一种治理气井环空带压的方法技术领域
本发明涉及天然气井生产安全控制管理技术领域，尤其涉及一种治理气井环空带
压的方法。
背景技术
天然气井在完井后，根据井身结构特点由内向外依次为生产管柱、A环空、B环空、C
环空等。其中生产管柱内空间为天然气生产流动通道，生产管柱是保证高压天然气安全流
向地面重要安全屏障。随着气田开发时间的增长，生产管柱会出现管体腐蚀穿孔、封隔器密
封失效、丝扣泄漏等一系列破坏，进而使高压天然气通过破坏点泄漏到A环空中去，造成环
空带压。气井环空带压存在高压天然气泄漏到浅层地层或造成井喷的可能性，是油气生产
过程中的重大安全隐患。尤其是近些年随着海上石油开发活动的增加，海上气井环空带压
问题已经十分突出。目前，我国海上油气田有300余口井不同程度存在环空带压问题，甚至
有的平台出现多口气井因环空压力异常高而关井停产。因此，气井环空带压治理方法对提
高中海油作业水平、保障气井安全生产具有重要意义。
目前，天然气井环空带压主要治理手段为：环空带压轻微时，可定期通过环空泄压
阀将环空内的气体泄去。而针对因管柱泄漏引起的严重环空带压问题，只能将生产管柱起
出，查找出泄漏途径，更换新的生产管柱。以上方法，前者需要定期监测、泄放，操作麻烦，同
时存在因反复泄压流动造成泄漏点因冲蚀而加剧环空带压的可能性。后者需要关井停产，
作业复杂、成本高。因此开发一种能够在在地面不动管柱、不停产治理环空带压的技术方法
具有十分重要的意义。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种治理气井环空带
压的方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种治理气井环空带压的方法，能够在气井不停产的情况
下去除气井环空内压力，并使其长期保持稳定状态，提高天然气井生产作业的安全性。
本发明的目的是这样实现的，一种治理气井环空带压的方法，所述治理气井环空
带压的方法是通过地面向环空带压气井的气井环空中补充注入密度大于产气的补充环空
保护液，阻止气井生产管柱内的产气向气井环空中泄漏，降低环空带压气井的气井环空压
力。
在本发明的一较佳实施方式中，该治理方法包括以下步骤：
a)在产气量为第一产气量时，设立所述气井生产管柱的压力剖面，设定为第一压
力剖面；设立所述气井环空在环空带压稳定状态下的压力剖面，设定为第二压力剖面，设立
所述气井环空在气井环空井口压力为0时的压力剖面，设定为第三压力剖面；
b)设定所述第一压力剖面与所述第二压力剖面的交点为稳定压力平衡点；设定所
述第一压力剖面与所述第三压力剖面的交点为初始压力平衡点；所述气井生产管柱上的泄
漏点位于所述初始压力平衡点的上方，所述生产管柱内的产气在压差的作用下经所述泄漏
点泄漏到气井环空；
c)泄去环空带压气井的气井环空井口压力；
d)向气井环空内注入预定高度的、且密度大于产气的补充环空保护液，使所述泄
漏点位置的气井环空压力与所述生产管柱内相对位置的压力达到平衡，使气井环空井口压
力降为0。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤d)中，所述气井环空井口的压力降低值
为ΔP，所述环空带压气井的井斜角为θ，所述补充环空保护液的密度为ρ，向所述气井环空
内注入的所述补充环空保护液的高度为ΔH，所述补充环空保护液的高度对应的环空压力
变化值为ΔPc，则，ΔP＝cosθ·ρgΔH-ΔPc。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤d)中，根据向所述气井环空内注入所述
