劉子平,屈玲,姚夢(mèng)麟

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司,四川 成都 610051;2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣項(xiàng)目部,四川 成都 610051;3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院,四川 成都 610051)

0 引 言

油套管泄漏或套管環(huán)空竄漏檢測(cè)是油氣井井筒完整性管理中的重要環(huán)節(jié)。大多數(shù)泄漏剛開始時(shí)是少量的,隨著時(shí)間推移泄漏會(huì)加劇。在泄漏發(fā)展的早期,定位泄漏點(diǎn)可以降低補(bǔ)救成本。常規(guī)的測(cè)漏點(diǎn)技術(shù),如多臂井徑測(cè)井、電磁探傷測(cè)井、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、梯度井溫測(cè)井、井下照相機(jī)、熱中子衰減測(cè)井和噪聲測(cè)井等,很難檢測(cè)出非常小的井筒泄漏(小于3.785 L/min)。因?yàn)樾〉男孤┮鸬木残孤c(diǎn)周緣溫度、壓力、流速等特性改變較小,往往低于流體溫度、流量、壓力類測(cè)井儀器的分辨率。常規(guī)噪聲測(cè)井只能在定點(diǎn)測(cè)量模式下檢測(cè)泄漏點(diǎn)液體或氣體產(chǎn)生的聲頻段聲波能量,因受遠(yuǎn)處其他噪聲源影響,存在測(cè)井解釋多解性。

井下照相機(jī)(如DHV)雖能有效檢測(cè)各種泄漏和診斷其他問題,但是對(duì)井內(nèi)液體或氣體的清晰度要求很高。此外,用常規(guī)井眼漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù),也無法定位出現(xiàn)在多層管柱之外的泄漏。因此,在新的安全、環(huán)保形勢(shì)下,迫切需要一種適用范圍更廣、測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確的測(cè)井方法。

井筒中無論是氣態(tài)或液態(tài)的泄漏,就會(huì)產(chǎn)生次聲波、聲波以及超聲波3個(gè)頻率段的震動(dòng)。與次聲波、聲波頻率段聲波能量相比,超聲波具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、易于獲得較集中聲能等特性,而且,超聲波具有傳播距離相對(duì)較短、檢測(cè)到超聲波信號(hào)時(shí)指示泄漏位置更靠近泄漏源等優(yōu)點(diǎn)。這些特性,使其成為泄漏精確檢測(cè)的理想選擇。多年前就已經(jīng)形成了利用超聲波原理在地面對(duì)閥門和井口裝置等生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測(cè)的技術(shù)。

因此,超聲波測(cè)井可望有效地應(yīng)用于油氣井井下管柱或環(huán)空泄漏、竄槽等檢測(cè)。為此,基于超聲波地面泄漏檢測(cè)儀成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)、以及超聲波傳播的優(yōu)良特性,研制了新一代井下超聲波泄漏測(cè)井檢測(cè)儀WLD(Well Leak Detector)。

1 井下超聲波泄漏測(cè)井檢測(cè)技術(shù)

1.1 儀器結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

新一代井下超聲波泄漏檢測(cè)儀WLD由壓電晶體傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)字信號(hào)處理器、電纜數(shù)字通訊遙測(cè)系統(tǒng)等組成(見圖1)。

圖1 井下超聲波泄漏檢測(cè)儀WLD構(gòu)成

WLD使用的壓電晶體傳感器是一種高精度壓電晶體頻譜探測(cè)器,該頻譜探測(cè)器頻帶范圍包含了由泄漏產(chǎn)生的典型超聲波頻率,能夠在井筒環(huán)境下檢測(cè)到因流體泄漏在不同介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的超聲波。同時(shí),WLD配備了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器,采用高精度的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。雖然由流體泄漏產(chǎn)生的超聲波能夠在泄漏點(diǎn)1～3 m區(qū)域的鋼鐵、液體或壓縮氣體中傳播,但由于超聲波的傳播受制于傳播距離以及頻率等因素,泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的超聲波在到達(dá)壓電傳感器時(shí),因能量衰減,往往只能在壓電傳感器上產(chǎn)生非常低的電壓。為了提取出特定頻率的超聲波信號(hào),需要放大小的壓電模擬信號(hào)并通過數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)字化。WLD數(shù)字信號(hào)處理器配有大量閃速隨機(jī)存取存儲(chǔ)模塊,這些存儲(chǔ)模塊運(yùn)行一系列的模塊化的信號(hào)處理程序,實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、數(shù)字濾波、信號(hào)數(shù)字化等運(yùn)算。模塊化的信號(hào)處理程序由一系列帶通濾波算法組成,這些算法專門針對(duì)由泄漏產(chǎn)生的特征超聲波頻率而設(shè)計(jì)。濾波算法濾除由機(jī)械噪聲或其他干擾所產(chǎn)生的雜波。最終得到一種全數(shù)字化的、主要反映泄漏特征的波形信號(hào),然后通過電纜數(shù)字通訊遙測(cè)系統(tǒng)傳送到地面數(shù)字顯示系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng),形成反映泄漏信號(hào)的測(cè)井圖。

