環(huán)空帶壓井漏點(diǎn)檢測技術(shù)在深層氣田的應(yīng)用

黃偉明，李國慶，馬文海，賀海軍

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163318；3.遼河油田建設(shè)有限公司，遼寧盤錦124010）

氣井持續(xù)環(huán)空帶壓表明井屏障存在漏點(diǎn)，該現(xiàn)象是國內(nèi)外已投產(chǎn)高壓氣井完整性問題的主要表現(xiàn)形式[1]。井完整性方面的學(xué)者們一般將油套環(huán)空稱為A環(huán)空，按照由內(nèi)向外的原則其余外層的套管環(huán)空名稱按照字母順序順延。X為國內(nèi)東部某深層氣田，截止目前，持續(xù)環(huán)空帶壓井?dāng)?shù)占投產(chǎn)總井?dāng)?shù)的14%，對于高風(fēng)險(xiǎn)井即A、B、C三個(gè)環(huán)空均帶壓井，急需開展井筒漏點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)測，為修井治理提供指導(dǎo)。目前，國內(nèi)在環(huán)空帶壓井漏點(diǎn)檢測方面，塔里木油氣田、西南油氣田通過超聲波測井等技術(shù)對A、B 兩個(gè)環(huán)空成功開展過漏點(diǎn)檢測[2?3]，在 A、B、C三個(gè)環(huán)空的漏點(diǎn)檢測方面少有報(bào)道，分析其主要原因?yàn)槟壳捌毡椴捎玫穆c(diǎn)檢測測井技術(shù)對于過多層管串的測量精度受限[4?5]。X氣田引進(jìn)了國外的高精度ALFA4頻譜噪聲儀與ANT陣列噪聲儀，配合溫度及電磁探傷測井技術(shù)，通過組合測井方式對氣田典型的持續(xù)環(huán)空帶壓井X1井成功實(shí)現(xiàn)了A、B、C三個(gè)環(huán)空的漏點(diǎn)檢測，準(zhǔn)確定位了漏點(diǎn)位置，該技術(shù)的成功應(yīng)用，對于國內(nèi)類似多環(huán)空帶壓氣井的漏點(diǎn)檢測工作具有重要的借鑒意義。

1 找漏方法的優(yōu)選

礦場實(shí)踐表明，導(dǎo)致氣井持續(xù)環(huán)空帶壓的原因?yàn)椋壕律a(chǎn)管柱腐蝕穿孔泄漏、套管螺紋或本體泄漏、水泥環(huán)存在裂隙等[6?7]。通過對國內(nèi)外找漏技術(shù)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已采用過的找漏測井技術(shù)包括同位素測井、氧活化測井、超聲波測井等[8?9]。

（1）同位素測井。利用放射性同位素與承載物混合注入井下。通過探測伽馬射線強(qiáng)弱來反映井筒泄漏及竄流現(xiàn)象[10]。但此方法最大的缺點(diǎn)為放射性同位素污染地層，且易堵塞管柱，對施工人員造成危害。

（2）氧活化測井。利用中子管發(fā)射中子將氧元素活化，通過水流帶動活化的氧元素，依據(jù)探測到的氧元素幅度變化來測量流速等參數(shù)。該方法的缺點(diǎn)是要求水流量必須穩(wěn)定[11]，對于氣井應(yīng)用效果不理想。

（3）超聲波測井。儀器在井下獲取來自流體經(jīng)泄漏點(diǎn)發(fā)出的聲音后，經(jīng)過信號處理，形成測井信息。但測試頻率一般為（300~1 000 kHz），由于在高頻下幅度低漏點(diǎn)產(chǎn)生的有用信號易被錯(cuò)過，整體敏感度差[12]。

以上各不同測井方式均有其局限性，近年來普遍采用的高精度噪聲測井及電磁探傷測井技術(shù)在國外的氣井找漏方面具有較好的應(yīng)用。因此，引進(jìn)此類先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)空帶壓井的精準(zhǔn)檢測。

2 噪聲及電磁探傷測井原理

2.1 噪聲測井原理

當(dāng)液體、氣體通過介質(zhì)時(shí)就會產(chǎn)生噪聲，這個(gè)噪聲來自流體本身和流體流動時(shí)周圍元素的振動。噪聲儀能捕捉井下流體流動產(chǎn)生的聲音，實(shí)際上記錄的是聲波振幅和頻率[10]。本文采用了較為先進(jìn)的兩種噪聲測井儀器，ANT陣列噪聲儀可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)測量，提升深井中的測試效率，ALFA4頻譜式噪聲儀應(yīng)用點(diǎn)測方式，進(jìn)一步降低背景噪音的影響，實(shí)現(xiàn)更精密測量，對陣列噪聲儀檢測的可疑井段進(jìn)行驗(yàn)證測量或針對復(fù)雜及多層管串泄漏井段進(jìn)行高精度測量。