补充环空保护液时的环空井口压力值和温度信息设立第四压力剖面。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤a)中，所述生产管柱内设置能测量深度
和压力数据的测井仪器，通过所述测井仪器在产气量为所述第一产气量时测出的所述深度
和压力数据设立所述第一压力剖面。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤a)中，根据环空带压稳定状态下的环空
井口压力值和温度信息设立所述第二压力剖面。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤a)中，通过套管头闸板阀将气井环空带
压后的气井环空井口压力泄为0，根据泄压后的气井环空井口压力值和温度信息设立所述
第三压力剖面。
在本发明的一较佳实施方式中，所述步骤c)中，通过套管头闸板阀泄去所述气井
环空井口压力。
由上所述，本发明的一种治理气井环空带压的方法具有如下有益效果：
(1)本发明提供的治理气井环空带压的方法，通过地面向气井环空补充注入密度
远大于产气的补充环空保护液，使稳定环空压力剖面与生产管柱压力剖面在泄漏点位置设
立平衡且将气井环空压力降为0。该操作简单易行，可以在气井不停产的状态下降低气井环
空井口压力，能够有效阻止气井环空带压发展趋势；
(2)本发明提供的治理气井环空带压的方法中，注入的补充环空保护液为天然气
完井环空保护液，不破坏原始生产管柱环境状态，在有效降低气井环空井口压力的同时能
够保护生产管柱和套管柱，防止生产管柱和套管柱腐蚀；
(3)本发明提供的治理气井环空带压的方法降低了治理成本，具有方便、有效、经
济的优势，对提高天然气井安全生产保障水平有重要意义。
(4)本发明提供的治理气井环空带压的方法可以广泛应用于气井环空带压治理方
面，包括海上天然气井、陆上天然气井、页岩气井等。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为本发明的初始状态气井及第一压力剖面、第二压力剖面和第三压力剖面示
意图。
图2：为本发明的注入补充环空保护液后气井及第一压力剖面、第二压力剖面和第
四压力剖面示意图。
图3：为图2中B处放大图。
图4：为本发明的治理气井环空带压的方法的流程图。
图中：
1、生产管柱；11、泄漏点；
2、套管柱；
3、气井环空；31、套管头闸板阀；
4、封隔器；
5、原始环空保护液；
6、补充环空保护液。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发
明的具体实施方式。
本发明提供一种治理气井环空带压(如图1、图2所示，天然气井内，生产管柱1与套
管柱2之间构成气井环空3，生产管柱1上套设有封隔器4，气井环空3中位于封隔器4的上方
为原始环空保护液5，设定原始环空保护液5的液面处深度为zl，在气井井口处设置有套管
头闸板阀31，套管头闸板阀31与气井环空连通设置，气井环空3能够通过套管头闸板阀31进
行泄压。当封隔器4上方的生产管柱1侧壁上出现泄漏点11，生产管柱1内的产气经泄漏点11
泄漏到气井环空3，造成气井环空带压。)的方法，该方法是通过地面向环空带压气井的气井
环空3中补充注入密度大于产气的补充环空保护液(补充环空保护液为常用环空保护液，具
体材质在此不再赘述)，阻止生产管柱1内的产气向气井环空3中泄漏，降低环空带压气井的
气井环空压力。该操作简单易行，可以在气井不停产的状态下降低气井环空压力，能够有效
阻止气井环空带压发展趋势，提高天然气井生产作业的安全性。
进一步，本发明的治理气井环空带压的方法的具体流程如图4所示，包括以下步
骤：
步骤a)、在产气量为第一产气量时(即满足产气量形同的前提下)，设立气井生产
