鹽穴儲氣庫井筒泄漏監測室內模擬實驗

王文權 賈建超 趙明千 王丹玲 陳彬 竇冬 謝楠

1. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司；2. 華北油田煤層氣與儲氣庫事業部

儲氣庫注采井是儲氣庫最基本的組成單元，隨著儲氣庫建設的速度加快，儲氣庫注采井的數量也越來越多。儲氣庫井注采運行時壓力呈周期性變化，井筒管柱和膠結水泥石長期受交變溫度及應力的影響，易出現井筒漏失的情況，導致井口帶壓、管外漏失和管外天然氣聚集等［1］。環空帶壓或層間竄流情況不突出時會對壓力監測與井口放壓的成本產生影響，而嚴重時則需要關井、修井，甚至會導致整個腔體報廢，影響長輸管道的運行安全。

光纖傳感技術的優越性在于能夠實現對監測對象的長期實時全面覆蓋，光纖具有實時直讀、壽命長、傳輸與監測距離長、耐高溫高壓、不受電磁干擾、可靠性高、井下無電等特點，且傳感部件和信號傳輸部件均為功能型光纖，成本低廉，可用于長期可靠的連續在線監測。利用光波在光纖中傳輸時相位、偏振等對振動敏感的特性，連續實時地監測光纖附近的振動。根據干涉傳感原理和后向散射探測技術，當管柱某處發生泄漏即可擾動光纖，使此處的后向散射光強減弱，結合達到探測器的時間即可定位泄漏點［2-3］。

以鹽穴儲氣庫實際生產情況為出發點，以保障儲氣庫平穩安全運行為目標，結合光纖分布式聲波傳感系統(DAS)進行井筒泄漏監測室內模擬實驗。

1 分布式光纖泄漏監測技術理論

如圖1 所示，分布式光纖泄漏監測技術DAS(Distributed Acoustic Sensing)利用相干瑞利散射光的相位而非光強來探測音頻范圍內的聲音或振動等信號，當聲音或振動引起該位置干涉光相位的線性變化，通過提取該位置不同時刻的干涉信號并解調，可實現對外界物理量的定量測量［4-6］。DAS 技術不僅可以利用相位幅值大小來提供聲音或振動事件強度信息，還可利用線性定量測量值來實現對聲音或振動事件相位和頻率信息的獲取［7-10］。

由伯努利方程可知，當儲氣庫井管道發生泄漏時，管內氣體流速、流量發生局部變化，泄漏點處氣體壓強也會隨之發生變化，通過監測壓強分布即可準確標記泄漏點。

圖1 分布式光纖泄漏監測系統Fig. 1 Leakage monitoring system based distributed optical fiber

式中， ρ為流體密度，g/cm3；v為流體該點的流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為該點所在的高度，m；p為流體中某點的壓強，MPa。

管內探測光纖還會受到壓力的作用。將連續激光輸出調制為脈沖寬度較窄的光信號作為探測光注入傳感光纖，光脈沖信號在傳感光纖中前向傳輸L長的距離并產生后向瑞利散射光，則光波相位為

式中，nf為光纖中的折射率；L為傳輸長度，m； λ為入射光波長，m。

其中脈沖寬度范圍內同時產生多個瑞利散射光信號，并在探測器處發生多光束干涉，外界物理量發生變化時將引起多光束干涉光的相位發生變化，并體現為后向瑞利散射光的強度變化。光纖受到壓力作用導致傳播光的相位變化為

式(3)中第一項表示壓力產生應變引起光纖長度變化的效應；第二項則表示由于傳播常數的變化所引起的相位移，它由光纖的彈光效應改變折射率引起的。

根據探測器探測到的后向散射光強及到達探測器的時間即可知道沿光纖路徑上任一點的初始后向散射光強。由于物理量改變的是干涉光相位，因此該技術具有非常高的靈敏度。

2 室內模擬實驗設計

2.1 實驗目的

為了驗證分布式光纖監測技術的可行性和實用性，進行室內模擬實驗。通過模擬井下工況條件測試該技術的測量精度及測量下限，結合噪聲測井技術的結果輔助評價分布式光纖監測技術的可靠性，為后續井下實驗提供理論依據。

2.2 室內實驗條件

實際工況儲氣庫井深為800～1 100 m，井口壓力維持在6～16 MPa，井底溫度大約為45～65 ℃，井口溫度為?5～50 ℃之間，注采管柱管徑?177.8 mm，生產井內管柱中充注的是天然氣，注采管柱與套管間環空充注環空保護液，可能存在的泄露點為絲扣、封隔器處。