WLD用于探測(cè)井筒內(nèi)超聲波能量。測(cè)井時(shí),井筒必須要有壓力,以保持泄漏點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)。在井筒中,如果漏點(diǎn)附近存在壓差,就會(huì)在高壓端(或低壓端)產(chǎn)生壓力降低(或升高)。這種壓力變化將產(chǎn)生紊流,同時(shí)發(fā)出特定頻率的超聲波。當(dāng)WLD經(jīng)過漏點(diǎn)時(shí),其壓電晶體傳感器將捕獲該超聲波并產(chǎn)生較低的電流。儀器中的信號(hào)處理器對(duì)記錄的超聲波波譜進(jìn)行處理與數(shù)字化,抑制與漏點(diǎn)無關(guān)的聲波數(shù)據(jù),并將它們處理成無量綱的數(shù)值。壓電晶體傳感器對(duì)被捕捉的超聲波波譜按設(shè)定的中高頻段、超高頻段2個(gè)特定頻譜段和全頻段進(jìn)行數(shù)字處理后,輸出無量綱的中高頻段超聲波能量測(cè)井曲線WLDB、超高頻段超聲波能量測(cè)井曲線WLDC和全頻段超聲波能量測(cè)井曲線WLDA。儀器產(chǎn)生的基線值隨著傳感器的不同以及作業(yè)井的不同而變化。如果儀器附近沒有超聲波源,其WLDB和WLDC的基線值大致在650～1 500,WLDA的基線值大約在3 750～5 000。當(dāng)儀器經(jīng)過被激活的漏點(diǎn)時(shí),傳感器將捕獲漏點(diǎn)處紊流所發(fā)出的超聲波信號(hào),輸出的測(cè)井曲線值在該深度附近急劇增加,形成陡峰,峰頂對(duì)應(yīng)的深度即為漏點(diǎn)位置。不同漏點(diǎn)產(chǎn)生的超聲波差異較大,這取決于井筒中漏點(diǎn)形狀、漏點(diǎn)兩側(cè)的壓差、傳播介質(zhì)等。

1.2 WLD儀器主要技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)

儀器串長(zhǎng)度9 m(含加重桿長(zhǎng)度);儀器探頭長(zhǎng)度0.6 m;儀器重量100 kg(含加重桿重量);適用最高溫度150 ℃;適用最高壓力105 MPa;儀器最大測(cè)井速度10 m/min;儀器外徑43 mm;儀器組合能力可與第三方所有可掛接GE Sondex公司W(wǎng)arrior測(cè)井系統(tǒng)儀器組合測(cè)井;儀器測(cè)井傳輸方式為鋼絲、電纜、連續(xù)油管傳輸。

1.2.1 探測(cè)精度高

WLD采用新型的壓電晶體頻譜探測(cè)器,以及新的井下數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和處理器,大大提高了井下泄漏超聲波的測(cè)井精度和數(shù)據(jù)處理速度,使得連續(xù)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在正常測(cè)井速度下能在標(biāo)準(zhǔn)電纜中傳送。測(cè)量探頭能對(duì)液體或壓縮氣體(壓差>4 MPa)通過漏點(diǎn)產(chǎn)生的紊流發(fā)出的超聲波響應(yīng)靈敏,即使在井筒流體流動(dòng)較小的情況下,WLD測(cè)量的WLDB、WLDC和WLDA曲線也能準(zhǔn)確識(shí)別出漏點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,WLD能識(shí)別出0.02～5 000 L/min的漏點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,WLD能檢測(cè)出漏速低于0.02 L/min的漏點(diǎn)。

1.2.2 漏點(diǎn)位置確定精度準(zhǔn)

