多頻聲波測(cè)井技術(shù)在海上油氣田的應(yīng)用

武林芳,馬煥英,趙 捷,徐太保,謝 偉,張丹妮

(1．中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北燕郊 065201;2．中海油服湛江作業(yè)公司,廣東湛江 524000)

隨著海上油氣田持續(xù)開(kāi)發(fā),生產(chǎn)井的管柱完整性問(wèn)題日益增多,如管柱損傷漏失、完井工具失效、管外竄槽等,這些問(wèn)題都直接或間接地導(dǎo)致井筒環(huán)空帶壓[1],造成井控風(fēng)險(xiǎn),為海上油田安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患,因此管柱損傷及油氣水漏點(diǎn)檢測(cè)能夠?yàn)榫诧L(fēng)險(xiǎn)解除提供依據(jù)而日益受到重視。傳統(tǒng)找漏找竄測(cè)井方法局限性較大,其中,流量測(cè)井無(wú)法監(jiān)測(cè)微小滲漏及管外竄槽;多臂井徑測(cè)井無(wú)法檢測(cè)套管外壁情況;同位素測(cè)井受沾污(管壁沾污、接箍沾污等)影響較大,且結(jié)果具有多解性;氧活化測(cè)井僅能探測(cè)水竄,且探測(cè)深度較淺。多頻聲波測(cè)井技術(shù)能夠采集頻率范圍較廣的井下自然聲場(chǎng)信息,具有靈敏度高和探測(cè)深度大的特點(diǎn),能解決多層管柱環(huán)空帶壓和套外水泥環(huán)竄槽問(wèn)題,打破了傳統(tǒng)找漏找竄測(cè)井技術(shù)的局限,對(duì)于多層管柱微小滲漏檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯;該技術(shù)在不起出生產(chǎn)管柱情況下與PLT(Production Logging Technology)剖面測(cè)井技術(shù)組合可確定常規(guī)分層合采井套外射孔層精細(xì)產(chǎn)出貢獻(xiàn),彌補(bǔ)了常規(guī)井筒完整性檢測(cè)和剖面測(cè)井技術(shù)的不足。

1 技術(shù)發(fā)展

多頻聲波測(cè)井技術(shù)是一種無(wú)發(fā)射源、被動(dòng)式聲波檢測(cè)技術(shù),是在水力學(xué)湍流理論和流體聲學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)井新技術(shù)[2]。該測(cè)井技術(shù)發(fā)展初期使用模擬信號(hào),隨后發(fā)展到數(shù)字信號(hào),之后發(fā)展到聲音和譜信號(hào)并存。測(cè)井儀器類(lèi)型從單探頭發(fā)展到多探頭,測(cè)量精度也不斷提高,近些年該測(cè)井技術(shù)在國(guó)內(nèi)外油氣田應(yīng)用較多,涉及領(lǐng)域較廣,主要應(yīng)用于生產(chǎn)井的漏點(diǎn)測(cè)量、管外竄流、生產(chǎn)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)計(jì)算等各個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)自研儀器應(yīng)用較多,如西安威盛NST儀器在陸地油田解決多口生產(chǎn)井竄漏問(wèn)題[3],格威石油的ALFA儀器在青海油田注水井應(yīng)用效果較好[4],以及大慶油田自研的小直徑TPH型環(huán)空噪聲測(cè)井儀可以實(shí)現(xiàn)偏心井口測(cè)試[5];國(guó)外知名TGT公司的SNL儀器和GE公司的NTO儀器在國(guó)外油田應(yīng)用較多,其中SNL儀器總體性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)產(chǎn)儀器,該技術(shù)在國(guó)內(nèi)海上某油田生產(chǎn)井中得到試用,探測(cè)到井筒內(nèi)和儲(chǔ)層竄流,但基本無(wú)驗(yàn)證措施;NTO儀器在國(guó)外某些油田的生產(chǎn)井產(chǎn)液剖面評(píng)價(jià)和漏失檢測(cè)方面應(yīng)用[6],但該技術(shù)對(duì)目的層注產(chǎn)情況無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)[7],在油田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用還不夠廣泛[8]。另外近些年隨著這類(lèi)儀器高精度化發(fā)展趨勢(shì),哈里伯頓公司推出了多探頭高精度定位漏點(diǎn)的ACX陣列儀器,但國(guó)內(nèi)目前未見(jiàn)試用,無(wú)法確定其對(duì)漏失點(diǎn)評(píng)價(jià)的真實(shí)效果。

