The Comparison and Application of Damage Inspection Technology for Tubing and Casing in Changqing Oilfield

Minjun Qin, Zhongtao Wang, Dongming Liu, Yang Pei, Jinhai Zhang

Production Logging Center, CNPC Logging Co. Ltd., Xi'an Shaanxi

Abstract The damage of tubing and casing would seriously affect the stable production of crude oil, which induced certain pressure on the environmental protection and safe production of oilfields, therefore, the inspection of tubing and casing damage was of great significance in the development of oil and gas fields, its core purpose was to check if tubing and casing were perforated, corroded,scaling, deformation, whether the coupling was tripped, and provide the corresponding basis for the next measures. The existing two series of casing damage inspection techniques in Changqing Oilfield, namely, engineering logging technology series and flow logging technology series, are described systematically. It was comparatively analyzed for summarizing the characteristics and deficiencies of their respective technologies. Field application shows that the result is not ideal if only one logging method is used in operation, two or more test methods should be combined to complement each other and verify each other to provide an accurate basis for the implementation of later measures in oilfields.

Keywords Changing Oilfield, Damage Inspection, Technology Series, Safety and Environmental Protection

1. 引言

長(zhǎng)慶油田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，完井管串多樣，二氧化碳、硫化氫、溶解鹽類、pH值、溫度、流速、細(xì)菌、地層水礦化度、井筒干凈程度、修井措施等因素都會(huì)直接或間接影響套管的完整性，由此造成的管柱穿孔、腐蝕、結(jié)垢、變形等現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重影響了原油穩(wěn)產(chǎn)和油田的安全綠色發(fā)展。為了準(zhǔn)確判斷套損位置，利用工程測(cè)井技術(shù)和流量測(cè)井技術(shù)等一系列測(cè)井技術(shù)對(duì)套管完整性進(jìn)行了有效評(píng)價(jià)，取得了較為理想的效果。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2000年以來(lái)長(zhǎng)慶油田年平均新增套破井100余口。截至2017年底，長(zhǎng)慶油田共有套破井2300余口，占油水井總數(shù)的3.5%；累計(jì)套破油水井3000余口，占總井?dāng)?shù)4.6%。根據(jù)套損井資料統(tǒng)計(jì)，套破井主要集中在投產(chǎn)3～6a，平均套損周期為5.75a，最短的不到1a。長(zhǎng)慶油田近年來(lái)套損井檢測(cè)評(píng)價(jià)工作量保持在年均500井次左右，并且以每年10%～20%的速度增長(zhǎng)，套損形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

2. 工程測(cè)井技術(shù)系列

工程測(cè)井技術(shù)系列主要包括多臂井徑成像測(cè)井、磁測(cè)壁厚測(cè)井和多層管柱電磁探傷成像測(cè)井共3種。該類技術(shù)主要是通過(guò)井徑測(cè)量或者磁測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)管柱的穿孔、腐蝕、結(jié)垢、變形、接箍脫扣。

2.1. 多臂井徑成像測(cè)井

多臂井徑成像測(cè)井儀(MIT)有24、40、60臂等3種設(shè)計(jì)可供選擇。其測(cè)井原理是套管內(nèi)徑變化引起測(cè)量臂張開(kāi)或收攏，各測(cè)量臂尖端產(chǎn)生徑向移動(dòng)，該移動(dòng)經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置傳遞給位移傳感器的磁芯，引起傳感器線圈中磁芯位置相對(duì)于電感線圈發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)油套管縱向和橫向上內(nèi)徑變化測(cè)量結(jié)果的處理，定量分析管柱內(nèi)壁的腐蝕、結(jié)垢、穿孔、破裂、變形、錯(cuò)斷等損傷情況[1]。多臂井徑成像測(cè)井是一種直接物理接觸式測(cè)量，其測(cè)量精度高，測(cè)試結(jié)果直觀有效，但只能評(píng)價(jià)單層管柱，測(cè)量臂易受損。

2.2. 磁測(cè)壁厚測(cè)井

磁測(cè)壁厚測(cè)井儀測(cè)量探頭由1個(gè)激發(fā)線圈、12個(gè)接收線圈組成。其測(cè)井原理是交變電流經(jīng)過(guò)激發(fā)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過(guò)套管與接收線圈耦合，信號(hào)從發(fā)射線圈到接收傳感器線圈產(chǎn)生相位差(取決于套管的厚度)，對(duì)于直徑不變的套管來(lái)說(shuō)，管壁越厚，相位移越大。利用該相位與油、套管厚度的關(guān)系進(jìn)行油、套管壁厚的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油、套管厚度和腐蝕程度的定量描述[1]。磁測(cè)壁厚測(cè)井屬于間接非接觸式測(cè)量，其最大優(yōu)勢(shì)在于能夠評(píng)價(jià)管柱外腐蝕，且能同時(shí)定性、定量評(píng)價(jià)；不足在于欠缺對(duì)管柱內(nèi)壁的評(píng)價(jià)，磁測(cè)信號(hào)受井況影響較大。

