煤層氣井液面測試精度提升與信息挖掘

蒲 攀 李文強 劉元新 劉國偉 鄒紅剛 邢俊杰

(華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

作為煤層氣井排采管理的一項基礎工作，獲取有效的人工液面信息具有如下作用：(1)對沒有安裝井下壓力計的單井進行常規的生產監控；(2)為井下故障的判斷及處理提供重要依據；為彌補井下壓力計安裝拆除及故障處理成本高昂和人工液面測試不能實現連續監測的不足，目前在部分單井嘗試采用自動液面測試儀。但因排采井生產情況復雜多變，不具備良好的參數自動調節功能的自動液面測試儀很難具有普遍適應性。對人工液面測試的現場操作流程和讀圖解釋方法進行分析，明確主要技術指標，一方面可以減小液面計算誤差,獲取更加真實的井筒及管柱信息，為單井分析提供有效的參考依據，另一方面可為自動液面測試儀的發展提供借鑒。

1 液面測試的原理

1.1 測試儀器的工作原理

目前煤層氣井聲波液面測試運用的是油套環空中的回波反射原理，計算公式為：

其中：D表示液面深度；V表示聲速；Δt表示液面波與井口波的傳播時差。

測試儀器的井口裝置主要分為聲波擊發裝置和聲波接收裝置。聲波擊發裝置發出脈沖聲波，經油套環空中的障礙物反射后，由微音器接收并將振動信號轉化為電流信號。經放大后電流信號經由主機邏輯電路后產生數字信號，主機程序將數字信號處理后形成圖像。脈沖聲波分為膨脹沖擊波和壓縮沖擊波，兩種波的質點初始振動方向相反，但均平行于聲波傳播方向，分別由具有一定壓力的套管氣和外部高壓氣源擊發。

1.2 油套環空中聲波的傳播特征

液面測試儀擊發的是頻率為20Hz左右的低頻聲波，井間聲速差異主要受介質種類、溫度和壓力影響。當介質主要成分為常壓空氣時，聲速約為340m/s；甲烷中的聲速值一般在430～460m/s的范圍內。周家新等和徐愛鈞針對油氣井中聲速值的分布規律分別從深度和溫度給出校正計算方法。對于井深較小的煤層氣井，其井筒溫度與煤層產出的甲烷氣體基本一致，垂向差異并不顯著，因此煤層氣井筒中聲速可視為一恒定值；在油套環空內聲波呈射線狀傳播，遇油管外壁和套管內壁產生反射，傳播路徑改變；傳播介質中某一質點的振動軌跡為經不同路徑同時到達該質點處聲波的矢量迭加(圖1)。因此某一時刻微音器記錄下的波形受到經不同路徑傳播后同時到達的脈沖聲波共同作用。

圖1 聲波的反射迭加示意圖

2 液面測試精準度的影響因素

2.1 現場測試因素

為獲取高質量的液面圖形，在現場測試過程一方面需采取存信降噪措施減少雜波干擾，如對于氣量大的井在測試時關閉生產閥門可減少過氣聲對有用信號的干擾；另一方面應選擇合適的擊發方式和電流增益系數，有助于得出有效波波形清楚的圖像。如圖2在某次測試中因選擇了較大的電流放大系數，在聲波擊發之前的井口雜波被當做有用信號記錄下來。

圖2 某次測試記錄下的井口噪聲圖

2.2 讀圖解釋因素

測試儀器系統將井筒及液面信息通過圖像的方式記錄下來；而讀圖解釋工作就是由測試圖像反推井筒結構獲取有效信息的過程。可將讀圖計算液面深度的過程簡要分為三步：

(1)確定液面反射波和井口反射波時間域的位置，計算出兩個波之間的時差Δt；

(2)獲取聲速值V，常用的方法有聲速法、節箍法和音標法；

(3)由公式D=V·Δt/2計算液面深度值；

2.2.1 反射波在時間域的位置確定

測試儀器選擇相鄰的兩個采集點的時間間隔約為1.5ms，換算為深度間隔為0.5m左右；在反射波位置的標定不可避免受到隨機誤差的影響，這是造成液面解釋誤差的一個主要因素。測試得到的圖形表征經由不同路徑到達微音器處的聲波的疊加，由費馬最小時間原理可推論：首先到達微音器的波傳播路徑最契合井眼軌跡。因此反射波位置應嚴格標定在初始拐點處，這樣可最大限度減少因人的主觀因素造成的誤差。

