性气体灌27和环空保护液灌28；

如图2所示，所述测试装置主体部分1包括套筒组合，所述的套筒组合由内到外依次包括同轴心的测试油管5、生产套管6、辅助管柱7，测试油管5、生产套管6、辅助管柱7，套筒组合各部分管柱的长度与其半径之比均大于15，套筒组合上下端分别与上机械密封盖9、下机械密封盖10密封连接，测试油管5内构成油管流动空间11，测试油管5与生产套管6之间构成a环形空间12，生产套管6与辅助管柱7之间构成地层模拟空间13；辅助管柱7外包裹着可拆卸的隔热垫8，防止实验装置与外界热交换；

所述的油管流动空间11，上接油管流体注入管14，下接油管流体排出管15，油管流体注入管14和油管流体排出管15分别与油管流体恒温循环及压力控制系统2连通构成回路；油管流动空间11内流动着由油管流体恒温循环及压力控制系统2控制的模拟井筒温度、压力的油管流体；

所述的a环形空间12，下部连接环空保护液注入管16、环空保护液排出管17，环空保护液注入管16与环空保护液灌28相连，并通过液泵一29、阀门一30、阀门二31形成环空保护液注、排回路，从而构成环空保护液加注与放喷系统；上部连接惰性气体注入管18、a环形空间压力平衡管32，惰性气体注入管18与惰性气体灌27相连，并通过气动增压泵33和阀门三34控制惰性气体注入量，a环形空间压力平衡管32与软质橡胶球35、阀门四36连接，软质橡胶球35体积大于a环形空间12体积，用于平衡a环形空间内、外压力，以实现环空保护液和惰性气体在密闭环境下的注入、排出；a环形空间12上部安装有通过通讯接口与数据显示和采集系统3相连的a环空压力传感器19、a环空温度传感器20和高精度激光液面监测器21；

所述的地层模拟空间13，下部连接泄压管22，上部连接加压管23，所述的加压管23与惰性气体灌27相连，并由气动增压泵33、阀门五37、阀门六38控制向该环空内加压、泄压；地层模拟空间13上部安装有通过通讯接口与数据显示和采集系统3相连的地层模拟空间压力传感器24、地层模拟空间温度传感器25；在生产套管6外壁与辅助管柱7内壁上安装有受油管流体恒温循环及压力控制系统2控制的32个对称加热电偶26，用于对地层模拟空间13进行加热。

如图3所示，所述油管流体恒温循环及压力控制系统2包括温度控制系统43、压力控制系统44、储液罐39、耐高温高压管线40、液泵二41、保温搅拌桶42、管道增压泵45、泄压阀46、压力表一47、压力表二48、压力表三49、安全阀50；

所述保温搅拌桶42内装有磁力搅拌器51，以及由温度控制系统43控制的制冷回路52和制热回路53，还安装有温度检测器54；

管道增压泵45、压力表一47安装在与油管流体注入管14连接的管路上，耐高温高压管线40与油管流体排出管15连通，耐高温高压管线40上依次安装有液泵二41、储液罐39、安全阀50、压力表三49、泄压阀46、压力表二48，管道增压泵45和泄压阀46分别由压力控制系统44控制，用于控制油管内流体压力，测试时如果压力表三49显示压力过高，则通过安全阀50进行泄压；

所述数据显示和采集系统3还安装有温度压力报警器55，在温度压力过高时及时关闭装置。

数据显示和采集系统3、油管流体恒温循环及压力控制系统2模拟现场油管服役环境，流体加注与放喷系统4在地层模拟空间13模拟地层环境，在a环形空间12模拟现场a环空环境，通过测量a环形空间12在不同惰性气体长度的环空压力值，得到受温度效应、鼓胀效应影响下实际环境注入惰性气体量与环空带压值的关系曲线，根据不同惰性气体柱长度下环空压力下降幅度确定现场最优的惰性气体柱长度。

具体的环空带压实验方法，使用所述的注惰性气体管控环空带压实验装置进行实验，包括以下步骤：

第一步，实验准备

现场所用惰性气体为氮气，使用无机盐环空保护液，油管尺寸套管尺寸管柱长度2米，现场封隔器下深4000米，油管流体为天然气，地层温度80℃，压力45mpa，采气时最高井筒温度180℃，压力37mpa，环空预留压力2mpa。组装实验仪器，检测加热电偶的分布情况及工作状态，确保其分布均匀和正常工作，并对实验装置进行试压，确保实验装置的密封性。

第二步，地层模拟空间13温度、压力设定：

利用地层模拟空间13模拟实际的地层环境。首先关闭阀门六38，通过温度控制系统控制加热电偶26对地层模拟空间13加热至80℃，打开阀门五37、气动增压泵33注入惰性气体使压力升至45mpa，并通过数据显示和采集系统进行实时监控，当压力上升至45mpa后关闭阀门五37、气动增压泵33。

第三步，a环空注满保护液：

打开阀门二31、阀门三34、气动增压机33循环3分钟以排除a环空内的空气，之后关闭阀门二31、阀门三34、气动增压机33，打开a环形空间压力平衡管32上的阀门四36，打开阀门一30、液泵一29，向a环形空间12注入环空保护液，通过数据显示和采集系统3监测气柱长度和压力，当气柱长度为0米，关闭a环空压力平衡管上的阀门四36，当a环空压力压力升高至现场预留环空压力2mpa时，关闭阀门一30、液泵一29。

第四步，启动油管流体恒温循环及压力控制系统2：

首先将保温搅拌桶42内流体温度升温至180℃，打开磁力搅拌器51、液泵二41使流体循环并达到现场油管流体流动速度，控制管道增压泵45和泄压阀46使得油管流体空间11内压力保持为37mpa。

第五步，通过数据显示和采集系统3记录a环形空间12压力，当压力保持不变时，记录该压力p0，此时p0为气柱长度为0米时现场环境下由于温度效应和鼓胀效应导致a环空带压值。

第六步，关闭加热系统，并关闭磁力搅拌器51、液泵二41循环系统，使油管流体空间11温度降至室温。

第七步，不同体积惰性气体注入：

当a环空压力降低至2mpa后，打开a环空压力平衡管32上的阀门四36平衡内外压力，打开阀门二31排出环空保护液，并通过数据显示和采集系统3监测气柱高度，当气柱高度上升至0.02米(0.04、0.06、…0.6)时，关闭阀门二31，阀门四36，打开阀门三34，气动增压机33注入惰性气体，通过数据显示和采集系统3监测a环形空间12压力，当压力升高至2mpa后，关闭阀门三34、气动增压机33。

第八步，重复第四步、第五步，并通过数据显示和采集系统3记录a环形空间12压力，当压力保持不变时，记录该压力p1，此时的压力为注入惰性气体0.02时由于温度效应、压力效应导致的环空带压值。

第九步，重复第六步、第七步、第八步，并记录a环空压力p2(环空惰性气体长度0.04米)、p3(环空惰性气体长度0.06米)…p30(环空惰性气体长度0.6米)。

第十步，实验结束，将流体泵出装置外，并清洗实验仪器。

第十一步，绘制环空压力与氮气柱长度关系曲线如图4所示，可以看出，当氮气柱长度大于0.2米后，环空压力下降幅度不明显，考虑腐蚀保护效果与环空带压管控效果，现场封隔器下深4000m时应注入氮气柱长度为400m。