分布式光纤储气库井找漏技术应用

2023-01-10宁卫东陈金宏朱涵斌李剑孟骞刘荣芳

测井技术 2022年5期

宁卫东,陈金宏,朱涵斌,李剑,孟骞,刘荣芳

(1.中国石油集团测井有限公司华北分公司,河北任丘052552;2.中国石油集团测井有限公司地质研究院,陕西西安710077;3.中国石油天然气集团有限公司测井重点实验室,陕西西安710077)

0 引言

储气库井在生产过程中经常发生环空带压现象,成为威胁储气库安全的重要隐患。储气库井环空带压是在交变载荷作用下,井身管柱及管柱工具、固井水泥等屏障失效造成的威胁储气库井生产安全的问题[1]。为保障储气库井运行安全,储气库井一般采用多重管柱的井身结构,但仍无法避免各层级套管间的带压现象。环空带压现象表现为井口采气树密封失效、接箍渗漏、管柱工具失效、油套管裂缝等,通过井口检测和生产日报分析无法确定造成环空带压的井下原因,需要利用测井检测手段确定和分析其根源,为环空带压治理提供依据。储气库井环空带压存在漏失量低、随机性或间歇性漏失的特点,传统测量仪器的精度和测量方式无法满足间歇性漏失和接箍微渗漏的检测需求,且传统游弋式测量模式在仪器移动过程中易产生噪声,影响漏失判断。分布式光纤测量技术较传统电法测井具有井筒分布式全覆盖、静态测量、实时测量的优势,满足储气库井环空带压检测需要[2]。

1 储气库井环空带压现象分析

储气库井为保障井筒发生泄漏时可控,一般采用多重屏障,即多层套管组合方式。因此,储气库井与常规油气井的井身结构相比,套管层级多、生产管柱相对复杂(见图1),在储气库井投产后受交变载荷等因素影响,仍无法避免环空带压。在储气库井中油层套管和油管之间空间为A环空,油层套管与技术套管之间为B环空,技术套管与表层套管或外层技术套管间为C环空。

图1 储气库井常见井身结构图

可以根据井口压力变化初步判断漏失原因,常见的窜漏主要包括4种情况。①井口采气树漏失,一般发生在采气树油管悬挂处,主要表现为A环空带压,且A环空压力与油压基本一致,关联性强,压力上升突然。②油管工具漏失,如封隔器、滑套等,主要表现为A环空带压;储气库井为保护套管,平衡油套压力,保护油管头和封隔器等工具,在油套环空一般填充环空保护液,因此,A环空带压过程呈现缓慢增长趋势,后期与油压基本持平后,油套压力才显示出较强的一致性。③套管接箍或工具漏失,主要表现为A环空带压后,B、C环空压力呈逐级上升趋势,且B、C环空压力与A环空有一定对应关系,即随着A环空压力上升,B、C环空压力上升趋势基本一致,但有不同程度延迟。④水泥环失效引发套管外窜槽,套管外环空水泥环受储气库井生产压力交变载荷作用发生破裂,在一定条件下,水泥环失去对气体的密封,形成管外窜通通道,造成B环空带压;主要表现为B环空带压,与A环空没有关联或关联少,在一段时间后往往会引起C环空带压。

2 检测原理及适用性分析

针对环空带压检测,常规监测电缆携带测量仪器采用游弋或定点测量。当漏失发生时,只有仪器恰好在漏失点附近才能检测到漏失,当储气库井存在间歇性和多点漏失时,传统测量方式难以实现全面检测,造成部分漏失点不能被检测出来。

分布式光纤测井包括分布式光纤温度测量和分布式振动测量。分布式光纤温度测量是一种用于实时快速多点测量空间温度场分布的测量方法。光在光纤传输过程中发生拉曼散射,由于光纤中分子与光子相互作用发生能量交换,其拉曼散射光的强度与温度相关,分析光纤后向拉曼反射的温度效应可实现温度测量。分布式光纤温度测量通过光的时域反射技术可精准定位测量点位置[3-4],独特之处在于它能沿传感电缆提供连续、分布式温度测量[5]。造成环空带压的原因是气体漏失,由于发生泄漏时气体由高压向低压端释放,气体体积迅速膨胀同时吸收大量的热,因此,泄漏点温度会发生变化。通过分布式光纤温度测量即时记录温度异常,可判断漏失位置,定性分析漏失量[6]。

分布式振动测量是通过记录光在光纤传播中的瑞利散射相位变化及线性幅值,实现声音或振动信号的记录,形成数据矩阵,提取声波振动频率、相位及幅度信息[7]。当气体泄漏通过狭小空间时会产生噪声,通过监测噪声产生的振动信号可实现漏失实时检测,由此判断漏失产生位置,根据测量时压力状态分析窜通路径,如果振动信号随机发生,则判断为间歇性漏失。采用分布式振动测量不会遗漏瞬间微小的漏失信号,因此,管柱或套管接箍位置发生的微渗漏,均可利用分布式振动测量实现准确识别。

分布式光纤测量可以实现全井段温度和振动信号的即时录取,能够连续反映在测量时间段内的异常信息,可以实施短时间或长时间过程监测,动态反映漏失或窜槽的过程,精准确定发生位置,并通过时域温度、振动信号的变化分析漏失路径,为环空带压检测提供准确信息。

