張 波，羅方偉，孫秉才，謝俊峰，胥志雄，廖華林

（1.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京102206；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；3.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

井筒完整性失效是深層油氣資源安全高效開發(fā)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一[1-4]，會引發(fā)環(huán)空壓力異常等現(xiàn)象。與熱膨脹引起的環(huán)空壓力升高相比[5]，井筒完整性失效導(dǎo)致的環(huán)空壓力升高具有周期性，難以通過泄壓根治，還會引發(fā)管柱斷裂、可燃?xì)怏w泄漏失火和污染淺層地下水等事故[6-9]。目前，國內(nèi)塔里木盆地和川渝地區(qū)等地的深層油氣井均不同程度存在上述問題[10-11]。并且，深層油氣井井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度壓力環(huán)境苛刻，所引發(fā)的環(huán)空壓力異?，F(xiàn)象危害大、風(fēng)險高，有的井出現(xiàn)多重環(huán)空帶壓甚至超壓現(xiàn)象，如塔里木盆地某深層氣井的A環(huán)空、B環(huán)空和C環(huán)空的壓力與最大允許壓力分別為73.6/68.2，39.5/35.0和16.6/14.0 MPa，超壓現(xiàn)象明顯。鑒于此，亟需建立一種檢測方法來獲取深層油氣井井筒的完整性，包括失效位置、失效類型和泄漏通道等，從而準(zhǔn)確評價潛在風(fēng)險，為鉆井完井設(shè)計、日常管理、建井材料優(yōu)選和棄置封井提供依據(jù)[12-13]，這也是構(gòu)建“零漏失井”（leak-free well）的重要一環(huán)。不同于常規(guī)油氣井，深層油氣井由于鉆井完井周期長、溫度壓力條件苛刻、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、井內(nèi)流體多樣和工況復(fù)雜等原因，泄漏點(diǎn)和泄漏通道數(shù)量不唯一，存在水泥環(huán)竄流、管柱腐蝕穿孔/開裂及接箍絲扣密封失效和封隔器坐封失效等多種失效形式，因此常用的壓力平衡法、電磁探傷、多臂井徑、機(jī)械坐封試壓和微溫差等單一檢測方法并不適用于深層油氣井井筒完整性的檢測[10]。因此，筆者在分析深層油氣井完整性失效特征和現(xiàn)有檢測方法適用性的基礎(chǔ)上，集成優(yōu)化相關(guān)設(shè)備和工藝，形成了以“聲波+電磁”特征為核心的深層油氣井井筒完整性檢測方法?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，該檢測方法在不上提生產(chǎn)管柱的前提下能夠?qū)θ?、多類型和多重完整性失效情況進(jìn)行檢測，并識別失效類型，可為深層油氣井的完整性管理提供技術(shù)支撐。

1 深層油氣井井筒完整性檢測難點(diǎn)

井筒完整性檢測的目的是明確發(fā)生完整性失效的工具（如油管、套管、水泥環(huán)和封隔器等），并獲取失效位置和類型等，從而清晰認(rèn)識井筒的完整性。因此，需要在分析深層油氣井失效特征的基礎(chǔ)上明確需求，建立適用于深層油氣井的井筒完整性檢測方法。

1.1 井筒完整性失效部位和失效類型多

在溫度壓力環(huán)境、腐蝕性流體、復(fù)雜應(yīng)力分布和井筒質(zhì)量缺陷的疊加作用下，深層油氣井呈現(xiàn)出“完整性失效部位不唯一、失效類型多樣化”的特點(diǎn)，主要包括水泥環(huán)竄流[14-15]、管柱腐蝕穿孔、開裂、脫扣及絲扣密封失效[16-17]和封隔器坐封失效[18-19]等形式，有的井還會出現(xiàn)多部位失效、多環(huán)空帶壓現(xiàn)象。同時，油管柱作為深層氣井中發(fā)生完整性失效頻次最多的工具，泄漏點(diǎn)往往不唯一，且部分位于環(huán)空液面以下，如西部某深層氣井上提油管柱后發(fā)現(xiàn)4處泄漏點(diǎn)：井深1 910.00 m處油管穿孔，井深6 093.86 m處油管破損，井深6 381.00 m處油管接箍縱向開裂，6 381.00～6 391.00 m井段油管本體縱向開裂。