與早期使用的井眼噪聲示蹤測(cè)井儀,如BATS(Borehole Audio Trace Survey)等相比,WLD將井下泄漏點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲中超聲波頻率段作為測(cè)量對(duì)象,漏點(diǎn)定位更加準(zhǔn)確。超聲波傳播的距離相對(duì)較短,當(dāng)WLD檢測(cè)到這種性質(zhì)的超聲波信號(hào)時(shí),檢測(cè)儀器就已經(jīng)靠近泄漏源。試驗(yàn)表明,這種儀器在油管、套管及其他的承壓完井設(shè)備中對(duì)于漏速0.1 L/min的泄漏的定位精度達(dá)3 ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明,WLD連續(xù)測(cè)井技術(shù)定位泄漏異常點(diǎn)時(shí),比通常用的聲頻段噪聲點(diǎn)測(cè)的方法更有效,多層油管或套管間的泄漏也可以被檢測(cè)到。該儀器可有效地定位其他測(cè)井診斷方法不能定位的泄漏。

1.2.3 測(cè)量時(shí)效高

WLD不僅能清楚地探測(cè)井筒中存在的多個(gè)漏點(diǎn),而且能夠在多層管柱測(cè)量環(huán)境中,可在內(nèi)層管柱中(如油管)對(duì)外層管柱(如在套管)上存在的漏點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。同時(shí),WLD具有連續(xù)深度測(cè)量和定點(diǎn)深度測(cè)量2種泄漏檢測(cè)測(cè)井方式,可實(shí)現(xiàn)高效、精確測(cè)量。連續(xù)深度測(cè)量方式記錄各個(gè)深度的超聲波信號(hào),可組合套管接箍定位器等儀器,給漏點(diǎn)進(jìn)行深度定位;定點(diǎn)深度測(cè)量方式記錄某一深度點(diǎn)超聲波隨時(shí)間變化情況,這種方式用于確認(rèn)漏點(diǎn)是否連續(xù)以及給漏點(diǎn)精確定位。精確定位漏點(diǎn)往往需要借助于對(duì)井筒(井口)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)等措施,即通過調(diào)節(jié)漏點(diǎn)兩側(cè)的壓差來改變漏速,觀察儀器對(duì)此做出的反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)精確定位漏點(diǎn)的目的。

1.2.4 測(cè)井方式靈活

WLD可采取鋼絲、電纜、連續(xù)油管等多種傳輸方式測(cè)井。在進(jìn)行漏點(diǎn)檢測(cè)時(shí),可以在油氣水井開井或關(guān)井狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。同時(shí),為了便于校深或綜合分析,還可與磁定位器等下井儀器組合測(cè)井。

2 應(yīng)用效果分析

2.1 LG2井基本情況

LG2井是四川盆地龍崗氣田的1口預(yù)探井,完鉆后對(duì)長(zhǎng)興組下段6 169～6 194 m、長(zhǎng)興組上段6 112～6 132 m、飛仙關(guān)組5 953～5 967 m與5 982～5 990 m井段,儲(chǔ)層分3層進(jìn)行試油。除長(zhǎng)興組下段測(cè)試產(chǎn)水外,長(zhǎng)興組上段以及飛仙關(guān)組測(cè)試氣產(chǎn)量分別為71.20×104、100.8×104m3/d,產(chǎn)層中部地層壓力分別為62.16 MPa和61.35 MPa,硫化氫含量分別為197、68.9、49.5 g/m3,屬典型的高壓、高產(chǎn)、高含硫氣井。在每層試油測(cè)試結(jié)束后,分別下電纜橋塞對(duì)各層進(jìn)行暫閉,橋塞塞面井深分別為6 158、6 053.34、5 944.80 m。此外,因長(zhǎng)興組上段試油時(shí)發(fā)現(xiàn)7 in套管回接筒附近存在竄漏,故飛仙關(guān)組試油結(jié)束后,還在井深3 449.11 m處打水泥塞進(jìn)行暫閉,且水泥塞面之上替換為密度1.21 g/cm3的壓井液,等待地面集輸、凈化系統(tǒng)建成后再進(jìn)行修井投產(chǎn)。

在等待投產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)LG2井井口出現(xiàn)壓力異常:油管內(nèi)A環(huán)空(油管與Φ177.8 mm套管環(huán)空)、B環(huán)空(Φ177.8 mm與Φ244.5 mm套管環(huán)空)、C環(huán)空(Φ244.5 mm與Φ339.7 mm套管環(huán)空)均帶壓,油管內(nèi)壓力由0 MPa升高至20 MPa;A環(huán)空壓力由0 MPa升高至24 MPa;B環(huán)空壓力由0 MPa升高至19.8 MPa(之后采取泄壓保護(hù)措施);C環(huán)空壓力由0 MPa升高至0.4 MPa。且各壓力呈上升趨勢(shì)。

