超聲波成像法在多層環(huán)空井下漏點(diǎn)檢測技術(shù)中的應(yīng)用

朱達(dá)江,李玉飛,卞維娣,張林,劉祥康,羅偉

(中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院,四川成都610017)

0 引 言

高溫高壓含硫氣井在開發(fā)過程中越來越多地出現(xiàn)環(huán)空帶壓問題,環(huán)空帶壓預(yù)示著井筒發(fā)生泄漏,井完整性受到削弱,威脅氣井安全生產(chǎn)。造成氣井環(huán)空帶壓主要原因:在建井階段,套管固井質(zhì)量不合格;在生產(chǎn)階段由于多種作業(yè)工況交替變化,或受井下高溫高壓、腐蝕性介質(zhì)影響,油套管柱、井下工具或絲扣的力學(xué)完整性及密封完整性受到削弱。目前四川盆地MX氣田多口氣井出現(xiàn)了不同程度的環(huán)空帶壓現(xiàn)象:在投產(chǎn)初期A環(huán)空帶壓井占比14.3%、B環(huán)空帶壓井占比11.4%,生產(chǎn)3年之后A環(huán)空帶壓井和B環(huán)空帶壓井其占比分別達(dá)到48.5%和51.4%,給氣井生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的隱患,影響氣井的安全高效開發(fā)。為準(zhǔn)確判斷井筒泄漏原因,找到泄漏點(diǎn)位置,評價(jià)氣井井筒的安全性,急需開展氣井井下漏點(diǎn)現(xiàn)場檢測,為環(huán)空帶壓治理提供依據(jù)。

調(diào)研發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外主要采用組合測井方法實(shí)現(xiàn)對井筒泄漏情況的檢測。常采用的測井方法:井溫測井、多臂井徑儀測井、井下電視成像測井、電磁探傷測井、放射性同位素測井、流量測試及噪聲測井等方法[1-2]。

扶詠梅等[3]針對油田套損井泄漏,采用井溫+井下流量組合測試的方法,利用井筒溫度剖面分析得到疑似泄漏點(diǎn),再根據(jù)該點(diǎn)處流量測試情況,綜合分析漏點(diǎn)具體位置。王紹峰等[4]介紹了井徑測井+電磁探傷測井+井溫測井、多臂井徑儀測井+井溫測井、放射性同位素測井+井溫測井這3種組合測井方式,對套管變形或套管破裂井段進(jìn)行了現(xiàn)場測井應(yīng)用,能比較準(zhǔn)確地確定變形、泄漏位置。陳洪海[5]等通過在室內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)?zāi)M對其自制的超聲成像測井儀套損檢測系統(tǒng)進(jìn)行了效果分析,該系統(tǒng)用于測量套管的裂縫、孔洞及厚度,可以檢測到寬度為2 mm的裂縫,測量的套管厚度為5～16 mm,可檢測到最小直徑為5 mm的孔洞,但未開展現(xiàn)場應(yīng)用。田海濤等[6]采用超聲波成像測井儀,通過改善成像質(zhì)量和分辨率,對套管井的水泥膠結(jié)情況和套管質(zhì)量進(jìn)行了檢測。鄭友志等[7]采用井溫+噪聲組合測井方式,對環(huán)空帶壓氣井開展了井下找漏現(xiàn)場試驗(yàn),綜合多方技術(shù)分析,能較為準(zhǔn)確地找到漏點(diǎn)位置。黃偉明等[8]采用陣列式噪聲+頻譜式噪聲+電磁探傷+井溫組合測井技術(shù),對深層環(huán)空帶壓氣井開展了井下漏點(diǎn)檢測,較為準(zhǔn)確地獲得了井下泄漏原因及泄漏位置。吳悅等[9]針對油、水井套管漏失及管外水泥環(huán)竄槽,采用井溫、流量、示蹤劑和氧活化水流等多種組合方式,較為準(zhǔn)確地評價(jià)判斷油水井的套管漏失或管外竄槽情況。