為了取材方便，實驗分別選用?177.8 mm 和?244.5 mm 管柱作為油套管組合，因DAS 檢測技術僅與泄漏量所產生的振動大小相關，故實驗僅關注泄漏量與DAS 檢測精度之間的關系。設置一個固定的泄漏點，通過不斷提高壓差來調整泄漏量，輔以噪聲測井觀察DAS 檢測的準確性。實際井下工況條件內外管壓差一般處于0～12 MPa 區間內，根據實際條件設置實驗泄漏量大小及所對應壓差。實驗使用的氮氣瓶也需滿足一定的壓力要求，為保證測量精度，實驗采用的高精度壓力表量程為0～70 MPa、流量計量程為2.5～30 m3/h、精度為±1.5%。盡可能模擬真實井況采用足夠長度的鎧裝光纖傳感器，為了保證噪聲儀的收音效果以驗證分布式光纖監測技術，實驗環境要求盡可能保證無外界噪聲干擾。

2.3 實驗設備

考慮到實驗的可實施性，實驗在油管絲扣連接處設置泄漏點，可通過轉動絲扣的松緊來調整泄漏量的大小，實驗采用多節油管進行拼接。設置油管使用4 節長為1 m、管徑為?177.8 mm 的短節和一根長為1.5 m、管徑為?177.8 mm 的中短節進行聯合拼接。使用的套管為長為6 m、管徑為?244.5 mm的整體套管，為了驗證分布式振動光纖泄漏監測系統解釋結果的準確性，在設置泄漏點所對應的套管外安裝一臺噪聲儀同步進行測量和驗證。

儲氣庫生產井實際注采運行過程中油管內部充滿天然氣，油管與套管的環空充滿環空保護液，所以模擬實驗設置用氮氣瓶向油管中充注高純度氮氣模擬天然氣，在套管外部設置注、排水口向環空充注清水模擬環空保護液。管柱組合兩端設置堵頭進行封堵，并在實驗時將管柱組合抬離地面，與地面呈一定角度。實驗設備具體安裝步驟如下。

(1)準備好4 根1 m 的短節和一根1.5 m 的短節用于?177.8 mm 油管拼接。按照如圖2 所示的結構組裝設備，將拼接?177.8 mm 油管置于?244.5 mm 套管內，將管柱組合兩端用堵頭封堵，設置?177.8 mm油管絲扣連接處密封不嚴模擬油管泄漏點位置，在?244.5 mm 套管外設置一個注、排水口；將鎧裝光纜從油管中穿過模擬現場光纜從生產管柱下井方式；將光纖在一端預留一定長度作為首端。另一尾端與分布式振動光纖泄漏監測系統相連，尾端緊貼地面。

圖2 實驗設備組裝Fig. 2 Assembling of experimental devices

(2)穿過一端堵頭將氮氣瓶連接在?177.8 mm拼接油管內，打開氮氣瓶向拼接油管中充注高濃度氮氣并根據實驗需要調整絲扣，通過注、排水口向?244.5 mm 套管與?177.8 mm 油管環空中注水至充滿。

(3)在?244.5 mm 套管尾端的注、排水口處連接流量計，通過調節氮氣瓶的注氮量觀察流量計的數值變化并記錄。將首端抬離地面且與地面呈一定角度(以30°～60°為宜)，模擬真實井下情況。

3 室內模擬實驗過程

裝置安裝完成后，設置調試步驟：(1)現場通過注入氮氣并在泄漏點處倒肥皂水觀察泄漏點的泄漏情況，通過調整絲扣松緊度來控制泄漏大小，確保設置泄漏點可用；(2)通過DAS 技術測定泄漏位置進行記錄，以便后期與測量解釋結果進行對比。設備組裝完成后，通過針閥調節氮氣瓶注入油管的壓力和注入量，在設置泄漏量不變的條件下，逐漸提高注入壓力，噪聲儀和DAS 系統同時測試、記錄現場泄漏情況并通過測試環空液體的排出量來評定相對應的壓差下的瞬時排量。在設計尋求最小泄漏量實驗之前，先明確分布式振動光纖泄漏監測系統的泄漏特征。

3.1 明確系統顯示的泄漏特征

為明確泄漏現象在分布式振動光纖泄漏監測系統上的特征，旋轉絲扣使泄漏量盡可能處于較高值，保證肉眼可見明顯泄漏現象后進行油套壓差4.2 MPa的實驗。穩壓14 min 后，流量計顯示排水量15.8 L，平均排量1.3 L/min。

系統儀器顯示DAS 瀑布圖于311 m 處顯示亮藍綠色條帶狀，DAS 頻譜異常與DAS 瀑布圖異常對應，且DAS 頻譜分別在0～150 Hz 處、400～500 Hz處、800～900 Hz 處幅值發生明顯異常上升現象，其中異常頻率能量為0～150 Hz、400～500 Hz 處幅值高于40 mm，800～900 Hz 處幅值為40 mm。

