一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与反演方法与流程

1.本发明涉及一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统与反演方法，属于石油与天然气工程技术领域。


背景技术：

2.井喷的喷出物主要是原油、天然气、钻井液和地下水等，这其中危害最大应属气井的井喷，气井发生井喷甚至井喷失控都会造成较大的危害。因为天然气中大部分是烃类气体像甲烷、乙烷等，这些易燃易爆物质与空气混合，遇明火、高温的情况极易燃烧爆炸。气井井喷着火的主要特点及危害有：气井井喷失控着火一般具有突发性,猛烈性,很容易造成人员伤亡；火焰柱高,一般50～100m；火焰温度高,热辐射强,火柱表面温度一般在1500℃左右,在无水或掩体掩护的情况下,人距井口100m左右难以停留；油气喷出的压力高、产量大,并夹带大量岩屑对套管、井口冲刺,破坏力极强；因喷出油气压力高,产量大,再加之燃烧爆炸,声音频率高,因此响声高、噪声大、震耳欲聋,对环境造成极大破坏,给抢险人员造成很大威胁,给抢险指挥系统造成极大困难；抢险时间长,耗水量大、人力物力消耗大、抢险环境和条件恶劣,给抢险作业带来困难。在气井井喷着火情况下无法接近钻井平台的情况下，不能通过传统办法来获得关井立压和关井套压，因此利用关井后读取套管压力、立管压力来确定地层压力的常规方法无法在井喷着火情况下使用。此外，进行气井井喷着火研究可以为制定事故处理方案，进行抢险作业提供帮助。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种气井井喷着火情况下的地层压力确定方法；该方法解决了现有方法无法解决的难题可为随后的压井设计与压井施工提供依据。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统，包括地面井喷火焰高度测量系统和数据信息反演系统；
6.地面井喷火焰高度测量系统包括：红外热成像摄像机、可见光摄像机、小型气象站、测距传感器；红外热成像摄像机和可见光摄像机用于拍摄气井井喷火焰现场图像，用来研究、分析和确定火焰的高度；小型气象站用来连续记录以下气象条件：风向、风速和环境温度，这些变量是重要的，因为它们可能直接或间接地影响射流火焰；测距传感器用来合理计算布置红外热成像摄像机和可见光摄像机距井喷火焰距离；
7.数据信息反演系统包括：数据采集管线、计算机、显示器；
8.数据采集管线连接计算机和地面井喷火焰高度测量系统，向计算机传递测量数据；计算机根据获得的测量数据进行地层信息反演，得到地层压力；显示器连接计算机，用于直观输出地层压力反演结果。
9.优选的，火焰高度确定由红外热成像摄像机、可见光摄像机拍摄到的图像，由计算
机处理识别，以温度800k作为井喷火焰边界。
10.根据本发明优选的，所述的测距传感器为防爆激光测距传感器，适用于井喷着火现场作业。
11.数据采集管线与测量设备的连接按现有技术即可。计算机用于采用发明的地层压力反演方法，分析地层压力；显示器连接计算机，主要用于直观输出测量数据不断丰富过程中的地层压力反演结果。
12.上述的气井井喷着火情况下的地层压力反演系统的反演方法，包括步骤如下：
13.在确保人员生命安全和设备正常运行的情况下，采用防爆激光测距传感器确定安全距离；将现场的红外热成像摄像机和可见光摄像机设置为记录模式，测得的火焰图像和防爆激光测距传感器测得的距离通过数据采集管线导入到计算机，通过地层压力反演进行处理分析，反演得到地层压力。
14.一种气井井喷着火情况下地层信息反演方法，具体步骤包括如下：
15.(1)根据现场钻井施工资料，确定地层压力反演所需要的工程参数；
16.(2)根据红外热成像摄像机和可见光摄像机测得的火焰图像计算火焰高度，由于环境风的存在，火焰高度计算公式为：
[0017][0018]
式(1)中l0为井喷火焰长度，m；h为测量的火焰高度，m；θ为井喷火焰与水平线的夹角(0
°
～90
°
)；uw为当地风速，m/s；
[0019]
(3)由于失控井喷流射流速度通常处于超音速区域，属于气体射流，因此采用spalart—allmaras模型对失控井喷射流进行描述：
[0020][0021]
式中t表示时间，s；ρ表示混合气体密度，kg/m3；xi，xj分别表示不同位置的张量符号；表示湍流黏度系数；ui表示时均匀速度分量；gv表示湍流黏度产生项；yv表示由于壁面阻挡与黏性阻尼引起的湍流黏度减少项；和c
b2
