楊云朋 樊建春 劉書杰 李夢博 王子健 焦田田

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 北京 102249； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)已有數(shù)百口海上油氣井因井筒油套管泄漏導(dǎo)致環(huán)空帶壓，直接威脅油氣生產(chǎn)安全。及早發(fā)現(xiàn)并定位工藝設(shè)施出現(xiàn)的泄漏、探明其來源及速率，預(yù)警可能出現(xiàn)的危險，對及時采取合理的防控治理措施和預(yù)防災(zāi)難性后果的發(fā)生具有十分重要的意義。然而，由于井下油套管泄漏具有不可見、檢測難、節(jié)點廣、型式復(fù)雜、特征信號易受環(huán)境干擾等特點，實現(xiàn)工藝設(shè)施泄漏的早期實時、在線和全息診斷(泄漏位置、來源和程度)面臨極大挑戰(zhàn)，國內(nèi)外尚未取得重大突破。以井筒泄漏為例，國內(nèi)外現(xiàn)階段主要結(jié)合環(huán)空壓力實時監(jiān)測、泄壓過程測定泄漏來源及速率和借助測井定位漏點來實現(xiàn)全息診斷,存在著發(fā)現(xiàn)泄漏不及時、診斷周期長、工藝復(fù)雜、成本高、對生產(chǎn)影響較大等突出問題[1-2]。

針對上述突出問題，課題組致力于海上氣井井下油套管泄漏誘發(fā)的聲波在油套管間的傳播機理、泄漏信號檢測識別方法、漏點準(zhǔn)確定位方法和多源信息融合的泄漏狀態(tài)評估方法研究，取得了重大的技術(shù)突破，實現(xiàn)了在淺井段對單漏點和雙漏點的準(zhǔn)確定位，已能滿足環(huán)空帶壓井治理的需要。本文主要是對東海氣井井下油套管泄漏檢測與堵漏技術(shù)研究及工程實踐進行總結(jié)，為現(xiàn)場井下油套管泄漏修補作業(yè)提供技術(shù)支持，并對海上氣井井下油套管泄漏檢測技術(shù)發(fā)展提出了建議。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 泄漏檢測技術(shù)

氣井井下油套管長期在高溫環(huán)境中，受到高壓沖蝕、氣舉作業(yè)、井底出砂以及工程施工等多重因素[3-5]的影響，極易導(dǎo)致油套管的螺紋連接處、管體和封隔器發(fā)生泄漏，泄漏的天然氣均入侵環(huán)空，使得環(huán)空帶壓[6-8]。通過對泄漏聲波傳播機理、泄漏聲波信號檢測和泄漏定位方法的研究，成功研制出一套集成聲波、壓力、流量、示蹤劑等多源信息的油套管泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)在線測量環(huán)空液面、漏點定位以及泄漏程度評估。

1.1.1液位檢測原理

液面檢測的原理基于聲波法，如圖1a所示，計算公式如式(1)所示。液面檢測的關(guān)鍵是獲取聲波從井口傳播到液面的時間t，以及聲波在環(huán)空中的傳播速度v。聲速v可用式(2)[9]計算。

H=vt

(1)

(2)

式(1)、(2)中：H為液面深度，m；cp、cv分別是定壓、定容比熱容，J/(mol·K)；R為通用氣體常數(shù)J/(mol·K)；T為溫度，K；Zg為壓縮因子；ρ為摩爾密度，mol/m3；Mg為摩爾質(zhì)量，kg/mol，介質(zhì)均為環(huán)空氣。

進行液面檢測時，借助的聲槍如圖1b所示。當(dāng)

圖1 液位檢測原理Fig .1 Principle of liquid level detection

高壓天然氣快速流過聲槍內(nèi)的流道時會產(chǎn)生一束聲波信號，聲波信號沿環(huán)空向井底傳播，到達(dá)環(huán)空液面時發(fā)生反射，反射的回波信號被聲槍內(nèi)置的聲波傳感器接收，通過回波信號可以提取聲波從井口傳到液面的時間t(圖1a)，結(jié)合上述聲速的計算可判斷環(huán)空液面的位置。