上述完整性失效特征表明，井筒完整性檢測方法除具備定位功能外，還需具有以下功能：1）在多重安全屏障失效、油套環(huán)空和套管環(huán)空等多個環(huán)空帶壓的情況下，能夠識別發(fā)生泄漏的安全屏障和流體運(yùn)移通道，包括但不限于油管柱、套管柱、水泥環(huán)和封隔器等；2）針對生產(chǎn)管柱泄漏的具體情況，能夠定位識別多個泄漏點(diǎn)和環(huán)空液面以下的泄漏點(diǎn)；3）井筒氣液共存情況下，能夠適應(yīng)高溫高壓環(huán)境，不受氣體和腐蝕性流體的影響；4）深層油氣井生產(chǎn)管柱上提難度大、生產(chǎn)管柱斷裂形成落魚的風(fēng)險高，檢測方法應(yīng)在不上提生產(chǎn)管柱的前提下，準(zhǔn)確識別定位套管及套后泄漏情況。

1.2 現(xiàn)有檢測方法無法滿足檢測要求

井筒完整性失效后，井內(nèi)流體就會沿著泄漏點(diǎn)或泄漏路徑運(yùn)移，進(jìn)而改變井筒內(nèi)局部物理場的分布，包括聲場、溫度場、壓力場和電磁場等，而物理場分布特征的變化是檢測井筒完整性的主要依據(jù)。如表1所示，現(xiàn)有檢測方法在功能上存在差異性[20-24]，單一方法不能完全滿足深層油氣井完整性檢測的需求，其原因?yàn)椋?）噪聲測井方法能夠較為全面地定位泄漏點(diǎn)和泄漏路徑，但對于管柱泄漏，無法判別失效類型，如斷裂、脫扣、穿孔或開裂等；2）機(jī)械坐封方法需要逐段封隔加壓，效率低，功能上與微溫差方法類似，無法檢測微小泄漏和套管及水泥環(huán)泄漏；3）同位素方法受沾污（管壁沾污、接箍沾污）影響嚴(yán)重，使測井結(jié)果具有多解性；4）電磁探傷獲取的是油套管壁厚參數(shù)，當(dāng)大面積壁厚變薄時，可定性推斷發(fā)生泄漏的位置，主要針對的是大面積腐蝕或管柱錯斷等情況，但是靈敏度和準(zhǔn)確度無法保證，與多臂井徑測井配合可在一定程度上提高對油管的識別效果；5）接收泄漏點(diǎn)回波信號僅能測量液面以上泄漏點(diǎn)，且由于聲波沿管柱傳播過程中衰減嚴(yán)重，不適用于深層油氣井；6）壓力平衡法僅適用于檢測油管柱單點(diǎn)泄漏。

表1 井筒完整性檢測方法對比Table 1 Comparison of methodsfor wellboreintegrity detection

2 檢測方法的建立

2.1 技術(shù)思路

由上述分析可知，需要綜合應(yīng)用現(xiàn)有方法來滿足深層油氣井井筒完整性檢測需求，從而降低研發(fā)及作業(yè)成本。噪聲測井能夠定位的泄漏類型較為全面，而電磁探傷可以確定井下油套管柱的損失情況。此外，泄漏噪聲需要一定的壓差來激活，從而保證其可識別性[25]，而溫度剖面檢測較為簡單，可集成到相關(guān)設(shè)備中，亦可作為輔助定位手段。因此，提出了一種針對深層油氣井的、以“聲波+電磁”特征為核心的多物理場協(xié)同井筒完整性檢測方法，如圖1所示，機(jī)理如下：以噪聲測井捕捉流體泄漏、運(yùn)移產(chǎn)生的聲波和背景噪聲，定位泄漏點(diǎn)和泄漏通道，在此基礎(chǔ)上，分析泄漏點(diǎn)處的油套管柱壁厚變化情況，確認(rèn)油套管柱漏點(diǎn)位置和損傷類型；同步采集溫度壓力剖面，計算泄漏壓差，以確保聲波信號的可靠性及可識別性，并以泄漏點(diǎn)處的溫度異常作為輔助驗(yàn)證手段。需要指出的是，溫度異常依據(jù)的是Joule-Thompson效應(yīng)，只能輔助驗(yàn)證油管柱泄漏，但微小泄漏或泄漏介質(zhì)為液體時，溫度異常并不明顯[6]，而泄漏介質(zhì)為氣體或泄漏量較大時，溫度異常相對明顯。

