超聲波成像法在多層環空井下漏點檢測技術中的應用

朱達江,李玉飛,卞維娣,張林,劉祥康,羅偉

(中國石油西南油氣田公司工程技術研究院,四川成都610017)

0 引 言

高溫高壓含硫氣井在開發過程中越來越多地出現環空帶壓問題,環空帶壓預示著井筒發生泄漏,井完整性受到削弱,威脅氣井安全生產。造成氣井環空帶壓主要原因:在建井階段,套管固井質量不合格;在生產階段由于多種作業工況交替變化,或受井下高溫高壓、腐蝕性介質影響,油套管柱、井下工具或絲扣的力學完整性及密封完整性受到削弱。目前四川盆地MX氣田多口氣井出現了不同程度的環空帶壓現象:在投產初期A環空帶壓井占比14.3%、B環空帶壓井占比11.4%,生產3年之后A環空帶壓井和B環空帶壓井其占比分別達到48.5%和51.4%,給氣井生產帶來嚴重的隱患,影響氣井的安全高效開發。為準確判斷井筒泄漏原因,找到泄漏點位置,評價氣井井筒的安全性,急需開展氣井井下漏點現場檢測,為環空帶壓治理提供依據。

調研發現,國內外主要采用組合測井方法實現對井筒泄漏情況的檢測。常采用的測井方法:井溫測井、多臂井徑儀測井、井下電視成像測井、電磁探傷測井、放射性同位素測井、流量測試及噪聲測井等方法[1-2]。

扶詠梅等[3]針對油田套損井泄漏,采用井溫+井下流量組合測試的方法,利用井筒溫度剖面分析得到疑似泄漏點,再根據該點處流量測試情況,綜合分析漏點具體位置。王紹峰等[4]介紹了井徑測井+電磁探傷測井+井溫測井、多臂井徑儀測井+井溫測井、放射性同位素測井+井溫測井這3種組合測井方式,對套管變形或套管破裂井段進行了現場測井應用,能比較準確地確定變形、泄漏位置。陳洪海[5]等通過在室內開展實驗模擬對其自制的超聲成像測井儀套損檢測系統進行了效果分析,該系統用于測量套管的裂縫、孔洞及厚度,可以檢測到寬度為2 mm的裂縫,測量的套管厚度為5～16 mm,可檢測到最小直徑為5 mm的孔洞,但未開展現場應用。田海濤等[6]采用超聲波成像測井儀,通過改善成像質量和分辨率,對套管井的水泥膠結情況和套管質量進行了檢測。鄭友志等[7]采用井溫+噪聲組合測井方式,對環空帶壓氣井開展了井下找漏現場試驗,綜合多方技術分析,能較為準確地找到漏點位置。黃偉明等[8]采用陣列式噪聲+頻譜式噪聲+電磁探傷+井溫組合測井技術,對深層環空帶壓氣井開展了井下漏點檢測,較為準確地獲得了井下泄漏原因及泄漏位置。吳悅等[9]針對油、水井套管漏失及管外水泥環竄槽,采用井溫、流量、示蹤劑和氧活化水流等多種組合方式,較為準確地評價判斷油水井的套管漏失或管外竄槽情況。

本文在大量調研的基礎上,優選超聲波成像井下漏點檢測技術,在某高溫高壓含硫氣井中開展了多層環空帶壓井下漏點檢測現場試驗。準確檢測出井下油套管柱泄漏點位置,明確了該井A、B環空帶壓原因,為氣井下步治理方案及制定相應的控制措施提供依據,具有良好的推廣應用前景。

1 超聲波成像漏點檢測技術及原理

通過對目前常用的測井方法對比分析發現(見表1),現有方法或多種方法組合測井方式均存在一定局限性。

表1 不同測井方式特點及局限性對比

例如:多臂井徑只能探測管柱內壁有限個方位上的腐蝕情況,井溫測井測量結果誤差大、影響因素多,同位素測井有一定污染性,井下電視測井對井筒清潔程度要求高等;即使采用多種組合測井方式能克服一定的局限,但測井工具結構復雜、操作難度增大[10-20]。隨著高溫高壓深層氣藏開發程度的不斷加大,氣井多層環空帶壓現象越來越突出,井筒泄漏及環空帶壓原因診斷分析對于制定有效的管控措施至關重要。