2 儀器原理與結(jié)構(gòu)

多頻聲波測(cè)井利用流體聲學(xué)原理,研究流體流速、流量與聲波幅度的關(guān)系,以及孔隙通道大小與聲波頻率的關(guān)系。結(jié)果表明,流體流速越大,聲波幅度越大;孔隙通道越小,聲波頻率越高[9]。多頻聲波測(cè)井儀檢測(cè)的是流體通過(guò)不同介質(zhì)孔隙通道時(shí)所產(chǎn)生的自然聲場(chǎng)。儀器通過(guò)對(duì)井內(nèi)這種非人工激發(fā)的、由流體流動(dòng)而產(chǎn)生的自然聲場(chǎng)的測(cè)量,研究其幅度和頻率特征,同時(shí)結(jié)合井筒管柱、射孔位置、溫度和壓力等相關(guān)信息,可以確定井下聲場(chǎng)來(lái)源。圖1為六類(lèi)典型的井下聲源頻率和幅度響應(yīng)特征,通過(guò)分析聲源的頻率范圍、幅度大小及頻譜圖形態(tài),可以獲得諸多工程和油藏信息。

儀器主要采用高靈敏度壓電陶瓷換能器結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),實(shí)時(shí)檢測(cè)并上傳井內(nèi)和地層聲信號(hào),通過(guò)電子線(xiàn)路,采用快速傅里葉變換方法將聲波的幅度和頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)頻譜數(shù)據(jù)解析處理得出聲信號(hào)的來(lái)源。

表1為多頻聲波測(cè)井儀技術(shù)參數(shù)。該儀器工作頻率為100～12 800 Hz,最大耐溫175 ℃,最大耐壓為138.0 MPa,具有兩種尺寸規(guī)格,能夠適應(yīng)較小尺寸管柱作業(yè),測(cè)量方式為連續(xù)測(cè)量和點(diǎn)測(cè),測(cè)量模式分實(shí)時(shí)測(cè)量和存儲(chǔ)式測(cè)量,儀器具備MP3功能,能夠獲得MP3格式井下測(cè)試數(shù)據(jù),可結(jié)合人耳綜合判斷聲信號(hào)來(lái)源。

表1 儀器技術(shù)參數(shù)

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 環(huán)空帶壓井找漏找竄

生產(chǎn)井環(huán)空帶壓表明井筒內(nèi)可能存在泄漏通道,流體自泄漏通道泄漏,會(huì)發(fā)出一定頻率的聲波,流體聲波能量大小與所經(jīng)過(guò)的孔徑大小、流體類(lèi)型、壓力、溫度和流量密切相關(guān)[10]。多頻聲波測(cè)井技術(shù)與工程干預(yù)措施(加壓、泄壓等)緊密結(jié)合能夠較直觀(guān)準(zhǔn)確地反映出泄漏點(diǎn)及竄流聲波場(chǎng)的變化特征,從而指導(dǎo)生產(chǎn)管柱找漏找竄,改善生產(chǎn)井生產(chǎn)狀況,提高生產(chǎn)效益。目前多頻聲波測(cè)井技術(shù)在海上油氣田多口環(huán)空帶壓井成功應(yīng)用,可有效判斷井下漏失和竄流通道,指導(dǎo)修井作業(yè),助力油氣井開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

3.1.1 完井工具失效檢測(cè)

多頻聲波測(cè)井技術(shù)可以檢驗(yàn)井下完井工具(如井下封隔器、滑套及工作筒等)的密封性。X1井是一口注氣井,生產(chǎn)管柱類(lèi)型為分層合注管柱。測(cè)試前,A環(huán)空(油套環(huán)空)帶壓1.8 MPa,最大注入狀態(tài)下壓力恢復(fù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)A環(huán)空壓力可達(dá)到15.2 MPa,壓力增長(zhǎng)率為0.3 MPa/h,工程作業(yè)懷疑井下完井工具密封性有問(wèn)題,為驗(yàn)證井下滑套和封隔器的密封性,找到準(zhǔn)確的漏失位置,通過(guò)多頻聲波測(cè)井技術(shù)對(duì)油管上四個(gè)滑套和油管、套管間三個(gè)封隔器的密封性進(jìn)行檢測(cè)。其中,3 145.0 m附近頻率-幅度道的聲波幅頻特征表現(xiàn)為高頻高幅響應(yīng),相應(yīng)的聲波波形曲線(xiàn)變化明顯,同時(shí)紅色溫度曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)(圖2),該深度對(duì)應(yīng)管柱上3 144.8 m頂部封隔器位置,表明3 144.8 m頂部封隔器存在漏失。后期修井作業(yè)起出頂部封隔器,發(fā)現(xiàn)封隔器確已失效,并進(jìn)行更換處理,有效解決了注氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。

