戴恩漢,陳 正,李宏魁,黃志平,劉軍利,郝憲秀(中石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院,河南濮陽(yáng)457001)
房鴻斌 (中石化中原油田分公司采油一廠,河南濮陽(yáng)457001)
井況監(jiān)測(cè)技術(shù)在中原油田的應(yīng)用
戴恩漢,陳 正,李宏魁,黃志平,劉軍利,郝憲秀(中石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院,河南濮陽(yáng)457001)
房鴻斌 (中石化中原油田分公司采油一廠,河南濮陽(yáng)457001)
油氣水井套管腐蝕變形與竄漏在油田開(kāi)發(fā)中普遍存在,尤其是油田開(kāi)采到中后期,套管腐蝕變形和漏竄越來(lái)越突出,大大削弱了油田穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ),造成油氣生產(chǎn)成本居高不下。主要介紹了電磁探傷、多臂井徑和氧活化等測(cè)井技術(shù)在中原油田井況監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況,并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
電磁探傷;多臂井徑;氧活化;測(cè)井;應(yīng)用
油氣水井井下套管損壞對(duì)井下作業(yè)的安全性和油氣的有效開(kāi)采有很大影響和破壞作用,受井況制約,精細(xì)分層注水、油井卡堵水、卡封、分層壓裂等工藝措施難以實(shí)施,造成局部注采井網(wǎng)不完善,油井穩(wěn)產(chǎn)難度加大,嚴(yán)重影響了油田整體開(kāi)發(fā)水平[1]。油水井井下管柱腐蝕變形會(huì)導(dǎo)致油管和套管漏失、油管腐蝕落井、套管錯(cuò)斷等,造成油水井帶病運(yùn)轉(zhuǎn)甚至停產(chǎn)作業(yè)大修。對(duì)于采油井,若存在生產(chǎn)層和水淹層的竄槽,將導(dǎo)致液量高、含水升高,造成能源的浪費(fèi);對(duì)于注水井,管外竄漏會(huì)影響分層注水開(kāi)發(fā)效果,導(dǎo)致無(wú)效注水。因此,套管腐蝕變形和油氣水井竄漏不但影響油田正常生產(chǎn),還為控制套損帶來(lái)了新的困難和隱患[2]。
近年來(lái),中原油田加大了井況防治力度,為了采取科學(xué)的井況防治措施和提高套損井的修復(fù)速度,逐步配套完善了電磁探傷、多臂井徑和氧活化找漏找竄等井況監(jiān)測(cè)技術(shù)。
目前中原油田主要應(yīng)用的井況監(jiān)測(cè)技術(shù)是電磁探傷測(cè)井、多臂井徑測(cè)井和氧活化測(cè)井。
1.1 電磁探傷測(cè)井技術(shù)及解釋方法
1.1.1 電磁探傷測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)
該儀器由溫度探頭、自然伽馬探頭、縱向長(zhǎng)軸探頭A、橫向探頭B和BB、縱向短軸探頭C、上和下扶正器及電子線路組成。其中溫度探頭測(cè)得井溫資料,確定出液口的位置,并對(duì)管材電導(dǎo)率進(jìn)行溫度校正;自然伽馬探頭探測(cè)井身周圍自然伽馬強(qiáng)度,用于校深;探頭A、C結(jié)合可判斷雙層管柱的縱向裂縫、腐蝕,并用于計(jì)算內(nèi)外管壁的厚度;探頭B、BB判斷內(nèi)管的橫向裂縫,判斷內(nèi)管的錯(cuò)斷和變形情況,計(jì)算內(nèi)管的壁厚。
1.1.2 測(cè)量原理
EMDS-TM-42TS電磁探傷儀的物理基礎(chǔ)是法拉第電磁感應(yīng)定律。給發(fā)射線圈供一電流,接收線圈產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε,即:
式中,Φ為磁通量,Wb;S為線圈截面積,m2;B為磁場(chǎng)強(qiáng)度,T。
當(dāng)管柱(油套管)厚度變化或存在缺陷時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε將發(fā)生變化。通過(guò)分析和計(jì)算,在單、雙層管柱結(jié)構(gòu)下,得到管柱的壁厚,可判斷管柱的裂縫、腐蝕和孔洞。1)對(duì)于單層管柱結(jié)構(gòu),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的函數(shù)表達(dá)式為:
