分布式光纖儲氣庫井找漏技術(shù)應(yīng)用

寧衛(wèi)東,陳金宏,朱涵斌,李劍,孟騫,劉榮芳

(1.中國石油集團測井有限公司華北分公司,河北任丘052552;2.中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710077;3.中國石油天然氣集團有限公司測井重點實驗室,陜西西安710077)

0 引 言

儲氣庫井在生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生環(huán)空帶壓現(xiàn)象,成為威脅儲氣庫安全的重要隱患。儲氣庫井環(huán)空帶壓是在交變載荷作用下,井身管柱及管柱工具、固井水泥等屏障失效造成的威脅儲氣庫井生產(chǎn)安全的問題[1]。為保障儲氣庫井運行安全,儲氣庫井一般采用多重管柱的井身結(jié)構(gòu),但仍無法避免各層級套管間的帶壓現(xiàn)象。環(huán)空帶壓現(xiàn)象表現(xiàn)為井口采氣樹密封失效、接箍滲漏、管柱工具失效、油套管裂縫等,通過井口檢測和生產(chǎn)日報分析無法確定造成環(huán)空帶壓的井下原因,需要利用測井檢測手段確定和分析其根源,為環(huán)空帶壓治理提供依據(jù)。儲氣庫井環(huán)空帶壓存在漏失量低、隨機性或間歇性漏失的特點,傳統(tǒng)測量儀器的精度和測量方式無法滿足間歇性漏失和接箍微滲漏的檢測需求,且傳統(tǒng)游弋式測量模式在儀器移動過程中易產(chǎn)生噪聲,影響漏失判斷。分布式光纖測量技術(shù)較傳統(tǒng)電法測井具有井筒分布式全覆蓋、靜態(tài)測量、實時測量的優(yōu)勢,滿足儲氣庫井環(huán)空帶壓檢測需要[2]。

1 儲氣庫井環(huán)空帶壓現(xiàn)象分析

儲氣庫井為保障井筒發(fā)生泄漏時可控,一般采用多重屏障,即多層套管組合方式。因此,儲氣庫井與常規(guī)油氣井的井身結(jié)構(gòu)相比,套管層級多、生產(chǎn)管柱相對復(fù)雜(見圖1),在儲氣庫井投產(chǎn)后受交變載荷等因素影響,仍無法避免環(huán)空帶壓。在儲氣庫井中油層套管和油管之間空間為A環(huán)空,油層套管與技術(shù)套管之間為B環(huán)空,技術(shù)套管與表層套管或外層技術(shù)套管間為C環(huán)空。

圖1 儲氣庫井常見井身結(jié)構(gòu)圖

可以根據(jù)井口壓力變化初步判斷漏失原因,常見的竄漏主要包括4種情況。①井口采氣樹漏失,一般發(fā)生在采氣樹油管懸掛處,主要表現(xiàn)為A環(huán)空帶壓,且A環(huán)空壓力與油壓基本一致,關(guān)聯(lián)性強,壓力上升突然。②油管工具漏失,如封隔器、滑套等,主要表現(xiàn)為A環(huán)空帶壓;儲氣庫井為保護套管,平衡油套壓力,保護油管頭和封隔器等工具,在油套環(huán)空一般填充環(huán)空保護液,因此,A環(huán)空帶壓過程呈現(xiàn)緩慢增長趨勢,后期與油壓基本持平后,油套壓力才顯示出較強的一致性。③套管接箍或工具漏失,主要表現(xiàn)為A環(huán)空帶壓后,B、C環(huán)空壓力呈逐級上升趨勢,且B、C環(huán)空壓力與A環(huán)空有一定對應(yīng)關(guān)系,即隨著A環(huán)空壓力上升,B、C環(huán)空壓力上升趨勢基本一致,但有不同程度延遲。④水泥環(huán)失效引發(fā)套管外竄槽,套管外環(huán)空水泥環(huán)受儲氣庫井生產(chǎn)壓力交變載荷作用發(fā)生破裂,在一定條件下,水泥環(huán)失去對氣體的密封,形成管外竄通通道,造成B環(huán)空帶壓;主要表現(xiàn)為B環(huán)空帶壓,與A環(huán)空沒有關(guān)聯(lián)或關(guān)聯(lián)少,在一段時間后往往會引起C環(huán)空帶壓。

2 檢測原理及適用性分析

針對環(huán)空帶壓檢測,常規(guī)監(jiān)測電纜攜帶測量儀器采用游弋或定點測量。當漏失發(fā)生時,只有儀器恰好在漏失點附近才能檢測到漏失,當儲氣庫井存在間歇性和多點漏失時,傳統(tǒng)測量方式難以實現(xiàn)全面檢測,造成部分漏失點不能被檢測出來。