圖2 頂部封隔器漏失響應(yīng)特征

3.1.2 多層管柱漏失檢測(cè)

針對(duì)多層管柱環(huán)空帶壓,可根據(jù)井實(shí)際帶壓情況,通過(guò)從外層到內(nèi)層管柱逐級(jí)泄壓測(cè)試,實(shí)現(xiàn)對(duì)各層管柱逐級(jí)驗(yàn)漏,此外結(jié)合井下溫度和不同環(huán)空的壓力變化數(shù)據(jù),能夠更加高效地判斷泄漏位置。

圖3是一口多層管柱帶壓井,該井投產(chǎn)三天就出現(xiàn)油套環(huán)空帶壓現(xiàn)象,且三層套管均存在不同程度泄漏帶壓。測(cè)試時(shí),采用從C環(huán)空(表套壓力)到B環(huán)空(技術(shù)套管壓力)再到A環(huán)空(油套壓力)逐級(jí)泄壓的流程。測(cè)試中分別記錄三種模式下的各環(huán)空及油管壓力變化情況(表2)。模式1,A、B環(huán)空壓力幾乎無(wú)變化,表明B、C環(huán)空聯(lián)通可能性小,測(cè)試結(jié)果顯示整個(gè)井段無(wú)明顯泄漏響應(yīng)。模式2,A環(huán)空壓力變化不明顯;模式1和2測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),在60.0 m附近出現(xiàn)鐘形高頻信號(hào),懷疑此處的9.625 in套管存在漏點(diǎn)。模式3,油壓小幅波動(dòng),懷疑A、B可能有聯(lián)通,測(cè)試結(jié)果顯示1 610.0 m附近2#氣舉閥處出現(xiàn)大范圍高頻高幅響應(yīng),溫度曲線(xiàn)拐點(diǎn)明顯;在855.0 m附近聲波頻譜信號(hào)表現(xiàn)為較高頻高幅特征,且響應(yīng)范圍有所減小,對(duì)應(yīng)管柱的1#氣舉閥;同樣在3#氣舉閥處也發(fā)現(xiàn)異常信號(hào),且高幅特征向低頻移動(dòng),響應(yīng)范圍最小,溫度變化較小(圖3)。測(cè)試推斷1#、2#、3#三個(gè)氣舉閥密封不嚴(yán)是造成A環(huán)空帶壓的主要因素,且漏失量大小依次為2#、1#、3#;9.625 in套管存在較小泄漏點(diǎn),是造成B環(huán)空帶壓主要因素;由于作業(yè)時(shí)無(wú)法關(guān)閉C環(huán)空,未進(jìn)行環(huán)空和生產(chǎn)閥全關(guān)閉狀態(tài)的背景測(cè)量,因此無(wú)法精準(zhǔn)判斷表層套管漏失情況。

表2 不同測(cè)試模式下環(huán)空及油管壓力變化

本次測(cè)試結(jié)果得到現(xiàn)場(chǎng)試壓試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)采用機(jī)械坐封試壓,驗(yàn)證45.0～105.0 m井段9.625 in套管確有漏失響應(yīng)。生產(chǎn)油管上3個(gè)氣舉閥試壓測(cè)試結(jié)果表明:2#氣舉閥未打壓,滴水較明顯,存在明顯泄漏;1#氣舉閥壓差達(dá)到10.0 MPa時(shí),有滲漏;3#氣舉閥壓差達(dá)到12.0 MPa時(shí),出現(xiàn)滲漏。試壓數(shù)據(jù)表明多頻聲波測(cè)井技術(shù)能夠精準(zhǔn)找到油套管的泄漏位置,且該技術(shù)對(duì)于微小滲漏檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。

3.1.3 套管外竄流識(shí)別

多頻聲波測(cè)井技術(shù)可探測(cè)徑向距離約2.0～3.0 m,因此可以探測(cè)生產(chǎn)管柱管外竄槽、地層裂縫以及儲(chǔ)層信息等。該技術(shù)通過(guò)對(duì)流體在管外水泥環(huán)孔道或地層中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的聲波幅度與頻率變化判斷流體流動(dòng)位置。

