油气井井筒泄漏超声波检测技术及应用

刘子平,屈玲,姚梦麟

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司,四川 成都 610051;2.中国石油川庆钻探工程有限公司页岩气项目部,四川 成都 610051;3.中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院,四川 成都 610051)

0 引 言

油套管泄漏或套管环空窜漏检测是油气井井筒完整性管理中的重要环节。大多数泄漏刚开始时是少量的,随着时间推移泄漏会加剧。在泄漏发展的早期,定位泄漏点可以降低补救成本。常规的测漏点技术,如多臂井径测井、电磁探伤测井、转子流量计、梯度井温测井、井下照相机、热中子衰减测井和噪声测井等,很难检测出非常小的井筒泄漏(小于3.785 L/min)。因为小的泄漏引起的井筒泄漏点周缘温度、压力、流速等特性改变较小,往往低于流体温度、流量、压力类测井仪器的分辨率。常规噪声测井只能在定点测量模式下检测泄漏点液体或气体产生的声频段声波能量,因受远处其他噪声源影响,存在测井解释多解性。

井下照相机(如DHV)虽能有效检测各种泄漏和诊断其他问题,但是对井内液体或气体的清晰度要求很高。此外,用常规井眼漏点检测技术,也无法定位出现在多层管柱之外的泄漏。因此,在新的安全、环保形势下,迫切需要一种适用范围更广、测量结果更准确的测井方法。

井筒中无论是气态或液态的泄漏,就会产生次声波、声波以及超声波3个频率段的震动。与次声波、声波频率段声波能量相比,超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中声能等特性,而且,超声波具有传播距离相对较短、检测到超声波信号时指示泄漏位置更靠近泄漏源等优点。这些特性,使其成为泄漏精确检测的理想选择。多年前就已经形成了利用超声波原理在地面对阀门和井口装置等生产设备进行泄漏检测的技术。

因此,超声波测井可望有效地应用于油气井井下管柱或环空泄漏、窜槽等检测。为此,基于超声波地面泄漏检测仪成功应用的经验、以及超声波传播的优良特性,研制了新一代井下超声波泄漏测井检测仪WLD(Well Leak Detector)。

1 井下超声波泄漏测井检测技术

1.1 仪器结构及测量原理

新一代井下超声波泄漏检测仪WLD由压电晶体传感器、信号放大器、数字信号处理器、电缆数字通讯遥测系统等组成(见图1)。

图1 井下超声波泄漏检测仪WLD构成

WLD使用的压电晶体传感器是一种高精度压电晶体频谱探测器,该频谱探测器频带范围包含了由泄漏产生的典型超声波频率,能够在井筒环境下检测到因流体泄漏在不同介质中传播时产生的超声波。同时,WLD配备了先进的数字信号处理器,采用高精度的数字信号处理技术。虽然由流体泄漏产生的超声波能够在泄漏点1～3 m区域的钢铁、液体或压缩气体中传播,但由于超声波的传播受制于传播距离以及频率等因素,泄漏点产生的超声波在到达压电传感器时,因能量衰减,往往只能在压电传感器上产生非常低的电压。为了提取出特定频率的超声波信号,需要放大小的压电模拟信号并通过数字信号处理器进行数字化。WLD数字信号处理器配有大量闪速随机存取存储模块,这些存储模块运行一系列的模块化的信号处理程序,实现信号放大、数字滤波、信号数字化等运算。模块化的信号处理程序由一系列带通滤波算法组成,这些算法专门针对由泄漏产生的特征超声波频率而设计。滤波算法滤除由机械噪声或其他干扰所产生的杂波。最终得到一种全数字化的、主要反映泄漏特征的波形信号,然后通过电缆数字通讯遥测系统传送到地面数字显示系统和存储系统,形成反映泄漏信号的测井图。

