寧衛(wèi)東,陳金宏,朱涵斌,李劍,孟騫,劉榮芳

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北分公司,河北任丘052552;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710077;3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710077)

0 引 言

儲(chǔ)氣庫(kù)井在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象,成為威脅儲(chǔ)氣庫(kù)安全的重要隱患。儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓是在交變載荷作用下,井身管柱及管柱工具、固井水泥等屏障失效造成的威脅儲(chǔ)氣庫(kù)井生產(chǎn)安全的問(wèn)題[1]。為保障儲(chǔ)氣庫(kù)井運(yùn)行安全,儲(chǔ)氣庫(kù)井一般采用多重管柱的井身結(jié)構(gòu),但仍無(wú)法避免各層級(jí)套管間的帶壓現(xiàn)象。環(huán)空帶壓現(xiàn)象表現(xiàn)為井口采氣樹(shù)密封失效、接箍滲漏、管柱工具失效、油套管裂縫等,通過(guò)井口檢測(cè)和生產(chǎn)日?qǐng)?bào)分析無(wú)法確定造成環(huán)空帶壓的井下原因,需要利用測(cè)井檢測(cè)手段確定和分析其根源,為環(huán)空帶壓治理提供依據(jù)。儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓存在漏失量低、隨機(jī)性或間歇性漏失的特點(diǎn),傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的精度和測(cè)量方式無(wú)法滿足間歇性漏失和接箍微滲漏的檢測(cè)需求,且傳統(tǒng)游弋式測(cè)量模式在儀器移動(dòng)過(guò)程中易產(chǎn)生噪聲,影響漏失判斷。分布式光纖測(cè)量技術(shù)較傳統(tǒng)電法測(cè)井具有井筒分布式全覆蓋、靜態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)勢(shì),滿足儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓檢測(cè)需要[2]。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓現(xiàn)象分析

儲(chǔ)氣庫(kù)井為保障井筒發(fā)生泄漏時(shí)可控,一般采用多重屏障,即多層套管組合方式。因此,儲(chǔ)氣庫(kù)井與常規(guī)油氣井的井身結(jié)構(gòu)相比,套管層級(jí)多、生產(chǎn)管柱相對(duì)復(fù)雜(見(jiàn)圖1),在儲(chǔ)氣庫(kù)井投產(chǎn)后受交變載荷等因素影響,仍無(wú)法避免環(huán)空帶壓。在儲(chǔ)氣庫(kù)井中油層套管和油管之間空間為A環(huán)空,油層套管與技術(shù)套管之間為B環(huán)空,技術(shù)套管與表層套管或外層技術(shù)套管間為C環(huán)空。

圖1 儲(chǔ)氣庫(kù)井常見(jiàn)井身結(jié)構(gòu)圖

可以根據(jù)井口壓力變化初步判斷漏失原因,常見(jiàn)的竄漏主要包括4種情況。①井口采氣樹(shù)漏失,一般發(fā)生在采氣樹(shù)油管懸掛處,主要表現(xiàn)為A環(huán)空帶壓,且A環(huán)空壓力與油壓基本一致,關(guān)聯(lián)性強(qiáng),壓力上升突然。②油管工具漏失,如封隔器、滑套等,主要表現(xiàn)為A環(huán)空帶壓;儲(chǔ)氣庫(kù)井為保護(hù)套管,平衡油套壓力,保護(hù)油管頭和封隔器等工具,在油套環(huán)空一般填充環(huán)空保護(hù)液,因此,A環(huán)空帶壓過(guò)程呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),后期與油壓基本持平后,油套壓力才顯示出較強(qiáng)的一致性。③套管接箍或工具漏失,主要表現(xiàn)為A環(huán)空帶壓后,B、C環(huán)空壓力呈逐級(jí)上升趨勢(shì),且B、C環(huán)空壓力與A環(huán)空有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,即隨著A環(huán)空壓力上升,B、C環(huán)空壓力上升趨勢(shì)基本一致,但有不同程度延遲。④水泥環(huán)失效引發(fā)套管外竄槽,套管外環(huán)空水泥環(huán)受儲(chǔ)氣庫(kù)井生產(chǎn)壓力交變載荷作用發(fā)生破裂,在一定條件下,水泥環(huán)失去對(duì)氣體的密封,形成管外竄通通道,造成B環(huán)空帶壓;主要表現(xiàn)為B環(huán)空帶壓,與A環(huán)空沒(méi)有關(guān)聯(lián)或關(guān)聯(lián)少,在一段時(shí)間后往往會(huì)引起C環(huán)空帶壓。