式中,下標(biāo)1代表內(nèi)管(油管)某個(gè)深度點(diǎn)的測(cè)量值;f為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε隨壁厚、鋼管磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等因素變化的函數(shù);h為壁厚,mm;μ為鋼管磁導(dǎo)率,mH/m;σ為電導(dǎo)率,S/m。下標(biāo)i、j分別為電流脈沖發(fā)射的不同時(shí)間起始點(diǎn)。式(2)中前3個(gè)參數(shù)h1、μ1、σ1是主要的;而D1、ξ1、t1i、T1j分別為內(nèi)管直徑、偏心率、測(cè)量時(shí)間、溫度,對(duì)ε1的貢獻(xiàn)很小,可忽略不計(jì)。所以式(2)可以簡(jiǎn)化為:
2)對(duì)于雙層管柱(如有油管和套管)結(jié)構(gòu),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的函數(shù)表達(dá)式為:
式中,下標(biāo)2代表外管(套管)與內(nèi)管對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)的測(cè)量值。
μ、σ和h是對(duì)測(cè)得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1、ε2都有貢獻(xiàn)的。因μ、σ(經(jīng)溫度Tj校正)可視為已知,因此可計(jì)算出內(nèi)、外管壁厚度h1、h2(即對(duì)式(3)、(4)聯(lián)立求解),該厚度值為鋼管測(cè)量點(diǎn)的均勻壁厚(視厚度)。
1.1.3 電磁探傷測(cè)井解釋方法
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別制作了多種套管壁厚、多種長(zhǎng)度裂縫(縱向、橫向)的試驗(yàn)?zāi)P?,在單套和雙套結(jié)構(gòu)下利用電磁探傷測(cè)井儀進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。綜合分析了探頭A、B、C所測(cè)的各條曲線的形態(tài),結(jié)合上述模擬試驗(yàn)結(jié)果定性判斷內(nèi)外管柱是否存在裂縫、損傷等,利用井溫探頭測(cè)得井內(nèi)流體的溫度,能輔助判斷管柱損壞漏液情況。
分析井深結(jié)構(gòu),選擇有代表性的曲線,把整個(gè)測(cè)量井段劃分為幾個(gè)解釋段,每個(gè)井段要有相同的井身結(jié)構(gòu)和套管數(shù)量。對(duì)于每個(gè)相同的井段需要選擇基準(zhǔn)井段,在曲線中選取相對(duì)平衡并比較典型的部分作為基線,在該井段上井壁厚度與通知單上的井壁厚度相符合,應(yīng)選擇長(zhǎng)度不少于20個(gè)采樣點(diǎn)的井段作為基線,選擇基準(zhǔn)井段的曲線波動(dòng)不宜太大。對(duì)于所研究井段選擇有代表性的記錄電平,利用解釋軟件計(jì)算管柱的剩余壁厚。對(duì)于雙層管柱,計(jì)算壁厚h1、h2的解釋結(jié)果中,若一層壁厚偏小、另一層偏大,則調(diào)整參數(shù)至結(jié)果正常。一些探頭不真實(shí)的曲線異常并不是管柱損傷造成的,很多情況下是管柱生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁特性的不均勻性所造成的,對(duì)于這些異??梢栽谠肼暻€上劃分出來(lái);另外一部分曲線異常是在修井過(guò)程中管柱的磁化造成的,也可以根據(jù)磁噪聲異常來(lái)判斷。利用計(jì)算的管柱剩余壁厚結(jié)合上述解釋模型判斷井下管柱是否存在裂縫、損傷、錯(cuò)斷、腐蝕等。
1.2 多臂井徑測(cè)井技術(shù)及解釋方法