为常数；μ表示分子黏度，pa
·
s；
[0022]
(4)在超音速流动的射流过程中，由于真实气体具有可压缩性，故利用泊松式和pv＝znrt得：
[0023]
pρ-γ
＝c
ꢀꢀ
(3)
[0024]
再结合欧拉方程推导出真实气体伯努利方程：
[0025][0026]
式中p为井喷出口位置压力，pa；v为气体体积，m3；z为天然气压缩系数；n为气体的物质的量；mol；r为摩尔气体常数；j/(mol
·
k)；t表示绝对温度，k；γ为比热比；v为井喷气体速度，m/s；g为重力加速度m/s2；h为火焰高度，m；c为常数；
[0027]
(5)由真实气体伯努利方程建立火焰高度与流速的表达公式：
[0028]
[0029]
式中p0为井底压力，pa；ρ0为井底气体密度；p为井喷出口位置压力，pa；f为阻力系数，m/s；l为套管长度，m；r为套管半径，m；表示雷诺平均后的平均速度，m/s；
[0030]
(6)根据现场施工资料确定气体组分，可由公式(6)计算井喷气体相对分子质量：
[0031][0032]
式中mg表示天然气相对分子质量；xi表示天然气组分i的摩尔数；n表示组分数；mi为组分i的相对分子质量；
[0033]
(7)将气体理想状态方程(7)与公式(5)联立可求出气体井喷着火井口处的气体流速表达式(8)：
[0034][0035][0036]
式中ρg表示气体密度kg/m3；t0表示相对温度，k；r为摩尔气体常数；j/(mol
·
k)；
[0037]
(8)在获得井口流速的基础上，计算井喷气体产量q公式(9)为：
[0038][0039]
式中k表示井喷气体产量与流量的转换系数，该系数由气体质量流量转换系数表查得；
[0040]
(9)在对地层压力求解过程中，需要先对井底流动压力ps进行求解，得到井底流动压力后，方可求出地层压力；在对井底流动压力ps的求解方法如下：
[0041]
9-1、基本方程
[0042]
气体从井底沿井筒流动到井口过程中，假设流体为稳定流，取长度dl的管段为控制体进行研究，则可以根据能量方程写成方程式(10)：
[0043]dp
ρvgdv dw dlw＝0
ꢀꢀ
(10)
[0044]
式中d
p
为管长dl内对应的总压降；ρ为流动状态下的气体密度，kg/m3；g为重力加速度m/s2；v为气体速度，m/s；dv为管长dl内对应的速度变化；dw为外界对气体所做的功；dlw摩擦引起的压力损失；
[0045]
对于垂直管气体流动：(1)从井底到井口没有功的变化，即dw＝0；(2)动能损失忽略不计，即vdv＝0；则公式(10)可以写成：
[0046][0047]
式中d为管径，m，f为阻力系数可以用colebrook公式：
[0048][0049]
式中e套管内壁绝对粗糙度，m；
[0050]
标准状态下，取标准状况下大气压p
sc
＝0.01325mpa，标准状况下温度t
sc
＝293k，qsc
为标准状态下气体流量，m3/d，则在管内任意一点(p，t)下：
[0051][0052][0053]
式中，bg为气体非达西流动系数；a为达西流动系数；γg为井喷气体摩尔分数；将公式(13)、(14)代入公式(12)，并除以重力加速度，整理后得到公式(15)：
[0054][0055]
考虑到井内气体向上流动时，由于压力差的作用，气体的压力是逐渐减小的，可以对上式进行变形，并写成积分形式：
[0056][0057]
式中p2计算段终点流动压力，mpa；p1计算段起流动压力，mpa；h2计算段终点的高度，m；h1计算段起点的高度，m；
[0058]
9-2、求解方法
[0059]
在公式(16)中，p、t为l的函数，z又是t和p的函数，因此，公式(16)的求解可用迭代法进行计算，整个井筒的长度h平均分为n段，每段长度为δh；在所在的每一段中z、t用相应段的平均值，即公式(16)可以写成如下形式：
[0060][0061]
将公式(17)，简化后得公式(18)：
[0062][0063]
式中，p2为计算段终点流动压力，mpa；p1为计算段起流动压力，mpa；在在条件下得压缩系数；为流动管柱δh段内得气体平均温度，k；
[0064]
从已知的井口压力开始，逐段往下计算，直到井底即可求出井底流动压力ps；
[0065]
(10)在求解得到井底流动压力后，将井喷气体产量代入产气二项式方程即可求得地层压力；井喷后的地层压力可以根据预测的天然气的井喷量、井喷时的井底流动压力应
用产气二项方程式(19)求得；
[0066]
pf＝(p
s2
aq bq2)
0.5
ꢀꢀ
(19)
[0067]
