海上电泵井关井井口压力预测方法

于继飞

（中海油研究总院，北京100027）

海上电泵井关井井口压力预测方法

于继飞

（中海油研究总院，北京100027）

关井井口压力对合理选择井口设备及管线有重要的指导意义。由于海上油井的产液量较高，水击压力效应非常明显，文中首次从水击压力、关井压力恢复及电泵憋压3个方面综合考虑，主要探讨了生产油井紧急关井情况下井口压力在不同阶段随时间的变化趋势，讨论了不同阶段井口压力的计算方法，应用该方法进行实例计算，结果与实际数据吻合较好。

海上；电泵井；油井；关井；井口压力

油气井生产过程中的关井操作会带来井口压力的增大。自喷井井口压力的变化主要取决于水击压力和关井压力恢复的作用［1］，电泵井如发生电泵憋压现象会使得井口压力大幅增加。水击压力能造成关井井口压力瞬间增大［2］，关井压力恢复以及电泵憋压对井口压力的增大作用则随时间延续不断增大。本文主要考虑紧急关井情况下，电泵在继续运转对井口压力产生的影响［3］。井筒中由于气液两相共存，而气体与液体的压缩系数相差很大，所以随着电潜泵的增压，井筒中气体和液体的体积呈现不同的变化规律。由于海上油井电泵排量和扬程都较大，紧急关井后井口压力瞬间增加过大，很可能造成设备损坏，甚至现场操作人员伤亡。

1 水击压力和关井压力恢复耦合计算

关井压力恢复，是关井后地层流体在生产压差的作用下继续向井筒内涌入，引起井筒井底压力增加，进而使得井口压力增大的过程持续时间较长。而水击压力只是短时间的作用［4］，随着压力恢复，水击压力由于阻尼效应的存在而消耗殆尽。

自喷油井关井后，水击现象和压力恢复现象是共存的，两者互相影响（见图1）。图中pto为关井前油压，pwh为水击压力，Δs为关井瞬间流体长度，vo为关井瞬时流速，l为油管长度，pw为井底流压。

图1 关井后井筒压力示意

当阀门关闭后l/c时刻（c为压力传播速度），压力波传至井眼入口处，即油管底部。这时，油管内流体都已停止流动，处于被压缩状态，油管则处于膨胀状态。而此刻由于地层续流作用使得油管入口处的井底流压pw高于水击压力波传至井底的井底流压值，压力发生不平衡，油管入口邻近的一层流体会冲向井口，而使水击压力继续增大，增大值受地层续流控制。如果是电泵井，那么井口压力p增大值还受电泵憋压控制（见图2）。

图2 实际情况下水击压力与压力恢复的叠加

图2考虑了水击压力衰减情况下水击压力和压力恢复2种压力的叠加［5-6］，pt为井口压力。此时最大井口压力值发生在关井时间为无穷大时，即井底压力等于地层压力时，井口压力的最大值取决于关井压力恢复带来的压力变化。

2 电泵井计算模型

电泵憋压作用是因为电泵井紧急关井时，电泵仍在继续运转，由于井筒体积不变，所以井筒压力会急剧增加。电泵憋压作用同关井压力恢复的原理一样，相对于后者，前者引起的压力升高得更快、更大。电泵井关井后，水击压力、关井压力恢复以及电泵憋压3因素共同作用，可以看作水击压力和电泵憋压作用的叠加。

关井瞬间初始的井口压力为

式中：po为关井瞬时井口初始压力，MPa。

瞬时关井后，电泵井的井口压力会因为水击现象突然增加，气液比较低时的电泵井井口压力的变化分为3个阶段。

2.1 纯压缩气体阶段

假设关井后电泵泵入的流体为液体（忽略泵入的气体），由于液体的压缩系数相比气体的压缩系数非常的小，所以仅考虑气体的压缩。油井关井后，认为气液两相分层［7-8］，井口压力为气相的压力。

假设流体温度不变，由气体性质可知：

式中：Vgo为关井时油管中气体体积，m3；p（t）为t时刻井口压力值，MPa；Vlo为油管中液体体积，m3；q为泵的排量，m3/d；Vt为油管体积，m3；Rs为溶解气油比，m3/ m3；fw为含水率；pa为大气压，MPa；D为油管直径，m。

