海上氣井井下油套管泄漏檢測與堵漏技術及其工程實踐*

楊云朋 樊建春 劉書杰 李夢博 王子健 焦田田

(1. 中國石油大學(北京) 北京 102249； 2. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

據統計，在國內已有數百口海上油氣井因井筒油套管泄漏導致環空帶壓，直接威脅油氣生產安全。及早發現并定位工藝設施出現的泄漏、探明其來源及速率，預警可能出現的危險，對及時采取合理的防控治理措施和預防災難性后果的發生具有十分重要的意義。然而，由于井下油套管泄漏具有不可見、檢測難、節點廣、型式復雜、特征信號易受環境干擾等特點，實現工藝設施泄漏的早期實時、在線和全息診斷(泄漏位置、來源和程度)面臨極大挑戰，國內外尚未取得重大突破。以井筒泄漏為例，國內外現階段主要結合環空壓力實時監測、泄壓過程測定泄漏來源及速率和借助測井定位漏點來實現全息診斷,存在著發現泄漏不及時、診斷周期長、工藝復雜、成本高、對生產影響較大等突出問題[1-2]。

針對上述突出問題，課題組致力于海上氣井井下油套管泄漏誘發的聲波在油套管間的傳播機理、泄漏信號檢測識別方法、漏點準確定位方法和多源信息融合的泄漏狀態評估方法研究，取得了重大的技術突破，實現了在淺井段對單漏點和雙漏點的準確定位，已能滿足環空帶壓井治理的需要。本文主要是對東海氣井井下油套管泄漏檢測與堵漏技術研究及工程實踐進行總結，為現場井下油套管泄漏修補作業提供技術支持，并對海上氣井井下油套管泄漏檢測技術發展提出了建議。

1 關鍵技術

1.1 泄漏檢測技術

氣井井下油套管長期在高溫環境中，受到高壓沖蝕、氣舉作業、井底出砂以及工程施工等多重因素[3-5]的影響，極易導致油套管的螺紋連接處、管體和封隔器發生泄漏，泄漏的天然氣均入侵環空，使得環空帶壓[6-8]。通過對泄漏聲波傳播機理、泄漏聲波信號檢測和泄漏定位方法的研究，成功研制出一套集成聲波、壓力、流量、示蹤劑等多源信息的油套管泄漏監測系統，可實現在線測量環空液面、漏點定位以及泄漏程度評估。

1.1.1液位檢測原理

液面檢測的原理基于聲波法，如圖1a所示，計算公式如式(1)所示。液面檢測的關鍵是獲取聲波從井口傳播到液面的時間t，以及聲波在環空中的傳播速度v。聲速v可用式(2)[9]計算。

H=vt

(1)

(2)

式(1)、(2)中：H為液面深度，m；cp、cv分別是定壓、定容比熱容，J/(mol·K)；R為通用氣體常數J/(mol·K)；T為溫度，K；Zg為壓縮因子；ρ為摩爾密度，mol/m3；Mg為摩爾質量，kg/mol，介質均為環空氣。

進行液面檢測時，借助的聲槍如圖1b所示。當

圖1 液位檢測原理Fig .1 Principle of liquid level detection

高壓天然氣快速流過聲槍內的流道時會產生一束聲波信號，聲波信號沿環空向井底傳播，到達環空液面時發生反射，反射的回波信號被聲槍內置的聲波傳感器接收，通過回波信號可以提取聲波從井口傳到液面的時間t(圖1a)，結合上述聲速的計算可判斷環空液面的位置。

1.1.2漏點定位

通常，天然氣井井下油管內的壓力高于環空內的壓力(也可以通過油套環空泄壓調整油管和套管之間的壓力)，當油管發生泄漏時，高壓天然氣經過泄漏孔進入油套環空，如圖2a所示，在泄漏孔處產生一持續的聲波信號，聲波信號一部分沿著環空氣體向井口傳播，另一部分向井下傳播至環空液面，經液面反射后傳至井口。在采油樹油管四通出口處安裝一聲波接收傳感器，利用自相關法[10]對采集到的聲波信號進行處理，如圖2b所示。

圖2 井下泄漏聲波地面檢測Fig .2 Acoustic surface detection of downhole leaks

油管泄漏點的定位流程：①在井口環空采集聲波信號，對聲波信號分別進行降噪，繪制時域、頻域曲線以及自相關曲線，根據聲壓的波動范圍初步判斷是否有泄漏發生，無泄漏時，聲波信號的聲壓在0 Pa附近波動；有泄漏時，聲波信號的聲壓在100 dB左右[11]。②進一步利用自相關分析聲波是否具有相關性，有泄漏的曲線有明顯的相關性。有泄漏時，根據自相關曲線提取泄漏點到井口的特征時間可估算出泄漏點位置。主要分為以下3步：

1) 環空泄漏聲波檢測信號降噪。

環空聲波檢測信號包含的噪聲主要有：采集電路噪聲和環境噪聲。采集電路噪聲為高頻噪聲，外部環境噪聲為隨機噪聲。通過實驗發現，利用小波閾值降噪法，選擇合適的閾值可對分解后的小波系數進行選擇性刪除，處理后的小波系數經重構后得到濾波信號，如圖3a所示。