為了找出井口帶壓原因,以便制定下一步修井方案,決定進(jìn)行井筒找漏測(cè)井。在找漏測(cè)井之前,泄掉井筒油管內(nèi)及A、B、C環(huán)空壓力,壓井起出原井筒內(nèi)油管管柱,鉆開井深3 449.11 m的水泥塞,下光油管柱至5 485 m,換裝采氣井口,然后全井筒替換成清水關(guān)井觀察,并等待測(cè)井找漏施工。

2.2 LG2井梯度井溫、BATS噪聲測(cè)井聯(lián)合找漏與測(cè)井解釋

在進(jìn)行WLD測(cè)井前,開展了梯度溫度測(cè)井(包括:靜態(tài)與動(dòng)態(tài)梯度溫度測(cè)井)和BATS噪聲測(cè)井。靜態(tài)梯度溫度測(cè)井時(shí),油管內(nèi)關(guān)井壓力為2.5 MPa、A環(huán)空關(guān)井壓力為2 MPa、B環(huán)空關(guān)井壓力為18 MPa。繼續(xù)關(guān)井24 h后,實(shí)施動(dòng)態(tài)梯度溫度和BATS噪聲測(cè)井。此時(shí),油管內(nèi)關(guān)井壓力仍為2.5 MPa、A環(huán)空關(guān)井壓力仍為2 MPa,但B環(huán)空關(guān)井壓力由18 MPa升至20 MPa。鑒于A環(huán)空壓力低、壓力恢復(fù)緩慢、泄壓后其壓力瞬間降為0 MPa,故在進(jìn)行動(dòng)態(tài)梯度溫度和BATS噪聲測(cè)井時(shí),同時(shí)打開A、B環(huán)空泄壓,以維持井筒內(nèi)天然氣的持續(xù)流動(dòng)。打開A、B環(huán)空后,環(huán)空壓力很快降為0 MPa,放噴泄壓出口點(diǎn)火火焰高度由4.5 m降至0.4 m,并一直持續(xù)0.4 m的火焰高度,直到測(cè)井結(jié)束關(guān)閉A、B環(huán)空。

圖2、圖3分別為梯度井溫和BATS噪聲測(cè)井成果圖。從圖2中的梯度溫度井溫測(cè)量結(jié)果可以看出,靜態(tài)梯度溫度曲線與動(dòng)態(tài)梯度溫度曲線基本重合,沒有明顯的梯度溫度異常指示,微差井溫曲線也無井溫異常指示,未能識(shí)別出泄漏點(diǎn)。在圖3的BATS噪聲測(cè)井圖中,井深3 301.7 m處的7 in回接筒竄漏點(diǎn)及上、下位置附近,BATS噪聲測(cè)井儀器獲取的200、600 Hz、1、2、4、6 kHz等6個(gè)頻率噪聲幅度曲線也沒有明顯的泄漏異常指示。這可能是由于泄漏點(diǎn)天然氣的泄漏量小,梯度溫度測(cè)井、常規(guī)的噪聲測(cè)井儀器等對(duì)泄漏點(diǎn)無法分辨所致。

圖2 LG2井找漏梯度井溫測(cè)井成果圖

圖3 LG2井BATS噪聲測(cè)井成果圖

2.3 WLD在LG2井找漏中的應(yīng)用

圖4 LG2井WLD與WAF測(cè)井找漏成果圖

針對(duì)上述狀況,采用WLD儀并組合井筒環(huán)空流體超聲波探測(cè)儀WAF(Well Annular Flow)進(jìn)行測(cè)井找漏,以查找泄漏點(diǎn)和B環(huán)空等起壓原因。在測(cè)井找漏施工時(shí),首先關(guān)閉油管、A、B、C環(huán)空等,且井口不采取任何泄壓措施,進(jìn)行了第1趟全井段測(cè)井,測(cè)井成果見圖4。

圖5 WLD過漏點(diǎn)(3 301.7 m處)多次檢測(cè)測(cè)井成果圖

從圖4中WLD的2個(gè)頻率段超聲波能量曲線WLDB、WLDC和全頻率段超聲波能量曲線WLDA,以及WAF的7個(gè)頻率段超聲波能量曲線WAFB、WAFC、WAFD、WAFE、WAFF、WAFG、WAFH和全頻率段超聲波能量曲線,可見井深1 000 m以淺井段、1 500 m深度附近、2 000 m深度附近、3 500 m以深井段等,存在明顯超聲波能量高異常特征,指示出多個(gè)管外天然氣竄漏的疑似井段、以及不同井段流體在管外水泥竄槽中竄漏時(shí)超聲波能量的差異。在WAF成像圖上,更直觀地顯示出不同井段管外天然氣竄漏后形成的超聲波能量變化特征(色標(biāo)顏色越紅,表示超聲波能量越強(qiáng))。