2 檢測(cè)原理及適用性分析

針對(duì)環(huán)空帶壓檢測(cè),常規(guī)監(jiān)測(cè)電纜攜帶測(cè)量?jī)x器采用游弋或定點(diǎn)測(cè)量。當(dāng)漏失發(fā)生時(shí),只有儀器恰好在漏失點(diǎn)附近才能檢測(cè)到漏失,當(dāng)儲(chǔ)氣庫(kù)井存在間歇性和多點(diǎn)漏失時(shí),傳統(tǒng)測(cè)量方式難以實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè),造成部分漏失點(diǎn)不能被檢測(cè)出來(lái)。

分布式光纖測(cè)井包括分布式光纖溫度測(cè)量和分布式振動(dòng)測(cè)量。分布式光纖溫度測(cè)量是一種用于實(shí)時(shí)快速多點(diǎn)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的測(cè)量方法。光在光纖傳輸過(guò)程中發(fā)生拉曼散射,由于光纖中分子與光子相互作用發(fā)生能量交換,其拉曼散射光的強(qiáng)度與溫度相關(guān),分析光纖后向拉曼反射的溫度效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。分布式光纖溫度測(cè)量通過(guò)光的時(shí)域反射技術(shù)可精準(zhǔn)定位測(cè)量點(diǎn)位置[3-4],獨(dú)特之處在于它能沿傳感電纜提供連續(xù)、分布式溫度測(cè)量[5]。造成環(huán)空帶壓的原因是氣體漏失,由于發(fā)生泄漏時(shí)氣體由高壓向低壓端釋放,氣體體積迅速膨脹同時(shí)吸收大量的熱,因此,泄漏點(diǎn)溫度會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)分布式光纖溫度測(cè)量即時(shí)記錄溫度異常,可判斷漏失位置,定性分析漏失量[6]。

分布式振動(dòng)測(cè)量是通過(guò)記錄光在光纖傳播中的瑞利散射相位變化及線性幅值,實(shí)現(xiàn)聲音或振動(dòng)信號(hào)的記錄,形成數(shù)據(jù)矩陣,提取聲波振動(dòng)頻率、相位及幅度信息[7]。當(dāng)氣體泄漏通過(guò)狹小空間時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,通過(guò)監(jiān)測(cè)噪聲產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)漏失實(shí)時(shí)檢測(cè),由此判斷漏失產(chǎn)生位置,根據(jù)測(cè)量時(shí)壓力狀態(tài)分析竄通路徑,如果振動(dòng)信號(hào)隨機(jī)發(fā)生,則判斷為間歇性漏失。采用分布式振動(dòng)測(cè)量不會(huì)遺漏瞬間微小的漏失信號(hào),因此,管柱或套管接箍位置發(fā)生的微滲漏,均可利用分布式振動(dòng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別。

分布式光纖測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)全井段溫度和振動(dòng)信號(hào)的即時(shí)錄取,能夠連續(xù)反映在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的異常信息,可以實(shí)施短時(shí)間或長(zhǎng)時(shí)間過(guò)程監(jiān)測(cè),動(dòng)態(tài)反映漏失或竄槽的過(guò)程,精準(zhǔn)確定發(fā)生位置,并通過(guò)時(shí)域溫度、振動(dòng)信號(hào)的變化分析漏失路徑,為環(huán)空帶壓檢測(cè)提供準(zhǔn)確信息。

3 光纖環(huán)空帶壓檢測(cè)方案

在儲(chǔ)氣庫(kù)井生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)井口壓力監(jiān)測(cè)就可以發(fā)現(xiàn)環(huán)空壓力異常,但仍需采用測(cè)井方式查找漏失位置。確定引起環(huán)空帶壓的氣源是制定治理方案的關(guān)鍵,其氣源可能來(lái)自注采層、淺層氣或過(guò)路氣,氣源不同則治理方案不同。另外,發(fā)生部位可能來(lái)自管柱、工具等不同位置,因此,漏失位置和漏失路徑的分析也是環(huán)空帶壓檢測(cè)的目標(biāo)。

