光纖式油水界面儀井下損壞分析及防范措施

劉亞靜 喬寬 李天友 孟靈 王開紅 邢艷輝

1. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司；2. 中國石油華北油田分公司

在鹽穴儲氣庫溶腔建庫的過程中，控制油水界面的位置是溶腔的關鍵，是影響腔頂形狀和穩定性的主要因素［1-2］。為防止腔體上溶過快，丟失有效體積，必須嚴格控制油水界面位置，使得腔體形狀按照設計方向發展：一方面可以最大限度有效利用巖層發展腔體體積，另一方面可以使腔體形狀達到最佳化，保證腔體穩定性［3］。若溶腔過程中油水界面不精準，將會導致頂板溶蝕、腔體體積無法最大化、腔體形狀不受控制以及生產套管的管鞋處被溶穿等，破壞腔體形狀及穩定性，更嚴重可能導致腔體報廢，直接影響儲氣庫的安全生產及經濟效益［4］。

近年來，國內造腔過程中的界面測試手段主要依靠中子測井法，但是中子測井法成本高、風險高。隨著光纖通訊的迅速發展，光纖式油水界面儀作為鹽穴儲氣庫的新技術之一，操作簡單、探測范圍廣、監測成本低、能連續測量井下油水界面位置，已逐步在油水界面監測領域得到推廣應用［5-6］。目前金壇鹽穴儲氣庫28 口造腔井均改變了以往監測模式，已全部安裝了光纖式油水界面儀。

1 光纖式油水界面儀

1.1 光纖式油水界面儀結構

光纖式油水界面儀主要由地面設備和井下復合光纜兩部分組成［7］。井下復合光纜由光纖、電纜、填充物及外鎧組成。其中光纖為井下傳感器與地面解調器之間傳輸信號，電纜為光纖加熱，填充物和外鎧起保護作用。光纖由外層鋼管、內層鋼管包裹，光纖長度約1 500 m，內層鋼管外徑約?2.2 mm，外層鋼管外徑約?3.2 mm。光纜安裝在造腔外管的管壁上，通過接箍保護器、鋼帶保護和固定下入井內，在造腔過程中利用油和水的比熱容不同，升溫速率存在差異的原理監測油水界面位置［8］。

1.2 光纖式油水界面儀損壞現狀

以金壇鹽穴儲氣庫為例，在4 年多的應用過程中，現場28 口造腔井的油水界面儀共出現12 井次不同程度的損壞現象，包括外鎧內部滲有鹵水、信號傳輸中斷、加熱后只有電壓而沒有電流等問題。將光纜從井下起出后，觀察發現光纜沒有大面積保護外鎧被壓扁的現象，一般為小面積損壞，損壞點在1 cm 左右，呈現不連續點狀損壞。

1.3 損壞分析

由于大部分是在造腔過程中發生信號中斷的問題，且外鎧非大面積損壞，只呈現不間斷點損壞，因此排除起下造腔外管管柱下放或調整過程中，由于井斜、起下外管操作等因素產生造腔外管管壁與套管碰撞，損壞光纜的原因。以井1 和井2 的光纜損壞為例，進一步開展理論分析，損壞光纖井的設計數據及不溶物含量如圖1 所示。

圖1 井設計數據及不溶物含量Fig. 1 Well design data and insoluble content

從圖1(a)可以看出，井1 油水界面在1 045 m，造腔外管管鞋在1 090 m，造腔內管在1 108 m，光纖損壞點在1 061.91 m、1 071.01 m、1 081.47 m(圖中紅色點位置)，光纖砸損點上方均存在不溶物含量高于80%的夾層。從圖1(b)可以看出，井2 油水界面在1 073 m，造腔外管管鞋在1 100 m，造腔內管在1 112 m，光纖損壞點在1 075.53 m、1 082.32 m、1 095.68 m(圖中紅色點位置)，光纖砸損點上方均存在不溶物含量高于80%的夾層。

綜上所述，損壞光纖井的油水界面位置均在造腔外管以上，光纖損壞點均在油水界面與造腔外管管鞋之間，并且油水界面與造腔外管之間具有不溶物含量大于80%的夾層存在，損壞位置均處于不溶物夾層之間。

