蒲 攀 李文強(qiáng) 劉元新 劉國(guó)偉 鄒紅剛 邢俊杰

(華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

作為煤層氣井排采管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，獲取有效的人工液面信息具有如下作用：(1)對(duì)沒有安裝井下壓力計(jì)的單井進(jìn)行常規(guī)的生產(chǎn)監(jiān)控；(2)為井下故障的判斷及處理提供重要依據(jù)；為彌補(bǔ)井下壓力計(jì)安裝拆除及故障處理成本高昂和人工液面測(cè)試不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的不足，目前在部分單井嘗試采用自動(dòng)液面測(cè)試儀。但因排采井生產(chǎn)情況復(fù)雜多變，不具備良好的參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的自動(dòng)液面測(cè)試儀很難具有普遍適應(yīng)性。對(duì)人工液面測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)操作流程和讀圖解釋方法進(jìn)行分析，明確主要技術(shù)指標(biāo)，一方面可以減小液面計(jì)算誤差,獲取更加真實(shí)的井筒及管柱信息，為單井分析提供有效的參考依據(jù)，另一方面可為自動(dòng)液面測(cè)試儀的發(fā)展提供借鑒。

1 液面測(cè)試的原理

1.1 測(cè)試儀器的工作原理

目前煤層氣井聲波液面測(cè)試運(yùn)用的是油套環(huán)空中的回波反射原理，計(jì)算公式為：

其中：D表示液面深度；V表示聲速；Δt表示液面波與井口波的傳播時(shí)差。

測(cè)試儀器的井口裝置主要分為聲波擊發(fā)裝置和聲波接收裝置。聲波擊發(fā)裝置發(fā)出脈沖聲波，經(jīng)油套環(huán)空中的障礙物反射后，由微音器接收并將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。經(jīng)放大后電流信號(hào)經(jīng)由主機(jī)邏輯電路后產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，主機(jī)程序?qū)?shù)字信號(hào)處理后形成圖像。脈沖聲波分為膨脹沖擊波和壓縮沖擊波，兩種波的質(zhì)點(diǎn)初始振動(dòng)方向相反，但均平行于聲波傳播方向，分別由具有一定壓力的套管氣和外部高壓氣源擊發(fā)。

1.2 油套環(huán)空中聲波的傳播特征

液面測(cè)試儀擊發(fā)的是頻率為20Hz左右的低頻聲波，井間聲速差異主要受介質(zhì)種類、溫度和壓力影響。當(dāng)介質(zhì)主要成分為常壓空氣時(shí)，聲速約為340m/s；甲烷中的聲速值一般在430～460m/s的范圍內(nèi)。周家新等和徐愛鈞針對(duì)油氣井中聲速值的分布規(guī)律分別從深度和溫度給出校正計(jì)算方法。對(duì)于井深較小的煤層氣井，其井筒溫度與煤層產(chǎn)出的甲烷氣體基本一致，垂向差異并不顯著，因此煤層氣井筒中聲速可視為一恒定值；在油套環(huán)空內(nèi)聲波呈射線狀傳播，遇油管外壁和套管內(nèi)壁產(chǎn)生反射，傳播路徑改變；傳播介質(zhì)中某一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡為經(jīng)不同路徑同時(shí)到達(dá)該質(zhì)點(diǎn)處聲波的矢量迭加(圖1)。因此某一時(shí)刻微音器記錄下的波形受到經(jīng)不同路徑傳播后同時(shí)到達(dá)的脈沖聲波共同作用。

圖1 聲波的反射迭加示意圖

2 液面測(cè)試精準(zhǔn)度的影響因素

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試因素

為獲取高質(zhì)量的液面圖形，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程一方面需采取存信降噪措施減少雜波干擾，如對(duì)于氣量大的井在測(cè)試時(shí)關(guān)閉生產(chǎn)閥門可減少過氣聲對(duì)有用信號(hào)的干擾；另一方面應(yīng)選擇合適的擊發(fā)方式和電流增益系數(shù)，有助于得出有效波波形清楚的圖像。如圖2在某次測(cè)試中因選擇了較大的電流放大系數(shù)，在聲波擊發(fā)之前的井口雜波被當(dāng)做有用信號(hào)記錄下來。