WLD用于探测井筒内超声波能量。测井时,井筒必须要有压力,以保持泄漏点处于活动状态。在井筒中,如果漏点附近存在压差,就会在高压端(或低压端)产生压力降低(或升高)。这种压力变化将产生紊流,同时发出特定频率的超声波。当WLD经过漏点时,其压电晶体传感器将捕获该超声波并产生较低的电流。仪器中的信号处理器对记录的超声波波谱进行处理与数字化,抑制与漏点无关的声波数据,并将它们处理成无量纲的数值。压电晶体传感器对被捕捉的超声波波谱按设定的中高频段、超高频段2个特定频谱段和全频段进行数字处理后,输出无量纲的中高频段超声波能量测井曲线WLDB、超高频段超声波能量测井曲线WLDC和全频段超声波能量测井曲线WLDA。仪器产生的基线值随着传感器的不同以及作业井的不同而变化。如果仪器附近没有超声波源,其WLDB和WLDC的基线值大致在650～1 500,WLDA的基线值大约在3 750～5 000。当仪器经过被激活的漏点时,传感器将捕获漏点处紊流所发出的超声波信号,输出的测井曲线值在该深度附近急剧增加,形成陡峰,峰顶对应的深度即为漏点位置。不同漏点产生的超声波差异较大,这取决于井筒中漏点形状、漏点两侧的压差、传播介质等。

1.2 WLD仪器主要技术指标和特点

仪器串长度9 m(含加重杆长度);仪器探头长度0.6 m;仪器重量100 kg(含加重杆重量);适用最高温度150 ℃;适用最高压力105 MPa;仪器最大测井速度10 m/min;仪器外径43 mm;仪器组合能力可与第三方所有可挂接GE Sondex公司Warrior测井系统仪器组合测井;仪器测井传输方式为钢丝、电缆、连续油管传输。

1.2.1 探测精度高

WLD采用新型的压电晶体频谱探测器,以及新的井下数字信号处理技术和处理器,大大提高了井下泄漏超声波的测井精度和数据处理速度,使得连续的测井数据在正常测井速度下能在标准电缆中传送。测量探头能对液体或压缩气体(压差>4 MPa)通过漏点产生的紊流发出的超声波响应灵敏,即使在井筒流体流动较小的情况下,WLD测量的WLDB、WLDC和WLDA曲线也能准确识别出漏点。实验表明,WLD能识别出0.02～5 000 L/min的漏点。现场应用表明,WLD能检测出漏速低于0.02 L/min的漏点。

1.2.2 漏点位置确定精度准

与早期使用的井眼噪声示踪测井仪,如BATS(Borehole Audio Trace Survey)等相比,WLD将井下泄漏点产生的噪声中超声波频率段作为测量对象,漏点定位更加准确。超声波传播的距离相对较短,当WLD检测到这种性质的超声波信号时,检测仪器就已经靠近泄漏源。试验表明,这种仪器在油管、套管及其他的承压完井设备中对于漏速0.1 L/min的泄漏的定位精度达3 ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同。现场应用证明,WLD连续测井技术定位泄漏异常点时,比通常用的声频段噪声点测的方法更有效,多层油管或套管间的泄漏也可以被检测到。该仪器可有效地定位其他测井诊断方法不能定位的泄漏。

1.2.3 测量时效高

WLD不仅能清楚地探测井筒中存在的多个漏点,而且能够在多层管柱测量环境中,可在内层管柱中(如油管)对外层管柱(如在套管)上存在的漏点进行探测。同时,WLD具有连续深度测量和定点深度测量2种泄漏检测测井方式,可实现高效、精确测量。连续深度测量方式记录各个深度的超声波信号,可组合套管接箍定位器等仪器,给漏点进行深度定位;定点深度测量方式记录某一深度点超声波随时间变化情况,这种方式用于确认漏点是否连续以及给漏点精确定位。精确定位漏点往往需要借助于对井筒(井口)进行压力调节等措施,即通过调节漏点两侧的压差来改变漏速,观察仪器对此做出的反应,从而实现精确定位漏点的目的。

1.2.4 测井方式灵活

WLD可采取钢丝、电缆、连续油管等多种传输方式测井。在进行漏点检测时,可以在油气水井开井或关井状态下进行测量。同时,为了便于校深或综合分析,还可与磁定位器等下井仪器组合测井。

