海上气井井下油套管泄漏检测与堵漏技术及其工程实践*

杨云朋 樊建春 刘书杰 李梦博 王子健 焦田田

(1. 中国石油大学(北京) 北京 102249； 2. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

据统计，在国内已有数百口海上油气井因井筒油套管泄漏导致环空带压，直接威胁油气生产安全。及早发现并定位工艺设施出现的泄漏、探明其来源及速率，预警可能出现的危险，对及时采取合理的防控治理措施和预防灾难性后果的发生具有十分重要的意义。然而，由于井下油套管泄漏具有不可见、检测难、节点广、型式复杂、特征信号易受环境干扰等特点，实现工艺设施泄漏的早期实时、在线和全息诊断(泄漏位置、来源和程度)面临极大挑战，国内外尚未取得重大突破。以井筒泄漏为例，国内外现阶段主要结合环空压力实时监测、泄压过程测定泄漏来源及速率和借助测井定位漏点来实现全息诊断,存在着发现泄漏不及时、诊断周期长、工艺复杂、成本高、对生产影响较大等突出问题[1-2]。

针对上述突出问题，课题组致力于海上气井井下油套管泄漏诱发的声波在油套管间的传播机理、泄漏信号检测识别方法、漏点准确定位方法和多源信息融合的泄漏状态评估方法研究，取得了重大的技术突破，实现了在浅井段对单漏点和双漏点的准确定位，已能满足环空带压井治理的需要。本文主要是对东海气井井下油套管泄漏检测与堵漏技术研究及工程实践进行总结，为现场井下油套管泄漏修补作业提供技术支持，并对海上气井井下油套管泄漏检测技术发展提出了建议。

1 关键技术

1.1 泄漏检测技术

气井井下油套管长期在高温环境中，受到高压冲蚀、气举作业、井底出砂以及工程施工等多重因素[3-5]的影响，极易导致油套管的螺纹连接处、管体和封隔器发生泄漏，泄漏的天然气均入侵环空，使得环空带压[6-8]。通过对泄漏声波传播机理、泄漏声波信号检测和泄漏定位方法的研究，成功研制出一套集成声波、压力、流量、示踪剂等多源信息的油套管泄漏监测系统，可实现在线测量环空液面、漏点定位以及泄漏程度评估。

1.1.1液位检测原理

液面检测的原理基于声波法，如图1a所示，计算公式如式(1)所示。液面检测的关键是获取声波从井口传播到液面的时间t，以及声波在环空中的传播速度v。声速v可用式(2)[9]计算。

H=vt

(1)

(2)

式(1)、(2)中：H为液面深度，m；cp、cv分别是定压、定容比热容，J/(mol·K)；R为通用气体常数J/(mol·K)；T为温度，K；Zg为压缩因子；ρ为摩尔密度，mol/m3；Mg为摩尔质量，kg/mol，介质均为环空气。

进行液面检测时，借助的声枪如图1b所示。当

图1 液位检测原理Fig .1 Principle of liquid level detection

高压天然气快速流过声枪内的流道时会产生一束声波信号，声波信号沿环空向井底传播，到达环空液面时发生反射，反射的回波信号被声枪内置的声波传感器接收，通过回波信号可以提取声波从井口传到液面的时间t(图1a)，结合上述声速的计算可判断环空液面的位置。

1.1.2漏点定位

通常，天然气井井下油管内的压力高于环空内的压力(也可以通过油套环空泄压调整油管和套管之间的压力)，当油管发生泄漏时，高压天然气经过泄漏孔进入油套环空，如图2a所示，在泄漏孔处产生一持续的声波信号，声波信号一部分沿着环空气体向井口传播，另一部分向井下传播至环空液面，经液面反射后传至井口。在采油树油管四通出口处安装一声波接收传感器，利用自相关法[10]对采集到的声波信号进行处理，如图2b所示。

图2 井下泄漏声波地面检测Fig .2 Acoustic surface detection of downhole leaks

油管泄漏点的定位流程：①在井口环空采集声波信号，对声波信号分别进行降噪，绘制时域、频域曲线以及自相关曲线，根据声压的波动范围初步判断是否有泄漏发生，无泄漏时，声波信号的声压在0 Pa附近波动；有泄漏时，声波信号的声压在100 dB左右[11]。②进一步利用自相关分析声波是否具有相关性，有泄漏的曲线有明显的相关性。有泄漏时，根据自相关曲线提取泄漏点到井口的特征时间可估算出泄漏点位置。主要分为以下3步：

1) 环空泄漏声波检测信号降噪。

环空声波检测信号包含的噪声主要有：采集电路噪声和环境噪声。采集电路噪声为高频噪声，外部环境噪声为随机噪声。通过实验发现，利用小波阈值降噪法，选择合适的阈值可对分解后的小波系数进行选择性删除，处理后的小波系数经重构后得到滤波信号，如图3a所示。

图3 井下泄漏声波信号处理Fig .3 Underground leak acoustic signal acquisition and processing interface

