确认深水井处于APB风险的筛选系统.docx
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1、确认深水井处于APB风险的筛选系统摘要井筒环空圈闭压力升高(Annular Pressure Build-up以下简称APB)在深水井中是一个很常见的问题,如果APB引起的荷载破坏了管线的完整性,则需要进一步选择和设计减小APB的方法。这种计算的分析过程十分乏味,因为许多情况下确定关键变量和“假设”情景必须对其进行评估。尽管分析技术需要评估APB和减压的方法是众所周知的,但有必要快速和可靠地执行这些计算。本文探讨了开发过程和计算工具确定了深水井在APB下的风险,虽然工具的结构对安装启用的电子数据表来说是单一的,但是在技术上和精密度上来说是严格的,这个工具将作为一个个案来分析一个或者多个减压方法
2、对井的完整性是有必要的。需要一些详尽的办法才能组建这样一个工具,即APB矩阵方程,把减压方法展开成一个定量的模型,最重要的是,在APB运算法则中对一个井筒创建一个数学表达式,这在附录中有提到。在APB的作用下地层弹性作用(即环形边界条件)是通过将地层视为弹性地层的方程计算。引言调查遵照了BP Marlin 项目确定了APB的潜在原因。后续的操作比如Pompano表明APB在钻井和生产过程中都威胁到了井筒的完整性。深水带来的挑战导致了对DPB的关注和它对井筒完整性的影响。这些工作已经确定了一组作为研究设计基础中应该考虑APB的深水井。我们分析APB及其影响发现,APB的减缓策略对于一个成功设计并
3、安装这些深井装置都是至关重要的技术尽管APB模型从概念上来说是很简单的,在成为一个可以让人接受的结果之前一定在细节上有很多漏洞也需要丰富的经验和工程评价。在算法的程度上这些细节包括选择合适的PVT环流模型和热敏模拟器,使用合适的边界条件评价环空的灵活性,以及能有效解决APB方程的数值计算方法。一旦确定了这些细节问题,软件的运用上就不会表现出很多计算上的困难。不过,在创造井筒数学表达式的时候还是或多或少有困难的。这一步需要将井的几何结构,定位,环空是怎样联系的,把这些转变成一个环形几何问题的数学表达式,尽管这个问题用FEA软件可以很简单的解决,但确定这些方法是否导入到电子数据表中是一个极大的挑战
4、。本文论述了对APB筛选的办法和计算方法的发展。APB的概念基础已经众所周知,下一节开始介绍更多的APB设计的细节分析还有缓解措施的量化。本文伴随着一个APB几何解释的问题,这种方法极大地简化了目标的计算。附录A明确列出了APB环形灵活矩阵方程和检查APB上形成的弹性作用。把地层作为一个弹性地基,忽视水基形成的弹性和合成泥土带来的差异。这些观点都以一个例子来说明了,审核典型深水APB的候选办法。本文的结论根据创建一个井筒的数学表达式的过程而得出。表达式将计划和井筒的立面作为一组二元矩阵。这些矩阵具有具有独特的拓扑性。因此类似这种井筒表示方法是独立于施工草案的,是独特的适合代表深水井的复杂几何机
5、构的表示方法,通常包括环空外部深层套管,多重封隔器之间的环空,水泥顶部和基底顶部封隔器。除了APB计算和井筒热传导应用程序中明显的使用,这种方法是一个电子数据表中简单的程序。技术背景计算APB科学家们很好的理解和记录过APB的物理性质,APB的结果是由无约束流体体积变化和容器允许体积变化的的差异所决定。环空体积的变化是由维持力学平衡所引起通过了解流体体积变化的大小以及压力和温度的变化在力学上的反应。APB的大小在一个或多个环空里计算得到。这样一个结果有关温度压力包含温度压力方程诱导的环空容积变化引起的环空流体体积变化方程导致。APB的建模方法区别于计算流体体积变化的方法。体积变化的流体DVfl