某注水井油壓8.7 MPa,套壓0.7 MPa,且歷年氧活化測(cè)試結(jié)果顯示注入水主要被上部A油組吸收,下部B油組基本無(wú)吸入,且上部A油組未固井,存在管外竄流風(fēng)險(xiǎn),利用多頻聲波測(cè)井技術(shù)驗(yàn)證了該井套管外存在竄流(圖4)。測(cè)試結(jié)果表明,A油組為主要吸水層,B油組吸入量極小,A油組在套后確實(shí)存在竄流。A油組射孔層段1 685.4～1 970.0 m具有高頻響應(yīng),且1 815.0～1 970.0 m段6 000 Hz以上高頻信號(hào)明顯,反映A油組下部射孔層為主要吸入層;B油組射孔層段以管內(nèi)流為主,儲(chǔ)層高頻信號(hào)微弱,反映B油組吸入量較小;溫度、流量曲線(xiàn)在主要吸入層處響應(yīng)明顯;此外A油組射孔層頂1 685.4 m至井口方向上6 000 Hz以上高頻信號(hào)依然存在,同時(shí)1 646.0 m以上出現(xiàn)2 000～4 000 Hz時(shí)斷時(shí)續(xù)的縱向條帶狀頻譜信號(hào),反映套后存在向上竄流現(xiàn)象,且竄流流體主要被1 428.2～1 685.4 m層段吸入,計(jì)算得到竄流量占總吸水比例的30%。依據(jù)測(cè)試結(jié)果,該井采取了環(huán)空擠注水泥措施,之后在相同井段再次進(jìn)行多頻聲波檢測(cè),竄流信號(hào)消失,兩次測(cè)試結(jié)果表明多頻聲波技術(shù)能夠有效探測(cè)套外竄流并獲得竄流量比例。

3.2 儲(chǔ)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)

油藏高效開(kāi)發(fā)中,分層合采井產(chǎn)量劈分是落實(shí)各層動(dòng)用狀況和剩余油分布規(guī)律研究的重要技術(shù)環(huán)節(jié)[11]。分層合采井是采用分層封隔器、滑套或工作筒分別控制各油組的產(chǎn)出,生產(chǎn)時(shí)一個(gè)滑套可能控制多個(gè)射孔層(圖5)。針對(duì)這類(lèi)井的測(cè)試,光纖DTS技術(shù)可以獲得各層精細(xì)貢獻(xiàn)結(jié)果[12],但受完井管柱影響,儀器下入方式及作業(yè)成本限制,往往測(cè)試?yán)щy;目前多數(shù)井還是選擇常規(guī)PLT技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),但這類(lèi)管柱測(cè)試時(shí),僅能獲得每個(gè)出液口(滑套)的產(chǎn)量,無(wú)法精確套后各個(gè)射孔層的產(chǎn)出貢獻(xiàn);有時(shí)下入生產(chǎn)封隔器無(wú)法起到封隔產(chǎn)層作用,單個(gè)射孔層究竟從哪個(gè)滑套產(chǎn)出成為測(cè)試難點(diǎn),利用多頻聲波與PLT組合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分層合采井產(chǎn)量精細(xì)劈分。

圖5是某油田一口產(chǎn)油氣井(X3井),采用分層合采管柱生產(chǎn),該井在五層(4滑套和1工作筒均開(kāi)啟)合采生產(chǎn)狀態(tài)下進(jìn)行了多頻聲波與PLT技術(shù)組合測(cè)試,目的是了解A油組詳細(xì)分層產(chǎn)出情況,為生產(chǎn)措施提供依據(jù)。由于封隔器3位于5號(hào)射孔層中部,未能起到封隔產(chǎn)層的作用,5號(hào)射孔層從附近哪個(gè)滑套產(chǎn)出不明,即滑套2和滑套3控制的3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)射孔層的產(chǎn)出量基本無(wú)法分開(kāi)。從PLT測(cè)試結(jié)果看,內(nèi)置式渦輪轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)經(jīng)過(guò)滑套2后,轉(zhuǎn)速明顯增大,流體密度值明顯減小,流體電容值明顯增大,表明滑套2控制的射孔層為主要產(chǎn)油氣層,由于滑套2和滑套3控制的3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)射孔層無(wú)法明確各自產(chǎn)出情況,因此落實(shí)清楚哪個(gè)射孔層是主要產(chǎn)油氣層至關(guān)重要。結(jié)合圖5和表3的解釋結(jié)果可知,滑套1、滑套4和底部工作筒均分別控制兩個(gè)射孔層,PLT測(cè)試結(jié)果基本無(wú)法獲得滑套后各自射孔層的產(chǎn)量貢獻(xiàn)。