圖2 H井環(huán)空帶壓歷史曲線圖

在儲(chǔ)氣庫(kù)井投產(chǎn)后,單井的生產(chǎn)方式、帶壓過(guò)程、井身結(jié)構(gòu)、工具類型等雖有不同,但環(huán)空帶壓主要是由交變載荷變化引起,與生產(chǎn)狀況關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。當(dāng)環(huán)空發(fā)生帶壓情況后,應(yīng)結(jié)合環(huán)空帶壓過(guò)程,分析漏失發(fā)生的位置及可能性,而后根據(jù)具體情況確定環(huán)空帶壓檢測(cè)方法。

在設(shè)計(jì)方案前,需初步確定漏失發(fā)生的可能,排除可能因素,聚焦重點(diǎn)檢測(cè)環(huán)節(jié)。①檢查井口采氣樹(shù)的密封性,排除井口采氣樹(shù)竄漏。②分析井口油套壓放壓、憋壓過(guò)程及生產(chǎn)井史與環(huán)空帶壓的聯(lián)系,分析氣源。③分析環(huán)空保護(hù)液液面變化與環(huán)空帶壓的關(guān)系,進(jìn)而分析生產(chǎn)管柱的漏失原因。④分析管柱結(jié)構(gòu)和管材質(zhì)量與環(huán)空帶壓的關(guān)系,分析竄漏發(fā)生路徑和相互關(guān)聯(lián)。通過(guò)上述分析,判斷造成環(huán)空帶壓的幾種可能性,并以此為基礎(chǔ),制定檢測(cè)方法和施工方案,確定重點(diǎn)檢測(cè)環(huán)節(jié)。

4 案例分析

某儲(chǔ)氣庫(kù)H井環(huán)空帶壓歷史曲線見(jiàn)圖2。A環(huán)空壓力最高達(dá)27.0 MPa,B環(huán)空壓力最高達(dá)24.5 MPa,環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)歷史反映A環(huán)空與B環(huán)空的壓力變化趨勢(shì)不同,A環(huán)空與B環(huán)空之間沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)性。帶壓原因:①B環(huán)空壓力是由淺地層氣或儲(chǔ)氣層氣通過(guò)水泥環(huán)竄通;②在A、B環(huán)空間達(dá)到一定壓差條件下,A環(huán)空與B環(huán)空會(huì)發(fā)生竄通,其竄通為間歇性的。

結(jié)合前期各環(huán)空放壓及憋壓過(guò)程,制定分布式光纖環(huán)空帶壓檢測(cè)方案。為避免環(huán)空間竄漏相互干擾,采用逐級(jí)放壓測(cè)試的方法,并明確各環(huán)空帶壓檢測(cè)重點(diǎn)。由于C環(huán)空與B環(huán)空的壓力變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明C環(huán)空與B環(huán)空之間可能存在較通暢的漏失通道,C環(huán)空帶壓是由B環(huán)空帶壓引起,其漏失較大可能來(lái)自接箍滲漏。B環(huán)空檢測(cè)重點(diǎn)放在油管鞋至氣層頂界井段,檢測(cè)是否由套管外環(huán)空水泥環(huán)竄槽導(dǎo)致B環(huán)空帶壓。在A環(huán)空放壓期間,重點(diǎn)檢測(cè)生產(chǎn)管柱及工具漏失。

C環(huán)空放壓后的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)放壓前后C環(huán)空振動(dòng)信號(hào)疊合對(duì)比發(fā)現(xiàn)在69 m以上信號(hào)出現(xiàn)異常,在該深度以上技術(shù)套管固井質(zhì)量較差,存在竄通通道,漏失應(yīng)發(fā)生在69 m處,由B環(huán)空向C環(huán)空漏失。

圖3 C環(huán)空放壓后的檢測(cè)結(jié)果圖

圖4 B環(huán)空振動(dòng)信號(hào)異常檢測(cè)