2.2.2 聲速值的確定

對于聲速計算方法，目前投入使用的各類儀器的使用說明均提供了音速法、音標法和接箍法三種，需要解釋工作者依據液面圖形的清晰度和資料的完整度選擇最優方法。其中音速法適用于選擇固定聲速值對生產穩定的單井進行液面監控，但對于井間液面對比和當單井生產狀態變化較大時不具有太多參考價值。采用接箍法計算聲速誤差較大，如表1為對于同一圖形(圖3)采用接箍法的聲速計算結果，得出的聲速值差異性較大，且與選擇的接箍數目相關性弱。造成這種誤差的原因為各接箍反射波相互疊加，無法將某一反射波標定在圖形拐點處，選擇波峰位置作為計算點具有一定隨機性。

圖3 采用接箍法計算聲速示意圖

接箍數目聲速值/(m/s)液面深度/m8443.21697.1810439.86691.7912441.38694.1814439.22690.7816437.61688.2518442.59696.20

表2 采用音標法計算反向回波深度統計

采用音標法相對于接箍法具有更高的計算精度，如表2所示。因音標反射面積較大，可有效與接箍波區分。采用“雙音標法”可使計算結果更接近井筒內的平均聲速值。在管柱設計時需注意，為保證波形顯示清楚，應考慮下部音標選擇更大一號的尺寸，同時避免因下入深度過深導致反射波在到達微音器之前過度衰減。

3 反向回波的區分和應用

在計算液面深度的過程中通常只需要對井口波、音標波、接箍波和液面波進行位置標定并參與計算，但這造成長期以來對一些特殊波形的忽視和甚至誤解。圖4為X1井液面深度不同的兩次測試，同時該井使用井下壓力計監控液面。當液面在煤層以上時，測得的液面波與音標波和井口波的初始相位一致；但液面在煤層段以下時，出現了與井口波和音標波的初始相位相反的“液面波形”。表2為對一些無壓力計的井的測試結果，采用音標法計算出這種反向回波的深度與煤層頂部深度基本一致。由此表明，這種與井口反射波相位相反的特殊波形在垂向上表征煤層射孔段頂部深度，可稱為“煤層回波”。當液面在煤層以下一定深度以內時，煤層回波與液面波產生疊加，使后者不易被分辨出來。當液面在頂部煤層以下深度足夠時(如對于多煤層合采井)，兩波可有效區分。

圖4 X1井不同液面深度狀態下的波形圖

對于煤層回波的產生原因，岳強等認為是射孔段涌出的水柱使聲波在此產生回波。但這個解釋不令人信服，因為對于不產水的井同樣能測出煤層回波，同時在有套管缺失記錄的井筒段也有反向回波出現。筆者認為反向回波的產生原因為：井筒中某段套管發生突變，當聲波到達突變點時產生反向回波。該突變點可看作一個新的聲源，這一點與地震勘探中繞射波的產生原理類似。對于反向回波的分析和認識可以在以下方面服務于煤層氣井排采管理。

(1)可依據液面反射波與煤層回波的相位相反的特點快速定性判別液面是否在煤層以上；

(2)可將煤層回波作為一個天然的音標用于計算聲速，對于液面波和煤層回波不產生疊加的情形，可以將此聲速用于液面深度計算；

(3)回波的振幅大小可粗略表套管的完好性，可據此識別液面以上井筒內有無套管缺失或大幅形變，同時可為射孔質量評價提供參考。

4 結論與認識

通過對煤層氣井液面測試原理及對影響測試精度的主要因素進行分析，同時結合對大量實測資料中波形特點的總結，可以得出以下幾點結論和認識：

(1)為獲得高質量的液面圖形，在現場測試的過程中應注意減少井口雜波干擾，同時擇合適的擊發方式及電流放大系數，保障圖形清晰度。

(2)讀圖解釋過程中，將反射波位置標定在圖形拐點處，有助于減少人的主觀因素造成的誤差；為減少聲速計算過程中的隨機誤差，可優先選擇音標法，避免選擇使用接箍法；

(3)液面反射波初始相位與井口反射波相同，出現的反向回波并非液面反射波，其產生原理與套管缺失或大幅形變有關；對反向回波的正確識別，有助于獲取真實的液面和井筒信息；

自動液面測試儀的使用是煤層氣井液面監測的長遠發展趨勢，其規模化推廣還需在現場參數調節自動化和讀圖解釋智能化取得技術上的突破，以適應煤層氣井在復雜條件下的不同生產特征。