本文在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上,優(yōu)選超聲波成像井下漏點(diǎn)檢測技術(shù),在某高溫高壓含硫氣井中開展了多層環(huán)空帶壓井下漏點(diǎn)檢測現(xiàn)場試驗(yàn)。準(zhǔn)確檢測出井下油套管柱泄漏點(diǎn)位置,明確了該井A、B環(huán)空帶壓原因,為氣井下步治理方案及制定相應(yīng)的控制措施提供依據(jù),具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 超聲波成像漏點(diǎn)檢測技術(shù)及原理

通過對目前常用的測井方法對比分析發(fā)現(xiàn)(見表1),現(xiàn)有方法或多種方法組合測井方式均存在一定局限性。

表1 不同測井方式特點(diǎn)及局限性對比

例如:多臂井徑只能探測管柱內(nèi)壁有限個(gè)方位上的腐蝕情況,井溫測井測量結(jié)果誤差大、影響因素多,同位素測井有一定污染性,井下電視測井對井筒清潔程度要求高等;即使采用多種組合測井方式能克服一定的局限,但測井工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度增大[10-20]。隨著高溫高壓深層氣藏開發(fā)程度的不斷加大,氣井多層環(huán)空帶壓現(xiàn)象越來越突出,井筒泄漏及環(huán)空帶壓原因診斷分析對于制定有效的管控措施至關(guān)重要。

井下出現(xiàn)泄漏后,井筒物理特征會發(fā)生相應(yīng)的變化,包括聲波場、壓力場、溫度場等,可將上述特征作為檢測井筒泄漏的依據(jù)。流體在流動時(shí)會產(chǎn)生聲音,聲音的強(qiáng)度與流動壓差成正比,介質(zhì)通道的大小也會影響噪聲的強(qiáng)弱,較大的流動通道會產(chǎn)生低頻噪音,而較小的流動通道會產(chǎn)生高頻噪音。因此,流體通過不同的地質(zhì)環(huán)境以及井孔構(gòu)造時(shí),會產(chǎn)生聲波和超聲波,不同形態(tài)及位置的泄漏通道對應(yīng)的超聲波頻率分布譜成像不同[21]。

超聲波成像井下漏點(diǎn)檢測工具能夠在更寬頻率的量程內(nèi)記錄超聲模式,頻率覆蓋8～60 kHz,井筒內(nèi)不同泄漏介質(zhì)中的聲波場特征見圖1[21-22]。由圖1可見,井下管柱、絲扣、封隔器等井屏障部件泄漏引起的聲波頻率一般在1～3 kHz,套管后水泥環(huán)竄流引起的聲波頻率一般在3～5 kHz,基質(zhì)裂縫內(nèi)流動引起的聲波頻率一般在10～15 kHz,大孔隙內(nèi)流動引起的聲波頻率一般在17～22 kHz,致密地層內(nèi)流動引起的聲波頻率一般在20 kHz以上。通過記錄聲波的分布特征來評價(jià)地層、井筒流動形式,結(jié)合井筒溫度測量曲線,進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷泄漏點(diǎn)位置。

圖1 不同流動介質(zhì)中超聲波成像測井聲波頻率分布特征*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