圖2 某次測(cè)試記錄下的井口噪聲圖

2.2 讀圖解釋因素

測(cè)試儀器系統(tǒng)將井筒及液面信息通過圖像的方式記錄下來；而讀圖解釋工作就是由測(cè)試圖像反推井筒結(jié)構(gòu)獲取有效信息的過程?？蓪⒆x圖計(jì)算液面深度的過程簡(jiǎn)要分為三步：

(1)確定液面反射波和井口反射波時(shí)間域的位置，計(jì)算出兩個(gè)波之間的時(shí)差Δt；

(2)獲取聲速值V，常用的方法有聲速法、節(jié)箍法和音標(biāo)法；

(3)由公式D=V·Δt/2計(jì)算液面深度值；

2.2.1 反射波在時(shí)間域的位置確定

測(cè)試儀器選擇相鄰的兩個(gè)采集點(diǎn)的時(shí)間間隔約為1.5ms，換算為深度間隔為0.5m左右；在反射波位置的標(biāo)定不可避免受到隨機(jī)誤差的影響，這是造成液面解釋誤差的一個(gè)主要因素。測(cè)試得到的圖形表征經(jīng)由不同路徑到達(dá)微音器處的聲波的疊加，由費(fèi)馬最小時(shí)間原理可推論：首先到達(dá)微音器的波傳播路徑最契合井眼軌跡。因此反射波位置應(yīng)嚴(yán)格標(biāo)定在初始拐點(diǎn)處，這樣可最大限度減少因人的主觀因素造成的誤差。

2.2.2 聲速值的確定

對(duì)于聲速計(jì)算方法，目前投入使用的各類儀器的使用說明均提供了音速法、音標(biāo)法和接箍法三種，需要解釋工作者依據(jù)液面圖形的清晰度和資料的完整度選擇最優(yōu)方法。其中音速法適用于選擇固定聲速值對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定的單井進(jìn)行液面監(jiān)控，但對(duì)于井間液面對(duì)比和當(dāng)單井生產(chǎn)狀態(tài)變化較大時(shí)不具有太多參考價(jià)值。采用接箍法計(jì)算聲速誤差較大，如表1為對(duì)于同一圖形(圖3)采用接箍法的聲速計(jì)算結(jié)果，得出的聲速值差異性較大，且與選擇的接箍數(shù)目相關(guān)性弱。造成這種誤差的原因?yàn)楦鹘庸糠瓷洳ㄏ嗷クB加，無法將某一反射波標(biāo)定在圖形拐點(diǎn)處，選擇波峰位置作為計(jì)算點(diǎn)具有一定隨機(jī)性。

圖3 采用接箍法計(jì)算聲速示意圖

接箍數(shù)目聲速值/(m/s)液面深度/m8443.21697.1810439.86691.7912441.38694.1814439.22690.7816437.61688.2518442.59696.20

表2 采用音標(biāo)法計(jì)算反向回波深度統(tǒng)計(jì)

采用音標(biāo)法相對(duì)于接箍法具有更高的計(jì)算精度，如表2所示。因音標(biāo)反射面積較大，可有效與接箍波區(qū)分。采用“雙音標(biāo)法”可使計(jì)算結(jié)果更接近井筒內(nèi)的平均聲速值。在管柱設(shè)計(jì)時(shí)需注意，為保證波形顯示清楚，應(yīng)考慮下部音標(biāo)選擇更大一號(hào)的尺寸，同時(shí)避免因下入深度過深導(dǎo)致反射波在到達(dá)微音器之前過度衰減。