2.3. 多層管柱電磁探傷成像測(cè)井

多層管柱電磁探傷成像測(cè)井是通過(guò)向管柱發(fā)射電磁信號(hào)，并接收管柱產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的次生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，記錄形成管柱次生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間衰減的圖譜。衰減曲線的變化特征與管柱鐵磁物質(zhì)的多少以及儀器與管柱之間的空間位置相關(guān)，為分析各種損傷、變形、管外扶正器、多層管柱提供了基礎(chǔ)。對(duì)次生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減圖譜進(jìn)行離散采樣可得到測(cè)井曲線圖，可對(duì)管柱的壁厚進(jìn)行計(jì)算[2]。該方法可在油管內(nèi)檢測(cè)油管和套管的損壞情況，可在套管內(nèi)檢測(cè)套管和表層套管的損壞情況，就是說(shuō)可檢測(cè)儀器外兩層鋼管的損壞情況，包括裂縫(縱縫、橫縫)、腐蝕、射孔、內(nèi)外管的厚度等。在油管中測(cè)量套管的壁厚變化及損壞情況，節(jié)省了檢查套管情況時(shí)起、下油管的作業(yè)費(fèi)用。

基于以上分析，總結(jié)出了上述3種技術(shù)的特點(diǎn)(見(jiàn)表1)。通過(guò)實(shí)踐，最終在長(zhǎng)慶油田摸索出了一套管柱損傷檢查組合測(cè)井技術(shù)，即根據(jù)井型、井況、測(cè)井目標(biāo)的不同，選擇1種或幾種技術(shù)進(jìn)行組合測(cè)井，取長(zhǎng)補(bǔ)短，更好地發(fā)揮儀器的特點(diǎn)，全面、準(zhǔn)確地判定油套管損傷。

Table 1. The comparison of characteristics of engineering logging series表1. 工程測(cè)井技術(shù)系列特點(diǎn)對(duì)比

3. 流量測(cè)井技術(shù)系列

流量測(cè)井技術(shù)系列主要包括同位素示蹤測(cè)井、連續(xù)示蹤相關(guān)流量測(cè)井、脈沖中子氧活化測(cè)井、渦輪流量測(cè)井等4種。其中前3種技術(shù)一般適用于注水井，而渦輪流量測(cè)井主要用于采油(氣)井中，也可應(yīng)用于注水井中，以評(píng)價(jià)油套管是否漏失。

3.1. 同位素示蹤測(cè)井(同位素吸水剖面測(cè)井)

同位素示蹤測(cè)井亦稱同位素吸水剖面測(cè)井，是利用同位素釋放器向井內(nèi)注入一種載有放射性同位素的物質(zhì)(常用 131Ba-GTP)從而人為地提高地層的伽馬射線強(qiáng)度。注入水進(jìn)入地層而微球載體被濾積在井壁上，對(duì)應(yīng)地層井壁上慮積的載體越多，放射性同位素強(qiáng)度越高；通過(guò)測(cè)量載體濾積前、后所測(cè)得伽馬曲線，計(jì)算對(duì)應(yīng)射孔層位上疊合曲線異常面積的大小，可反映該層的吸水能力，從而確定井內(nèi)各層的分層吸水量、吸水厚度[3]。同位素示蹤測(cè)井最大優(yōu)勢(shì)在于施工簡(jiǎn)單，成本較低；不足在于受沾污影響，解釋精度偏低。

3.2. 連續(xù)示蹤相關(guān)流量測(cè)井

連續(xù)示蹤相關(guān)流量測(cè)井的原理是具有放射性的流體通過(guò)一定距離的2個(gè)探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器會(huì)有明顯的信號(hào)變化，在時(shí)間幅度的坐標(biāo)系里會(huì)有明顯的波形變化。通過(guò)方法分析可以確定出放射性物質(zhì)流經(jīng) 2個(gè)探測(cè)器的時(shí)間間隔，探測(cè)器的距離是已知的，可計(jì)算出流體的流速；結(jié)合井筒的橫截面積即可計(jì)算出流體的流量[4] [5]。該方法同時(shí)適用于籠統(tǒng)注水和分層配注(包括注聚合物、三元復(fù)合驅(qū)井)，可以檢測(cè)井內(nèi)封隔器漏失和管外竄槽。連續(xù)示蹤相關(guān)流量測(cè)井能夠完整獲取水流軌跡，對(duì)管內(nèi)、外流量均可進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)低流量井有較強(qiáng)的適應(yīng)性且能夠精細(xì)分層解釋；不足在于施工相對(duì)復(fù)雜，流量上限低。