井下出現泄漏后,井筒物理特征會發生相應的變化,包括聲波場、壓力場、溫度場等,可將上述特征作為檢測井筒泄漏的依據。流體在流動時會產生聲音,聲音的強度與流動壓差成正比,介質通道的大小也會影響噪聲的強弱,較大的流動通道會產生低頻噪音,而較小的流動通道會產生高頻噪音。因此,流體通過不同的地質環境以及井孔構造時,會產生聲波和超聲波,不同形態及位置的泄漏通道對應的超聲波頻率分布譜成像不同[21]。

超聲波成像井下漏點檢測工具能夠在更寬頻率的量程內記錄超聲模式,頻率覆蓋8～60 kHz,井筒內不同泄漏介質中的聲波場特征見圖1[21-22]。由圖1可見,井下管柱、絲扣、封隔器等井屏障部件泄漏引起的聲波頻率一般在1～3 kHz,套管后水泥環竄流引起的聲波頻率一般在3～5 kHz,基質裂縫內流動引起的聲波頻率一般在10～15 kHz,大孔隙內流動引起的聲波頻率一般在17～22 kHz,致密地層內流動引起的聲波頻率一般在20 kHz以上。通過記錄聲波的分布特征來評價地層、井筒流動形式,結合井筒溫度測量曲線,進一步準確判斷泄漏點位置。

圖1 不同流動介質中超聲波成像測井聲波頻率分布特征*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

利用超聲波成像井下漏點檢測技術在現場作業時,通過在生產管柱內下入一個或多個測量短節,接收井下的聲波信號,同時可配合高精度溫度和壓力探頭,記錄溫度、壓力剖面,綜合分析。通常操作步驟包括:①建立聲波信號基線剖面,關閉待測環空(如A、B環空帶壓的井),儀器第1次入井下至測量管柱深度,再按照設計測量速率上提至井口,獲得井筒初始聲波基線剖面;②儀器第2次入井下至測量井深,同時打開A、B環空,上提儀器開始測量,獲得油管泄漏至A環空及A、B環空之間氣體竄漏的聲波信號;③儀器第3次入井下至測量井深,關閉A環空、打開B環空,上提儀器開始測量,獲得氣體進入B環空的聲波信號。測量結束后,對3次入井測得的聲波信號進行對比,綜合解釋得到井下泄漏特征。在測量作業時,需要通過放噴帶壓環空來構建壓差,從而使泄漏點位置的氣體流動,產生聲波和溫度波動,通過對比放噴前后的聲波和溫度剖面定位泄漏點。

3 實例分析

3.1 MX-H井基本情況

MX-H井為MX氣田一口高溫高壓含硫氣井,井身結構見圖2。該井于2017年10月投產,投產時油壓43.6 MPa,A環空壓力40 MPa,B環空壓力28.2 MPa,產氣量19.95×104m3/d,硫化氫含量23.43 g/m3,二氧化碳含量88.96 g/m3。在試油測試期間,多次對該井A、B環空開展環空泄壓和壓力恢復測試。在2017年8月23日酸化測試完后關井,關井時A環空壓力4.2 MPa;8月27日對A環空泄壓,壓力從20 MPa泄至0,泄壓時間5 min,出口火焰高4～5 m,泄壓后關井;B環空壓力從試油期間的0緩慢上升至28.5 MPa。同時,取A、B環空氣樣開展氣質組成分析,發現A、B環空硫化氫含量與產層氣接近,且A、B環空壓力具有一定的相關性,說明該井油管及油層套管可能存在泄漏。為明確具體的泄漏點位置和泄漏原因,對該井進行了多層環空超聲波成像漏點檢測。

