樊建春 梁政偉 劉 迪 劉書杰

(1. 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院 北京 102249； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

隨著海洋油氣、深層石油天然氣勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，高壓氣井的比重日益增加。與此同時，高壓氣井的井筒環(huán)空帶壓問題日益突出，一旦高壓氣井井筒完整性出現(xiàn)問題，不僅使CO2和H2S等腐蝕性氣體進(jìn)入油套環(huán)空而腐蝕套管內(nèi)壁，而且會導(dǎo)致套管長時間承受高壓，存在天然氣竄漏至地層、泄漏至井口的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致整個油氣井報(bào)廢，甚至造成人員傷亡。研究表明，環(huán)空帶壓問題已成為海上及陸地油田面臨的共同難題[1-8]，因此油管泄漏檢測技術(shù)對于提高海上生產(chǎn)井的安全保障技術(shù)水平具有十分重要的意義。

目前，井下檢測技術(shù)較為成熟，主要有多點(diǎn)井徑測井、溫度測井、超聲波成像檢測等技術(shù)方法[9-11]，已在油田廣泛應(yīng)用。經(jīng)過對各種泄漏檢測方法的對比，聲波檢測泄漏具有較高的精確度及靈敏度，可以精確地定位泄漏點(diǎn)的位置。目前，地面管道泄漏聲波檢測裝置的研究已頗為成熟，可以對地面油氣管道的泄漏情況進(jìn)行較好的模擬[12-13]。但是由于井下管柱具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的井口條件，如存在多層管柱、油套管材質(zhì)差異、井下高壓力大流量天然氣流動等，現(xiàn)階段研究技術(shù)很難對井下工況條件進(jìn)行模擬。因此，筆者在對油管泄漏檢測試驗(yàn)裝置原理研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套油管泄漏地面檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠設(shè)置不同泄漏條件模擬井筒內(nèi)流體典型流動，可完成高壓力下聲波泄漏檢測法的各種試驗(yàn)。

1 油管泄漏地面檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 主要結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的油管泄漏地面檢測系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，即油管泄漏模擬系統(tǒng)和基于虛擬器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。在結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件和以往管道泄漏模擬相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了油管泄漏模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以1∶1原尺寸模擬現(xiàn)場實(shí)際管柱及井口結(jié)構(gòu)，分為管柱模擬和流體模擬兩部分，其中管柱模擬主要是對管體及環(huán)空、井口裝置以及管柱中液面的模擬，流體模擬主要包括氣體產(chǎn)生、壓縮、控制及流動等部分?；谔摂M儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為硬件與軟件兩部分，其中硬件部分又可分為對聲波數(shù)據(jù)采集和常規(guī)數(shù)據(jù)采集。

圖1 油管泄漏地面檢測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)Fig .1 Main structure of the tubing leakage detection system

1.2 主要功能

本文設(shè)計(jì)的油管泄漏地面系統(tǒng)能夠模擬井下多層油套管柱結(jié)構(gòu)和管柱與井口設(shè)備的連接條件，能夠?qū)π孤┬螤?、尺寸、泄漏流量進(jìn)行有效的控制，能夠控制生產(chǎn)管柱材質(zhì)、尺寸等參數(shù)，從而可以更好地從理論和實(shí)踐方面對油管泄漏進(jìn)行深入的研究，便于后續(xù)室內(nèi)泄漏聲波檢測試驗(yàn)研究的開展。

2 油管泄漏模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油管泄漏模擬系統(tǒng)主要對生產(chǎn)管柱和流體進(jìn)行模擬，其中管柱模擬部分又分為對管體及環(huán)空部分、井口部分以及井中的液面部分，如圖2所示。該模擬系統(tǒng)的工作原理是：通過壓縮機(jī)將制氣系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓氣體從低壓儲氣罐經(jīng)過加壓后泵入高壓儲氣罐儲存，并通過操作控制系統(tǒng)使得高壓儲罐中的氣體流入測試系統(tǒng)再經(jīng)過出口流入外部系統(tǒng)。在氣體流經(jīng)系統(tǒng)的過程中，由于油管壁上泄漏孔內(nèi)外存在壓差，氣體會通過泄漏孔從油管向環(huán)空內(nèi)泄漏，通過調(diào)節(jié)氣源使得油管內(nèi)氣體形成穩(wěn)定流動，即實(shí)現(xiàn)了對井下油管泄漏的模擬。