6、 是在温度变化DT的硬质容器中,压力变化DP。Vfl是流体体积的初值,afl和 Bfl分别是热膨胀系数和弹性模量。这个方程往往是转变成更熟悉的净流体体积应变的定义如下:第二种计算流体体积的方法使用r(P, T)是在压力P和温度T下密度,D表示数量的变化,和环空体积Va的整合。方程(3)是一个环形流体质量守恒的结果,在环空中添加增量体积变化评价流体体积为根据的结果。方程(3)不需要体积弹性模量和热膨胀系数的显性知识。相反,这个方程是基于了解是温度和压力的作用下流体密度函数。不考虑使用计算流体体积变化的方法,最后一步等同于环空体积变化下DVa的流体体积变化DVfl。对于多重环空,在给定的环空压力变
7、化影响相邻的环空的压力变化。方程(4)适用于所有环空,导致一组联立方程的解决办法屈服于APB的大小。 DV fl是表示流体在井筒内体积变化的列向量,D P表示在环空中未知的APB的向量,L表示井筒环空柔度矩阵,这个矩阵中的每个词表示一个组件的体积变化经历了单元的环空压力的变化。 h表示由于在环空内的热膨胀提供的体积变化,DT表示套管柱内温度变化,每个DV fl 都由方程(3)得来,方程(3)中的函数包含环空未知的最终压力,方程(5)需要反复的迭代,具体见附录A。模型描述见参考文献5、7、8、10,计算DVfl需要使用方程(1)或者(2),参考文献9中的模型使用方程(3)。它表明可以通过认识热膨
8、胀体积系数和体积弹性模量油管流体密度的变化来说明方程(1)和(3)在计算上是完全统一的。根据方程(1),并假定流体性质的常数,当满足以下条件,能完成满意的计算:(1) 在环空体积的条件下流体的温度初值和压力分布没有明显的变化。(2) 温度初值和最终温度值没有太大的变化(3) 温度变化值是正值在典型的深水环空中,这些条件不是总能满足。比如,在典型的深水井中海底环空顶部的初始温度是40F,然后在底部的温度是200F。这样的结果是,在顶部的和在底部的流体弹性模量的变化值高达10%的合成流体。对于水的流体,差异还会更大,除非方程(1)在流体性能上温度和气压的变化占有一定比例,它的使用能导致很大的差异。
9、最终,使用方程(1)会导致计算中温度变化成为负值的问题。从现实的角度看,目前的工作已经足够,解释了在环空流体的物体性质的变化比方程(3)简单。其他差异的条件有比如流体性质的影响,在井内边界构造的影响,井的类型等等在参考文献2中有讨论。假设流体体积Vfl在初始温度为Ti压力为Pi在密闭的环空中。尽管在下面的论证是有效的,当温度和压力在环空中变化时,假设温度和压力恒定,图1中的实曲线代表在恒温条件下由于压力的变化导致环空流体体积的改变。压力轴线的原点代表压力初值Pi,图中的虚曲线代表流体体积在不同温度时的变化。在图3中压力和体积变化曲线由流体状态描述所构造。由于初始温度值和压力值都已知道,图1中的
10、实曲线和虚曲线都能被计算出来。最终温度时Tf,APB是虚曲线上的某一个点,这一点是由绘图三分之一的体积变化曲线代表环空压力和温度变化的函数。当给定一个温度变化,单个不受约束的环空体积的改变DVa大约是一个压力变化函数DP,所以:l代表环空的灵活度,单位用/psi 或者m3/Pa表示。容器的弹性变化体积,如图6所示,由经过原点的实线表示。C点,环空的曲线与流体曲线的交点是应变兼容性力学平衡点。AC代表流体从最初到最终状态的变化。因此,APB等同于AC,AC的投影在压力轴线上。对于一个完美的硬质容器,容器体积的变化由AB表示,从图中可以看出由于容器的弹性导致APB的减小。图1 在弹性环空中APB图