1.1.2漏點定位

通常，天然氣井井下油管內(nèi)的壓力高于環(huán)空內(nèi)的壓力(也可以通過油套環(huán)空泄壓調(diào)整油管和套管之間的壓力)，當(dāng)油管發(fā)生泄漏時，高壓天然氣經(jīng)過泄漏孔進入油套環(huán)空，如圖2a所示，在泄漏孔處產(chǎn)生一持續(xù)的聲波信號，聲波信號一部分沿著環(huán)空氣體向井口傳播，另一部分向井下傳播至環(huán)空液面，經(jīng)液面反射后傳至井口。在采油樹油管四通出口處安裝一聲波接收傳感器，利用自相關(guān)法[10]對采集到的聲波信號進行處理，如圖2b所示。

圖2 井下泄漏聲波地面檢測Fig .2 Acoustic surface detection of downhole leaks

油管泄漏點的定位流程：①在井口環(huán)空采集聲波信號，對聲波信號分別進行降噪，繪制時域、頻域曲線以及自相關(guān)曲線，根據(jù)聲壓的波動范圍初步判斷是否有泄漏發(fā)生，無泄漏時，聲波信號的聲壓在0 Pa附近波動；有泄漏時，聲波信號的聲壓在100 dB左右[11]。②進一步利用自相關(guān)分析聲波是否具有相關(guān)性，有泄漏的曲線有明顯的相關(guān)性。有泄漏時，根據(jù)自相關(guān)曲線提取泄漏點到井口的特征時間可估算出泄漏點位置。主要分為以下3步：

1) 環(huán)空泄漏聲波檢測信號降噪。

環(huán)空聲波檢測信號包含的噪聲主要有：采集電路噪聲和環(huán)境噪聲。采集電路噪聲為高頻噪聲，外部環(huán)境噪聲為隨機噪聲。通過實驗發(fā)現(xiàn)，利用小波閾值降噪法，選擇合適的閾值可對分解后的小波系數(shù)進行選擇性刪除，處理后的小波系數(shù)經(jīng)重構(gòu)后得到濾波信號，如圖3a所示。

圖3 井下泄漏聲波信號處理Fig .3 Underground leak acoustic signal acquisition and processing interface

2) 計算自相關(guān)系數(shù)。

同一泄漏位置產(chǎn)生的沿環(huán)空向上和向下傳播的聲波信號具有相關(guān)性，利用自相關(guān)函數(shù)對濾波后的檢測信號進行計算，得到自相關(guān)系數(shù)，如圖3b所示。

3) 提取特征時間及確定泄漏位置。

如圖4所示，距離零點的第1個正峰值所在的時間差Δt1，對應(yīng)聲波在液面和油管掛之間往復(fù)傳播的時間；距離零點的第1個負(fù)峰值時間差Δt2，對應(yīng)漏點到液面距離的2倍，提取特征時間Δt1和Δt2。根據(jù)公式(3)，基于波爾查諾二分法可求出泄漏點位置X[11-12]。

圖4 檢測信號自相關(guān)分析Fig .4 Detection signal autocorrelation analysis

(3)

式(3)中：v(X)可由式(2)求出。

1.1.3堵漏方法

在已知環(huán)空液面深度和油管泄漏位置后，設(shè)計向油套環(huán)空內(nèi)注入堵漏劑方案,如圖5所示。當(dāng)漏點和液面之間的距離較大時，首先向環(huán)空內(nèi)注入淡水抬高環(huán)空液位至漏點下方15 m左右，然后注入配制的墊漿(隔離液)抬高環(huán)空液面至泄漏點下方5 m左右，開始灌注堵漏劑至漏點上方5 m左右，再次注入10 m隔離液，然后向剩余環(huán)空空間內(nèi)持續(xù)注入淡水，使液位高度抬升至井口附近。灌注作業(yè)完成后，利用鋼絲作業(yè)起壓泵提升環(huán)空內(nèi)的壓力，使環(huán)空內(nèi)的壓力高出油管內(nèi)的壓力3 MPa并保壓36 h，期間記錄壓力變化，若油套環(huán)空30 min壓降小于5%視為密封施工合格。