2 应用效果分析

2.1 LG2井基本情况

LG2井是四川盆地龙岗气田的1口预探井,完钻后对长兴组下段6 169～6 194 m、长兴组上段6 112～6 132 m、飞仙关组5 953～5 967 m与5 982～5 990 m井段,储层分3层进行试油。除长兴组下段测试产水外,长兴组上段以及飞仙关组测试气产量分别为71.20×104、100.8×104m3/d,产层中部地层压力分别为62.16 MPa和61.35 MPa,硫化氢含量分别为197、68.9、49.5 g/m3,属典型的高压、高产、高含硫气井。在每层试油测试结束后,分别下电缆桥塞对各层进行暂闭,桥塞塞面井深分别为6 158、6 053.34、5 944.80 m。此外,因长兴组上段试油时发现7 in套管回接筒附近存在窜漏,故飞仙关组试油结束后,还在井深3 449.11 m处打水泥塞进行暂闭,且水泥塞面之上替换为密度1.21 g/cm3的压井液,等待地面集输、净化系统建成后再进行修井投产。

在等待投产过程中,发现LG2井井口出现压力异常:油管内A环空(油管与Φ177.8 mm套管环空)、B环空(Φ177.8 mm与Φ244.5 mm套管环空)、C环空(Φ244.5 mm与Φ339.7 mm套管环空)均带压,油管内压力由0 MPa升高至20 MPa;A环空压力由0 MPa升高至24 MPa;B环空压力由0 MPa升高至19.8 MPa(之后采取泄压保护措施);C环空压力由0 MPa升高至0.4 MPa。且各压力呈上升趋势。

为了找出井口带压原因,以便制定下一步修井方案,决定进行井筒找漏测井。在找漏测井之前,泄掉井筒油管内及A、B、C环空压力,压井起出原井筒内油管管柱,钻开井深3 449.11 m的水泥塞,下光油管柱至5 485 m,换装采气井口,然后全井筒替换成清水关井观察,并等待测井找漏施工。

2.2 LG2井梯度井温、BATS噪声测井联合找漏与测井解释

在进行WLD测井前,开展了梯度温度测井(包括:静态与动态梯度温度测井)和BATS噪声测井。静态梯度温度测井时,油管内关井压力为2.5 MPa、A环空关井压力为2 MPa、B环空关井压力为18 MPa。继续关井24 h后,实施动态梯度温度和BATS噪声测井。此时,油管内关井压力仍为2.5 MPa、A环空关井压力仍为2 MPa,但B环空关井压力由18 MPa升至20 MPa。鉴于A环空压力低、压力恢复缓慢、泄压后其压力瞬间降为0 MPa,故在进行动态梯度温度和BATS噪声测井时,同时打开A、B环空泄压,以维持井筒内天然气的持续流动。打开A、B环空后,环空压力很快降为0 MPa,放喷泄压出口点火火焰高度由4.5 m降至0.4 m,并一直持续0.4 m的火焰高度,直到测井结束关闭A、B环空。

图2、图3分别为梯度井温和BATS噪声测井成果图。从图2中的梯度温度井温测量结果可以看出,静态梯度温度曲线与动态梯度温度曲线基本重合,没有明显的梯度温度异常指示,微差井温曲线也无井温异常指示,未能识别出泄漏点。在图3的BATS噪声测井图中,井深3 301.7 m处的7 in回接筒窜漏点及上、下位置附近,BATS噪声测井仪器获取的200、600 Hz、1、2、4、6 kHz等6个频率噪声幅度曲线也没有明显的泄漏异常指示。这可能是由于泄漏点天然气的泄漏量小,梯度温度测井、常规的噪声测井仪器等对泄漏点无法分辨所致。

图2 LG2井找漏梯度井温测井成果图

图3 LG2井BATS噪声测井成果图

2.3 WLD在LG2井找漏中的应用

图4 LG2井WLD与WAF测井找漏成果图

针对上述状况,采用WLD仪并组合井筒环空流体超声波探测仪WAF(Well Annular Flow)进行测井找漏,以查找泄漏点和B环空等起压原因。在测井找漏施工时,首先关闭油管、A、B、C环空等,且井口不采取任何泄压措施,进行了第1趟全井段测井,测井成果见图4。