圖2 油管泄漏模擬系統(tǒng)Fig .2 Tubing leakage simulation system

2.1.1管柱模擬

1) 管體及環(huán)空部分。

一般油氣井中存在至少4層油套管結(jié)構(gòu)，即表層套管、技術(shù)套管、生產(chǎn)套管及油管,形成至少A(油套環(huán)空)、B(技套環(huán)空)、C(技表環(huán)空)等3個環(huán)空[14]。該系統(tǒng)選擇對A環(huán)空進(jìn)行模擬，即模擬油套環(huán)空的情況，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，內(nèi)層管選用N80材質(zhì)外徑88.9 mm的油管(可更換其他材質(zhì)、尺寸)，外層管選用外徑244.475 mm的套管，內(nèi)外管嵌套放置形成環(huán)空，如圖2所示。該系統(tǒng)采用水平放置的方式,此方式對聲波傳播并不影響，能夠真實(shí)模擬實(shí)際工況泄漏形式。泄漏孔設(shè)置在內(nèi)層油管壁，為了便于對泄漏孔的一系列操作(改變形狀、尺寸、位置)，在保證環(huán)空耐壓性能的前提下，外層套管之間采用法蘭的連接方式，既提高了系統(tǒng)的可操作性，又保證了現(xiàn)場的還原度。

2) 井口部分。

井口部分主要模擬油套管與井口設(shè)備之間(在此為油管四通)的連接情況，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時使用全尺寸油管四通與油套管連接，油管與四通之間使用油管頭連接及密封，套管使用法蘭與四通連接并密封。四通出口端連接至外部出口系統(tǒng)，出口系統(tǒng)由儲氣罐、單向閥及一系列閥門、管線構(gòu)成，可形成一個氣體排放或循環(huán)系統(tǒng)。

3) 液面部分。

油氣井完井后在環(huán)空中均存在液面，為了更真實(shí)地模擬現(xiàn)場實(shí)際工況，模擬系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)能夠模擬液面的存在。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在現(xiàn)有系統(tǒng)尾端增加了一段彎管作為儲水機(jī)構(gòu)，如圖2所示，在試驗(yàn)過程中向彎管內(nèi)注入一定量的水即可形成液面。

2.1.2流體模擬

油管泄漏模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中很重要的部分就是對于井筒內(nèi)高速流動的天然氣的模擬。由于天然氣開采一般選用自噴方式，依靠天然氣的自身膨脹性，使天然氣以很高的流速沿油管從井底高壓區(qū)流動至井口低壓區(qū)，因此對于管內(nèi)氣體流動的模擬首先要解決好氣源問題，即有一個相對穩(wěn)定的高壓氣源來模擬井底高壓氣藏。

高壓氣源模擬系統(tǒng)主要由低壓儲氣罐、高壓儲氣罐、壓縮機(jī)、控制系統(tǒng)各種管線閥門等構(gòu)成。儲存在低壓儲氣罐中的低壓氣體先經(jīng)過干燥脫水等程序，然后通過壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入高壓儲氣罐儲存。模擬中通過操作控制系統(tǒng)控制高壓儲氣罐中的氣體以一定壓力、流量進(jìn)入測試油管，并在油管內(nèi)形成相對穩(wěn)定的流動，氣體在進(jìn)入測試油管之前進(jìn)行了壓力、溫度等參數(shù)的測量。

為了達(dá)到滿足試驗(yàn)要求的壓力，同時避免儲氣罐壁厚過大，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了多個并聯(lián)的儲氣瓶作為高壓儲氣罐，單個儲氣瓶的壓力可達(dá)15 MPa，容量為40 L。隨著氣體流進(jìn)油管，儲氣瓶內(nèi)壓力降低，會對管內(nèi)氣流產(chǎn)生影響，為了保證試驗(yàn)過程中形成相對穩(wěn)定的氣流，需要使用壓縮機(jī)及時對鋼瓶中氣體進(jìn)行補(bǔ)充。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)及儀器選型

油管泄漏模擬系統(tǒng)總長約47 m，高約1 m，由油管及套管構(gòu)成雙層管柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)層油管通過接箍相連接，長約45.922 m，總?cè)莘eV1=0.207 34 m3；外層套管通過法蘭相連，長約45.142 m，形成環(huán)空總?cè)莘eV2=1.567 456 m3；系統(tǒng)所使用四通為φ179.35 mm、68.9 MPa(10 000 psi)級全尺寸油管四通。