管柱的压力剖面，设定为第一压力剖面Ⅰ(生产管柱压力剖面)；设立气井环空在环空带压稳
定状态下的压力剖面，设定为第二压力剖面Ⅱ(稳定状态环空压力剖面)，设立气井环空在
气井环空井口压力为0时的压力剖面，设定为第三压力剖面Ⅲ(初始环空压力剖面)；设定各
压力剖面中压强为P，深度为z。
在本实施方式中，如图1、图2所示，生产管柱1内设置能测量井深和压力数据的测
井仪器(图中未示出，现有技术，可以是深度与压力的监测感应仪，能将监测数据传送至地
面)，需要测量时将测井仪器下入生产管柱1内，测量后上提出井，根据测井仪器在产气量为
第一产气量时测出的井深和压力数据设立第一压力剖面Ⅰ，第一压力剖面Ⅰ如图1、图2所示。
根据环空带压稳定状态下的环空井口压力值和温度信息设立第二压力剖面Ⅱ(稳
定状态环空压力剖面)，第二压力剖面Ⅱ如图1、图2所示。环空带压稳定状态可以是气井环
空压力保持在一个稳定值P1时、且未泄压前的状态，环空带压稳定状态还可以是气井环空
压力达到稳定值P1后泄压，之后压力又上升并稳定到泄压前的稳定值P1的状态。设立第二
压力剖面时，可以将原始环空保护液5上方的气井环空分为若干井段，利用每个井段底部压
力与顶部压力之间的关系依次计算得出第二压力剖面Ⅱ的相关数值，对于每个井段有如下
的计算关系式：
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式中，Pci+1为井段底部压力，Pci为井段顶部压力，Mg为气体相对摩尔质量，g为重力
加速度，Δz为井段深度，Z为天然气压缩系数，R为理想气体常数，T为环空温度。
井口首段的井段的顶部压力即为气井环空井口压力，可以通过压力计(现有技术)
测量得出，进而可以依次计算每个井段的环空压力，最终计算出原始环空保护液5上方的气
井环空全井段压力。特殊的，对于原始环空保护液5下方的气井环空，环空压力可以通过下
式计算：
Pc＝Pcl+cosθ·ρg(z-zl)
式中，Pc为环空压力，Pcl为液面处环空压力，θ为井斜角，ρ为环空保护液密度，z为
深度，zl为原始环空保护液的液面深度。
进一步，气井环空带压后，通过套管头闸板阀将气井环空井口压力泄为0，根据泄
压后的气井环空井口压力值和温度信息设立第三压力剖面Ⅲ(初始环空压力剖面)，第三压
力剖面Ⅲ如图1所示。
设立第一压力剖面Ⅰ(生产管柱压力剖面)、第二压力剖面Ⅱ(稳定状态环空压力剖
面)、第三压力剖面Ⅲ(初始环空压力剖面)时的具体的深度、压力数据采集的方法属于现有
技术。
步骤b)、生产管柱1内为流动的产气，而气井环空3中为静止的气体，根据流体力学
原理，由于生产管柱1内产气存在流动阻力，导致在原始环空保护液5液面上方的位置处，生
产管柱1内的压力梯度大于气井环空3中的压力梯度(压力梯度是指单位深度的压力变化
值，即压差除以深度差)。而在原始环空保护液5液面下方的位置处，气井环空3中的压力梯
度大于生产管柱1内的压力梯度。因此，在一定条件下和同一坐标系下，会出现第一压力剖
面Ⅰ与第二压力剖面Ⅱ、第三压力剖面Ⅲ相交的特点。
如图1所示，设定第一压力剖面Ⅰ(生产管柱压力剖面)与第二压力剖面Ⅱ(稳定状
态环空压力剖面)的交点为稳定压力平衡点a1；设定第一压力剖面Ⅰ(生产管柱压力剖面)与
第三压力剖面Ⅲ(初始环空压力剖面)的交点为初始压力平衡点a2。
由图1中可见，在完井初始阶段气井环空井口压力为0，第一压力剖面Ⅰ与第三压力
剖面Ⅲ相交于初始压力平衡点，在初始压力平衡点上方的生产管柱1内的压力大于气井环
空3内的压力。当初始压力平衡点上方的生产管柱1侧壁上出现泄漏点11，生产管柱1内的产
气在压差的作用下经泄漏点11泄漏到气井环空3，使气井环空3内的压力升高，造成环空带
