何漢平，楊順輝，豆寧輝，竇雪鋒

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

油氣井開采的中后期，油套管泄漏問(wèn)題的發(fā)生概率不斷增大，將導(dǎo)致環(huán)空帶壓、井筒完整性破壞，直接威脅油氣生產(chǎn)安全。在含硫化氫的油氣井中或海洋油氣井中，環(huán)空泄漏可能引發(fā)井筒完整性破壞、平臺(tái)傾覆、引發(fā)火災(zāi)等安全事故。由于國(guó)內(nèi)外普遍采用檢測(cè)油套管泄漏的測(cè)井技術(shù)具有操作過(guò)程復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)成本高等缺點(diǎn)，在地面開展高效準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)安全的油套管泄漏檢測(cè)技術(shù)成為近年來(lái)研究的主要方向。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)外已經(jīng)具有成熟的油套管泄漏地面檢測(cè)技術(shù)，如挪威ScanWell公司研發(fā)的油氣井泄漏檢測(cè)設(shè)備可以在不用停產(chǎn)和井下作業(yè)的情況下，在地面對(duì)泄漏深度和泄漏速率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間短、精度高、安全風(fēng)險(xiǎn)低，得到國(guó)際石油行業(yè)的認(rèn)可。阿布扎比海上作業(yè)公司（Adma-Opco）研發(fā)了具有油套管泄漏檢測(cè)功能的系統(tǒng)及設(shè)備，可以得到油氣井的流體成分、環(huán)空壓力及泄漏速率等參數(shù)。但是，國(guó)外現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備核心技術(shù)處于封鎖狀態(tài)，不對(duì)外售賣，只提供技術(shù)服務(wù)，且檢測(cè)費(fèi)用較為昂貴。

國(guó)內(nèi)對(duì)油氣井泄漏的地面檢測(cè)技術(shù)起步較晚，仍處于探索發(fā)展階段。2014年，王云等人根據(jù)小孔泄漏模型建立環(huán)空泄漏速率的微分計(jì)算公式，從而得到環(huán)空泄漏面積和泄漏速率。2016年，楊周等人研發(fā)了可以利用環(huán)空液面高度來(lái)判斷油管泄漏位置的多參數(shù)環(huán)空帶壓的地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2017年，呂寧貽等人解釋了泄漏噪聲的頻率與油套壓差及泄漏孔徑大小的變化規(guī)律。

2018年，張智、宋闖等人通過(guò)單漏點(diǎn)和多漏點(diǎn)的環(huán)空壓力變化規(guī)律研究，可以定量判斷單漏點(diǎn)位置，定性判斷多漏點(diǎn)的存在形式。2018年，樊建春、劉迪等人建立了井下油管單點(diǎn)和多點(diǎn)泄漏的地面聲波定位模型，設(shè)計(jì)出一套油管泄漏地面檢測(cè)系統(tǒng)。

2019年，羅偉等人繪制了不同漏點(diǎn)深度的環(huán)空壓力預(yù)測(cè)圖版，提出了多泄漏點(diǎn)診斷技術(shù)。

2020年，胡志強(qiáng)等人建立了油套管泄漏深度的計(jì)算模型，闡述了泄漏點(diǎn)深度和當(dāng)量孔徑大小的變化規(guī)律。2021年，舒剛等人將油套環(huán)空放壓測(cè)試與漏點(diǎn)位置計(jì)算方法相結(jié)合，形成油套環(huán)空帶壓氣井漏點(diǎn)位置的放壓診斷方法。2021年，楊云朋等人研發(fā)了可以在地面準(zhǔn)確檢測(cè)井下油套管泄漏點(diǎn)的海上淺水氣井油套管泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

2 油套管泄漏的地面檢測(cè)技術(shù)分析

目前，井下泄漏的地面檢測(cè)方法分為泄漏速率計(jì)算檢測(cè)、泄漏點(diǎn)位置檢測(cè)、泄漏點(diǎn)橫截面積計(jì)算及多漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)。

2.1 泄漏速率檢測(cè)技術(shù)

最簡(jiǎn)易的氣井油套管泄漏速率檢測(cè)方法是利用放壓法。該方法是通過(guò)控制環(huán)空閥門開關(guān)程度，逐漸調(diào)試至環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，通過(guò)高壓流量計(jì)測(cè)試氣體排放速率，該速率即油套管的氣體泄漏速率。另一種泄漏速率檢測(cè)技術(shù)是微分法，該方法由王云等人提出。其基本原理是在任意無(wú)限小的時(shí)間間隔內(nèi)，開展漏點(diǎn)處單位體積氣體在單位截面情況下的泄漏流動(dòng)研究。微分法采用小孔泄漏模型進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中需要確定環(huán)空壓力穩(wěn)定時(shí)的井口泄壓速率。氣體在小孔口泄漏流速的極限是音速，可以通過(guò)氣體臨界狀態(tài)方程來(lái)判定流動(dòng)狀態(tài)是臨界流還是非臨界流，然后通過(guò)井口泄漏速率得到井下漏點(diǎn)出的泄漏速率。

通過(guò)上述方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，放壓診斷法得到的泄漏速率結(jié)果比較粗略，微分計(jì)算法相對(duì)計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

