劉子平,屈玲,姚夢麟

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司,四川 成都 610051;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣項目部,四川 成都 610051;3.中國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)泄漏剛開始時是少量的,隨著時間推移泄漏會加劇。在泄漏發(fā)展的早期,定位泄漏點可以降低補救成本。常規(guī)的測漏點技術(shù),如多臂井徑測井、電磁探傷測井、轉(zhuǎn)子流量計、梯度井溫測井、井下照相機、熱中子衰減測井和噪聲測井等,很難檢測出非常小的井筒泄漏(小于3.785 L/min)。因為小的泄漏引起的井筒泄漏點周緣溫度、壓力、流速等特性改變較小,往往低于流體溫度、流量、壓力類測井儀器的分辨率。常規(guī)噪聲測井只能在定點測量模式下檢測泄漏點液體或氣體產(chǎn)生的聲頻段聲波能量,因受遠(yuǎn)處其他噪聲源影響,存在測井解釋多解性。

井下照相機(如DHV)雖能有效檢測各種泄漏和診斷其他問題,但是對井內(nèi)液體或氣體的清晰度要求很高。此外,用常規(guī)井眼漏點檢測技術(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)保形勢下,迫切需要一種適用范圍更廣、測量結(jié)果更準(zhǔn)確的測井方法。

井筒中無論是氣態(tài)或液態(tài)的泄漏,就會產(chǎn)生次聲波、聲波以及超聲波3個頻率段的震動。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、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較短、檢測到超聲波信號時指示泄漏位置更靠近泄漏源等優(yōu)點。這些特性,使其成為泄漏精確檢測的理想選擇。多年前就已經(jīng)形成了利用超聲波原理在地面對閥門和井口裝置等生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行泄漏檢測的技術(shù)。

因此,超聲波測井可望有效地應(yīng)用于油氣井井下管柱或環(huán)空泄漏、竄槽等檢測。為此,基于超聲波地面泄漏檢測儀成功應(yīng)用的經(jīng)驗、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井檢測儀WLD(Well Leak Detector)。

1 井下超聲波泄漏測井檢測技術(shù)

1.1 儀器結(jié)構(gòu)及測量原理

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

圖1 井下超聲波泄漏檢測儀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器,該頻譜探測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)境下檢測到因流體泄漏在不同介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的超聲波。同時,WLD配備了先進(jìn)的數(shù)字信號處理器,采用高精度的數(shù)字信號處理技術(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,泄漏點產(chǎn)生的超聲波在到達(dá)壓電傳感器時,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,需要放大小的壓電模擬信號并通過數(shù)字信號處理器進(jìn)行數(shù)字化。WLD數(shù)字信號處理器配有大量閃速隨機存取存儲模塊,這些存儲模塊運行一系列的模塊化的信號處理程序,實現(xiàn)信號放大、數(shù)字濾波、信號數(shù)字化等運算。模塊化的信號處理程序由一系列帶通濾波算法組成,這些算法專門針對由泄漏產(chǎn)生的特征超聲波頻率而設(shè)計。濾波算法濾除由機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,然后通過電纜數(shù)字通訊遙測系統(tǒng)傳送到地面數(shù)字顯示系統(tǒng)和存儲系統(tǒng),形成反映泄漏信號的測井圖。

WLD用于探測井筒內(nèi)超聲波能量。測井時,井筒必須要有壓力,以保持泄漏點處于活動狀態(tài)。在井筒中,如果漏點附近存在壓差,就會在高壓端(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,同時發(fā)出特定頻率的超聲波。當(dāng)WLD經(jīng)過漏點時,其壓電晶體傳感器將捕獲該超聲波并產(chǎn)生較低的電流。儀器中的信號處理器對記錄的超聲波波譜進(jìn)行處理與數(shù)字化,抑制與漏點無關(guān)的聲波數(shù)據(jù),并將它們處理成無量綱的數(shù)值。壓電晶體傳感器對被捕捉的超聲波波譜按設(shè)定的中高頻段、超高頻段2個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井曲線WLDB、超高頻段超聲波能量測井曲線WLDC和全頻段超聲波能量測井曲線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)過被激活的漏點時,傳感器將捕獲漏點處紊流所發(fā)出的超聲波信號,輸出的測井曲線值在該深度附近急劇增加,形成陡峰,峰頂對應(yīng)的深度即為漏點位置。不同漏點產(chǎn)生的超聲波差異較大,這取決于井筒中漏點形狀、漏點兩側(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

儀器串長度9 m(含加重桿長度);儀器探頭長度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測井系統(tǒng)儀器組合測井;儀器測井傳輸方式為鋼絲、電纜、連續(xù)油管傳輸。

1.2.1 探測精度高

WLD采用新型的壓電晶體頻譜探測器,以及新的井下數(shù)字信號處理技術(shù)和處理器,大大提高了井下泄漏超聲波的測井精度和數(shù)據(jù)處理速度,使得連續(xù)的測井?dāng)?shù)據(jù)在正常測井速度下能在標(biāo)準(zhǔn)電纜中傳送。測量探頭能對液體或壓縮氣體(壓差>4 MPa)通過漏點產(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較小的情況下,WLD測量的WLDB、WLDC和WLDA曲線也能準(zhǔn)確識別出漏點。實驗表明,WLD能識別出0.02～5 000 L/min的漏點?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,WLD能檢測出漏速低于0.02 L/min的漏點。

1.2.2 漏點位置確定精度準(zhǔn)

