温变和水击效应对气井井筒瞬态压力的影响研究

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气井动态监测一般难以将压力计直接下至产层位置,同时为减小安全风险、降低监测成本,一般采用井口或浅井段压力测试代替井底压力测试。天然气从地层流向井底的过程中,受Joule-Thomson效应影响,气体温度将产生变化并与储层岩石发生热交换,流入井底的温度并非等于气藏温度并恒定不变,而与生产时间和产量等因素相关。同时在气井开关井和生产制度变化过程中,井筒温度分布将经历较长时间的稳定过程,而流体密度和压力梯度是随温度变化而变化。在常规计算井筒温度和压力的方法中,普遍取气藏温度作为井底流入温度,也未考虑变产量下井筒温度变化对压力计算的影响,井底压力计算将产生较大误差,影响试井解释以及动态分析的准确性。此外,在气井关井初期,井口和浅井段处压力实测曲线呈现规律性的正弦波形状波动,这一现象在超深、高压气井普遍存在,这种在有压管道中,由于流体流速的急剧改变,从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象就是水击。对于生产压差较小的气井,这种水击压力波动幅度甚至接近地层压力恢复值,影响压力恢复试井解释。由于井筒温度变化和水击的综合作用,井口和浅井段压力测试曲线将产生较大失真,影响测试数据质量和解释结果的准确性。  本文基于对国内外井筒非稳态传热、水击方面的研究成果及文献的综合分析,围绕上述问题展开深入研究。应用傅立叶定律和渗流理论,根据能量平衡方程和杜哈梅原理,建立了考虑变流量和多相流的气井产层段地层温度压力模型,进行有限差分并转换为三对角矩阵方程组,通过Thomas法求解;根据能量守恒原理,建立了统一描述恒流量流动状态下的井筒温度压力数学模型,适用于恒流量条件下开井、关井和稳定生产的井筒温度压力计算;在此基础上,通过分析变流量条件下的井筒温度变化影响因素,根据流体瞬态温度与稳态温度的关系,将井筒温度变化划分为递减型、递增型和恒定型三类,分别建立对应的数学模型及计算方法,建立气井变流量非稳态传热井筒温度压力模型,模型适用于变产量生产,应用范围更广,更符合实际;通过分析气井井筒水击效应作用机理,根据质量守恒定律和牛顿第二定律,建立气、油、水多相流条件下气井水击压力模型,通过特征线法对水击压力数学模型有限差分离散求解,同时根据水击压力模型建立气井在宽参数范围条件下的水击波速查询图版和水击压力查询图版,通过图版能够快速的查询气井的水击波速和水击压力,便于推广应用。根据建立的气井产层段地层温度压力模型、气井井筒温度压力模型和气井水击压力模型,结合流体高压物性参数计算方程,实现从气藏到井底再到井口的耦合求解,开发计算软件,解决了气、油、水多相流在恒流量和变流量下受温度影响的压力计算、气井水击压力波动影响等问题,该模型能够将井口或者在较浅井段的压力测试数据计算到井底,达到获取井底压力、提高解释准确性的目的。通过定量分析气井温度压力和水击的主要影响因素和变化规律,结果表明,气井生产过程中井底流体流入温度将低于气藏温度,流体流入井眼的温度随产量、压差和时间动态变化。气井开关井后,井筒在相当长的时间内处于非稳态传热阶段,井筒越浅温度变化越大,开关井初期,温度变化较快,对压力影响也最大。压恢试井时,井筒温度快速下降将使流体密度和压力梯度增加,影响压力恢复曲线形态,根据建立的井筒非稳态传热温度压力模型,通过计算关井后井筒温降引起的井筒压力变化,能有效的量化和校正压恢测试压力异常现象。高产、高压气井流体密度大、流速快,关井过程中由于流体惯性和弹性压缩等综合作用,将产生明显的水击压力,建立的气井水击压力模型能够相对精确的描述气井水击压力大小、水击衰减规律。水击压力大小与关井速度、流速、油管内径、井筒深度相关。对于高压、高产气井,受水击影响,压力恢复曲线早期段拟合效果差。对水击压力数据校正后能显著改进压恢曲线拟合效果,更准确的解释井筒储集系数和表皮系数,评价储层酸化改造效果,因次建议对于高压、高产气井压力恢复试井解释进行水击压力校正。
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