油套管泄漏地面檢測技術研究現狀及進展

何漢平，楊順輝，豆寧輝，竇雪鋒

（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 102206；2.西南石油大學，四川 成都 610500）

油氣井開采的中后期，油套管泄漏問題的發生概率不斷增大，將導致環空帶壓、井筒完整性破壞，直接威脅油氣生產安全。在含硫化氫的油氣井中或海洋油氣井中，環空泄漏可能引發井筒完整性破壞、平臺傾覆、引發火災等安全事故。由于國內外普遍采用檢測油套管泄漏的測井技術具有操作過程復雜、安全風險高、作業時間長及經濟成本高等缺點，在地面開展高效準確、經濟安全的油套管泄漏檢測技術成為近年來研究的主要方向。

1 國內研究現狀

國外已經具有成熟的油套管泄漏地面檢測技術，如挪威ScanWell公司研發的油氣井泄漏檢測設備可以在不用停產和井下作業的情況下，在地面對泄漏深度和泄漏速率進行測量，測量時間短、精度高、安全風險低，得到國際石油行業的認可。阿布扎比海上作業公司（Adma-Opco）研發了具有油套管泄漏檢測功能的系統及設備，可以得到油氣井的流體成分、環空壓力及泄漏速率等參數。但是，國外現有的檢測設備核心技術處于封鎖狀態，不對外售賣，只提供技術服務，且檢測費用較為昂貴。

國內對油氣井泄漏的地面檢測技術起步較晚，仍處于探索發展階段。2014年，王云等人根據小孔泄漏模型建立環空泄漏速率的微分計算公式，從而得到環空泄漏面積和泄漏速率。2016年，楊周等人研發了可以利用環空液面高度來判斷油管泄漏位置的多參數環空帶壓的地面監測系統。2017年，呂寧貽等人解釋了泄漏噪聲的頻率與油套壓差及泄漏孔徑大小的變化規律。

2018年，張智、宋闖等人通過單漏點和多漏點的環空壓力變化規律研究，可以定量判斷單漏點位置，定性判斷多漏點的存在形式。2018年，樊建春、劉迪等人建立了井下油管單點和多點泄漏的地面聲波定位模型，設計出一套油管泄漏地面檢測系統。

2019年，羅偉等人繪制了不同漏點深度的環空壓力預測圖版，提出了多泄漏點診斷技術。

2020年，胡志強等人建立了油套管泄漏深度的計算模型，闡述了泄漏點深度和當量孔徑大小的變化規律。2021年，舒剛等人將油套環空放壓測試與漏點位置計算方法相結合，形成油套環空帶壓氣井漏點位置的放壓診斷方法。2021年，楊云朋等人研發了可以在地面準確檢測井下油套管泄漏點的海上淺水氣井油套管泄漏檢測系統。

2 油套管泄漏的地面檢測技術分析

目前，井下泄漏的地面檢測方法分為泄漏速率計算檢測、泄漏點位置檢測、泄漏點橫截面積計算及多漏點檢測技術。

2.1 泄漏速率檢測技術

最簡易的氣井油套管泄漏速率檢測方法是利用放壓法。該方法是通過控制環空閥門開關程度，逐漸調試至環空壓力達到穩定狀態。此時，通過高壓流量計測試氣體排放速率，該速率即油套管的氣體泄漏速率。另一種泄漏速率檢測技術是微分法，該方法由王云等人提出。其基本原理是在任意無限小的時間間隔內，開展漏點處單位體積氣體在單位截面情況下的泄漏流動研究。微分法采用小孔泄漏模型進行計算，在計算過程中需要確定環空壓力穩定時的井口泄壓速率。氣體在小孔口泄漏流速的極限是音速，可以通過氣體臨界狀態方程來判定流動狀態是臨界流還是非臨界流，然后通過井口泄漏速率得到井下漏點出的泄漏速率。