式中pf为地层压力，pa；ps为发生井喷时的井底流动压力，pa；a为达西流动系数；b为非达西流动系数。
[0068]
根据本发明优选的，步骤(1)所述工程参数是指根据现场施工资料确定所需计算参数，包括：井眼尺寸，套管压力、地面温度、阻力系数、气体的黏度、气体的比热比、产出气体的摩尔数、产出气体相对密度、产出气的相对分子质量、放喷管线内壁绝对粗糙度、井喷气体压缩系数、达西流动系数、非达西流动系数。
[0069]
根据本发明，优选的，步骤(2)中，火焰高度确定由红外热成像摄像机图像800k为火焰边界和可见光摄像机确定火焰高度。
[0070]
本发明的有益效果在于：
[0071]
本发明系统和方法能够及时准确地获取气井井喷着火条件下的地层信息，可以对失控井天然气产量测定、失控井后续开发提供理论依据，同时，对天然气失控井抢险救援工作具有实际指导意义，可以为制定合理的应急救援方案，减少人员伤害和经济损失，以及降低环境污染提供帮助。
附图说明
[0072]
图1为气井井喷着火情况下的地层压力反演流程图；
[0073]
图2为火焰高度测量示意图；
[0074]
其中，1：红外热成像摄像机；2：可见光摄像机；3：小型气象站；4：测距传感器；5：数据采集管线；6：计算机；7：显示器。
具体实施方式
[0075]
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用设备等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0076]
实施例1：
[0077]
如图1所示，一种气井井喷着火情况下的地层压力反演系统，包括地面井喷火焰高度测量系统和数据信息反演系统。
[0078]
地面井喷火焰高度测量系统包括：红外热成像摄像机1、可见光摄像机2、小型气象站3，测距传感器4。
[0079]
红外热成像摄像机1和可见光摄像机2拍摄气井井喷火焰现场图像，用来研究、分析和确定火焰的高度；小型气象站3用来连续记录以下气象条件：风向、风速和环境温度，这些变量是重要的，因为它们可能直接或间接地影响射流火焰；测距传感器4用来合理布置红外热成像摄像机1和可见光摄像机2距井喷火焰距离。
[0080]
数据信息反演系统包括：数据采集管线5、计算机6、显示器7；
[0081]
数据采集管线5连接计算机和地面井喷火焰高度测量系统，向计算机传递测量数据；计算机根据获得的测量数据进行地层信息反演，得到地层压力；显示器7连接计算机6，用于直观输出地层压力反演结果。
[0082]
所述的红外热成像摄像机1和可见光摄像机2采用现有的技术，用于拍摄火场图像，确定气井井喷射流火焰高度。
[0083]
所述的测距传感器3为防爆激光测距传感器，适用于井喷着火现场作业。
[0084]
数据采集管线5与测量设备的连接按现有技术即可。计算机6用于采用发明的地层压力反演方法，分析地层压力；显示器7连接计算机6，主要用于直观输出测量数据不断丰富过程中的地层压力反演结果。
[0085]
实施例2
[0086]
一种利用实施例1所述气井井喷着火情况下的地层压力反演系统的反演方法，具体步骤包括：
[0087]
(1)根据现场钻井施工资料，确定地层压力反演所需要的工程参数；所述工程参数是指根据现场施工资料确定所需计算参数，包括：井眼尺寸，套管压力、地面温度、阻力系数、气体的黏度、气体的比热比、产出气体的摩尔数、产出气体相对密度、产出气的相对分子质量、放喷管线内壁绝对粗糙度、井喷气体压缩系数、达西流动系数、非达西流动系数
[0088]
(2)根据红外热成像摄像机和可见光摄像机测得的火焰图像计算火焰高度，由于环境风的存在，火焰高度计算公式为：
[0089][0090]
式(1)中l0为井喷火焰长度，m；h为测量的火焰高度，m；θ为井喷火焰与水平线的夹角(0
°
～90
°
)；uw为当地风速，m/s；火焰高度确定由红外热成像摄像机图像800k为火焰边界和可见光摄像机确定火焰高度。
[0091]
(3)由于失控井喷流射流速度通常处于超音速区域，属于气体射流，因此采用spalart—allmaras模型对失控井喷射流进行描述：
[0092][0093]
式中t表示时间，s；ρ表示混合气体密度，kg/m3；xi，xj分别表示不同位置的张量符号；表示湍流黏度系数；ui表示时均匀速度分量；gv表示湍流黏度产生项；yv表示由于壁面阻挡与黏性阻尼引起的湍流黏度减少项；和c
b2
为常数；μ表示分子黏度，pa
·
s；
[0094]
(4)在超音速流动的射流过程中，由于真实气体具有可压缩性，故利用泊松式和pv＝znrt得：