分布式光纖測井包括分布式光纖溫度測量和分布式振動測量。分布式光纖溫度測量是一種用于實時快速多點測量空間溫度場分布的測量方法。光在光纖傳輸過程中發(fā)生拉曼散射,由于光纖中分子與光子相互作用發(fā)生能量交換,其拉曼散射光的強度與溫度相關(guān),分析光纖后向拉曼反射的溫度效應(yīng)可實現(xiàn)溫度測量。分布式光纖溫度測量通過光的時域反射技術(shù)可精準定位測量點位置[3-4],獨特之處在于它能沿傳感電纜提供連續(xù)、分布式溫度測量[5]。造成環(huán)空帶壓的原因是氣體漏失,由于發(fā)生泄漏時氣體由高壓向低壓端釋放,氣體體積迅速膨脹同時吸收大量的熱,因此,泄漏點溫度會發(fā)生變化。通過分布式光纖溫度測量即時記錄溫度異常,可判斷漏失位置,定性分析漏失量[6]。

分布式振動測量是通過記錄光在光纖傳播中的瑞利散射相位變化及線性幅值,實現(xiàn)聲音或振動信號的記錄,形成數(shù)據(jù)矩陣,提取聲波振動頻率、相位及幅度信息[7]。當氣體泄漏通過狹小空間時會產(chǎn)生噪聲,通過監(jiān)測噪聲產(chǎn)生的振動信號可實現(xiàn)漏失實時檢測,由此判斷漏失產(chǎn)生位置,根據(jù)測量時壓力狀態(tài)分析竄通路徑,如果振動信號隨機發(fā)生,則判斷為間歇性漏失。采用分布式振動測量不會遺漏瞬間微小的漏失信號,因此,管柱或套管接箍位置發(fā)生的微滲漏,均可利用分布式振動測量實現(xiàn)準確識別。

分布式光纖測量可以實現(xiàn)全井段溫度和振動信號的即時錄取,能夠連續(xù)反映在測量時間段內(nèi)的異常信息,可以實施短時間或長時間過程監(jiān)測,動態(tài)反映漏失或竄槽的過程,精準確定發(fā)生位置,并通過時域溫度、振動信號的變化分析漏失路徑,為環(huán)空帶壓檢測提供準確信息。

3 光纖環(huán)空帶壓檢測方案

在儲氣庫井生產(chǎn)過程中,通過井口壓力監(jiān)測就可以發(fā)現(xiàn)環(huán)空壓力異常,但仍需采用測井方式查找漏失位置。確定引起環(huán)空帶壓的氣源是制定治理方案的關(guān)鍵,其氣源可能來自注采層、淺層氣或過路氣,氣源不同則治理方案不同。另外,發(fā)生部位可能來自管柱、工具等不同位置,因此,漏失位置和漏失路徑的分析也是環(huán)空帶壓檢測的目標。

圖2 H井環(huán)空帶壓歷史曲線圖

在儲氣庫井投產(chǎn)后,單井的生產(chǎn)方式、帶壓過程、井身結(jié)構(gòu)、工具類型等雖有不同,但環(huán)空帶壓主要是由交變載荷變化引起,與生產(chǎn)狀況關(guān)聯(lián)性較強。當環(huán)空發(fā)生帶壓情況后,應(yīng)結(jié)合環(huán)空帶壓過程,分析漏失發(fā)生的位置及可能性,而后根據(jù)具體情況確定環(huán)空帶壓檢測方法。

在設(shè)計方案前,需初步確定漏失發(fā)生的可能,排除可能因素,聚焦重點檢測環(huán)節(jié)。①檢查井口采氣樹的密封性,排除井口采氣樹竄漏。②分析井口油套壓放壓、憋壓過程及生產(chǎn)井史與環(huán)空帶壓的聯(lián)系,分析氣源。③分析環(huán)空保護液液面變化與環(huán)空帶壓的關(guān)系,進而分析生產(chǎn)管柱的漏失原因。④分析管柱結(jié)構(gòu)和管材質(zhì)量與環(huán)空帶壓的關(guān)系,分析竄漏發(fā)生路徑和相互關(guān)聯(lián)。通過上述分析,判斷造成環(huán)空帶壓的幾種可能性,并以此為基礎(chǔ),制定檢測方法和施工方案,確定重點檢測環(huán)節(jié)。

4 案例分析

某儲氣庫H井環(huán)空帶壓歷史曲線見圖2。A環(huán)空壓力最高達27.0 MPa,B環(huán)空壓力最高達24.5 MPa,環(huán)空壓力監(jiān)測歷史反映A環(huán)空與B環(huán)空的壓力變化趨勢不同,A環(huán)空與B環(huán)空之間沒有直接關(guān)聯(lián)性。帶壓原因:①B環(huán)空壓力是由淺地層氣或儲氣層氣通過水泥環(huán)竄通;②在A、B環(huán)空間達到一定壓差條件下,A環(huán)空與B環(huán)空會發(fā)生竄通,其竄通為間歇性的。