2) 计算自相关系数。

同一泄漏位置产生的沿环空向上和向下传播的声波信号具有相关性，利用自相关函数对滤波后的检测信号进行计算，得到自相关系数，如图3b所示。

3) 提取特征时间及确定泄漏位置。

如图4所示，距离零点的第1个正峰值所在的时间差Δt1，对应声波在液面和油管挂之间往复传播的时间；距离零点的第1个负峰值时间差Δt2，对应漏点到液面距离的2倍，提取特征时间Δt1和Δt2。根据公式(3)，基于波尔查诺二分法可求出泄漏点位置X[11-12]。

图4 检测信号自相关分析Fig .4 Detection signal autocorrelation analysis

(3)

式(3)中：v(X)可由式(2)求出。

1.1.3堵漏方法

在已知环空液面深度和油管泄漏位置后，设计向油套环空内注入堵漏剂方案,如图5所示。当漏点和液面之间的距离较大时，首先向环空内注入淡水抬高环空液位至漏点下方15 m左右，然后注入配制的垫浆(隔离液)抬高环空液面至泄漏点下方5 m左右，开始灌注堵漏剂至漏点上方5 m左右，再次注入10 m隔离液，然后向剩余环空空间内持续注入淡水，使液位高度抬升至井口附近。灌注作业完成后，利用钢丝作业起压泵提升环空内的压力，使环空内的压力高出油管内的压力3 MPa并保压36 h，期间记录压力变化，若油套环空30 min压降小于5%视为密封施工合格。

图5 堵漏剂注入方案Fig .5 Plugging agent injection scheme

2 工程实践

基于声波检测法的井下油套管泄漏检测技术协同堵漏技术，已在东海某平台成功进行了2井次泄漏检测试验和2井次堵漏试验。

2.1 试验井情况

以某平台A2井的泄漏检测和堵漏试验为例。据2019年1月份的生产信息记录结果显示，A2井环空带压，且高于油管内的压力，据此判断井下有泄漏发生，分别进行了环空液位检测和泄漏声波检测。A2井井身结构如图6所示，测试时的生产工况以及管柱信息见表1。油管外径为73.025 mm，壁厚为7 mm，生产套管外径为244.475 mm，壁厚为12 mm。

图6 A2井井身结构图Fig .6 Structure of Well A2

表1 A2井生产信息及生产管柱信息Table 1 Production information and production string information of Well A2

2.2 试验流程

1) 液面测试。安装声枪并试压(图7a)；缓慢打开闸板阀，快速启闭电磁阀并采集声波信号；记录测量时的生产信息；液位测试结束，关闭闸板阀，泄放管线内的余压后拆除声波枪。

图7 液面及漏点定位测量装置Fig .7 Liquid level and leakage point positioning measuring device

2) 漏点检测。关闭闸板阀，拆除闸板阀外侧法兰上的φ50.8 mm LP螺纹丝堵；安装声波传感器至φ50.8 mm LP接口，并试压(图7b)； 避免环空内的高压气体冲击损坏声波传感器，缓慢打开闸板阀；检测环空内声波信号；测试结束，关闭闸阀，泄掉管线内的余压，拆除声波传感器，并复原φ50.8 mm丝堵。

2.3 试验结果

堵漏前需准确了解井下环空液面和泄漏点的位置，分别进行了液面检测和漏点检测，检测结果见表2。

表2 不同采样频率下的检测结果Table 2 Detection results at different sampling frequencies

结合A2井的生产管柱可知，油套环空动液面高度位于油管挂下198～204.5 m，漏点位于油管挂下185.36 m和164.02 m的φ73.025 mm油管上。据此设计堵漏方案，交叉注入垫浆和堵漏剂[13-14]，使堵漏剂完全覆盖漏点位置，再次测量液面的结果见表3。

表3 注入堵漏剂后的液面检测结果Table 3 Liquid level detection results after injection of the plugging agent

根据注入的垫浆和堵漏剂的体积计算液面的理论深度，距井口约100 m，与表3的测量结果进行对比，非常接近。再次持续注入淡水至灌满环空，利用钢丝作业气动泵使环空压力升至6 MPa，并保压36 h，记录保压期间的压力变化，结果显示环空压力稳定，即堵漏成功。从而验证了漏点定位的精度能够满足工程作业需要。

3 结论和建议

1) 在前期检测机理、室内模拟试验和诊断方法研究的基础上，研制出融合声波、示踪剂及相关流体参数检测的井筒泄漏地面监测诊断系统样机，并成功应用于海上环空带压井检测诊断，配合现场2口井堵漏施工的初步成功实践表明，该系统实现了在浅井段(160～180 m)10 m误差范围内对单漏点和双漏点的准确定位，可满足环空带压井治理的需要。

2) 建议开展环空声速的测量工作，从而验证文中环空声速计算的精度，进一步提高环空液位及漏点的定位精度；研究当漏点在液面之下时的定位方法，为现场井下油套管泄漏修补作业提供技术支持。