ANT陣列噪聲儀使用了一組陣列高靈敏寬頻聲波傳感器。該儀器采用了一套創(chuàng)新的差分測量處理方法，能很好地拒絕不必要的噪音，如儀器在井筒中移動產(chǎn)生的“路噪”。其基本原理如圖1（a）所示，通過使用配置在X和Y的平面上的正交傳感器，利用相對的傳感器的數(shù)字信號相減來創(chuàng)建差分測量。泄漏源信號在相對較遠(yuǎn)的傳感器上相位移動和幅度降低，差分信號較大；而路噪在儀器本體上的傳播沒有相位移動和幅度變化，差分信號非常小。從而使“路噪”和其他不需要的共模信號被剔除，而泄漏源信號增強(qiáng)。通過精確的傳感器匹配和儀器刻度，可實(shí)現(xiàn)30 dB的共模信號的抑制。

另外，ANT陣列噪聲儀在波傳播處理技術(shù)方面有較大創(chuàng)新，即應(yīng)用了路噪聲速度域分離技術(shù)，其原理如圖1（b）所示。儀器經(jīng)過一個(gè)固定的泄漏點(diǎn)，儀器和漏點(diǎn)信號的傳播路徑的夾角會從負(fù)到正旋轉(zhuǎn)。通過觀察在一個(gè)小的深度間隔的傳播角的變化，即使其信號比背景噪聲還弱，也極易發(fā)現(xiàn)各類固定的聲源，從而進(jìn)一步提高檢測精度。

圖1 頻譜噪聲儀檢測技術(shù)原理Fig.1 Spectrum noise detection technology schematic

2.2 電磁探傷測井原理

新一代MTD電磁壁厚測井儀基于脈沖渦電流工作原理，電磁壁厚測井儀的高效快速反應(yīng)的發(fā)射器線圈發(fā)射高能電磁脈沖信號，長、短源距兩組傳感器接收渦電流衰減信號，從而分析評價(jià)油管及套管的厚度變化。長源距傳感器可記錄300道數(shù)據(jù)，大范圍掃描來自大套管的遠(yuǎn)場信號的快速衰減；短源距傳感器掃描內(nèi)層管串和近場信號，記錄50道數(shù)據(jù)。信號經(jīng)過處理后，給出多達(dá)3層管串的各自厚度。

3 實(shí)例分析

X1井是一口水平開發(fā)井，井身結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用裸眼分段完井工藝，套管內(nèi)投球壓裂后投產(chǎn)，目前日產(chǎn)氣量8.66×104m3/d，油壓21.3 MPa，A、B、C三個(gè)環(huán)空壓力分別為21.3、21.3、12.0 MPa，表明井筒存在嚴(yán)重泄漏點(diǎn)，為查明井筒泄漏途徑，對該井開展了噪聲及電磁探傷組合測井施工。測井過程中，為保證井筒漏點(diǎn)處于激活狀態(tài)，形成明顯的噪聲信號，針對每個(gè)環(huán)空測井過程在對應(yīng)環(huán)空進(jìn)行地面放壓及壓力恢復(fù)作業(yè)。為搞清三個(gè)環(huán)空的泄漏途徑，從油管鞋至井口分別進(jìn)行3趟噪聲組合測井及1趟電磁壁厚測井。

圖2 X1井井身結(jié)構(gòu)Fig.2 X1 well structure diagram

3.1 A環(huán)空漏點(diǎn)檢測

ANT陣列噪聲儀測量A環(huán)空漏點(diǎn)過程，在封隔器位置即2 970 m處測量到大的泄漏信號，溫度出現(xiàn)降低，且A環(huán)空井口壓力恢復(fù)較快，分析出封隔器泄漏；ANT儀器記錄的噪聲信號明顯顯示了泄漏點(diǎn)位置及泄漏特征，如圖3所示。