多臂井徑組合儀是一種監(jiān)測(cè)油氣水井套管腐蝕、變形情況的儀器,它能夠精確測(cè)量出套管的內(nèi)徑、套管接箍的實(shí)際情況,以及套管的扭曲、破裂、折斷等損壞情況,結(jié)合溫度的變化,找出套管破漏的具體位置。鑒于測(cè)量臂與儀器外徑的關(guān)系和中原油田的井況條件,中原油田選用了儀器外徑為50mm的十八臂井徑組合測(cè)井儀。該儀器在常規(guī)井徑儀只有溫度和井徑2個(gè)測(cè)量參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了自然伽馬和磁定位2個(gè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了套管接箍和地層層位的雙重校深,確保了套管深度與地層深度的一致。該技術(shù)用來(lái)檢查井下套管的內(nèi)腐蝕、變形、錯(cuò)斷和檢查射孔狀況,為油氣水井作業(yè)提供了準(zhǔn)確的井下套管技術(shù)資料。
通過(guò)實(shí)測(cè)資料研究,總結(jié)了多臂井徑成像測(cè)井定性解釋模型有變形、射孔段、錯(cuò)斷等井況的解釋方法。
1)套管發(fā)生變形時(shí),變形段管柱截面中心發(fā)生位移,最大、最小內(nèi)徑相差較大,平均內(nèi)徑變大,多條原始曲線表明井徑有明顯變大趨勢(shì)。
2)在射孔井段,最大、最小內(nèi)徑均有變大趨勢(shì),平均內(nèi)徑變大,多條單臂原始曲線表明井徑有明顯變大趨勢(shì)。
3)套管破裂時(shí),最大、最小內(nèi)徑均發(fā)生突變,多條單臂原始曲線表明部分井徑有明顯變大趨勢(shì),部分有變小趨勢(shì)。
4)錯(cuò)斷時(shí),套管發(fā)生垂直于管柱的錯(cuò)斷,測(cè)量結(jié)果一般明顯顯示縮徑。
多臂井徑測(cè)井資料經(jīng)專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析后,可進(jìn)行正常接箍長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)、特殊套管內(nèi)外徑、變形段處理;計(jì)算套管的最大內(nèi)徑、最小內(nèi)徑、平均內(nèi)徑、橢變率、等效破壞載荷評(píng)價(jià)等;可對(duì)套管內(nèi)徑測(cè)量異常段進(jìn)行定性、定量解釋,給出測(cè)量段內(nèi)縱向剖面圖。
1.3 氧活化測(cè)井技術(shù)
氧活化測(cè)井技術(shù)是利用氧原子核經(jīng)活化后,在衰變過(guò)程中放射出的伽馬射線能量較高,能穿透井內(nèi)流體、油管、套管和水泥環(huán)的特性,用探測(cè)器檢測(cè)氧原子的存在并識(shí)別被活化水的流動(dòng)情況,然后通過(guò)活化源到探測(cè)器間距和活化水通過(guò)探測(cè)器所用時(shí)間計(jì)算出水的流速,再通過(guò)測(cè)井資料解釋處理軟件計(jì)算流量,確定小層水量及漏竄情況。
氧活化測(cè)井時(shí),每次測(cè)量都包括一個(gè)短的活動(dòng)期(一般1~10s),然后就是數(shù)據(jù)采集期(典型值為60s)。當(dāng)水經(jīng)過(guò)中子發(fā)生器周圍時(shí)被快中子活化,被活化的水在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生β-衰變,釋放出6.13MeV的伽馬射線;這樣活化水流過(guò)4個(gè)不同源距的探測(cè)器時(shí),便可以計(jì)算出活化水流過(guò)的時(shí)間,然后結(jié)合源距就可以計(jì)算水流速度。根據(jù)記錄的時(shí)間譜用氧活化解釋軟件進(jìn)行處理,求得水流從中子源流到探測(cè)器的時(shí)間tm,再由下式求得流量:
式中,Q為流量,m3/s;S′為水流通過(guò)的有效截面積,m2;L為探測(cè)器到中子管的距離,m;tm為水流從中子源流到探測(cè)器的時(shí)間,s。
水流從中子源流到探測(cè)器的時(shí)間tm為:
式中,ta是中子爆發(fā)時(shí)間寬度,s;f(t)是中子脈沖過(guò)后探測(cè)器計(jì)數(shù)率隨時(shí)間變化函數(shù);t為測(cè)量時(shí)間,s。
在已知流動(dòng)截面面積的情況下,根據(jù)測(cè)井的實(shí)際情況,選擇流體空間,利用軟件即可計(jì)算出油管內(nèi)、環(huán)空內(nèi)、套管內(nèi)的水流量。
