光纖式油水界面儀井下?lián)p壞分析及防范措施

劉亞靜 喬寬 李天友 孟靈 王開紅 邢艷輝

1. 中國(guó)石油華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司；2. 中國(guó)石油華北油田分公司

在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)溶腔建庫(kù)的過(guò)程中，控制油水界面的位置是溶腔的關(guān)鍵，是影響腔頂形狀和穩(wěn)定性的主要因素［1-2］。為防止腔體上溶過(guò)快，丟失有效體積，必須嚴(yán)格控制油水界面位置，使得腔體形狀按照設(shè)計(jì)方向發(fā)展：一方面可以最大限度有效利用巖層發(fā)展腔體體積，另一方面可以使腔體形狀達(dá)到最佳化，保證腔體穩(wěn)定性［3］。若溶腔過(guò)程中油水界面不精準(zhǔn)，將會(huì)導(dǎo)致頂板溶蝕、腔體體積無(wú)法最大化、腔體形狀不受控制以及生產(chǎn)套管的管鞋處被溶穿等，破壞腔體形狀及穩(wěn)定性，更嚴(yán)重可能導(dǎo)致腔體報(bào)廢，直接影響儲(chǔ)氣庫(kù)的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益［4］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)造腔過(guò)程中的界面測(cè)試手段主要依靠中子測(cè)井法，但是中子測(cè)井法成本高、風(fēng)險(xiǎn)高。隨著光纖通訊的迅速發(fā)展，光纖式油水界面儀作為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的新技術(shù)之一，操作簡(jiǎn)單、探測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)成本低、能連續(xù)測(cè)量井下油水界面位置，已逐步在油水界面監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用［5-6］。目前金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)28 口造腔井均改變了以往監(jiān)測(cè)模式，已全部安裝了光纖式油水界面儀。

1 光纖式油水界面儀

1.1 光纖式油水界面儀結(jié)構(gòu)

光纖式油水界面儀主要由地面設(shè)備和井下復(fù)合光纜兩部分組成［7］。井下復(fù)合光纜由光纖、電纜、填充物及外鎧組成。其中光纖為井下傳感器與地面解調(diào)器之間傳輸信號(hào)，電纜為光纖加熱，填充物和外鎧起保護(hù)作用。光纖由外層鋼管、內(nèi)層鋼管包裹，光纖長(zhǎng)度約1 500 m，內(nèi)層鋼管外徑約?2.2 mm，外層鋼管外徑約?3.2 mm。光纜安裝在造腔外管的管壁上，通過(guò)接箍保護(hù)器、鋼帶保護(hù)和固定下入井內(nèi)，在造腔過(guò)程中利用油和水的比熱容不同，升溫速率存在差異的原理監(jiān)測(cè)油水界面位置［8］。

1.2 光纖式油水界面儀損壞現(xiàn)狀

以金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)為例，在4 年多的應(yīng)用過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)28 口造腔井的油水界面儀共出現(xiàn)12 井次不同程度的損壞現(xiàn)象，包括外鎧內(nèi)部滲有鹵水、信號(hào)傳輸中斷、加熱后只有電壓而沒(méi)有電流等問(wèn)題。將光纜從井下起出后，觀察發(fā)現(xiàn)光纜沒(méi)有大面積保護(hù)外鎧被壓扁的現(xiàn)象，一般為小面積損壞，損壞點(diǎn)在1 cm 左右，呈現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)狀損壞。

1.3 損壞分析

由于大部分是在造腔過(guò)程中發(fā)生信號(hào)中斷的問(wèn)題，且外鎧非大面積損壞，只呈現(xiàn)不間斷點(diǎn)損壞，因此排除起下造腔外管管柱下放或調(diào)整過(guò)程中，由于井斜、起下外管操作等因素產(chǎn)生造腔外管管壁與套管碰撞，損壞光纜的原因。以井1 和井2 的光纜損壞為例，進(jìn)一步開展理論分析，損壞光纖井的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及不溶物含量如圖1 所示。

圖1 井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及不溶物含量Fig. 1 Well design data and insoluble content

從圖1(a)可以看出，井1 油水界面在1 045 m，造腔外管管鞋在1 090 m，造腔內(nèi)管在1 108 m，光纖損壞點(diǎn)在1 061.91 m、1 071.01 m、1 081.47 m(圖中紅色點(diǎn)位置)，光纖砸損點(diǎn)上方均存在不溶物含量高于80%的夾層。從圖1(b)可以看出，井2 油水界面在1 073 m，造腔外管管鞋在1 100 m，造腔內(nèi)管在1 112 m，光纖損壞點(diǎn)在1 075.53 m、1 082.32 m、1 095.68 m(圖中紅色點(diǎn)位置)，光纖砸損點(diǎn)上方均存在不溶物含量高于80%的夾層。

綜上所述，損壞光纖井的油水界面位置均在造腔外管以上，光纖損壞點(diǎn)均在油水界面與造腔外管管鞋之間，并且油水界面與造腔外管之間具有不溶物含量大于80%的夾層存在，損壞位置均處于不溶物夾層之間。