圖3 井下泄漏聲波信號處理Fig .3 Underground leak acoustic signal acquisition and processing interface

2) 計算自相關系數。

同一泄漏位置產生的沿環空向上和向下傳播的聲波信號具有相關性，利用自相關函數對濾波后的檢測信號進行計算，得到自相關系數，如圖3b所示。

3) 提取特征時間及確定泄漏位置。

如圖4所示，距離零點的第1個正峰值所在的時間差Δt1，對應聲波在液面和油管掛之間往復傳播的時間；距離零點的第1個負峰值時間差Δt2，對應漏點到液面距離的2倍，提取特征時間Δt1和Δt2。根據公式(3)，基于波爾查諾二分法可求出泄漏點位置X[11-12]。

圖4 檢測信號自相關分析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

在已知環空液面深度和油管泄漏位置后，設計向油套環空內注入堵漏劑方案,如圖5所示。當漏點和液面之間的距離較大時，首先向環空內注入淡水抬高環空液位至漏點下方15 m左右，然后注入配制的墊漿(隔離液)抬高環空液面至泄漏點下方5 m左右，開始灌注堵漏劑至漏點上方5 m左右，再次注入10 m隔離液，然后向剩余環空空間內持續注入淡水，使液位高度抬升至井口附近。灌注作業完成后，利用鋼絲作業起壓泵提升環空內的壓力，使環空內的壓力高出油管內的壓力3 MPa并保壓36 h，期間記錄壓力變化，若油套環空30 min壓降小于5%視為密封施工合格。

圖5 堵漏劑注入方案Fig .5 Plugging agent injection scheme

2 工程實踐

基于聲波檢測法的井下油套管泄漏檢測技術協同堵漏技術，已在東海某平臺成功進行了2井次泄漏檢測試驗和2井次堵漏試驗。

2.1 試驗井情況

以某平臺A2井的泄漏檢測和堵漏試驗為例。據2019年1月份的生產信息記錄結果顯示，A2井環空帶壓，且高于油管內的壓力，據此判斷井下有泄漏發生，分別進行了環空液位檢測和泄漏聲波檢測。A2井井身結構如圖6所示，測試時的生產工況以及管柱信息見表1。油管外徑為73.025 mm，壁厚為7 mm，生產套管外徑為244.475 mm，壁厚為12 mm。

圖6 A2井井身結構圖Fig .6 Structure of Well A2

表1 A2井生產信息及生產管柱信息Table 1 Production information and production string information of Well A2

2.2 試驗流程

1) 液面測試。安裝聲槍并試壓(圖7a)；緩慢打開閘板閥，快速啟閉電磁閥并采集聲波信號；記錄測量時的生產信息；液位測試結束，關閉閘板閥，泄放管線內的余壓后拆除聲波槍。

圖7 液面及漏點定位測量裝置Fig .7 Liquid level and leakage point positioning measuring device

2) 漏點檢測。關閉閘板閥，拆除閘板閥外側法蘭上的φ50.8 mm LP螺紋絲堵；安裝聲波傳感器至φ50.8 mm LP接口，并試壓(圖7b)； 避免環空內的高壓氣體沖擊損壞聲波傳感器，緩慢打開閘板閥；檢測環空內聲波信號；測試結束，關閉閘閥，泄掉管線內的余壓，拆除聲波傳感器，并復原φ50.8 mm絲堵。

2.3 試驗結果

堵漏前需準確了解井下環空液面和泄漏點的位置，分別進行了液面檢測和漏點檢測，檢測結果見表2。

表2 不同采樣頻率下的檢測結果Table 2 Detection results at different sampling frequencies

結合A2井的生產管柱可知，油套環空動液面高度位于油管掛下198～204.5 m，漏點位于油管掛下185.36 m和164.02 m的φ73.025 mm油管上。據此設計堵漏方案，交叉注入墊漿和堵漏劑[13-14]，使堵漏劑完全覆蓋漏點位置，再次測量液面的結果見表3。

表3 注入堵漏劑后的液面檢測結果Table 3 Liquid level detection results after injection of the plugging agent

根據注入的墊漿和堵漏劑的體積計算液面的理論深度，距井口約100 m，與表3的測量結果進行對比，非常接近。再次持續注入淡水至灌滿環空，利用鋼絲作業氣動泵使環空壓力升至6 MPa，并保壓36 h，記錄保壓期間的壓力變化，結果顯示環空壓力穩定，即堵漏成功。從而驗證了漏點定位的精度能夠滿足工程作業需要。

3 結論和建議

1) 在前期檢測機理、室內模擬試驗和診斷方法研究的基礎上，研制出融合聲波、示蹤劑及相關流體參數檢測的井筒泄漏地面監測診斷系統樣機，并成功應用于海上環空帶壓井檢測診斷，配合現場2口井堵漏施工的初步成功實踐表明，該系統實現了在淺井段(160～180 m)10 m誤差范圍內對單漏點和雙漏點的準確定位，可滿足環空帶壓井治理的需要。

2) 建議開展環空聲速的測量工作，從而驗證文中環空聲速計算的精度，進一步提高環空液位及漏點的定位精度；研究當漏點在液面之下時的定位方法，為現場井下油套管泄漏修補作業提供技術支持。