图5 WLD过漏点(3 301.7 m处)多次检测测井成果图

从图4中WLD的2个频率段超声波能量曲线WLDB、WLDC和全频率段超声波能量曲线WLDA,以及WAF的7个频率段超声波能量曲线WAFB、WAFC、WAFD、WAFE、WAFF、WAFG、WAFH和全频率段超声波能量曲线,可见井深1 000 m以浅井段、1 500 m深度附近、2 000 m深度附近、3 500 m以深井段等,存在明显超声波能量高异常特征,指示出多个管外天然气窜漏的疑似井段、以及不同井段流体在管外水泥窜槽中窜漏时超声波能量的差异。在WAF成像图上,更直观地显示出不同井段管外天然气窜漏后形成的超声波能量变化特征(色标颜色越红,表示超声波能量越强)。

通过逐段多次测量与精细解释,发现WLD的3条超声波能量曲线WLDA、WLDB、WLDC在井深3 301.7 m处存在明显超声波能量高异常特征,指示泄漏点的存在,见图5箭头指示位置。

此外,为了考证第1趟WLD与WAF组合测井中发现的多个疑似泄漏点的真伪,保证测量结果的准确性,随后还在油管与A环空加压、B环空压力泄压等7种不同工况条件下进行了验证测井,证实了井深3 301.7 m处(7 in套管回接筒区域)漏点的真实性。测井成果见图5及表1。

同时,还对井深3 301.7 m处漏点以及其他疑视井段进行了多次定点测量。图6为井深3 301.7 m处漏点定点测量成果,可以看出,WLD测得的3条超声波能量曲线随着油管和A环空压力增大,其测量结果逐渐降低,直至接近仪器测量的本底值。结合表1和图5,可以发现,当油管和A环空处于低压时,漏点容易被WLD探测到(见图5中WLD多次测量结果中的第1、2、3、4、5次测井成果);当油管和A环空处于高压时,漏点则不易被WLD识别(见图5中WLD多次测量结果中的第6、7次测井成果)。图7为同一压差条件下井深3 301.7 m处漏点附近多个深度点WLD定点测量结果的综合图,从图7可见,越靠近漏点深度处,WLD测得超声波能量曲线数值越大,直至达到最高值。故WLD超声波能量曲线幅度最高值对应深度,即为WLD检测出的漏点精确位置。

表1 WLD过漏点(3 301.7 m处)多次泄漏检测测井统计表

图6 LG2井漏点不同油套环空压力下WLD测井成果图

图7 LG2井漏点及漏点附近WLD测井成果图

此外,综合钻井、录井、裸眼测井解释等成果,还可以分析得到LG2井管外窜槽测井解释结论,即:1号、2号储层天然气是C环空带压的直接气源,3号、4号储层天然气是导致B环空带压的直接气源。B环空中窜槽的天然气还通过7 in套管回接筒井深3 301.7 m的泄漏点,直接进入A环空,造成A环空、与A环空连通的油管带压。而且,B环空窜漏的天然气,在沿B环空水泥环薄弱通道向上往井口方向窜漏的同时,还沿B环空水泥环薄弱通道,向下部低压地层窜漏(见图4)。

3 结 论

(1) 新一代井下超声波泄漏检测仪高精度压电晶体频谱探测器及先进数字信号处理技术的应用,提高了仪器的测量精度和信噪比。

(2) 新一代井下超声波泄漏检测仪连续深度测量和定点深度测量2种漏失检测测井方式,大大提高了测井效率、以及定位深度的准确性。

(3) WLD井下超声波泄漏检测仪在LG2井井下复杂泄漏检测环境下的成功应用表明,WLD能够检测微小的泄漏,即使在外层水泥环或套管存在窜漏等复杂环境下,也能识别内层管柱上的泄漏。可望为查找四川油气田“三高油气井”等井筒泄漏提供更准确的测井检测手段,有助于“三高气井”等井口带压治理工作的科学决策。