通過上述方法對比發現，放壓診斷法得到的泄漏速率結果比較粗略，微分計算法相對計算結果較為準確。

2.2 泄漏點位置檢測技術

井下油套管柱泄漏的種類情況較多，本文主要考慮油管柱本體或接扣出現泄漏的情況。羅偉等人提出了圖版法來預測井下漏點位置。該方法根據實際氣井的產量、油壓、泄漏點地層壓力、環空液面高度等情況，繪制了不同漏點位置與環空壓力的關系圖版，從而對井下漏點進行預測。舒剛等人提出了油套環空漏點位置的放壓診斷方法。該方法通過環空放壓的方法得到放壓前后的壓力變化、放出氣體總量，進而計算出環空液面高度。由于環空放壓時間短，且放出氣體量遠大于漏點進入環空的氣體量，因此忽略滲漏進入的氣體量。最后，通過建立油管和環空的壓力平衡方程，可計算得到漏點位置。樊建春、楊云朋等人提出了地面聲波檢測井下漏點的方法，并研制了可在線測量環空液面高度、漏點位置的油套管泄漏監測系統。氣體經過泄漏點進入油套環空時將產生聲波信號，一部分聲波信號從環空向井口傳播，另一部分聲波信號向井下傳播至環空液面后反射至井口。有泄漏的聲波曲線有明顯的相關性，此時，可以根據自相關曲線提取井下油管泄漏點到井口的特征時間，最終計算出油管泄漏點位置。

綜合對比泄漏點位置檢測的圖版法、放壓診斷法和聲波檢測法，第三種方法檢測結果相對比較準確。

2.3 泄漏點橫截面積計算方法

王云等人在泄漏速率計算方法的基礎上，進一步提出了泄漏點橫截面積計算方法。該方法假設在單次環空泄壓過程中，泄漏面積為定值，從而得到任意某時刻的泄漏速率。假定每次泄壓的泄漏點橫截面積保持不變，則可以通過下次井口的泄壓曲線得到泄壓后發生變化的泄漏點橫截面積。胡志強等人在對油套環空進行泄壓恢復的基礎方法下，提出了井下泄漏點深度和當量尺寸的計算方法。該方法先根據壓力平衡方程建立泄漏點深度計算模型，然后采用小孔泄漏模型構建基于環空體積相容性原則的氣體運移模型，通過控制變量法對環空帶壓的泄漏點深度、當量直徑、泄漏速率、環空壓力等敏感性因素進行分析，最后結合油套環空泄壓恢復測試擬合曲線，可以得到泄漏點深度和當量尺寸。

通過分析發現，泄漏點橫截面積主要是在得到泄漏速率的基礎上進行的計算研究，其準確度取決于泄漏速率。

2.4 多漏點檢測技術

目前，國內學者對泄漏研究范圍大多是基于單漏點的情況，但是，井下泄漏點可能會有多個，因此開展多個漏點的檢測技術就具有很強的現場實踐意義。羅偉等人分析了上漏點與下漏點（本體泄漏）、上漏點與下漏點（絲扣泄漏）及上漏點與封隔器泄漏等三種典型泄漏情況，明確了泄漏模式與液面高度和環空壓力的變化關系，為進一步研究多漏點檢測技術提供理論參考。劉迪等人通過氣體泄漏聲波的傳播機理研究，分析了氣井油管單漏點深度的地面聲波檢測方法，進一步建立多漏點深度的地面聲波檢測模型，借助自主設計的室內實驗裝置開展多漏點位置的室內實驗，計算出了環空聲波速度和各泄漏點的位置。

通過研究發現，多漏點檢測技術主要是聲波法，但是，研究內容相對較少，需要進一步深入研究。

3 結語

綜合而言，為了突破國外技術封鎖，加強技術研發水平，國內眾多學者越來越重視地面檢測井下泄漏的技術研發，尤其是放壓診斷法和聲波檢測法是當前至今后的重點研究方向。