為了落實(shí)A油組所有射孔層產(chǎn)出貢獻(xiàn),利用多頻聲波與PLT技術(shù)組合進(jìn)行測(cè)試。由于測(cè)試時(shí)生產(chǎn)管柱限制,無(wú)法獲取8號(hào)、9號(hào)射孔層產(chǎn)出信息,僅分析了1號(hào)至7號(hào)射孔層產(chǎn)出貢獻(xiàn)。對(duì)多頻聲波頻率-幅度特征(圖5)分析發(fā)現(xiàn),3號(hào)射孔層處7 000～10 400 Hz高頻信號(hào)較其他射孔層明顯,反映該層產(chǎn)出貢獻(xiàn)較大,測(cè)量段內(nèi)其他射孔層高頻信號(hào)較小或不明顯,產(chǎn)出貢獻(xiàn)較少。定量綜合解釋成果(表3)顯示,3號(hào)射孔層產(chǎn)出貢獻(xiàn)較大,在測(cè)量段內(nèi)占比53.5%;5號(hào)射孔層產(chǎn)出貢獻(xiàn)中等,且主要以上部層段產(chǎn)出為主,在測(cè)量段內(nèi)占比20.3%;2號(hào)和7號(hào)射孔層產(chǎn)出貢獻(xiàn)較小,在測(cè)量段內(nèi)分別占比7.3%和11.1%;其他射孔層段幾乎無(wú)產(chǎn)出貢獻(xiàn)。解釋結(jié)果表明,3號(hào)和4號(hào)射孔層主要從滑套2產(chǎn)出,5號(hào)射孔層主要從滑套3產(chǎn)出。

多頻聲波測(cè)井可獲得滑套控制的各個(gè)小層產(chǎn)出貢獻(xiàn),在PLT解釋結(jié)果基礎(chǔ)上又可進(jìn)一步精細(xì)產(chǎn)出剖面。通過(guò)對(duì)比分析二者定量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)多頻聲波測(cè)井解釋的高流量計(jì)算結(jié)果與PLT技術(shù)測(cè)試結(jié)果誤差較小,而低流量計(jì)算結(jié)果誤差稍大,需要后續(xù)進(jìn)一步應(yīng)用驗(yàn)證,并總結(jié)改進(jìn)計(jì)算方法。

4 結(jié)論及建議

1)多頻聲波測(cè)井技術(shù)通過(guò)信號(hào)頻率和幅度變化特征可準(zhǔn)確鎖定套管井漏失和竄槽部位,評(píng)價(jià)儲(chǔ)層產(chǎn)出流體的流量貢獻(xiàn)。其測(cè)井儀器簡(jiǎn)單,操作方便,可實(shí)現(xiàn)多層管柱損傷檢測(cè),以測(cè)量精度高、探測(cè)深度大、記錄范圍廣的優(yōu)點(diǎn)成為定位油套管泄漏和油藏流動(dòng)單元的有力工具。

2)通過(guò)海上油氣田實(shí)際測(cè)井應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)多頻聲波測(cè)井技術(shù)對(duì)于微小滲漏檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯,能夠有效解決由完井工具失效、多層管漏失、管外竄槽所引起的井筒環(huán)空帶壓?jiǎn)栴},為油套管切割或補(bǔ)貼、管外封堵等修井作業(yè)提供依據(jù);與PLT產(chǎn)出剖面測(cè)井組合測(cè)試能夠較好獲取分層合采井套后小層精細(xì)產(chǎn)出貢獻(xiàn),解決因封隔器位置造成的射孔層產(chǎn)出方向不明的問(wèn)題,為生產(chǎn)井產(chǎn)液剖面精細(xì)評(píng)價(jià)提供一種有效技術(shù)方法。

3)在測(cè)漏找竄時(shí),建議緊密結(jié)合工程作業(yè)時(shí)井筒內(nèi)壓力、溫度、流量變化等因素綜合判斷漏失點(diǎn)和竄槽位置,提高找漏找竄的精度和成功率;對(duì)于儲(chǔ)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)計(jì)算,建議與PLT流量測(cè)井技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用,可綜合分析并定量計(jì)算各產(chǎn)層油氣水貢獻(xiàn),助力油藏開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)決策。