利用超聲波成像井下漏點(diǎn)檢測技術(shù)在現(xiàn)場作業(yè)時(shí),通過在生產(chǎn)管柱內(nèi)下入一個(gè)或多個(gè)測量短節(jié),接收井下的聲波信號,同時(shí)可配合高精度溫度和壓力探頭,記錄溫度、壓力剖面,綜合分析。通常操作步驟包括:①建立聲波信號基線剖面,關(guān)閉待測環(huán)空(如A、B環(huán)空帶壓的井),儀器第1次入井下至測量管柱深度,再按照設(shè)計(jì)測量速率上提至井口,獲得井筒初始聲波基線剖面;②儀器第2次入井下至測量井深,同時(shí)打開A、B環(huán)空,上提儀器開始測量,獲得油管泄漏至A環(huán)空及A、B環(huán)空之間氣體竄漏的聲波信號;③儀器第3次入井下至測量井深,關(guān)閉A環(huán)空、打開B環(huán)空,上提儀器開始測量,獲得氣體進(jìn)入B環(huán)空的聲波信號。測量結(jié)束后,對3次入井測得的聲波信號進(jìn)行對比,綜合解釋得到井下泄漏特征。在測量作業(yè)時(shí),需要通過放噴帶壓環(huán)空來構(gòu)建壓差,從而使泄漏點(diǎn)位置的氣體流動,產(chǎn)生聲波和溫度波動,通過對比放噴前后的聲波和溫度剖面定位泄漏點(diǎn)。

3 實(shí)例分析

3.1 MX-H井基本情況

MX-H井為MX氣田一口高溫高壓含硫氣井,井身結(jié)構(gòu)見圖2。該井于2017年10月投產(chǎn),投產(chǎn)時(shí)油壓43.6 MPa,A環(huán)空壓力40 MPa,B環(huán)空壓力28.2 MPa,產(chǎn)氣量19.95×104m3/d,硫化氫含量23.43 g/m3,二氧化碳含量88.96 g/m3。在試油測試期間,多次對該井A、B環(huán)空開展環(huán)空泄壓和壓力恢復(fù)測試。在2017年8月23日酸化測試完后關(guān)井,關(guān)井時(shí)A環(huán)空壓力4.2 MPa;8月27日對A環(huán)空泄壓,壓力從20 MPa泄至0,泄壓時(shí)間5 min,出口火焰高4～5 m,泄壓后關(guān)井;B環(huán)空壓力從試油期間的0緩慢上升至28.5 MPa。同時(shí),取A、B環(huán)空氣樣開展氣質(zhì)組成分析,發(fā)現(xiàn)A、B環(huán)空硫化氫含量與產(chǎn)層氣接近,且A、B環(huán)空壓力具有一定的相關(guān)性,說明該井油管及油層套管可能存在泄漏。為明確具體的泄漏點(diǎn)位置和泄漏原因,對該井進(jìn)行了多層環(huán)空超聲波成像漏點(diǎn)檢測。

圖2 MX-H井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測試作業(yè)步驟

(1)測量井筒聲波信號基線。MX-H井完井封隔器坐封位置在4 799.6～4 800.8 m,A環(huán)空內(nèi)為環(huán)空保護(hù)液。為準(zhǔn)確獲取井下管柱泄漏位置,測試時(shí)超聲波成像測井儀下至完井封隔器附近。測試儀器進(jìn)行作業(yè)前需模擬通井,配置與測井檢測工具串長度一致的通井管串,將通井管串下放至4 800.0 m進(jìn)行通井。通井作業(yè)結(jié)束后,保持A、B環(huán)空關(guān)閉,下放測井儀器串至4 800.0 m,然后上提工具至井口,建立井筒聲波信號基線。

(2)測量A環(huán)空泄漏聲波剖面。保持A、B環(huán)空關(guān)閉,將測井儀器下放至4 800.0 m。打開A、B環(huán)空,控制針閥開度,保持壓力平穩(wěn)下降,上提檢測工具至井口,獲取油管內(nèi)泄漏至A環(huán)空及A、B環(huán)空之間氣體竄漏時(shí)的聲波信號剖面。

(3)測量B環(huán)空泄漏聲波剖面。保持A、B環(huán)空關(guān)閉,再次下放測井儀器至4 800.0 m,打開B環(huán)空,控制針閥開度,保持壓力平穩(wěn)下降,上提檢測工具至井口完成測量,然后關(guān)閉B環(huán)空,獲取B環(huán)空壓力來源的聲波信號剖面。