結(jié)合前期各環(huán)空放壓及憋壓過程,制定分布式光纖環(huán)空帶壓檢測方案。為避免環(huán)空間竄漏相互干擾,采用逐級放壓測試的方法,并明確各環(huán)空帶壓檢測重點。由于C環(huán)空與B環(huán)空的壓力變化趨勢一致,說明C環(huán)空與B環(huán)空之間可能存在較通暢的漏失通道,C環(huán)空帶壓是由B環(huán)空帶壓引起,其漏失較大可能來自接箍滲漏。B環(huán)空檢測重點放在油管鞋至氣層頂界井段,檢測是否由套管外環(huán)空水泥環(huán)竄槽導(dǎo)致B環(huán)空帶壓。在A環(huán)空放壓期間,重點檢測生產(chǎn)管柱及工具漏失。

C環(huán)空放壓后的檢測結(jié)果見圖3。通過放壓前后C環(huán)空振動信號疊合對比發(fā)現(xiàn)在69 m以上信號出現(xiàn)異常,在該深度以上技術(shù)套管固井質(zhì)量較差,存在竄通通道,漏失應(yīng)發(fā)生在69 m處,由B環(huán)空向C環(huán)空漏失。

圖3 C環(huán)空放壓后的檢測結(jié)果圖

圖4 B環(huán)空振動信號異常檢測

當B環(huán)空放壓,測量B環(huán)空漏失點,圖4為1∶43、1∶53、1∶45、1∶54這4個時刻檢測到的振動異常信號,分別在2 510、2 580、2 680 m振幅發(fā)生異常,異常信號的發(fā)生具有瞬時特點,反映在上述深度發(fā)生間歇性漏失。2 806 m為該井油管封隔器位置,該深度至儲氣層井段,在測量期間未發(fā)現(xiàn)異常振動信號,說明在油管封隔器以下油層套管水泥環(huán)密閉性好,沒有發(fā)生竄通。因此,井口B環(huán)空帶壓是套管接箍發(fā)生間歇性滲漏導(dǎo)致的。

圖5為A環(huán)空放壓振動異常信號檢測圖。對比放壓前后的異常振動信號發(fā)現(xiàn),在2 806 m油管封隔器位置發(fā)生持續(xù)性漏失,這是造成A環(huán)空帶壓的主要原因。通過檢測識別H井造成各環(huán)空帶壓的泄露位置、路徑及氣源,為該井治理提供準確信息。

圖5 A環(huán)空放壓振動異常信號檢測圖

通過H井環(huán)空帶壓的檢測,明確了A、B、C環(huán)空帶壓的源頭來自生產(chǎn)管柱封隔器的漏失,B、C環(huán)空帶壓均是由A環(huán)空逐級滲漏導(dǎo)致。因此,H井通過更換生產(chǎn)管柱,解決封隔器漏失問題就可以避免環(huán)空帶壓。若在油管封隔器以下至儲氣層段之間發(fā)現(xiàn)振動信號,應(yīng)證實是否存在管外竄流,如果存在管外竄流,那么將引起B(yǎng)環(huán)空帶壓,需要根據(jù)具體井況、帶壓評價結(jié)果等制定封堵措施,實現(xiàn)對管外竄的封堵,最終解決環(huán)空帶壓問題。

分布式光纖測井可以有效發(fā)現(xiàn)微滲、間隙性漏失等常規(guī)方法難以檢測的漏失現(xiàn)象,通過實踐總結(jié)了4點經(jīng)驗。①不同的竄漏部位、竄漏方式其治理方案不同,這些決定了環(huán)空帶壓井的檢測重點,因此,應(yīng)重點針對油管、套管漏失和儲氣層以上管外竄槽開展檢測。②單井環(huán)空帶壓原因多樣,表征差異大,因此,在檢測前需針對單井帶壓歷史情況展開分析,并制定識別漏失位置、路徑及氣源等關(guān)鍵問題的檢測方案。在施工過程中根據(jù)現(xiàn)場具體情況及時調(diào)整檢測方案,提高檢測成功率。③環(huán)空帶壓竄漏是在一定壓力條件下形成的,且具有間歇性特點;分布式光纖檢測方法具有實時性、分布式特點,可對全井筒的不規(guī)律間隙性漏失信號實現(xiàn)實時拾取,捕捉瞬間漏失信號,較傳統(tǒng)游弋式測量有明顯優(yōu)勢,因此,在儲氣庫井環(huán)空帶壓檢測中具有普遍適用性。④由于漏失發(fā)生的間歇性特點和竄漏空間大小的不確定性,造成在井筒內(nèi)難以產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度場,且微小滲漏造成的溫度變化也超出分布式溫度測量的分辨能力,目前無法實現(xiàn)漏失量的計算。

5 結(jié) 論

(1)針對儲氣庫井環(huán)空帶壓現(xiàn)象進行分析,可優(yōu)化施工方案,提高下井監(jiān)測成功率。

(2)分布式光纖檢測技術(shù)在環(huán)空帶壓的檢測方面具有先天測量優(yōu)勢,可以提供更全面的井筒滲漏信息,填補微滲漏和間歇性漏失檢測技術(shù)空白。

(3)分布式光纖環(huán)空帶壓檢測技術(shù)在H井的成功應(yīng)用表明,分布式光纖實現(xiàn)了多重管柱條件下各層環(huán)空帶壓的檢測,有助于儲氣庫井環(huán)空帶壓原因分析,為治理方案制定提供準確信息。