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

1.2.3 測量時效高

WLD不僅能清楚地探測井筒中存在的多個漏點,而且能夠在多層管柱測量環(huán)境中,可在內(nèi)層管柱中(如油管)對外層管柱(如在套管)上存在的漏點進(jìn)行探測。同時,WLD具有連續(xù)深度測量和定點深度測量2種泄漏檢測測井方式,可實現(xiàn)高效、精確測量。連續(xù)深度測量方式記錄各個深度的超聲波信號,可組合套管接箍定位器等儀器,給漏點進(jìn)行深度定位;定點深度測量方式記錄某一深度點超聲波隨時間變化情況,這種方式用于確認(rèn)漏點是否連續(xù)以及給漏點精確定位。精確定位漏點往往需要借助于對井筒(井口)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)等措施,即通過調(diào)節(jié)漏點兩側(cè)的壓差來改變漏速,觀察儀器對此做出的反應(yīng),從而實現(xiàn)精確定位漏點的目的。

1.2.4 測井方式靈活

WLD可采取鋼絲、電纜、連續(xù)油管等多種傳輸方式測井。在進(jìn)行漏點檢測時,可以在油氣水井開井或關(guān)井狀態(tài)下進(jìn)行測量。同時,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,完鉆后對長興組下段6 169～6 194 m、長興組上段6 112～6 132 m、飛仙關(guān)組5 953～5 967 m與5 982～5 990 m井段,儲層分3層進(jìn)行試油。除長興組下段測試產(chǎn)水外,長興組上段以及飛仙關(guān)組測試氣產(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。在每層試油測試結(jié)束后,分別下電纜橋塞對各層進(jìn)行暫閉,橋塞塞面井深分別為6 158、6 053.34、5 944.80 m。此外,因長興組上段試油時發(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。

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)行井筒找漏測井。在找漏測井之前,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,并等待測井找漏施工。

2.2 LG2井梯度井溫、BATS噪聲測井聯(lián)合找漏與測井解釋

在進(jìn)行WLD測井前,開展了梯度溫度測井(包括:靜態(tài)與動態(tài)梯度溫度測井)和BATS噪聲測井。靜態(tài)梯度溫度測井時,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,實施動態(tài)梯度溫度和BATS噪聲測井。此時,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)行動態(tài)梯度溫度和BATS噪聲測井時,同時打開A、B環(huán)空泄壓,以維持井筒內(nèi)天然氣的持續(xù)流動。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噪聲測井成果圖。從圖2中的梯度溫度井溫測量結(jié)果可以看出,靜態(tài)梯度溫度曲線與動態(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,未能識別出泄漏點。在圖3的BATS噪聲測井圖中,井深3 301.7 m處的7 in回接筒竄漏點及上、下位置附近,BATS噪聲測井儀器獲取的200、600 Hz、1、2、4、6 kHz等6個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天然氣的泄漏量小,梯度溫度測井、常規(guī)的噪聲測井儀器等對泄漏點無法分辨所致。

圖2 LG2井找漏梯度井溫測井成果圖

圖3 LG2井BATS噪聲測井成果圖

2.3 WLD在LG2井找漏中的應(yīng)用

圖4 LG2井WLD與WAF測井找漏成果圖

針對上述狀況,采用WLD儀并組合井筒環(huán)空流體超聲波探測儀WAF(Well Annular Flow)進(jìn)行測井找漏,以查找泄漏點和B環(huán)空等起壓原因。在測井找漏施工時,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趟全井段測井,測井成果見圖4。

圖5 WLD過漏點(3 301.7 m處)多次檢測測井成果圖

從圖4中WLD的2個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)。

通過逐段多次測量與精細(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組合測井中發(fā)現(xiàn)的多個疑似泄漏點的真?zhèn)?保證測量結(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)行了驗證測井,證實了井深3 301.7 m處(7 in套管回接筒區(qū)域)漏點的真實性。測井成果見圖5及表1。

同時,還對井深3 301.7 m處漏點以及其他疑視井段進(jìn)行了多次定點測量。圖6為井深3 301.7 m處漏點定點測量成果,可以看出,WLD測得的3條超聲波能量曲線隨著油管和A環(huán)空壓力增大,其測量結(jié)果逐漸降低,直至接近儀器測量的本底值。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,漏點容易被WLD探測到(見圖5中WLD多次測量結(jié)果中的第1、2、3、4、5次測井成果);當(dāng)油管和A環(huán)空處于高壓時,漏點則不易被WLD識別(見圖5中WLD多次測量結(jié)果中的第6、7次測井成果)。圖7為同一壓差條件下井深3 301.7 m處漏點附近多個深度點WLD定點測量結(jié)果的綜合圖,從圖7可見,越靠近漏點深度處,WLD測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應(yīng)深度,即為WLD檢測出的漏點精確位置。

表1 WLD過漏點(3 301.7 m處)多次泄漏檢測測井統(tǒng)計表

圖6 LG2井漏點不同油套環(huán)空壓力下WLD測井成果圖

圖7 LG2井漏點及漏點附近WLD測井成果圖

此外,綜合鉆井、錄井、裸眼測井解釋等成果,還可以分析得到LG2井管外竄槽測井解釋結(jié)論,即:1號、2號儲層天然氣是C環(huán)空帶壓的直接氣源,3號、4號儲層天然氣是導(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,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,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儀高精度壓電晶體頻譜探測器及先進(jìn)數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用,提高了儀器的測量精度和信噪比。

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

(3) WLD井下超聲波泄漏檢測儀在LG2井井下復(fù)雜泄漏檢測環(huán)境下的成功應(yīng)用表明,WLD能夠檢測微小的泄漏,即使在外層水泥環(huán)或套管存在竄漏等復(fù)雜環(huán)境下,也能識別內(nèi)層管柱上的泄漏?？赏麨椴檎宜拇ㄓ蜌馓铩叭哂蜌饩钡染残孤┨峁└鼫?zhǔn)確的測井檢測手段,有助于“三高氣井”等井口帶壓治理工作的科學(xué)決策。