為了進一步得出不溶物含量對光纖損壞的影響，隨機選取未發生損壞的井3，分析井3 的設計數據及不溶物含量如圖2 所示，發現不溶物含量均小于80%。再從不溶物含量較低的井中隨機選取一口井4，井4 的設計數據及不溶物含量如圖3 所示，發現該井從2017 年開始使用光纖式油水界面儀至今未發生損壞。通過分析研究，光纖式油水界面儀發生損壞的原因主要是不溶物含量高于80%，在溶腔過程中容易發生不溶物掉落的現象，從而導致管柱擺動，砸損光纖。

圖2 井3 不溶物含量示意圖Fig. 2 Schematic insoluble content of Well 3

圖3 井4 不溶物含量示意圖Fig. 3 Schematic insoluble content of Well 4

2 防范措施

2.1 設計防范

為避免光纖發生損壞，綜合考慮設計過程中各種影響因素［9-11］，遇到不溶物含量高于80%的夾層時，宜將造腔外管管鞋提到不溶物夾層之上。同時由于目前下井的光纖式油水界面儀都沒有防砸保護裝置，為加強光纖防砸能力，可以為光纖加裝防砸保護裝置。

2.2 保護措施及要求

綜合考慮井下狀況和方案實施情況：考慮到2 個主要因素。一方面井下環空空間有限，?300 mm和?233 mm 環空每側側向空間距離最多22 mm 可以利用，接箍處只有13 mm 可以利用，單純增加外鎧的壁厚會增加起下管柱和光纜調整的難度。另一方面防砸保護器的焊接不能過多，過多的焊接會影響套管強度并造成套管彎曲。套管之所以成管狀，是因為套管存在熱應力和彈性應力。因此要求焊接面積在保證抗砸強度的前提下，盡量減少焊接面積，可以考慮全焊接的1/3 即可滿足焊接強度要求。焊接后檢查套管是否發生變形，發生變形要及時匯報和溝通，及時優化改進工藝。

采用如圖4 所示的機械半保護方式。此方案符合現場制作和安裝工藝，操作簡單，不會耽誤井下作業時間，有效保證造腔進度。在保護光纜的同時，可防止光纜結垢，不會影響界面測試。關于套管強度的影響。在套管上焊接任何東西都會改變套管強度，但是此方案焊接的套管在整個管柱的最下方，也是套管張力最小的地方，焊接受熱面積小于整個套管面積的1/50，對套管強度的影響比較小。

圖4 半保護安裝示意圖Fig. 4 Schematic installation of semi-protection

2.3 現場應用

防砸保護器采用長1 m，寬10 mm，高18 mm 的鍵槽鋼；套管外壁軸向每間隔0.5 m 焊接1 根鍵槽鋼；每1 m 鍵槽鋼分布4 個焊接點，每個焊接點長度要求40 mm；焊接熔深至少3 mm；每口井井下，有4 根套管需要焊接防砸保護器。下井前，在地面先平放4 根套管，按裝配扭矩連接4 根套管，并在套管外壁軸向畫1 根標志線，保證焊接的防砸保護器在這條直線上，再對其施加150～200 N 的外力，驗證焊接的牢固性。對井1 與井2 進行機械半保護安裝，安裝示意圖如圖5 所示。從安裝開始至2020 年5 月約半年的時間，未再發現光纜砸損現象，對光纜起到了有效的保護，有效解決了光纜損壞問題，對現場具有指導性作用。

圖5 復合光纜半保護安裝現場Fig. 5 Installation site of the composite optical fiber semi-protection

3 結論

(1)損壞光纖井的油水界面位置均在造腔外管以上，光纖損壞點均在油水界面與造腔外管管鞋之間，損壞位置均處于不溶物夾層之間。

(2)通過對金壇鹽穴儲氣庫油水界面儀進行損壞分析，發現損壞主要原因是由于不溶物含量高于80%，在溶腔過程中容易發生不溶物掉落的現象，從而導致管柱擺動，砸損光纖。

(3)為了避免光纖發生損壞，在進行造腔設計時，若遇到不溶物含量高于80%的夾層，宜將造腔外管管鞋提到不溶物夾層之上；同時對井下光纜采取機械半保護方式，對現場2 口井進行安裝試驗，半年的時間內未再發現光纜砸損現象，對光纜起到了有效的保護。