井況監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在油氣水井作業(yè)大修時(shí)套損井的井況監(jiān)測(cè)、油水井找漏找竄和油氣水井的井況普查中。中原油田每年實(shí)施井況監(jiān)測(cè)200多井次,為套損井的修復(fù)和井況防治提供了可靠的資料。
2.1 在作業(yè)大修井中的應(yīng)用
衛(wèi)2-35井是中原油田采油三廠的一口注水井,該井大修時(shí)井況復(fù)雜,經(jīng)過(guò)一個(gè)月的作業(yè)后套銑至2491.0m遇阻,起出鉆桿時(shí)帶出巖石塊,懷疑套管有破裂的地方。為防止發(fā)生儀器遇卡事故,通過(guò)帶有打撈器的鉆桿進(jìn)行電磁探傷測(cè)井。電磁探傷儀通過(guò)鉆桿下到2491.0m,從2491.0m處上測(cè)至井口。電磁探傷測(cè)井資料顯示雙層管柱接箍顯示明顯,在2472.0~2474.0m,套管平均壁厚減小至3.5mm,套管嚴(yán)重?fù)p傷,而其他井段的壁厚也有不同程度的減?。ㄒ?jiàn)圖1(a)),說(shuō)明套管在2472.0~2474.0m破裂。采油廠依據(jù)資料解釋結(jié)果在2472.0m處開(kāi)窗側(cè)鉆完井,及時(shí)恢復(fù)了該井正常生產(chǎn)。
2.2 在油水井找漏找竄中的應(yīng)用
衛(wèi)360-平X井是新投產(chǎn)的一口水平井,投產(chǎn)后日產(chǎn)液40m3,含水100%。該井2300.0m以下固井質(zhì)量極差,在2700.0m下封隔器驗(yàn)套,25MPa下0.5h壓力不降,說(shuō)明2700.0m之上套管無(wú)漏失,懷疑有管外竄漏。用氧活化測(cè)井找竄,將油管管柱(喇叭口)下至1200.0m,氮?dú)鈿馀e排液,在達(dá)到穩(wěn)定流態(tài)后,從2300.0m開(kāi)始,氧活化測(cè)井儀逐點(diǎn)下行,測(cè)試管外下水流。從水流時(shí)間圖譜上分析,該井2548.0m以上無(wú)水流顯示,2598.0m開(kāi)始有管外下水流顯示。而該井完井資料顯示,在2587.0~2598.0m有一組水層,從2598.0~2963m的測(cè)試點(diǎn)一直有管外水流顯示。根據(jù)定氮?dú)鈿馀e氧活化測(cè)井測(cè)試結(jié)果采取封竄措施后,日產(chǎn)液穩(wěn)定在16.5m3,日產(chǎn)油15.3m3,含水7%。取得了非常好的應(yīng)用效果。
2.3 在井況普查中的應(yīng)用
文10-88井是注水井,該井作業(yè)后正常注水2年,用電磁探傷測(cè)井對(duì)該井進(jìn)行井況普查。測(cè)試時(shí),泵壓18.0MPa,油壓8.7MPa,日注水量83.0m3,井口安裝測(cè)試用高壓防噴裝置;電磁探傷儀器從油管內(nèi)下入,測(cè)量井段為1488.0~2091.0m。資料解釋成果分析顯示:1693.0~1695.0m、1794.0~1796.0m等處套管有不同程度的腐蝕(見(jiàn)圖1(b))。
圖1 電磁探傷資料解釋成果圖
近幾年來(lái),中原油田的井況監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷完善,為油氣水井大修、分采分注和井況防治等提供了第一手資料,取得了良好效果。根據(jù)多年來(lái)井況監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn),建議在油氣水井作業(yè)大修前進(jìn)行多臂井徑、電磁探傷和氧活化組合井況測(cè)試,檢查套管是否有變形、腐蝕、竄槽、漏失等現(xiàn)象,為采取科學(xué)合理的修井措施提供技術(shù)資料;對(duì)正常生產(chǎn)的氣井和注水井要用電磁探傷和氧活化測(cè)井進(jìn)行井況普查,及時(shí)了解和掌握其井下管柱的技術(shù)狀況,為實(shí)施科學(xué)的井況防治措施提供技術(shù)保障。
[1]何生厚.油氣開(kāi)采工程師手冊(cè)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2006.
[2]楊樹(shù)棟.采油工程[M].北京:石油大學(xué)出版社,2001.
[編輯] 龍 舟
TE358
A
1000-9752(2012)05-0135-04
2012-02-12
戴恩漢(1964-),男,1986年江漢石油學(xué)院畢業(yè),高級(jí)工程師,現(xiàn)主要從事生產(chǎn)測(cè)井技術(shù)的研究工作。