3.3 井筒漏點(diǎn)檢測綜合解釋結(jié)果

MX-H井完井封隔器以上的油管及油層套管泄漏超聲波成像測井解釋結(jié)果見圖3和圖4。圖3和圖4中,自然伽馬剖面中紅色表示2018年測試的數(shù)據(jù)、藍(lán)色表示2019年測試的數(shù)據(jù);磁定位剖面中,藍(lán)色表示2018年測試的數(shù)據(jù),紅色表示2019年測試的數(shù)據(jù);溫度剖面中,紅色表示2018年測試的數(shù)據(jù)、藍(lán)色表示2019年測試的數(shù)據(jù);壓力剖面中,藍(lán)色表示2018年測試的數(shù)據(jù)、紅色表示2019年測試的數(shù)據(jù)。

圖3 A環(huán)空壓力來源檢測結(jié)果分析

圖4 B環(huán)空壓力來源檢測結(jié)果分析

綜合該井測井解釋曲線可知:該井A環(huán)空泄漏點(diǎn)深度在油管中上部,測試獲得的泄漏點(diǎn)有19個(gè),且均為油管螺紋接箍位置,深度在206.0～2 082.0 m,其中206.0～424.8 m檢測出低頻到高頻的高振幅噪聲信號,629.0～2 082.0 m檢測出中低頻率的中振幅噪聲信號,檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。結(jié)合該井產(chǎn)層氣和環(huán)空氣的氣質(zhì)分析可知,產(chǎn)層氣通過油管接箍竄入A環(huán)空,導(dǎo)致A環(huán)空帶壓。B環(huán)空帶壓原因?yàn)锳環(huán)空內(nèi)的氣體通過外徑為177.8 mm的油層套管在24.4 m深度處的接箍位置進(jìn)入B環(huán)空,導(dǎo)致B環(huán)空帶壓。本井井筒泄漏均是在接箍區(qū)域或其附近發(fā)現(xiàn)(與磁定位和油管記錄數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性)。

表2 井下多層環(huán)空漏點(diǎn)超聲波成像檢測結(jié)果

根據(jù)井完整性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),該井第1井屏障已經(jīng)失效,第2井屏障受損,A、B環(huán)空帶壓泄漏途徑見圖5。結(jié)合各層套管固井水泥膠結(jié)測井評價(jià)結(jié)果,該井177.8 mm油層套管全井段固井質(zhì)量優(yōu)良井段為99.2%,測井評價(jià)為合格,但在0.0～25.0 m井段的固井質(zhì)量為差。由于固井質(zhì)量是在各層套管固完井之后檢測,后期還經(jīng)歷完井試油、改造等井下作業(yè),不同階段油套管柱承受各種載荷導(dǎo)致應(yīng)變,水泥環(huán)固結(jié)程度也會發(fā)生變化而產(chǎn)生微環(huán)隙、微裂縫等泄漏通道,這些通道均會成為氣體滲漏的途徑。

圖5 MX-H井各環(huán)空帶壓泄漏途徑示意圖

4 結(jié) 論

(1)采用井下多層環(huán)空漏點(diǎn)超聲波成像檢測技術(shù)對四川盆地典型環(huán)空帶壓井開展了井筒漏點(diǎn)檢測,準(zhǔn)確獲得了該井A、B環(huán)空泄漏點(diǎn)位置,明確了環(huán)空泄漏途徑。檢測結(jié)果表明,該井產(chǎn)層氣通過油管絲扣進(jìn)入A環(huán)空、并通過套管絲扣及油層套管固井水泥環(huán)進(jìn)入B環(huán)空導(dǎo)致該井A、B環(huán)空持續(xù)帶壓。

(2)采用超聲波成像井下漏點(diǎn)檢測技術(shù)能夠在不動管柱的情況下,精準(zhǔn)確定井下多層環(huán)空帶壓時(shí)氣體泄漏位置,判斷氣體泄漏方式及其原因,可為氣井環(huán)空異常帶壓治理方案及制定相應(yīng)的控制措施提供依據(jù),具有良好的推廣應(yīng)用前景。