3.3. 脈沖中子氧活化測(cè)井

脈沖中子氧活化測(cè)井是通過(guò)中子管上、下兩組探頭測(cè)量氧被活化后發(fā)射的伽馬射線從而探測(cè)到氧的存在，根據(jù)探測(cè)到伽馬射線的探頭位置便可知道水流方向，通過(guò)解析時(shí)間譜可以計(jì)算出水流速度[6]。該技術(shù)應(yīng)用廣泛，在注入剖面測(cè)井中能夠識(shí)別油管內(nèi)、油套環(huán)空及其他流體空間中的水流，并定量計(jì)算流量；在產(chǎn)出剖面測(cè)井中，主要用于確定出水原因及產(chǎn)水位置；除此之外，還在封隔器驗(yàn)封、竄槽等方面具有顯著效果。該方法不存在沾污，能同時(shí)測(cè)量管內(nèi)、外流量；但成本相對(duì)較高，流量下限高。

3.4. 渦輪流量測(cè)井

渦輪流量測(cè)井的理論基礎(chǔ)是流體動(dòng)量矩定理，電纜以一定的速度牽引渦輪在流體中上、下運(yùn)動(dòng)，流體推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)速的大小取決于測(cè)井速度與流體速度之間的速度差，渦輪流量測(cè)井通過(guò)記錄不同測(cè)速下的渦輪轉(zhuǎn)速來(lái)確定井內(nèi)流體的流速，最終達(dá)到計(jì)算流量的目的[7]。該方法測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好，但流量下限低，對(duì)井筒干凈程度要求較高。

表2對(duì)上述4種流量測(cè)井技術(shù)的測(cè)量方式、評(píng)價(jià)范圍、適用井型等進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，可以看出，每種技術(shù)均有其優(yōu)勢(shì)和不足，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)井型、管柱結(jié)構(gòu)、流量大小、測(cè)試目的選擇最適合的測(cè)井技術(shù)或測(cè)井組合，以達(dá)到安全、高效、準(zhǔn)確的測(cè)試需求。

Table 2. The comparison of characteristics of flow logging series表2. 流量測(cè)井技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

4. 應(yīng)用實(shí)例

4.1. 多臂井徑成像測(cè)井+磁測(cè)壁厚測(cè)井組合

L31-95井于1998年10月投產(chǎn)，2014年11月產(chǎn)液量突然上升至18 m3，含水率升至100%，礦化度為18704 mg/L，當(dāng)月實(shí)施控液效果不明顯；2015年1月計(jì)劃關(guān)井后套管向外反液，開(kāi)井后含水率100%，礦化度為5261 mg/L，分析該井存在套破，于2015年4月進(jìn)行套損檢查測(cè)井。根據(jù)L31-95井多臂井徑成像測(cè)井+磁測(cè)壁厚測(cè)井組合曲線(圖1)顯示，在射孔段以上有且僅有一處曲線異常，深度為622.84 m，該點(diǎn)2號(hào)井徑曲線值為67.63 mm，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑62.13 mm，磁測(cè)壁厚測(cè)井曲線亦顯示負(fù)異常，說(shuō)明壁厚有損失，綜上判斷該點(diǎn)套破。于2015年5月對(duì)該井進(jìn)行隔采，采取措施后含水率由100%下降至70%。

Figure 1. The curve and image of multi-arm caliper imaging logging + magnetic wall thickness logging combination in Well L31-95 (614.0 - 631.0 m)圖1. L31-95井(614.0～631.0 m)多臂井徑成像測(cè)井 + 磁測(cè)壁厚測(cè)井組合曲線圖及成像圖

4.2. 同位素示蹤測(cè)井

Q11-39井為籠統(tǒng)注水，日注水量26 m3，共5個(gè)射孔段，其中頂部射孔段深度為2050.0～2053.0 m，以該井為中心井組內(nèi)共有采油井8口，共同組成菱形反九點(diǎn)井網(wǎng)。2014年10月主采油井Q10-40井產(chǎn)液量、產(chǎn)油量明顯下降。為此，對(duì)注水井Q11-39井進(jìn)行同位素吸水剖面測(cè)井，同位素在2050.0 m釋放后隨著油管水流向下流動(dòng)，到達(dá)油管頭后進(jìn)入油套環(huán)空繼續(xù)向上流動(dòng)，伽馬峰最終穩(wěn)定停留在2036.0 m，因此判斷2036.0 m套破。對(duì)該套破點(diǎn)實(shí)施化學(xué)堵漏，措施后Q10-40井產(chǎn)液量、產(chǎn)油量明顯上升，由此分析該井產(chǎn)量下降原因?yàn)榫M內(nèi)注水井套破，迫使注入水由套破點(diǎn)進(jìn)入地層而未進(jìn)入射孔層，使得油井能量補(bǔ)充不及時(shí)從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