2.2.1溫度、壓力設(shè)計(jì)

油管泄漏模擬系統(tǒng)所有結(jié)構(gòu)均使用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可承受很寬范圍的溫度。通過現(xiàn)場調(diào)研井口溫度一般在-40～160 ℃，因此該模擬系統(tǒng)在溫度性能上完全滿足設(shè)計(jì)需求。

在油管泄漏模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，耐壓性能是很重要的一部分，該系統(tǒng)多由鋼結(jié)構(gòu)連接而成，連接部位往往是最薄弱的環(huán)節(jié)。在該系統(tǒng)中油管之間通過接箍相連，所使用油管均為標(biāo)準(zhǔn)API油管，經(jīng)過測試其耐壓性能可達(dá)到30 MPa。外層管為Q345B材質(zhì)、245×10規(guī)格的鋼管，其許用拉應(yīng)力為510 MPa，由下式可計(jì)算出其最大承壓能力p,即

(1)

式(1)中：[S]為管材的許用拉應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；T為管壁厚，mm；D為管內(nèi)徑，mm；k為安全系數(shù)。

取安全系數(shù)k=3，得到外層管最大耐內(nèi)壓為15.1 MPa。外層管使用標(biāo)準(zhǔn)法蘭DN225PN63，其設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa。在系統(tǒng)運(yùn)行之前必須經(jīng)過整體耐壓性能測試，測試壓力應(yīng)不低于5 MPa。

2.2.2用氣量設(shè)計(jì)

油管泄漏模擬系統(tǒng)油管內(nèi)部總?cè)莘eV1=0.207 34 m3，環(huán)空總?cè)莘eV2=1.567 456 m3，設(shè)計(jì)泄漏方式為氣體由油管內(nèi)部向環(huán)空泄漏，因此環(huán)空壓力應(yīng)小于或等于油管內(nèi)壓力。由氣體狀態(tài)方程計(jì)算油套管中壓力達(dá)到相應(yīng)值時所需氣量V0(標(biāo)況下體積，標(biāo)況壓力p0=1 atm，溫度T0=273.15 K)，即

(2)

根據(jù)質(zhì)量守恒，則m=m1+m2，進(jìn)而得到

(3)

當(dāng)油管與環(huán)空壓力平衡時，忽略管內(nèi)摩阻，則有p1=p2；試驗(yàn)過程中系統(tǒng)各部分溫度視為與環(huán)境溫度一致，則有T1=T2。因此，可取Z1=Z2，得到

(4)

式(2)～(4)中：p0為標(biāo)況下壓力；p為油管與環(huán)空壓力相同時的壓力；p1、p2分別為油管與環(huán)空壓力；T0為標(biāo)況下溫度；T為油管與環(huán)空壓力相同時的溫度；T1、T2分別為油管與環(huán)空溫度；V0為油套管中所需氣量標(biāo)況下體積；V1、V2分別為油管與環(huán)空總?cè)莘e；Z0為標(biāo)況下壓縮因子；m為注入氣體總質(zhì)量；m1為油管內(nèi)氣體總質(zhì)量；m2為環(huán)空內(nèi)氣體總質(zhì)量；R為理想氣體常數(shù)。通過查表得到壓縮因子Z，即可求得目標(biāo)泄漏壓力下所需的氣體用量。

3 基于虛擬器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

3.1 硬件組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要檢測聲波信號和常規(guī)信號。聲波信號采集模塊由安裝在油管四通處的采集泄漏點(diǎn)發(fā)出聲波信號的聲波傳感器、信號調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。常規(guī)信號采集模塊由安裝在油管四通處的分別監(jiān)測油管壓力和環(huán)空壓力的壓力變送器及溫度變送器組成。

3.1.1聲波信號采集模塊

在檢測過程中，經(jīng)聲波傳感器檢測到聲波信號，先經(jīng)過信號調(diào)理器對信號進(jìn)行預(yù)處理，然后將信號傳遞到采集卡。聲波傳感器的種類很多，常見的傳感器類型有動圈式、電容式、壓電式、駐極體式、光纖等，其靈敏度對比如表1所示。