圖1 檢測原理Fig.1 Detection mechanism

2.2 檢測設(shè)備

相比于其他單一或傳統(tǒng)的檢測方法，筆者提出的檢測方法能夠滿足深層油氣井多類型、多重和不同位置、不同程度完整性定位識別需求，其中聲波場和電磁場是主要依據(jù)，因此優(yōu)選配套了相關(guān)的聲波采集和電磁探測設(shè)備，并對設(shè)備性能進(jìn)行了強(qiáng)化，以適應(yīng)高溫高壓環(huán)境。

2.2.1 聲波信號采集設(shè)備

聲波信號主要用來識別泄漏點(diǎn)和泄漏通道。優(yōu)選的噪聲儀主要由儀器外管、電池倉、通訊接口、電路模塊和噪聲傳感器等部分組成（見圖2），可采用電纜、連續(xù)管或鋼絲下至井內(nèi)，可連續(xù)工作36 h，強(qiáng)化后工作時長可達(dá)140 h。噪聲傳感器為高精度水聽器，可捕獲井下流體泄漏和運(yùn)移所產(chǎn)生的聲波頻譜。為適應(yīng)深層油氣井的作業(yè)需求，對噪聲儀的耐溫、耐腐蝕性能和氣密封性進(jìn)行了強(qiáng)化，可用于高含硫高溫高壓氣井。

圖2 噪聲儀結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Noise meter structure

噪聲儀的主要性能指標(biāo)為：1）徑向接收距離可達(dá)2～3 m，適用于多開次復(fù)雜結(jié)構(gòu)深層油氣井，可采集到套后噪聲信號；2）聲波頻譜在8～60 000 Hz范圍內(nèi)，能夠較全面地覆蓋井下聲場，對比識別泄漏產(chǎn)生的聲波信號；3）靈敏度高，最小泄漏速率0.02 L/min，可采集管柱微小泄漏、尤其是滲漏的聲波頻譜信號；4）最高耐溫165℃、耐壓100 MPa，可用于高溫高壓環(huán)境；5）最大外徑38.0 mm，可在油管中下入，過油管檢測全井段的完整性，不需要上提生產(chǎn)管柱。

2.2.2 電磁探傷設(shè)備

電磁探傷用于確定發(fā)生損傷的類型和程度?？紤]深層油氣井常采用四開或五開井身結(jié)構(gòu)，選用了基于脈沖渦流技術(shù)的電磁探傷儀，可過油管測量2層套管柱的損傷情況。電磁探傷儀有2組測量探頭，每個探頭在不同時間段內(nèi)單獨(dú)發(fā)射直流脈沖電流，激勵發(fā)射線圈產(chǎn)生線圈磁場，線圈磁場在各層管柱上產(chǎn)生渦流磁場，該磁場與原線圈磁場反向，接收線圈感應(yīng)出隨著時間變化的電壓。對測量信號的衰減按時間窗口取值，進(jìn)行放大處理可得電磁探傷曲線。由于部分深層油氣井選用的是低磁材質(zhì)的油管，因此優(yōu)化了探傷儀的響應(yīng)時間，最短響應(yīng)時間為1 ms。探傷儀直徑43.0 mm，耐溫177℃、耐壓100 MPa，具備防硫功能，可與噪聲儀配合使用；測速不大于5.00 m/min，第1層、第2層和第3層套管的檢測精度分別為0.190，0.254和1.520 mm。

