利用聲波測井技術識別海上井的破裂邊界

編譯:牛萌 (西安石油大學石油工程學院)

劉協魯 (中海石油有限公司天津分公司)

審校:譚成仟 (西安石油大學油氣資源學院)

利用聲波測井技術識別海上井的破裂邊界

編譯:牛萌 (西安石油大學石油工程學院)

劉協魯 (中海石油有限公司天津分公司)

審校:譚成仟 (西安石油大學油氣資源學院)

檢測第一或第二油套管環形空間存在的竄流以及壓力源在工業上遇到了巨大的挑戰。在杜拜海上石油生產中的注水和氣舉過程中,利用聲波基礎測井儀可精確找出油套管環形空間中的高壓源。該文給出了該技術的說明以及杜拜石油歷史實例的經驗。利用超聲波可在不同介質中傳播的特有性質,開發出一種井下超聲波檢漏儀。這個數據采集設備已經發展到可以在常規海底電纜或記憶模式下在光滑管道中持續測井操作。當流體流過破裂邊界發生紊流時,井下儀傳感器就會檢測到高頻率的超聲波。不同于傳統的孔內測聲儀,這種新型井下檢漏儀特有的復合敏感性使它在檢測生產油管、套管和其他完井設備的滲漏時精確度可以小到每英寸0.02 L/min。這種井下檢漏儀受到遠距離噪音源的干擾也比較少。杜拜石油公司利用這種技術獲得的成功經驗已經證實:應用于井漏檢測的超聲波技術可以非常精確地檢測到油管和套管漏失。

聲波測井 井下檢漏儀 超聲波 破裂邊界

1 引言

關于井身完整性問題所面臨的挑戰是世界范圍內不斷增長的老化井問題。修理漏井或關井或放棄這些井會造成運作成本高、原油整體采收率低以及會造成一些不安全因素下的生產。發生井漏的原因是不同的,找出這些原因是一項非常復雜的工作。

內部或外部腐蝕可能是老化井形成井漏最普遍的原因。井在維修期內壓力或應變狀態的變化容易導致一個或更多的安全臨界因素失效,包括:空心管、生產封隔器、井下安全閥、滑套循環孔、工作筒等。另外,管漏普遍發生在氣舉過程中,被舉升的氣體 (通常通過井的A環注入)加速了管子腐蝕的速度,進而導致油管或套管的滲漏。同樣情況是舉升氣進入U型生產油管時在不允許泄漏的深度通過排液閥門泄漏,這將導致油管頭壓力異常升高以及氣舉無效。

同樣,另一種情況是:無鉆機的生產井在轉注過程中,(模擬閥門取代氣舉閥門)隨著水注入到U型管的A環中,任一模擬閥門出現漏失都將導致油井中套管壓力異常。在大多數情況下,當環空A中的壓力超過井口環空最大容許壓力時,將引起井完整性問題。

在上述情況下,由于油井的安全臨界因素失去控制,致使井的完整性受到損害。

在工業上,該技術在超聲波領域已經為識別從0.02 L/min到150 L/min的漏失鋪平了道路。這是靠集中在流體流經破裂邊界產生紊流時的高頻聲波來完成的。當流體 (液體或氣體)泄漏時,它從高壓邊界穿過漏失點流向低壓邊界并迅速擴張產生紊流,該紊流又產生很強的超聲波。超聲波信號強度從信號源開始迅速減弱,所以漏失點的定位可以到1 in(1 in=25.4 mm)。

值得強調的是,破裂邊界周圍的持續紊流 (等時測井),對于此井下儀檢測更小的漏失起關鍵作用。

該技術是基于超聲波壓電式傳感器的利用,定位管柱底部產生的非常小的電壓,該電壓與通過漏失點的能量激發的信號強度成比例。為了不受頻率的干擾,壓電加速計模擬信號被放大而且通過井下儀的數字信號處理模塊;在漏失點過濾掉非紊流產生的頻率,井下儀就會測試到漏失點附近的頻率。

數字信號處理器配有大容量的內存以便運行一系列模塊信號數據處理程序。這個過程過濾掉了由機械噪音或其他干擾引起的不必要的背景能量,結果是傳遞到井口的全部漏失特征數字信號經由遙測裝置系統傳到地面讀出系統。可以選擇的是:井下儀也許可以采納有記憶模式的光滑電纜以及可以在連接管柱頂部的MPL(記憶生產測井)接頭中保存數據。

2 實例詳述

杜拜石油公司已經從4個海上油田的250口井中生產石油超過30年。隨著時間的變化,這些位于阿拉伯海灣的海上油田財富——油井,整體處于老化階段。因此,油管以及其環空的漏失成為杜拜石油公司的采油工程師們主要關心的問題。

為了繼續安全、環保地從這些老化的資源中獲得石油,公司在油田整體性管理上的要求更加嚴格。凡是報告中管子或環空有漏失現象的油井都進行了漏失調查,同時也對諸如套管或油管爆裂或坍塌進行了補救。

杜拜石油公司最近研發了一種新的邊界原理,該原理在井控和安全的各個方面都非常復雜,它對每口井工作的各個環節都提出了最小邊界的要求。

2.1 A井

Fateh油田的A井是一口氣舉油生產井,這口井開采于1982年11月。根據經驗給133/8in的套管 (B環)加壓,以便與直接連通的103/4in套管(A環)相一致。對這口井進行漏失檢測的目的就是辨別漏失來源及觀測A到B環連通處漏失的位置,然后對其進行修理。在觀測時,A井已經準備要側鉆一個淺層油藏,因此,為了準備好側鉆計劃,檢測漏失成為一系列前期計劃中的一部分。