3.2 B環(huán)空漏點(diǎn)檢測

該環(huán)空ANT陣列噪聲儀測量井段為199~2 985 m，ALFA4頻譜式噪聲儀測量段為297~2 828 m。如圖4所示，ANT數(shù)據(jù)經(jīng)處理后沒有發(fā)現(xiàn)B環(huán)空明顯的泄漏噪聲；ALFA4測量顯示Φ 139.7 mm套管在2 640 m處的接箍有泄漏，該處噪聲信號幅度較小，溫度沒有發(fā)現(xiàn)異常，根據(jù)B環(huán)空放壓過程中的壓力釋放快，分析出B環(huán)空中氣體流量小，流動通道空間小，與ALFA4頻譜式噪聲儀測量到的噪聲信號較弱，溫度沒有異常的情況相符合。ALFA4在整個(gè)測量段測量到0~3 kHz的流動信號。因此，B環(huán)空壓力來源為2 640 m處Φ139.7 mm套管接箍泄漏，氣體通過A環(huán)空竄入B環(huán)空。3 000 m處尾管掛位置未見泄漏異常。

圖3 A環(huán)空漏點(diǎn)檢測解釋曲線Fig.3 Interpretation curve for annulus A

圖4 B環(huán)空漏點(diǎn)檢測解釋曲線Fig.4 Interpretation curve for annulus B

3.3 C環(huán)空漏點(diǎn)檢測

C環(huán)空用ANT陣列噪聲儀和ALFA4頻譜式噪聲儀組合測量。ANT測量未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏。如圖5所示，ALFA4在760 m處測量到泄漏噪聲，同時(shí)該處溫度出現(xiàn)負(fù)異常，由于在B環(huán)空測量過程中相同深度沒有測量到泄漏信號，根據(jù)氣相分析B環(huán)空和C環(huán)空氣源可能不同，綜合分析該處泄漏途徑是地層氣體通過Φ339.7 mm套管接箍進(jìn)入C環(huán)空。在C環(huán)空釋放過程中，整個(gè)測量段能檢測到強(qiáng)度較弱的低頻流動信號，由于B環(huán)空壓力保持穩(wěn)定，不存在B環(huán)空噪聲信號的影響，可通過流動軌跡確認(rèn)該信號來源。因此，C環(huán)空壓力來源為760 m處泄漏，地層氣體通過Φ339.7 mm套管接箍進(jìn)入C環(huán)空。后續(xù)開展了電磁探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)套管破損等顯示，進(jìn)一步證實(shí)了B、C環(huán)空帶壓為套管螺紋及水泥環(huán)泄漏。

圖5 C環(huán)空漏點(diǎn)檢測解釋曲線Fig.5 Interpretation curve for annulus C

3.4 泄漏途徑綜合分析

綜合測井結(jié)果，得出該井各環(huán)空泄漏點(diǎn)深度較大，產(chǎn)層氣通過生產(chǎn)封隔器進(jìn)入A環(huán)空，導(dǎo)致A環(huán)空帶壓，進(jìn)而通過生產(chǎn)套管2 640 m處接箍沿水泥環(huán)上竄，導(dǎo)致B環(huán)空帶壓。C環(huán)空泄漏途徑為地層氣體沿水泥環(huán)爬升至760 m處Φ339.7 mm套管接箍進(jìn)入C環(huán)空。由于B、C環(huán)空為氣體通過螺紋及水泥環(huán)上竄，表明該井第一、第二重井屏障已經(jīng)失效，全井泄漏途徑如圖6所示。

圖6 環(huán)空泄漏途徑示意Fig.6 Schematic diagram of the annulus leakage path

結(jié)合完井時(shí)的固井質(zhì)量測井發(fā)現(xiàn)，B、C環(huán)空固井質(zhì)量總體偏差，大量井段存在自由套管、空水泥環(huán)，如表1所示。對于固井質(zhì)量相對較好井段也可能存在微環(huán)空、微裂縫等通道，這些通道對高壓氣體無法起到很好的密封作用。對于B環(huán)空和C環(huán)空來說，氣體極易通過套管螺紋泄漏點(diǎn)，沿這些通道上升到井口，這與此次檢測結(jié)果一致。

表1 完井時(shí)固井質(zhì)量測井結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Cementing quality logging results statistics table during completion

4 結(jié) 論

（1）綜合采用噪聲測井、電磁探傷測井、井溫測井技術(shù)，通過過油管測井方式對X深層氣田環(huán)空帶壓典型井進(jìn)行井筒漏點(diǎn)檢測技術(shù)應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了A、B、C三個(gè)環(huán)空的漏點(diǎn)檢測，確定了環(huán)空泄漏途徑。

（2）檢測結(jié)果表明，在固井質(zhì)量不理想的條件下，高壓氣體完全可以通過套管螺紋及水泥環(huán)從地層深部竄至井口，這與普遍認(rèn)為的環(huán)空帶壓井漏點(diǎn)位置處于井口附近的觀點(diǎn)相區(qū)別?？梢圆捎弥匦孪氯肷a(chǎn)完井管柱及井口注堵漏劑的方式，阻斷環(huán)空帶壓來源。