通過逐段多次測(cè)量與精細(xì)解釋,發(fā)現(xiàn)WLD的3條超聲波能量曲線WLDA、WLDB、WLDC在井深3 301.7 m處存在明顯超聲波能量高異常特征,指示泄漏點(diǎn)的存在,見圖5箭頭指示位置。

此外,為了考證第1趟WLD與WAF組合測(cè)井中發(fā)現(xiàn)的多個(gè)疑似泄漏點(diǎn)的真?zhèn)?保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,隨后還在油管與A環(huán)空加壓、B環(huán)空壓力泄壓等7種不同工況條件下進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)井,證實(shí)了井深3 301.7 m處(7 in套管回接筒區(qū)域)漏點(diǎn)的真實(shí)性。測(cè)井成果見圖5及表1。

同時(shí),還對(duì)井深3 301.7 m處漏點(diǎn)以及其他疑視井段進(jìn)行了多次定點(diǎn)測(cè)量。圖6為井深3 301.7 m處漏點(diǎn)定點(diǎn)測(cè)量成果,可以看出,WLD測(cè)得的3條超聲波能量曲線隨著油管和A環(huán)空壓力增大,其測(cè)量結(jié)果逐漸降低,直至接近儀器測(cè)量的本底值。結(jié)合表1和圖5,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)油管和A環(huán)空處于低壓時(shí),漏點(diǎn)容易被WLD探測(cè)到(見圖5中WLD多次測(cè)量結(jié)果中的第1、2、3、4、5次測(cè)井成果);當(dāng)油管和A環(huán)空處于高壓時(shí),漏點(diǎn)則不易被WLD識(shí)別(見圖5中WLD多次測(cè)量結(jié)果中的第6、7次測(cè)井成果)。圖7為同一壓差條件下井深3 301.7 m處漏點(diǎn)附近多個(gè)深度點(diǎn)WLD定點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的綜合圖,從圖7可見,越靠近漏點(diǎn)深度處,WLD測(cè)得超聲波能量曲線數(shù)值越大,直至達(dá)到最高值。故WLD超聲波能量曲線幅度最高值對(duì)應(yīng)深度,即為WLD檢測(cè)出的漏點(diǎn)精確位置。

表1 WLD過漏點(diǎn)(3 301.7 m處)多次泄漏檢測(cè)測(cè)井統(tǒng)計(jì)表

圖6 LG2井漏點(diǎn)不同油套環(huán)空壓力下WLD測(cè)井成果圖

圖7 LG2井漏點(diǎn)及漏點(diǎn)附近WLD測(cè)井成果圖

此外,綜合鉆井、錄井、裸眼測(cè)井解釋等成果,還可以分析得到LG2井管外竄槽測(cè)井解釋結(jié)論,即:1號(hào)、2號(hào)儲(chǔ)層天然氣是C環(huán)空帶壓的直接氣源,3號(hào)、4號(hào)儲(chǔ)層天然氣是導(dǎo)致B環(huán)空帶壓的直接氣源。B環(huán)空中竄槽的天然氣還通過7 in套管回接筒井深3 301.7 m的泄漏點(diǎn),直接進(jìn)入A環(huán)空,造成A環(huán)空、與A環(huán)空連通的油管帶壓。而且,B環(huán)空竄漏的天然氣,在沿B環(huán)空水泥環(huán)薄弱通道向上往井口方向竄漏的同時(shí),還沿B環(huán)空水泥環(huán)薄弱通道,向下部低壓地層竄漏(見圖4)。

3 結(jié) 論

(1) 新一代井下超聲波泄漏檢測(cè)儀高精度壓電晶體頻譜探測(cè)器及先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用,提高了儀器的測(cè)量精度和信噪比。

(2) 新一代井下超聲波泄漏檢測(cè)儀連續(xù)深度測(cè)量和定點(diǎn)深度測(cè)量2種漏失檢測(cè)測(cè)井方式,大大提高了測(cè)井效率、以及定位深度的準(zhǔn)確性。

(3) WLD井下超聲波泄漏檢測(cè)儀在LG2井井下復(fù)雜泄漏檢測(cè)環(huán)境下的成功應(yīng)用表明,WLD能夠檢測(cè)微小的泄漏,即使在外層水泥環(huán)或套管存在竄漏等復(fù)雜環(huán)境下,也能識(shí)別內(nèi)層管柱上的泄漏。可望為查找四川油氣田“三高油氣井”等井筒泄漏提供更準(zhǔn)確的測(cè)井檢測(cè)手段,有助于“三高氣井”等井口帶壓治理工作的科學(xué)決策。