結合噪聲儀測試結果顯示，能量主要集中在150 Hz 處、880 Hz 處，同DAS 頻譜測量的3 項結果匹配2 項。綜合實驗結果認為，系統顯示泄漏情況的特征為DAS 瀑布圖、DAS 頻譜圖均有異常顯示。

3.2 尋找系統可監測的最小泄漏量

在明確了分布式振動光纖泄漏監測系統顯示的泄漏特征后，將絲扣松緊度調整至較小泄漏狀態(實驗旋轉絲扣松兩扣)進行不同壓差情況模擬實驗，分別設置1.4 MPa、2.8 MPa、4.2 MPa 及5.6 MPa 一共4 組對比實驗尋找分布式振動光纖泄漏監測系統所能監測的最小泄漏量。

(1) 1.4 MPa 雙管實驗。打開氮氣瓶針閥向油管內注氣，壓力計顯示油套壓差約1.4 MPa，開始進行測量，控制穩壓18 min 后流量計顯示排水量9 L，計算平均排量為0.75 L/min。

DAS 瀑布圖顯示雜亂，異常無法識別，振幅曲線峰值較多但振幅能量整體較低。對上述顯示結果初步判斷，認為由于設備泄漏量過小，實驗儀器精度不足以精確監測。噪聲儀測量結果顯示效果較差，總體能量偏低且雜亂分布，無明顯集中帶，驗證了DAS 的顯示結果。后續進行了環空壓差2.8 MPa及4.2 MPa 雙管實驗，測試結果與1.4 MPa 實驗結果一致，均無法明顯監測泄漏情況。

(2) 5.6 MPa 雙管實驗。注氣待油套壓差達5.6 MPa時，穩壓14 min，流量計顯示排水量10.1 L，平均排量0.83 L/min。

儀器顯示DAS 測試效果較好，能見到明顯藍綠色異常條帶，DAS 瀑布圖異常點位于330～331 m，且顯示清晰，330 m 處DAS 頻譜圖顯示能量主要集中在0～200 Hz 之間和900 Hz 兩處。噪聲測試顯示頻譜變化分層明顯，氣體泄漏能量相對集中在0～200 Hz區間和900 Hz 兩處，與DAS 瀑布圖測試結果相互驗證。同時，儀器顯示報警點穩定停留在330 m 處，監測結果與實際實驗設置情況吻合。

4 室內模擬實驗效果分析

在充分模擬現場實際工況的前提下進行室內模擬測試，匯總上述4 個實驗結果，在外部設置泄漏量相同的情況下進行分析，分析結果見表1。

表1 室內實驗結果分析Table 1 Analysis on laboratory experimental results

結合分析表1 發現,在環空壓差處于正常壓力值區間時，壓力值較高時分布式光纖監測系統能夠準確發現泄漏點并正確顯示報警點，系統定位分辨單位可精確到±1 m；實驗結果顯示，當內外管壓差達到5.6 MPa 時，平均泄漏量為最低值，即測量下限為0.83 L/min，后續井下實驗可以此為參考。

通過室內模擬實驗，明確了分布式振動光纖泄漏監測系統的泄漏特征，得到了分布式光纖振動(DAS)技術的室內測量精度及下限，未來可對儲氣庫生產井井筒泄漏位置做出有效判別，并實時監測氣體在注采運行過程中是否發生泄漏，為注采運行提供安全保障。

5 結論及建議

(1)通過室內模擬實驗，明確了泄漏特征，分布式光纖振動監測技術(DAS)能夠準確發現泄漏點并進行報警，泄漏情況可于±1 m 內空間準確定位，系統測量泄漏量下限為0.83 L/min。

(2)系統的模式識別功能可以濾除雜亂干擾信號并準確識別有用信號，且分布式光纖振動監測(DAS)系統具有實時性監測特點，可用于實時監測氣體在儲氣庫生產井注采運行過程中是否發生泄漏，保障儲氣庫的安全運行。

(3)由于分布式溫度探測(DTS)是一項已經成熟的井溫監測技術，且通過利用多模光纖的光時域反射(OTDR)，用光纖中的光傳播速度和背向光的回波時間對所測各溫度點進行精確定位，以監測生產狀態井筒內溫度分布情況從而判斷泄漏發生的位置。將DTS 技術與DAS 技術進行集成運用、互為驗證是提高儀器監測精度和準確性的下一步探索，有助于進一步DAS+DTS 新型光纖井下泄漏檢測技術的形成。