2.3 檢測工藝

檢測設(shè)備作為“硬件”，還需與適當(dāng)?shù)臋z測工藝配合才能發(fā)揮作用。檢測深層油氣井井筒完整性過程中，需要解決2個問題：1）如何獲取有效且充足的檢測信號；2）如何剔除檢測過程中的信號干擾和污染。為此，根據(jù)物理場產(chǎn)生的原理和特征，結(jié)合相關(guān)案例，提出了相應(yīng)的解決方案。

2.3.1 檢測方式及參數(shù)優(yōu)化

井下聲波信號是定位泄漏點(diǎn)和泄漏通道的主要依據(jù)。研究表明，泄漏噪聲的可檢測性隨著泄漏壓差增大而增加，因此采用了“人工壓差”和“定點(diǎn)測量”的方式來增強(qiáng)井下泄漏聲波的強(qiáng)度、提高信號采集的準(zhǔn)確性：1）試驗(yàn)標(biāo)定和計算表明，泄漏壓差不低于3 MPa的情況下泄漏聲波清晰可辨，因此采用環(huán)空補(bǔ)壓或泄壓的方式，在井筒安全屏障兩側(cè)形成穩(wěn)定可控的壓差，保證檢測過程中泄漏聲波的持續(xù)性和穩(wěn)定性；2）在連續(xù)測量的基礎(chǔ)上，噪聲儀每隔一定長度停留一定時間，靜止接收泄漏信號。試驗(yàn)表明，在3 MPa壓差下，噪聲儀在井筒縱向上的接收半徑為3 m。

2.3.2 檢測分析能力的強(qiáng)化

檢測過程中要盡可能避免井下噪聲的干擾，并且利用多個物理場之間的協(xié)同作用，提高檢測分析能力。為此，制定了以下措施：1）采用如圖3所示的方法將各儀器組成儀器串，同時采集聲波、電磁場、溫度和壓力信號，且下入2～3套噪聲儀，進(jìn)行對比驗(yàn)證；2）儀器串中加裝扶正器，使電磁探傷儀居中且避免噪聲儀與油管碰撞產(chǎn)生強(qiáng)噪聲，加裝牽引器后，還可以檢測定向井井筒的完整性；3）下入儀器串過程中進(jìn)行電磁檢測，控制測速不大于5 m/min，上提過程中進(jìn)行噪聲點(diǎn)測，每點(diǎn)靜止停留時間不短于30 s；4）針對不同材質(zhì)的管柱，優(yōu)化電磁探傷檢測參數(shù)。塔里木盆地深層氣井使用的13Cr油管的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率分別為2.1 S/m和40 H/m，電磁曲線時域在10 ms以內(nèi)。

圖3 深層油氣井井筒完整性檢測所使用儀器串示意Fig.3 Instrument set of wellboreintegrity detection in deep oil and gaswells

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

某深層氣井采用深層油氣井井筒完整性檢測方法檢測了井筒的完整性，成功確定了2個不同類型泄漏點(diǎn)及位置，最大作業(yè)井深6 330.00 m、最高溫度160℃、最高壓力83 MPa。

該井為五開井身結(jié)構(gòu)，采用尾管完井，完鉆井深6 792.00 m，封隔器位于井深6 358.00 m處，儲層井段6 438.50～6 792.00 m。該井見水前產(chǎn)氣量穩(wěn)定在20×104m3/d以上，見水后產(chǎn)量遞減較快，檢測前產(chǎn)水量85 m3/d左右，產(chǎn)氣量2×104m3/d左右。油套環(huán)空壓力持續(xù)降低，40 d下降了7.71 MPa，呈先快速下降、后緩慢降低的趨勢，油套環(huán)空釋放出可燃?xì)怏w，點(diǎn)燃持續(xù)1 h火勢未減小，B環(huán)空未帶壓。分析認(rèn)為，油管柱存在泄漏點(diǎn)，導(dǎo)致環(huán)空保護(hù)液漏失，由于該井氣量不足，未能向油套環(huán)空充分補(bǔ)充氣體，致使油套環(huán)空壓力下降，于是采用油套環(huán)空補(bǔ)液增壓構(gòu)建壓差的方式檢測井筒完整性。