3 反向回波的區(qū)分和應(yīng)用

在計(jì)算液面深度的過程中通常只需要對(duì)井口波、音標(biāo)波、接箍波和液面波進(jìn)行位置標(biāo)定并參與計(jì)算，但這造成長(zhǎng)期以來對(duì)一些特殊波形的忽視和甚至誤解。圖4為X1井液面深度不同的兩次測(cè)試，同時(shí)該井使用井下壓力計(jì)監(jiān)控液面。當(dāng)液面在煤層以上時(shí)，測(cè)得的液面波與音標(biāo)波和井口波的初始相位一致；但液面在煤層段以下時(shí)，出現(xiàn)了與井口波和音標(biāo)波的初始相位相反的“液面波形”。表2為對(duì)一些無壓力計(jì)的井的測(cè)試結(jié)果，采用音標(biāo)法計(jì)算出這種反向回波的深度與煤層頂部深度基本一致。由此表明，這種與井口反射波相位相反的特殊波形在垂向上表征煤層射孔段頂部深度，可稱為“煤層回波”。當(dāng)液面在煤層以下一定深度以內(nèi)時(shí)，煤層回波與液面波產(chǎn)生疊加，使后者不易被分辨出來。當(dāng)液面在頂部煤層以下深度足夠時(shí)(如對(duì)于多煤層合采井)，兩波可有效區(qū)分。

圖4 X1井不同液面深度狀態(tài)下的波形圖

對(duì)于煤層回波的產(chǎn)生原因，岳強(qiáng)等認(rèn)為是射孔段涌出的水柱使聲波在此產(chǎn)生回波。但這個(gè)解釋不令人信服，因?yàn)閷?duì)于不產(chǎn)水的井同樣能測(cè)出煤層回波，同時(shí)在有套管缺失記錄的井筒段也有反向回波出現(xiàn)。筆者認(rèn)為反向回波的產(chǎn)生原因?yàn)椋壕仓心扯翁坠馨l(fā)生突變，當(dāng)聲波到達(dá)突變點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生反向回波。該突變點(diǎn)可看作一個(gè)新的聲源，這一點(diǎn)與地震勘探中繞射波的產(chǎn)生原理類似。對(duì)于反向回波的分析和認(rèn)識(shí)可以在以下方面服務(wù)于煤層氣井排采管理。

(1)可依據(jù)液面反射波與煤層回波的相位相反的特點(diǎn)快速定性判別液面是否在煤層以上；

(2)可將煤層回波作為一個(gè)天然的音標(biāo)用于計(jì)算聲速，對(duì)于液面波和煤層回波不產(chǎn)生疊加的情形，可以將此聲速用于液面深度計(jì)算；

(3)回波的振幅大小可粗略表套管的完好性，可據(jù)此識(shí)別液面以上井筒內(nèi)有無套管缺失或大幅形變，同時(shí)可為射孔質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)煤層氣井液面測(cè)試原理及對(duì)影響測(cè)試精度的主要因素進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合對(duì)大量實(shí)測(cè)資料中波形特點(diǎn)的總結(jié)，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1)為獲得高質(zhì)量的液面圖形，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的過程中應(yīng)注意減少井口雜波干擾，同時(shí)擇合適的擊發(fā)方式及電流放大系數(shù)，保障圖形清晰度。

(2)讀圖解釋過程中，將反射波位置標(biāo)定在圖形拐點(diǎn)處，有助于減少人的主觀因素造成的誤差；為減少聲速計(jì)算過程中的隨機(jī)誤差，可優(yōu)先選擇音標(biāo)法，避免選擇使用接箍法；

(3)液面反射波初始相位與井口反射波相同，出現(xiàn)的反向回波并非液面反射波，其產(chǎn)生原理與套管缺失或大幅形變有關(guān)；對(duì)反向回波的正確識(shí)別，有助于獲取真實(shí)的液面和井筒信息；

自動(dòng)液面測(cè)試儀的使用是煤層氣井液面監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)，其規(guī)模化推廣還需在現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)節(jié)自動(dòng)化和讀圖解釋智能化取得技術(shù)上的突破，以適應(yīng)煤層氣井在復(fù)雜條件下的不同生產(chǎn)特征。