3 光纤环空带压检测方案

在储气库井生产过程中,通过井口压力监测就可以发现环空压力异常,但仍需采用测井方式查找漏失位置。确定引起环空带压的气源是制定治理方案的关键,其气源可能来自注采层、浅层气或过路气,气源不同则治理方案不同。另外,发生部位可能来自管柱、工具等不同位置,因此,漏失位置和漏失路径的分析也是环空带压检测的目标。

图2 H井环空带压历史曲线图

在储气库井投产后,单井的生产方式、带压过程、井身结构、工具类型等虽有不同,但环空带压主要是由交变载荷变化引起,与生产状况关联性较强。当环空发生带压情况后,应结合环空带压过程,分析漏失发生的位置及可能性,而后根据具体情况确定环空带压检测方法。

在设计方案前,需初步确定漏失发生的可能,排除可能因素,聚焦重点检测环节。①检查井口采气树的密封性,排除井口采气树窜漏。②分析井口油套压放压、憋压过程及生产井史与环空带压的联系,分析气源。③分析环空保护液液面变化与环空带压的关系,进而分析生产管柱的漏失原因。④分析管柱结构和管材质量与环空带压的关系,分析窜漏发生路径和相互关联。通过上述分析,判断造成环空带压的几种可能性,并以此为基础,制定检测方法和施工方案,确定重点检测环节。

4 案例分析

某储气库H井环空带压历史曲线见图2。A环空压力最高达27.0 MPa,B环空压力最高达24.5 MPa,环空压力监测历史反映A环空与B环空的压力变化趋势不同,A环空与B环空之间没有直接关联性。带压原因:①B环空压力是由浅地层气或储气层气通过水泥环窜通;②在A、B环空间达到一定压差条件下,A环空与B环空会发生窜通,其窜通为间歇性的。

结合前期各环空放压及憋压过程,制定分布式光纤环空带压检测方案。为避免环空间窜漏相互干扰,采用逐级放压测试的方法,并明确各环空带压检测重点。由于C环空与B环空的压力变化趋势一致,说明C环空与B环空之间可能存在较通畅的漏失通道,C环空带压是由B环空带压引起,其漏失较大可能来自接箍渗漏。B环空检测重点放在油管鞋至气层顶界井段,检测是否由套管外环空水泥环窜槽导致B环空带压。在A环空放压期间,重点检测生产管柱及工具漏失。

C环空放压后的检测结果见图3。通过放压前后C环空振动信号叠合对比发现在69 m以上信号出现异常,在该深度以上技术套管固井质量较差,存在窜通通道,漏失应发生在69 m处,由B环空向C环空漏失。

图3 C环空放压后的检测结果图

图4 B环空振动信号异常检测

当B环空放压,测量B环空漏失点,图4为1∶43、1∶53、1∶45、1∶54这4个时刻检测到的振动异常信号,分别在2 510、2 580、2 680 m振幅发生异常,异常信号的发生具有瞬时特点,反映在上述深度发生间歇性漏失。2 806 m为该井油管封隔器位置,该深度至储气层井段,在测量期间未发现异常振动信号,说明在油管封隔器以下油层套管水泥环密闭性好,没有发生窜通。因此,井口B环空带压是套管接箍发生间歇性渗漏导致的。

图5为A环空放压振动异常信号检测图。对比放压前后的异常振动信号发现,在2 806 m油管封隔器位置发生持续性漏失,这是造成A环空带压的主要原因。通过检测识别H井造成各环空带压的泄露位置、路径及气源,为该井治理提供准确信息。

图5 A环空放压振动异常信号检测图

通过H井环空带压的检测,明确了A、B、C环空带压的源头来自生产管柱封隔器的漏失,B、C环空带压均是由A环空逐级渗漏导致。因此,H井通过更换生产管柱,解决封隔器漏失问题就可以避免环空带压。若在油管封隔器以下至储气层段之间发现振动信号,应证实是否存在管外窜流,如果存在管外窜流,那么将引起B环空带压,需要根据具体井况、带压评价结果等制定封堵措施,实现对管外窜的封堵,最终解决环空带压问题。

分布式光纤测井可以有效发现微渗、间隙性漏失等常规方法难以检测的漏失现象,通过实践总结了4点经验。①不同的窜漏部位、窜漏方式其治理方案不同,这些决定了环空带压井的检测重点,因此,应重点针对油管、套管漏失和储气层以上管外窜槽开展检测。②单井环空带压原因多样,表征差异大,因此,在检测前需针对单井带压历史情况展开分析,并制定识别漏失位置、路径及气源等关键问题的检测方案。在施工过程中根据现场具体情况及时调整检测方案,提高检测成功率。③环空带压窜漏是在一定压力条件下形成的,且具有间歇性特点;分布式光纤检测方法具有实时性、分布式特点,可对全井筒的不规律间隙性漏失信号实现实时拾取,捕捉瞬间漏失信号,较传统游弋式测量有明显优势,因此,在储气库井环空带压检测中具有普遍适用性。④由于漏失发生的间歇性特点和窜漏空间大小的不确定性,造成在井筒内难以产生稳定的温度场,且微小渗漏造成的温度变化也超出分布式温度测量的分辨能力,目前无法实现漏失量的计算。