當(dāng)B環(huán)空放壓,測(cè)量B環(huán)空漏失點(diǎn),圖4為1∶43、1∶53、1∶45、1∶54這4個(gè)時(shí)刻檢測(cè)到的振動(dòng)異常信號(hào),分別在2 510、2 580、2 680 m振幅發(fā)生異常,異常信號(hào)的發(fā)生具有瞬時(shí)特點(diǎn),反映在上述深度發(fā)生間歇性漏失。2 806 m為該井油管封隔器位置,該深度至儲(chǔ)氣層井段,在測(cè)量期間未發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)信號(hào),說(shuō)明在油管封隔器以下油層套管水泥環(huán)密閉性好,沒(méi)有發(fā)生竄通。因此,井口B環(huán)空帶壓是套管接箍發(fā)生間歇性滲漏導(dǎo)致的。

圖5為A環(huán)空放壓振動(dòng)異常信號(hào)檢測(cè)圖。對(duì)比放壓前后的異常振動(dòng)信號(hào)發(fā)現(xiàn),在2 806 m油管封隔器位置發(fā)生持續(xù)性漏失,這是造成A環(huán)空帶壓的主要原因。通過(guò)檢測(cè)識(shí)別H井造成各環(huán)空帶壓的泄露位置、路徑及氣源,為該井治理提供準(zhǔn)確信息。

圖5 A環(huán)空放壓振動(dòng)異常信號(hào)檢測(cè)圖

通過(guò)H井環(huán)空帶壓的檢測(cè),明確了A、B、C環(huán)空帶壓的源頭來(lái)自生產(chǎn)管柱封隔器的漏失,B、C環(huán)空帶壓均是由A環(huán)空逐級(jí)滲漏導(dǎo)致。因此,H井通過(guò)更換生產(chǎn)管柱,解決封隔器漏失問(wèn)題就可以避免環(huán)空帶壓。若在油管封隔器以下至儲(chǔ)氣層段之間發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào),應(yīng)證實(shí)是否存在管外竄流,如果存在管外竄流,那么將引起B(yǎng)環(huán)空帶壓,需要根據(jù)具體井況、帶壓評(píng)價(jià)結(jié)果等制定封堵措施,實(shí)現(xiàn)對(duì)管外竄的封堵,最終解決環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。

分布式光纖測(cè)井可以有效發(fā)現(xiàn)微滲、間隙性漏失等常規(guī)方法難以檢測(cè)的漏失現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)踐總結(jié)了4點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。①不同的竄漏部位、竄漏方式其治理方案不同,這些決定了環(huán)空帶壓井的檢測(cè)重點(diǎn),因此,應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)油管、套管漏失和儲(chǔ)氣層以上管外竄槽開(kāi)展檢測(cè)。②單井環(huán)空帶壓原因多樣,表征差異大,因此,在檢測(cè)前需針對(duì)單井帶壓歷史情況展開(kāi)分析,并制定識(shí)別漏失位置、路徑及氣源等關(guān)鍵問(wèn)題的檢測(cè)方案。在施工過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況及時(shí)調(diào)整檢測(cè)方案,提高檢測(cè)成功率。③環(huán)空帶壓竄漏是在一定壓力條件下形成的,且具有間歇性特點(diǎn);分布式光纖檢測(cè)方法具有實(shí)時(shí)性、分布式特點(diǎn),可對(duì)全井筒的不規(guī)律間隙性漏失信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拾取,捕捉瞬間漏失信號(hào),較傳統(tǒng)游弋式測(cè)量有明顯優(yōu)勢(shì),因此,在儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓檢測(cè)中具有普遍適用性。④由于漏失發(fā)生的間歇性特點(diǎn)和竄漏空間大小的不確定性,造成在井筒內(nèi)難以產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度場(chǎng),且微小滲漏造成的溫度變化也超出分布式溫度測(cè)量的分辨能力,目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)漏失量的計(jì)算。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓現(xiàn)象進(jìn)行分析,可優(yōu)化施工方案,提高下井監(jiān)測(cè)成功率。

(2)分布式光纖檢測(cè)技術(shù)在環(huán)空帶壓的檢測(cè)方面具有先天測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì),可以提供更全面的井筒滲漏信息,填補(bǔ)微滲漏和間歇性漏失檢測(cè)技術(shù)空白。

(3)分布式光纖環(huán)空帶壓檢測(cè)技術(shù)在H井的成功應(yīng)用表明,分布式光纖實(shí)現(xiàn)了多重管柱條件下各層環(huán)空帶壓的檢測(cè),有助于儲(chǔ)氣庫(kù)井環(huán)空帶壓原因分析,為治理方案制定提供準(zhǔn)確信息。