2.2 纯压缩液体阶段

当压力上升到一定程度，油管内自由气体积很小或全部溶解于油中［9］，压力与时间的关系则反映液体的压缩关系。由压缩系数的定义可知：

式中：Bl为液体压缩系数；p1为纯气体压缩阶段结束时的井口压力，MPa。

2.3 电泵达到最大扬程阶段

当泵的扬程接近于最大时，泵排量接近于0，泵欠载保护。停泵瞬间，如果没有单流阀的保护，泵出入口处的巨大压差会导致电泵以上的流体在压力的作用下向地层流动，而使得井口压力降低，直至压力平衡。井口压力增加与关井压力恢复呈对数关系（见图3）。但实际上，电泵上都装有单流阀防止泵的反转。

图3 电泵井关井后井口压力示意

由图3可看出：

1）若地层压力较高，即当电泵憋压至p2点，由于井底压力恢复导致泵吸入口压力继续升高，那么泵排出口压力会随之同步增加，即井口压力随压力恢复关系增加。此时关井压力的最大值即是关井压力恢复带来的最大值（图3中曲线Ⅱ所示）。

2）若在p2点停泵，则由于单流阀的关闭，井口压力会保持在p2点（图3中曲线Ⅰ所示）。此时油管中的气体全部溶解于液体中［10］。由于原油的压缩性较小，电泵井的排量较大，所以此阶段持续的时间较短，可认为电泵排量不变。

此时：

式中：ρl为井筒液体密度，kg/m3；ppc为泵排出口压力，MPa；ppi为泵吸入口压力，MPa；Hmax为泵最大扬程，m；H为电泵下入垂深，m。

3 应用实例

以渤海某电泵井瞬时关井为例，关井前参数见表1。

表1 渤海某电泵井关井前基本参数

应用式（6）、（13）和（16）计算得到关井井口压力曲线，其结果与实际井口压力曲线吻合程度较高（见图4）。计算得到井口压力最大值为11 MPa，误差仅为5%。

图4 渤海某油井关井井口压力曲线

4 结论

1）关井瞬间井口压力的突然增加是由水击压力引起的，而在之后井口压力的继续增加主要取决于电泵的憋压作用。

2）电泵憋压作用与电泵最大扬程有关，电泵扬程越大，电泵憋压引起的关井压力越大。

3）对于气液比较低的电泵井，本文提出的方法计算关井井口压力精度较高，而对于气液比较高的电泵井，计算方法还有待于改进。

［1］于继飞，李丽，何保生，等.海上自喷油井关井井口压力预测方法［J］.石油钻探技术，2012，40（1）：83-87.

［2］张迎进，朱忠喜，蔡敏，等.钻井泵开启和关闭瞬时水击压力计算［J］.石油钻探技术，2008，36（2）：48-50.

［3］李相方，郑权方.“硬关井”水击压力计算及其应用［J］.石油钻探技术，1995，23（3）：1-3.

［4］骆发前，何世明，黄桢，等.溢流关井时的水击压力及其影响因素［J］.钻采工艺，2006，29（3）：1-3.

［5］袁恩熙.工程流体力学［M］.北京：石油工业出版社，1986：163-168.

［6］廖新维，沈平平.现代试井分析［M］.北京：石油工业出版社，2002：206-216.

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［8］吴天江，刘显，杨海恩，等.低渗透油藏注采动态连通性评价方法［J］.断块油气田，2014，21（1）：79-82.

［9］孟琦，黄炳光，王怒涛，等.一种预测水平井产能的新方法［J］.断块油气田，2013，20（6）：740-743.

［10］陈民锋，李晓风，赵梦盼，等.启动压力影响下确定油藏有效动用半径［J］.断块油气田，2013，20（4）：462-465.

（编辑 付丽丽）

Prediction method of shut-in wellhead pressure for offshore ESP well

Yu Jifei
(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)

Shut-in wellhead pressure is very important for choosing wellhead equipment and pipeline.Water hammer pressure effect is very obvious because of the high liquid rate of offshore oil well.Considering water hammer pressure effect,pressure buildup and ESP pressure,the changing trend of wellhead pressure is discussed when oil well is shut in emergently.The calculation methods of different stages of wellhead pressure are studied.The results calculated using this method are in good agreement with the actual data.

offshore;ESP well;oil well;well shut-in;wellhead pressure

国家重大科技专项课题“多枝导流适度出砂技术”（2011ZX05024-003）

TE53

：A

10.6056/dkyqt201501030

2014-07-12；改回日期：2014-11-15。

于继飞，男，1982年生，高级工程师，2007年毕业于中国石油大学（北京），现从事油气田开发方面的科研工作。E-mail：yujf2@cnooc.com.cn。

于继飞.海上电泵井关井井口压力预测方法［J］.断块油气田，2015，22（1）：134-136.

Yu Jifei.Prediction method of shut-in wellhead pressure for offshore ESP well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：134-136.