2.2 泄漏點(diǎn)位置檢測(cè)技術(shù)

井下油套管柱泄漏的種類情況較多，本文主要考慮油管柱本體或接扣出現(xiàn)泄漏的情況。羅偉等人提出了圖版法來(lái)預(yù)測(cè)井下漏點(diǎn)位置。該方法根據(jù)實(shí)際氣井的產(chǎn)量、油壓、泄漏點(diǎn)地層壓力、環(huán)空液面高度等情況，繪制了不同漏點(diǎn)位置與環(huán)空壓力的關(guān)系圖版，從而對(duì)井下漏點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。舒剛等人提出了油套環(huán)空漏點(diǎn)位置的放壓診斷方法。該方法通過(guò)環(huán)空放壓的方法得到放壓前后的壓力變化、放出氣體總量，進(jìn)而計(jì)算出環(huán)空液面高度。由于環(huán)空放壓時(shí)間短，且放出氣體量遠(yuǎn)大于漏點(diǎn)進(jìn)入環(huán)空的氣體量，因此忽略滲漏進(jìn)入的氣體量。最后，通過(guò)建立油管和環(huán)空的壓力平衡方程，可計(jì)算得到漏點(diǎn)位置。樊建春、楊云朋等人提出了地面聲波檢測(cè)井下漏點(diǎn)的方法，并研制了可在線測(cè)量環(huán)空液面高度、漏點(diǎn)位置的油套管泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。氣體經(jīng)過(guò)泄漏點(diǎn)進(jìn)入油套環(huán)空時(shí)將產(chǎn)生聲波信號(hào)，一部分聲波信號(hào)從環(huán)空向井口傳播，另一部分聲波信號(hào)向井下傳播至環(huán)空液面后反射至井口。有泄漏的聲波曲線有明顯的相關(guān)性，此時(shí)，可以根據(jù)自相關(guān)曲線提取井下油管泄漏點(diǎn)到井口的特征時(shí)間，最終計(jì)算出油管泄漏點(diǎn)位置。

綜合對(duì)比泄漏點(diǎn)位置檢測(cè)的圖版法、放壓診斷法和聲波檢測(cè)法，第三種方法檢測(cè)結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確。

2.3 泄漏點(diǎn)橫截面積計(jì)算方法

王云等人在泄漏速率計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了泄漏點(diǎn)橫截面積計(jì)算方法。該方法假設(shè)在單次環(huán)空泄壓過(guò)程中，泄漏面積為定值，從而得到任意某時(shí)刻的泄漏速率。假定每次泄壓的泄漏點(diǎn)橫截面積保持不變，則可以通過(guò)下次井口的泄壓曲線得到泄壓后發(fā)生變化的泄漏點(diǎn)橫截面積。胡志強(qiáng)等人在對(duì)油套環(huán)空進(jìn)行泄壓恢復(fù)的基礎(chǔ)方法下，提出了井下泄漏點(diǎn)深度和當(dāng)量尺寸的計(jì)算方法。該方法先根據(jù)壓力平衡方程建立泄漏點(diǎn)深度計(jì)算模型，然后采用小孔泄漏模型構(gòu)建基于環(huán)空體積相容性原則的氣體運(yùn)移模型，通過(guò)控制變量法對(duì)環(huán)空帶壓的泄漏點(diǎn)深度、當(dāng)量直徑、泄漏速率、環(huán)空壓力等敏感性因素進(jìn)行分析，最后結(jié)合油套環(huán)空泄壓恢復(fù)測(cè)試擬合曲線，可以得到泄漏點(diǎn)深度和當(dāng)量尺寸。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)橫截面積主要是在得到泄漏速率的基礎(chǔ)上進(jìn)行的計(jì)算研究，其準(zhǔn)確度取決于泄漏速率。

2.4 多漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)泄漏研究范圍大多是基于單漏點(diǎn)的情況，但是，井下泄漏點(diǎn)可能會(huì)有多個(gè)，因此開展多個(gè)漏點(diǎn)的檢測(cè)技術(shù)就具有很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐意義。羅偉等人分析了上漏點(diǎn)與下漏點(diǎn)（本體泄漏）、上漏點(diǎn)與下漏點(diǎn)（絲扣泄漏）及上漏點(diǎn)與封隔器泄漏等三種典型泄漏情況，明確了泄漏模式與液面高度和環(huán)空壓力的變化關(guān)系，為進(jìn)一步研究多漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)提供理論參考。劉迪等人通過(guò)氣體泄漏聲波的傳播機(jī)理研究，分析了氣井油管單漏點(diǎn)深度的地面聲波檢測(cè)方法，進(jìn)一步建立多漏點(diǎn)深度的地面聲波檢測(cè)模型，借助自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置開展多漏點(diǎn)位置的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出了環(huán)空聲波速度和各泄漏點(diǎn)的位置。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，多漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)主要是聲波法，但是，研究?jī)?nèi)容相對(duì)較少，需要進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合而言，為了突破國(guó)外技術(shù)封鎖，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)水平，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者越來(lái)越重視地面檢測(cè)井下泄漏的技術(shù)研發(fā)，尤其是放壓診斷法和聲波檢測(cè)法是當(dāng)前至今后的重點(diǎn)研究方向。