11、1表明了以下重点:1 APB是一个孤立的区域无法超过AB,B点代表在硬质容器中的流体状态。2 AC投射在DV轴上表示环空体积的变化,为避免多重环空邻近的环空影响目标环空的体积变化,因此,直线代表环空体积变化于是有了倾斜,如果邻近环空的APB比比目标环空中的APB更大的话,AC可以在P轴线下方。3 AC的长度代表由于纯粹的热膨胀引起的流体体积的变化AD的长度和AC在DV轴线上的投影不同点在于由于压力和温度变化导致容器体积的变化。4 通过方程(3)的体积变化曲线计算适用于不同类型的流动。比如,在环空中气垫的存在包括没有疑问在方程(1)中没有使用弹性模量。5 最后当Tf Ti,如果流体冷却了,则说明
12、这个方法可以不用修改直接使用,这个方法的特点在研究注水期间环空压力是十分重要的。识别这些APB易于实现电子数据表格计算的特点,当方程(5)明确的标注一个井筒的时候,问题减少到在图(1)去搜寻在每个环空中的C点,这样的搜索算法可以适用于在典型数据表格应用使用内置常规算法程序。这些常规运算方法是高斯搜索算法和牛顿非线性方程的修改。流体PVT关系很多合成物的密度和水基钻井泥浆是温度和压力复杂的作用下完成的。一般的,钻井泥浆由基液,水,增重剂组成。泥浆的重量是独立部件的平均密度r 和g分别代表密度和下标组成成分的体积分数。固体的压缩率比液体的小很多,在APB应用中,假定增重剂的密度一直是在恒温恒压条件
13、下。我们知道基液和水的PVT特征,合理的表示应对压力和温度变化的泥浆密度。一个合理的描述在钻井过程中应用的大量的合成基液乳液和盐水密度r(P,T)通过以下方程给出:rw是在标准温度和压力下的水的密度,压力P和温度T分别用psi和F的单位。数字常量Ai, Bi, i =0, 1, 2,由实验数据拟合得到。因此,使用方程8的时候需要注意,特别是当温度和压力超出测试时P-T变化的数据。表格(1)表示一个典型盐水,合成的流体的曲线拟合常量。参考文献14和15提供了油基和水泥基的PVT统计供我们选择,盐水也同样如此。水的最优密度是从ASME蒸汽表得到。表1 方程8中的典型流动拟合曲线系数模型缓解策略在大
14、多数深水井中,在开始的时候APB上升的很快,以接近30psi/min的速率达到峰值5000-8000+。减小APB风险需要像(a)氮阻隔,(b)防爆膜,(c)可压缩的复合泡沫。虽然使用隔热套管也能有效减小AP。真空隔热套管的热量从生产传送到换新空间流体而不是直接从环空,这样可以有效的减小APB。复合泡沫复合泡沫属于多孔固体材料一类,由其内部的多孔构造的特点归为这一类。空隙通过球体增强。图2表明了复合泡沫对流体静压的反应,复合泡沫的动态取决于破裂压力和压缩率。当达到破裂压力时,泡沫开始大量的破裂知道所有的孔隙空间有的坍塌或者充满了浸入的流体。在终点的体积应变呗认为是压缩率。对泡沫的综述和设计见参
15、考文献6。这里需要注意的是,破裂压力和压缩率都是可以通过一些泡沫工程方法进行控制的,破裂压力受温度的影响。设在温度为T1和压力P1,装有流体的容器质量为m,。在图3中A点是密度与压力的比值。Va是容器的体积,f是泡沫的体积与容器体积的比,在容器中流体的密度初值由下面公式给出:之后,将容器封闭防止泡沫流失,流体的密度仍然为常量,如图3所示状态变化从A点到B点。图2复合泡沫对压力的反馈图3复合泡沫在密封容器中APB的减小让泡沫的破裂压力随着温度Pc (P1 Pc P2)变化(变化范围从T1 to T2)。随着温度升高。泡沫破裂后的体积设为fxVa,X为泡沫的压缩率。因此流体的密度从ri变化到:图3
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