在關井或開井狀態中將檢測漏失的井下儀下到井中,結果如下:

在圖1中,展現了兩種不同性質的流體流態。在測井曲線記錄道2中反映的是井完全關閉時的情況,測井曲線記錄道3反映的是井在套管漏失點的情況。解釋漏失的先決條件就是:穿過連通氣管匯的A環保持恒定壓力,然后通過B環向集油管連續排氣,這樣在關井情況下油管就處于1400 psi(1 psi=6.895 kPa)的高壓。注入氣體會自動補償由于漏失造成的A環壓力下降。因此通過此操作來維持最大的壓力降。

圖1 井A

漏失信號出現在巖石層 (RKB)測深391 ft(1 ft=30.48 cm)處。在漏失那一點聲波相應上升證明了管中的流體與能量一致。在關井期間,紊流并不產生聲波能量,這就可以確認漏失是在之前定義的條件下產生的。

解釋:

從漏失檢測結果得出,引起A環到B環連通處漏失的是391 ft測深RKB處的103/4套管。根據這些信息,杜拜石油公司修補了103/4套管。

A井已經側鉆成功 (Q22008,)并且此井用133/8套管產油并沒有任何異常壓力。

2.2 B井

Fateh油田的B井直到2006年一直都是注水井,當水注入到井中時,由于油管、A環以及B環之間的多重壓力,使得此井產能受到限制以至低于10%。油管與A環連通的原因之前認為是油管(一部分)漏失,然而B環和C環之間聯通的原因還不清楚。在修井計劃中替換一部分的油管并確保注入水達到最大流量。為了查出引起C環異常壓力的原因,井漏檢測成為前期修井計劃中的一部分。在井下檢漏儀的地面讀數裝置運行之前油管已經被提出。

在調查過程中,當水持續注入時B環壓力減弱,圖2說明了井下儀是如何反映200.5 ft測深RKB處紊流通過破裂邊界的軌跡,并給出了精確的漏失點 (B環壓力升高源)。在圖2中套管接箍定位器清楚地顯示了3個套管接箍的情況。然而,與漏失點一致的是:200.5 ft測深RKB處出現了不能解釋的異常壓力。

圖2 井B

圖3示出在有可能漏失的深度,改變注入水速率時井下儀的反應。當水注入速率下降,漏失驅動力(ΔP)也下降,因此超聲波的能量減弱。當進一步注水,壓力梯度恢復,這時井下儀顯示漏失的能力也恢復,因此可以確定ΔP與注水壓力的關系。

解釋:

在漏失檢測工具的幫助下,就可以知道133/8套管的壓力是由于103/4套管在200 ft處發生漏失引起的。

杜拜石油公司快速隔離了103/4套管漏失處并修理了此套管,同時用41/2套管代替103/4套管完井,繼而恢復了注水。而修補的103/4套管正在等待供應商的加壓。

圖3 井B

2.3 C井

Fateh油田西南部的C井是一口氣舉油生產井,這口井已經產生了異常高的油管頭壓力。通過常規流體壓力梯度檢測,認定該井是通過第二個工作筒的一個泄露氣舉閥卸壓。這口淺海井舉升的結果是舉升氣僅僅從U形管的A環進入到油管。在跟蹤電纜修理工作中,試圖改變氣舉閥#2,然而當閥門恢復,一部分氣體堆積在一起,上部的氣體仍然停留在環中。一個模擬閥門試圖封住工作筒但是沒有成功。

為了確定這個工作筒是否為油管壓力上升的唯一原因,進行了一項漏失檢測調查計劃。

在漏失檢測調查中,油管中的壓力介于1250～1350 psi。A環中的壓力一直穩定在200 psi,關閉A環時,壓力上升。

在記憶模式下做出調查,認定了四種漏失現象(圖4、圖5和圖6):

◇控制管線的漏失 (氣舉閥#5及氣舉閥#6的墊圈之間);

◇373 ft處的大孔徑閥門的漏失 (圖4);

◇2559 ft處的氣舉閥#1(虛設)(圖5);

◇3568 ft測深RKB處的氣舉閥#2(圖6)。

按杜拜油田的要求,每個調查都進行了核對。管線漏失已經是眾所周知的一個問題,大孔徑閥門的漏失是由于管嘴處沒有閥門。在模擬氣舉閥#1中的漏失非常明顯,這個閥門將被固定。由于氣舉閥#2在早期更換操作中受到損壞,最終氣舉閥#2也與料想的情況一樣。

解釋:

認識到了氣舉閥#1與氣舉閥#2的漏失,杜拜油田公司馬上補修了這些漏失。工作筒1和工作筒2跨越了套管修補使得井從工作管3排液。然而,由于往U形管注氣形成低管匯壓力,井并不能成功地向第五個工作筒孔口排液。按照氣舉優化工作的要求,井C仍然從第5工作筒中舉升氣。

圖4 井C

圖6 井C

3 結論

聲波測井技術井下儀精確地辨別了環形空間產生壓力的來源。它給操作者提供了有價值的識別工具。井下儀在杜拜油田公司的應用表明它是可靠、有效的漏失檢測技術。

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.016

資料來源于美國《SPE 117182》

2009-01-19)