压现象(需要说明的是，根据压力平衡原理，生产管柱的泄漏点在初始压力平衡点下方时，
泄漏点位置的气井环空压力大于生产管柱内的压力，气井环空压力不会上升)。当泄漏点11
两侧的压力相等时，生产管柱1内的气体不再进入气井环空3中，气井环空压力不再升高达
到稳定阶段，此时第一压力剖面Ⅰ与第二压力剖面Ⅱ相交，构成稳定压力平衡点。
步骤c)、泄去气井环空井口压力。通过套管头闸板阀31泄去气井环空井口压力。在
注入补充环空保护液前必须先泄压，否则在气井环空中呈动态平衡，井口(上边)注液而井
内泄漏点11漏液，泄压后环空压力小于生产管柱内压力，确保井口(上边)注液而井内泄漏
点11不漏。
步骤d)向气井环空内注入预定高度的、且密度大于产气的补充环空保护液，使泄
漏点位置的气井环空压力与生产管柱内的压力达到平衡，使气井环空井口压力降为0。
如图2所示，当初始压力平衡点上方的生产管柱1侧壁上出现泄漏点11，生产管柱1
内的产气在压差的作用下经泄漏点11泄漏到气井环空3，造成环空带压现象。欲降低环空带
压气井的环空压力，需要阻止生产管柱1内的产气向气井环空3中泄漏。为阻止产气泄漏，使
用柱塞泵通过套管头闸板阀31向气井环空3内注入预定高度的、且密度大于产气的补充环
空保护液6，这样利用液体的密度远大于气体密度的性质，使泄漏点11位置处的气井环空压
力和生产管柱1内的压力平衡，生产管柱1内的产气不再向气井环空3中泄漏。注液后，环空
保护液的液面升高，此时，需设立注液后环空压力剖面，设定为第四压力剖面Ⅳ(注液后环
空压力剖面)，第四压力剖面Ⅳ如图2所示；持续注液过程中，第四压力剖面Ⅳ的井口压力值
逐渐降低，直至补充环空保护液6的液面上部的气井环空保持压力为0时，注入的补充环空
保护液6达预定高度，停止注液。
在本实施方式中，气井环空井口压力降低值与注入气井环空的补充环空保护液6
高度之间的关系为：
ΔP＝cosθ·ρgΔH-ΔPc。
式中，ΔP为环空井口压力降低值，θ为井斜角，ρ为补充环空保护液密度，ΔH为注
入的补充环空保护液的高度，ΔPc为补充环空保护液的高度对应的环空压力变化值，由于
ΔPc的值比较小，计算时可以忽略不计。气井环空井口压力降低值与注入气井环空的补充
环空保护液6高度之间的关系如图3所示。
泄压后注入的补充环空保护液6提高了环空保护液面，同时使原始环空保护液5上
方的生产管柱1和套管柱2浸泡在补充环空保护液6中，防止生产管柱1和套管柱2腐蚀。
由上所述，本发明的一种治理气井环空带压的方法具有如下有益效果：
(1)本发明提供的治理气井环空带压的方法，通过地面向气井环空补充注入密度
远大于产气的补充环空保护液，使稳定环空压力剖面与生产管柱压力剖面在泄漏点位置设
立平衡且将气井环空压力降为0。该操作简单易行，可以在气井不停产的状态下降低气井环
空井口压力，能够有效阻止气井环空带压发展趋势；
(2)本发明提供的治理气井环空带压的方法中，注入的补充环空保护液为天然气
完井环空保护液，不破坏原始生产管柱环境状态，在有效降低气井环空井口压力的同时能
够保护生产管柱和套管柱，防止生产管柱和套管柱腐蚀；
(3)本发明提供的治理气井环空带压的方法降低了治理成本，具有方便、有效、经
济的优势，对提高天然气井安全生产保障水平有重要意义。
(4)本发明提供的治理气井环空带压的方法可以广泛应用于气井环空带压治理方
面，包括海上天然气井、陆上天然气井、页岩气井等。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何
本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均
应属于本发明保护的范围。