3.1 泄漏點(diǎn)1檢測結(jié)果解析

泄漏點(diǎn)1的檢測結(jié)果如圖4所示，井深2 724.00 m處出現(xiàn)泄漏聲波，其聲波頻譜主體頻率為4～8 kHz，而井筒背景噪聲頻率主要在2 kHz以下。電磁探傷曲線顯示，該井深處油管的金損率3.3%，無明顯損傷，為油管本體，非油管接箍。泄漏點(diǎn)處油管柱內(nèi)壓為48.2 MPa，與外側(cè)形成了大于3 MPa的有效壓差。由于泄漏介質(zhì)為液體且泄漏量小，溫差不明顯。泄漏點(diǎn)1的噪聲信號對比如圖5所示，2套噪聲儀均在此深度捕捉了相似頻譜的泄漏噪聲，驗(yàn)證了信號的準(zhǔn)確可靠性。綜合分析認(rèn)為，可以排除油管大面積腐蝕穿孔或斷裂的可能性，推斷為局部應(yīng)力腐蝕開裂或者裂縫貫穿油管管壁，而這也是深層氣井油管柱常見的失效形式[17]。

圖4 泄漏點(diǎn)1檢測結(jié)果Fig.4 Detection result of No.1 leakage point

圖5 泄漏點(diǎn)1噪聲信號對比Fig.5 Noise-signal comparison of No.1 leakage point

3.2 泄漏點(diǎn)2檢測結(jié)果解析

如圖6所示，在井深5 211.70 m處出現(xiàn)寬頻帶的泄漏噪聲，頻率在0～20 kHz范圍內(nèi)。電磁探傷曲線顯示，此處為油管接箍位置且無明顯損傷，排除油管主體損傷可能。電磁探傷出現(xiàn)明顯的色帶交替，這是由油管彎曲引起的。泄漏點(diǎn)處油管柱內(nèi)壓為67.7 MPa，與外側(cè)形成了大于3.0 MPa的有效壓差。同樣，由于泄漏介質(zhì)為液體且泄漏量小，溫差不明顯。該點(diǎn)泄漏噪聲同樣被2套噪聲儀同時捕獲。以上分析表明，泄漏點(diǎn)2是油管絲扣密封失效，在接箍處發(fā)生泄漏。絲扣密封失效的原因與管柱彎曲有關(guān)，這也是導(dǎo)致接箍密封失效的主要原因之一。

4 結(jié)論與建議

1）針對深層油氣井井筒完整性檢測需求，通過對比不同檢測方法，優(yōu)選并強(qiáng)化了儀器性能，形成了以“聲波+電磁”特征為核心的多物理場協(xié)同的深層油氣井井筒完整性檢測方法。該方法采用人工壓差、串接儀器同步采集物理場信號、控制儀器下放上提速度、定點(diǎn)測量和優(yōu)化參數(shù)等，增強(qiáng)了檢測能力和準(zhǔn)確性，可準(zhǔn)確定位并識別油管泄漏、絲扣滲漏、套管泄漏、套后竄流、液面下泄漏和多重泄漏。

2）某深層氣井采用深層油氣井井筒完整性檢測方法檢測了井筒完整性，確定了2個泄漏點(diǎn)的位置和泄漏類型，驗(yàn)證了檢測方法、儀器設(shè)備和檢測工藝的適用性。

3）深層氣井井筒完整性檢測應(yīng)盡量以氣體為泄漏介質(zhì)，從而可以檢測微小泄漏；研發(fā)可連續(xù)測量的噪聲儀器、探索應(yīng)用分布式光纖代替噪聲儀，以提高檢測效率；電磁探傷技術(shù)可作為探測深層油氣井管柱損傷的常規(guī)手段，應(yīng)豐富電磁探傷解釋圖版，以避免發(fā)生錯段等事故；制定井筒完整性檢測規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，盡早盡快檢測深層油氣井完整性，并以此為基礎(chǔ)開展不動管柱修井和井筒剩余壽命預(yù)測等工作，避免井筒完整性失效情況加劇。