4.3. 連續(xù)示蹤相關(guān)流量測(cè)井

Y20-02井是一口籠統(tǒng)注水井，配注40 m3/d，射孔段位于2505～2528 m。圖2為該井示蹤相關(guān)流量測(cè)井曲線，編號(hào)1～20號(hào)峰為油管下水流伽馬峰，具有峰值高、峰與峰之間相對(duì)稀疏的特點(diǎn)，說(shuō)明流速較快；編號(hào)21～88號(hào)峰為環(huán)空上水流伽馬峰，該類峰峰值低，且峰與峰之間相對(duì)緊密，說(shuō)明流速變低，同時(shí)編號(hào)越大代表測(cè)點(diǎn)時(shí)間越靠后；上述2種伽馬峰的運(yùn)動(dòng)軌跡即水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以看出，注入水上返至射孔段以后水流逐步減小，最終上返至2495.0 m左右(88號(hào)峰所在位置)停止，同時(shí)該點(diǎn)伽馬異常，綜合分析認(rèn)為該井在2495.0 m左右套破，漏失水量為4.52 m3/d。對(duì)該套破點(diǎn)實(shí)施套管補(bǔ)貼措施，措施后該井注水恢復(fù)正常。

Figure 2. The tracer correlation flow logging curve for Well Y20-02圖2. Y20-02井示蹤相關(guān)流量測(cè)井曲線

4.4. 脈沖中子氧活化測(cè)井

H128井是一口兩封、兩配分注井，日注量28.00 m3，共2個(gè)射孔段。氧活化點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)(表3)顯示，上配吸水22.30 m3，下配吸水6.28 m3；而2593.89 m仍然能夠監(jiān)測(cè)到環(huán)空上水流，說(shuō)明一級(jí)封隔器不密封；同時(shí)2580.00 m油套環(huán)空上水流為0，說(shuō)明在2580.00～2593.89 m之間存在套破。對(duì)該套破點(diǎn)實(shí)施套管補(bǔ)貼措施，措施后該井注水恢復(fù)正常。

Table 3. The oxygen activation point data in Well H128表3. H128井氧活化點(diǎn)測(cè)數(shù)據(jù)

4.5. 渦輪流量測(cè)井

T20-19井是一口分層配注井，該井井表套向地面返水，懷疑套破，由于工程測(cè)井未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，故選擇渦輪流量測(cè)井進(jìn)行復(fù)查。該次施工首先在射孔段上部1508 m處打橋塞，并用泵車向井內(nèi)注水，共進(jìn)行上測(cè)、下測(cè)兩趟，測(cè)速均為600 m/h。根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)顯示，525.6 m處為異常點(diǎn)，該點(diǎn)上下連續(xù)渦輪轉(zhuǎn)速變化明顯；同時(shí)520.0 m點(diǎn)測(cè)流量為21 rps (1 rps = 轉(zhuǎn)/s)，530.0 m點(diǎn)測(cè)流量為0 rps；溫度從異常點(diǎn)處突然上升；綜合上述3點(diǎn)判斷525.6 m為套破點(diǎn)。由于該套破點(diǎn)距射孔層較遠(yuǎn)，因此在射孔層上方下封隔器，該措施快速經(jīng)濟(jì)，措施后該井地面不再返水，注水恢復(fù)正常。

5. 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)慶油田管柱穿孔、腐蝕、結(jié)垢、變形等現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重影響了原油穩(wěn)產(chǎn)和油田的安全綠色發(fā)展，因此油套損檢查在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有重要意義。針對(duì)長(zhǎng)慶油田的實(shí)際情況，發(fā)展并形成了以工程測(cè)井技術(shù)為主、流量測(cè)井技術(shù)為輔的油套損傷檢查技術(shù)，通過(guò)對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)其技術(shù)特點(diǎn)和不足。實(shí)際應(yīng)用中，只使用一種測(cè)井方法往往效果不理想，應(yīng)將兩種或兩種以上的測(cè)試方法結(jié)合使用，相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，現(xiàn)有的油套損傷檢查技術(shù)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，為油田安全綠色正常生產(chǎn)保駕護(hù)航。

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