表1 常見聲波傳感器靈敏度Table 1 Common acoustic sensor sensitivity

實(shí)際選用聲波傳感器時需要考慮以下2點(diǎn)：①泄漏源特性，包括泄漏聲波信號的頻率范圍、泄漏聲波的聲壓、泄漏點(diǎn)與檢測點(diǎn)的距離和聲源種類；②檢測環(huán)境。

通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)油管泄漏產(chǎn)生的聲波能量主要集中在1～130 Hz，即主要為次聲波成分。通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及產(chǎn)品，目前用于泄漏檢測方面的聲波傳感器主要是傳聲器及動態(tài)壓力傳感器，最終選擇了靈敏度高/測量范圍更大的預(yù)極化電容式駐極體傳聲器。

聲波傳感器所采集的信號中包含了很多高頻噪聲成分，主要是來自傳聲器本身的噪聲，需要經(jīng)過一個濾波電路進(jìn)行處理，因此增加了一個聲波采集電路中常用的信號調(diào)理器，主要用于傳聲器的供電及聲波信號的放大與濾波處理。此外，從信號調(diào)理器輸出的聲波信號需要經(jīng)過采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行分析，由于聲波信號一般頻率都很高，需要采集卡具有足夠高的采樣頻率及分辨率。通過實(shí)際調(diào)研、參閱文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際使用工況，該系統(tǒng)選用的聲波傳感器、信號調(diào)理器以及采集器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 采集系統(tǒng)各硬件對應(yīng)指標(biāo)及數(shù)值Table 2 Corresponding indexes and value of each hardware of the acquisition system

3.1.2常規(guī)信號采集模塊

壓力變送器和溫度變送器的選型主要是確定其測量范圍，并在一定的量程內(nèi)盡可能地提高精度。在該系統(tǒng)中，壓力范圍主要是根據(jù)氣源的壓力大小來確定，已知?dú)庠纯商峁┳畲髩毫?5 MPa，最終壓力變送器選用的是羅斯特蒙生產(chǎn)的3051S型壓力變送器，壓力范圍為0～16 MPa。最終溫度變送器選用的是羅斯特蒙生產(chǎn)的3144P型溫度變送器。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個采集系統(tǒng)的核心，也是系統(tǒng)的主要組成部分。基于虛擬器的應(yīng)用軟件主要包括集成的開發(fā)環(huán)境、與儀器硬件的高級接口和虛擬器的用戶界面。

油管泄漏檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、保存及歷史數(shù)據(jù)查看模塊?；谔摂M器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集聲波數(shù)據(jù)以及壓力變送器采集的油管及環(huán)空的實(shí)時壓力。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足試驗(yàn)要求。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性及對泄漏點(diǎn)的定位準(zhǔn)確性，開展了聲波定位試驗(yàn)，選擇1.5 mm泄漏孔徑的泄漏口，壓差等級設(shè)置為2 MPa。泄漏孔設(shè)置位置如圖3所示，泄漏孔位置及時間差數(shù)據(jù)見表3。已知環(huán)空長度L=46.90 m，得到的各泄漏點(diǎn)位置數(shù)據(jù)見表4。

圖3 聲波定位試驗(yàn)泄漏點(diǎn)位置設(shè)置Fig .3 Leakage points position setting in acoustic positioning experiment表3 聲波定位試驗(yàn)泄漏點(diǎn)位置及時間差數(shù)據(jù)Table 3 Leakage points position and time difference data in acoustic positioning experiment

泄漏點(diǎn)編號位置/mΔt1/sΔt2/s①1.150.2589670.006300②4.720.2587670.025700③7.720.2596670.042400④11.060.2611670.061700⑤14.060.2594000.078100

表4 基于已知特征點(diǎn)距離定位泄漏點(diǎn)誤差分析Table 4 Positioning leakage points error analysis based on known feature point distance

從表4可以看出，利用本文設(shè)計(jì)的油管泄漏地面檢測系統(tǒng)對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，相對誤差可以控制在1%以內(nèi)，說明該系統(tǒng)具有較高的可靠性及準(zhǔn)確性，可以應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)踐。

5 結(jié)束語

在分析研究油管泄漏檢測試驗(yàn)裝置原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套油管泄漏地面檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行了基于虛擬器的油管泄漏檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的油管泄漏檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測出泄漏，并對泄漏位置進(jìn)行定位，可應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)踐，具有較好的應(yīng)用推廣價值。