圖5 堵漏劑注入方案Fig .5 Plugging agent injection scheme

2 工程實踐

基于聲波檢測法的井下油套管泄漏檢測技術(shù)協(xié)同堵漏技術(shù)，已在東海某平臺成功進行了2井次泄漏檢測試驗和2井次堵漏試驗。

2.1 試驗井情況

以某平臺A2井的泄漏檢測和堵漏試驗為例。據(jù)2019年1月份的生產(chǎn)信息記錄結(jié)果顯示，A2井環(huán)空帶壓，且高于油管內(nèi)的壓力，據(jù)此判斷井下有泄漏發(fā)生，分別進行了環(huán)空液位檢測和泄漏聲波檢測。A2井井身結(jié)構(gòu)如圖6所示，測試時的生產(chǎn)工況以及管柱信息見表1。油管外徑為73.025 mm，壁厚為7 mm，生產(chǎn)套管外徑為244.475 mm，壁厚為12 mm。

圖6 A2井井身結(jié)構(gòu)圖Fig .6 Structure of Well A2

表1 A2井生產(chǎn)信息及生產(chǎn)管柱信息Table 1 Production information and production string information of Well A2

2.2 試驗流程

1) 液面測試。安裝聲槍并試壓(圖7a)；緩慢打開閘板閥，快速啟閉電磁閥并采集聲波信號；記錄測量時的生產(chǎn)信息；液位測試結(jié)束，關(guān)閉閘板閥，泄放管線內(nèi)的余壓后拆除聲波槍。

圖7 液面及漏點定位測量裝置Fig .7 Liquid level and leakage point positioning measuring device

2) 漏點檢測。關(guān)閉閘板閥，拆除閘板閥外側(cè)法蘭上的φ50.8 mm LP螺紋絲堵；安裝聲波傳感器至φ50.8 mm LP接口，并試壓(圖7b)； 避免環(huán)空內(nèi)的高壓氣體沖擊損壞聲波傳感器，緩慢打開閘板閥；檢測環(huán)空內(nèi)聲波信號；測試結(jié)束，關(guān)閉閘閥，泄掉管線內(nèi)的余壓，拆除聲波傳感器，并復(fù)原φ50.8 mm絲堵。

2.3 試驗結(jié)果

堵漏前需準(zhǔn)確了解井下環(huán)空液面和泄漏點的位置，分別進行了液面檢測和漏點檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 不同采樣頻率下的檢測結(jié)果Table 2 Detection results at different sampling frequencies

結(jié)合A2井的生產(chǎn)管柱可知，油套環(huán)空動液面高度位于油管掛下198～204.5 m，漏點位于油管掛下185.36 m和164.02 m的φ73.025 mm油管上。據(jù)此設(shè)計堵漏方案，交叉注入墊漿和堵漏劑[13-14]，使堵漏劑完全覆蓋漏點位置，再次測量液面的結(jié)果見表3。

表3 注入堵漏劑后的液面檢測結(jié)果Table 3 Liquid level detection results after injection of the plugging agent

根據(jù)注入的墊漿和堵漏劑的體積計算液面的理論深度，距井口約100 m，與表3的測量結(jié)果進行對比，非常接近。再次持續(xù)注入淡水至灌滿環(huán)空，利用鋼絲作業(yè)氣動泵使環(huán)空壓力升至6 MPa，并保壓36 h，記錄保壓期間的壓力變化，結(jié)果顯示環(huán)空壓力穩(wěn)定，即堵漏成功。從而驗證了漏點定位的精度能夠滿足工程作業(yè)需要。

3 結(jié)論和建議

1) 在前期檢測機理、室內(nèi)模擬試驗和診斷方法研究的基礎(chǔ)上，研制出融合聲波、示蹤劑及相關(guān)流體參數(shù)檢測的井筒泄漏地面監(jiān)測診斷系統(tǒng)樣機，并成功應(yīng)用于海上環(huán)空帶壓井檢測診斷，配合現(xiàn)場2口井堵漏施工的初步成功實踐表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了在淺井段(160～180 m)10 m誤差范圍內(nèi)對單漏點和雙漏點的準(zhǔn)確定位，可滿足環(huán)空帶壓井治理的需要。

2) 建議開展環(huán)空聲速的測量工作，從而驗證文中環(huán)空聲速計算的精度，進一步提高環(huán)空液位及漏點的定位精度；研究當(dāng)漏點在液面之下時的定位方法，為現(xiàn)場井下油套管泄漏修補作業(yè)提供技術(shù)支持。