圖2 MX-H井井身結構示意圖

3.2 測試作業步驟

(1)測量井筒聲波信號基線。MX-H井完井封隔器坐封位置在4 799.6～4 800.8 m,A環空內為環空保護液。為準確獲取井下管柱泄漏位置,測試時超聲波成像測井儀下至完井封隔器附近。測試儀器進行作業前需模擬通井,配置與測井檢測工具串長度一致的通井管串,將通井管串下放至4 800.0 m進行通井。通井作業結束后,保持A、B環空關閉,下放測井儀器串至4 800.0 m,然后上提工具至井口,建立井筒聲波信號基線。

(2)測量A環空泄漏聲波剖面。保持A、B環空關閉,將測井儀器下放至4 800.0 m。打開A、B環空,控制針閥開度,保持壓力平穩下降,上提檢測工具至井口,獲取油管內泄漏至A環空及A、B環空之間氣體竄漏時的聲波信號剖面。

(3)測量B環空泄漏聲波剖面。保持A、B環空關閉,再次下放測井儀器至4 800.0 m,打開B環空,控制針閥開度,保持壓力平穩下降,上提檢測工具至井口完成測量,然后關閉B環空,獲取B環空壓力來源的聲波信號剖面。

3.3 井筒漏點檢測綜合解釋結果

MX-H井完井封隔器以上的油管及油層套管泄漏超聲波成像測井解釋結果見圖3和圖4。圖3和圖4中,自然伽馬剖面中紅色表示2018年測試的數據、藍色表示2019年測試的數據;磁定位剖面中,藍色表示2018年測試的數據,紅色表示2019年測試的數據;溫度剖面中,紅色表示2018年測試的數據、藍色表示2019年測試的數據;壓力剖面中,藍色表示2018年測試的數據、紅色表示2019年測試的數據。

圖3 A環空壓力來源檢測結果分析

圖4 B環空壓力來源檢測結果分析

綜合該井測井解釋曲線可知:該井A環空泄漏點深度在油管中上部,測試獲得的泄漏點有19個,且均為油管螺紋接箍位置,深度在206.0～2 082.0 m,其中206.0～424.8 m檢測出低頻到高頻的高振幅噪聲信號,629.0～2 082.0 m檢測出中低頻率的中振幅噪聲信號,檢測統計結果見表2。結合該井產層氣和環空氣的氣質分析可知,產層氣通過油管接箍竄入A環空,導致A環空帶壓。B環空帶壓原因為A環空內的氣體通過外徑為177.8 mm的油層套管在24.4 m深度處的接箍位置進入B環空,導致B環空帶壓。本井井筒泄漏均是在接箍區域或其附近發現(與磁定位和油管記錄數據具有良好的相關性)。

表2 井下多層環空漏點超聲波成像檢測結果

根據井完整性相關標準,該井第1井屏障已經失效,第2井屏障受損,A、B環空帶壓泄漏途徑見圖5。結合各層套管固井水泥膠結測井評價結果,該井177.8 mm油層套管全井段固井質量優良井段為99.2%,測井評價為合格,但在0.0～25.0 m井段的固井質量為差。由于固井質量是在各層套管固完井之后檢測,后期還經歷完井試油、改造等井下作業,不同階段油套管柱承受各種載荷導致應變,水泥環固結程度也會發生變化而產生微環隙、微裂縫等泄漏通道,這些通道均會成為氣體滲漏的途徑。

圖5 MX-H井各環空帶壓泄漏途徑示意圖

4 結 論

(1)采用井下多層環空漏點超聲波成像檢測技術對四川盆地典型環空帶壓井開展了井筒漏點檢測,準確獲得了該井A、B環空泄漏點位置,明確了環空泄漏途徑。檢測結果表明,該井產層氣通過油管絲扣進入A環空、并通過套管絲扣及油層套管固井水泥環進入B環空導致該井A、B環空持續帶壓。

(2)采用超聲波成像井下漏點檢測技術能夠在不動管柱的情況下,精準確定井下多層環空帶壓時氣體泄漏位置,判斷氣體泄漏方式及其原因,可為氣井環空異常帶壓治理方案及制定相應的控制措施提供依據,具有良好的推廣應用前景。