[0095]
pρ-γ
＝c
ꢀꢀ
(3)
[0096]
再结合欧拉方程推导出真实气体伯努利方程：
[0097][0098]
式中p为井喷出口位置压力，pa；v为气体体积，m3；z为天然气压缩系数；n为气体的物质的量；mol；r为摩尔气体常数；j/(mol
·
k)；t表示绝对温度，k；γ为比热比；v为井喷气体速度，m/s；g为重力加速度m/s2；h为火焰高度，m；c为常数；
[0099]
(5)由真实气体伯努利方程建立火焰高度与流速的表达公式：
[0100][0101]
式中p0为井底压力，pa；ρ0为井底气体密度；p为井喷出口位置压力，pa；f为阻力系数，m/s；l为套管长度，m；r为套管半径，m；表示雷诺平均后的平均速度，m/s；
[0102]
(6)根据现场施工资料确定气体组分，可由公式(6)计算井喷气体相对分子质量：
[0103][0104]
式中mg表示天然气相对分子质量；xi表示天然气组分i的摩尔数；n表示组分数；mi为组分i的相对分子质量；
[0105]
(7)将气体理想状态方程(7)与公式(5)联立可求出气体井喷着火井口处的气体流速表达式(8)：
[0106][0107][0108]
式中ρg表示气体密度kg/m3；t0表示相对温度，k；r为摩尔气体常数；j/(mol
·
k)；
[0109]
(8)在获得井口流速的基础上，计算井喷气体产量q公式(9)为：
[0110][0111]
式中k表示井喷气体产量与流量的转换系数，该系数由气体质量流量转换系数表查得；
[0112]
(9)在对地层压力求解过程中，需要先对井底流动压力ps进行求解，得到井底流动压力后，方可求出地层压力；在对井底流动压力ps的求解方法如下：
[0113]
9-1、基本方程
[0114]
气体从井底沿井筒流动到井口过程中，假设流体为稳定流，取长度dl的管段为控制体进行研究，则可以根据能量方程写成方程式(10)：
[0115]dp
ρvgdv dw dlw＝0
ꢀꢀ
(10)
[0116]
式中d
p
为管长dl内对应的总压降；ρ为流动状态下的气体密度，kg/m3；g为重力加速度m/s2；v为气体速度，m/s；dv为管长dl内对应的速度变化；dw为外界对气体所做的功；dlw摩擦引起的压力损失；
[0117]
对于垂直管气体流动：(1)从井底到井口没有功的变化，即dw＝0；(2)动能损失忽略不计，即vdv＝0；则公式(10)可以写成：
[0118][0119]
式中d为管径，m，f为阻力系数可以用colebrook公式：
[0120]
[0121]
式中e套管内壁绝对粗糙度，m；
[0122]
标准状态下，取标准状况下大气压p
sc
＝0.01325mpa，标准状况下温度t
sc
＝293k，q
sc
为标准状态下气体流量，m3/d，则在管内任意一点(p，t)下：
[0123][0124][0125]
式中，bg为气体非达西流动系数；a为达西流动系数；γg为井喷气体摩尔分数；将公式(13)、(14)代入公式(12)，并除以重力加速度，整理后得到公式(15)：
[0126][0127]
考虑到井内气体向上流动时，由于压力差的作用，气体的压力是逐渐减小的，可以对上式进行变形，并写成积分形式：
[0128][0129]
式中p2计算段终点流动压力，mpa；p1计算段起流动压力，mpa；h2计算段终点的高度，m；h1计算段起点的高度，m；
[0130]
9-2、求解方法
[0131]
在公式(16)中，p、t为l的函数，z又是t和p的函数，因此，公式(16)的求解可用迭代法进行计算，整个井筒的长度h平均分为n段，每段长度为δh；在所在的每一段中z、t用相应段的平均值，即公式(16)可以写成如下形式：
[0132][0133]
将公式(17)，简化后得公式(18)：
[0134][0135]
式中，p2为计算段终点流动压力，mpa；p1为计算段起流动压力，mpa；在在条件下得压缩系数；为流动管柱δh段内得气体平均温度，k；
[0136]
从已知的井口压力开始，逐段往下计算，直到井底即可求出井底流动压力ps；
[0137]
(10)在求解得到井底流动压力后，将井喷气体产量代入产气二项式方程即可求得地层压力；井喷后的地层压力可以根据预测的天然气的井喷量、井喷时的井底流动压力应用产气二项方程式(19)求得；
[0138]
pf＝(p
s2
aq bq2)
0.5
ꢀꢀ
(19)
[0139]
式中pf为地层压力，pa；ps为发生井喷时的井底流动压力，pa；a为达西流动系数；b为非达西流动系数。