為了進(jìn)一步得出不溶物含量對(duì)光纖損壞的影響，隨機(jī)選取未發(fā)生損壞的井3，分析井3 的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及不溶物含量如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)不溶物含量均小于80%。再?gòu)牟蝗芪锖枯^低的井中隨機(jī)選取一口井4，井4 的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及不溶物含量如圖3 所示，發(fā)現(xiàn)該井從2017 年開始使用光纖式油水界面儀至今未發(fā)生損壞。通過(guò)分析研究，光纖式油水界面儀發(fā)生損壞的原因主要是不溶物含量高于80%，在溶腔過(guò)程中容易發(fā)生不溶物掉落的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管柱擺動(dòng)，砸損光纖。

圖2 井3 不溶物含量示意圖Fig. 2 Schematic insoluble content of Well 3

圖3 井4 不溶物含量示意圖Fig. 3 Schematic insoluble content of Well 4

2 防范措施

2.1 設(shè)計(jì)防范

為避免光纖發(fā)生損壞，綜合考慮設(shè)計(jì)過(guò)程中各種影響因素［9-11］，遇到不溶物含量高于80%的夾層時(shí)，宜將造腔外管管鞋提到不溶物夾層之上。同時(shí)由于目前下井的光纖式油水界面儀都沒(méi)有防砸保護(hù)裝置，為加強(qiáng)光纖防砸能力，可以為光纖加裝防砸保護(hù)裝置。

2.2 保護(hù)措施及要求

綜合考慮井下狀況和方案實(shí)施情況：考慮到2 個(gè)主要因素。一方面井下環(huán)空空間有限，?300 mm和?233 mm 環(huán)空每側(cè)側(cè)向空間距離最多22 mm 可以利用，接箍處只有13 mm 可以利用，單純?cè)黾油怄z的壁厚會(huì)增加起下管柱和光纜調(diào)整的難度。另一方面防砸保護(hù)器的焊接不能過(guò)多，過(guò)多的焊接會(huì)影響套管強(qiáng)度并造成套管彎曲。套管之所以成管狀，是因?yàn)樘坠艽嬖跓釕?yīng)力和彈性應(yīng)力。因此要求焊接面積在保證抗砸強(qiáng)度的前提下，盡量減少焊接面積，可以考慮全焊接的1/3 即可滿足焊接強(qiáng)度要求。焊接后檢查套管是否發(fā)生變形，發(fā)生變形要及時(shí)匯報(bào)和溝通，及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)工藝。

采用如圖4 所示的機(jī)械半保護(hù)方式。此方案符合現(xiàn)場(chǎng)制作和安裝工藝，操作簡(jiǎn)單，不會(huì)耽誤井下作業(yè)時(shí)間，有效保證造腔進(jìn)度。在保護(hù)光纜的同時(shí)，可防止光纜結(jié)垢，不會(huì)影響界面測(cè)試。關(guān)于套管強(qiáng)度的影響。在套管上焊接任何東西都會(huì)改變套管強(qiáng)度，但是此方案焊接的套管在整個(gè)管柱的最下方，也是套管張力最小的地方，焊接受熱面積小于整個(gè)套管面積的1/50，對(duì)套管強(qiáng)度的影響比較小。

圖4 半保護(hù)安裝示意圖Fig. 4 Schematic installation of semi-protection

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

防砸保護(hù)器采用長(zhǎng)1 m，寬10 mm，高18 mm 的鍵槽鋼；套管外壁軸向每間隔0.5 m 焊接1 根鍵槽鋼；每1 m 鍵槽鋼分布4 個(gè)焊接點(diǎn)，每個(gè)焊接點(diǎn)長(zhǎng)度要求40 mm；焊接熔深至少3 mm；每口井井下，有4 根套管需要焊接防砸保護(hù)器。下井前，在地面先平放4 根套管，按裝配扭矩連接4 根套管，并在套管外壁軸向畫1 根標(biāo)志線，保證焊接的防砸保護(hù)器在這條直線上，再對(duì)其施加150～200 N 的外力，驗(yàn)證焊接的牢固性。對(duì)井1 與井2 進(jìn)行機(jī)械半保護(hù)安裝，安裝示意圖如圖5 所示。從安裝開始至2020 年5 月約半年的時(shí)間，未再發(fā)現(xiàn)光纜砸損現(xiàn)象，對(duì)光纜起到了有效的保護(hù)，有效解決了光纜損壞問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具有指導(dǎo)性作用。

圖5 復(fù)合光纜半保護(hù)安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig. 5 Installation site of the composite optical fiber semi-protection

3 結(jié)論

(1)損壞光纖井的油水界面位置均在造腔外管以上，光纖損壞點(diǎn)均在油水界面與造腔外管管鞋之間，損壞位置均處于不溶物夾層之間。

(2)通過(guò)對(duì)金壇鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)油水界面儀進(jìn)行損壞分析，發(fā)現(xiàn)損壞主要原因是由于不溶物含量高于80%，在溶腔過(guò)程中容易發(fā)生不溶物掉落的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管柱擺動(dòng)，砸損光纖。

(3)為了避免光纖發(fā)生損壞，在進(jìn)行造腔設(shè)計(jì)時(shí)，若遇到不溶物含量高于80%的夾層，宜將造腔外管管鞋提到不溶物夾層之上；同時(shí)對(duì)井下光纜采取機(jī)械半保護(hù)方式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)2 口井進(jìn)行安裝試驗(yàn)，半年的時(shí)間內(nèi)未再發(fā)現(xiàn)光纜砸損現(xiàn)象，對(duì)光纜起到了有效的保護(hù)。