一种基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法

摘要

本发明涉及一种基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)测试前将环空压力泄至压力不在变化的稳定状态；2)注入示踪剂混合气体，实时监测注入气体的温度、压力、流量及浓度；3)计算示踪剂在环空中即从井口到泄漏位置的流动时间t1：4)计算示踪剂在油管柱中即从泄漏位置到井口的流动时间t2；5)根据示踪剂从注入开始到在油管下部检测到其组分总流动时间，计算油管柱泄漏点深度；6)根据泄漏浓度计算生产管柱泄漏程度。本发明可以广泛应用于气井生产管柱泄漏检测中。

说明书

技术领域

本发明是关于一种基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法，涉及气井生产管柱泄漏检测技术领域。

背景技术

气井生产管柱泄漏会造成高压天然气泄漏到环空中，出现环空带压现象。由于套管抗内压等级低于油管，因此存在套管失效造成井喷的重大安全隐患。我国海上多口高压气井因为环空带压情况严重而停产。气井生产管柱泄漏检测能定位管柱泄漏位置和检测泄漏程度，这对环空带压井安全评估及制定合理的修井方案、提高气井生产安全保障水平具有重要意义。

目前已有的生产管柱泄漏检测方法都是利用井下测井仪器检测，无论是井下温度测井还是流量测井等都需要将测井仪器下放到井底，然后进行全井检测，这样不可避免的造成气井停产，操作复杂、成本高。因此开发能够适合气井不停产、方便地在地面使用的生产管柱泄漏检测方法具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法，能够在气井不停产的情况下准确检测出生产管柱泄漏位置和泄漏程度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法，其特征在于包括以下步骤：1)测试前将环空压力泄至压力不再降低的稳定状态；2)注入示踪剂混合气体，实时监测注入气体的温度、压力、流量及浓度；3)计算示踪剂在环空中即从井口到泄漏位置的流动时间t₁：4)计算示踪剂在油管柱中即从泄漏位置到井口的流动时间t₂；5)根据示踪剂从注入开始到在油管下部检测到其组分总流动时间，计算油管柱泄漏点深度；6)根据泄漏浓度计算生产管柱泄漏程度。

进一步地，所述步骤2)采用He气源作为示踪剂与井口天然气混合后，并通过增压设备对混合后的气体增压后注入环空中。

进一步地，所述步骤3)计算示踪剂在环空中即从井口到泄漏位置的流动时间t₁的具体过程为：在示踪剂注入即从井口到泄漏点位置时间t₁及对应的环空分为N小段，计算每小段平均流动时间，最终求和计算得到示踪剂注入环空的流动时间：

$t_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{1i}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{1}{4}·\frac{\pi (d_c^2-d_t^2)h}{{\mathrm{NQ}}_{inj}}\frac{T_{ci}}{T_0}\frac{P_0}{P_{ci}}{Z}_{ci}=\frac{\pi (d_c^2-d_t^2)h}{4{\mathrm{NQ}}_{inj}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}·\frac{T_{ci}{P}_0{Z}_{ci}}{T_0{P}_{ci}}$

式中，t_1i为各个小段平均流动时间，d_c为套管直径，d_t为油管直径，h为泄漏点>ci为环空温度，T₀为标况温度，P_ci为环空压力，P₀为标况压力，Z_ci为示踪剂压缩因子，Q_inj为示踪剂注入流量。

进一步地，所述步骤4)计算示踪剂在油管柱中即从泄漏位置到井口的流动时间t₂；

$t_2=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{2i}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{\mathrm{\pi hd}}_t^2}{4{\mathrm{NQ}}_{sc}}\frac{T_{ti}}{T_0}\frac{P_0}{P_{ti}}{Z}_{ti}=\frac{{\mathrm{\pi hd}}_t^2}{4{\mathrm{NQ}}_{sc}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{T_{ti}{P}_0{Z}_{ti}}{T_0{P}_{ti}}$

式中，t_2i为各个小段平均流动时间，d_t为油管直径，T_ti为生产管柱内温度，P_ti为生产管柱内压力，Z_ti为天然气压缩因子，Q_sc为天然气产量。

进一步地，所述步骤5)根据示踪剂从注入开始到在油管下部检测到其组分总流动时间，计算油管柱泄漏点深度，具体为：根据示踪剂从注入开始到在油管下部检测到其组分总流动时间t；

t＝t₁+t₂

根据t₁和t₂可知生产管柱泄漏深度h为：

$h=1/\left[\frac{\pi (d_c^2-d_t^2)}{4{\mathrm{NQ}}_{inj}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}·\frac{T_{ci}{P}_0{Z}_{ci}}{T_0{P}_{ci}}+\frac{{\mathrm{\pi d}}_t^2}{4{\mathrm{NQ}}_{sc}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{T_{ti}{P}_0{Z}_{ti}}{T_0{P}_{ti}}\right].$

进一步地，所述步骤6)根据泄漏浓度计算生产管柱泄漏程度，具体为：泄漏类型由生产管柱内压力与环空压力之比P_t/P_c跟临界压比关系确定，临界压比CPR定义为：

$CPR={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}$

式中，k为天然气等熵指数；

当P_t/P_c＞CPR时，泄漏为亚临界流动，此时：泄漏速度为：

$V_{leak}=\sqrt{\frac{2{\mathrm{kR}}_g{T}_c}{k-1}[1-{\left(\frac{P_t}{P_c}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}$

式中，R_g为天然气等熵指数，T_c为泄漏点处环空温度；

当P_t/P_c≤CPR时，泄漏为临界流动，此时：泄漏速度为：

$V_{leak}=\sqrt{2\frac{k}{k+1}{R}_g{T}_c}$

根据示踪剂浓度计算生产管柱泄漏流量如下式：

$Q_{leak}=\frac{{\eta }_2}{{\eta }_1}{Q}_{sc}---\left(1\right)$

式中，η₁为示踪剂注入浓度，η₂为油嘴下部取样口检测示踪剂浓度；

泄漏流量跟泄漏速度存在如下关系：

$Q_{leak}=\frac{\pi }{4}{D}^2{V}_{leak}---\left(2\right)$

式中，D为泄漏孔等效直径；

联立式(1)和式(2)计算泄漏孔等效直径为：

$D=2\sqrt{\frac{{\eta }_2{Q}_{sc}}{{\mathrm{\pi \eta }}_1{V}_{leak}}}$

通过泄漏孔等效直径D衡量泄漏程度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法通过地面示踪剂流动控制及井口返回信息检测计算气井生产管柱泄漏位置及泄漏程度，可以在气井正常生产时操作，有效避免了现有手段需要将检测仪器下入井内测井，因此该方法具有经济、方便的优势，对提高气井安全生产保障具有重大意义。2、本发明采用He气源作为示踪剂与井口天然气混合后，并通过增压设备对混合后的气体增压后注入环空中，此过程混合其他井口天然气可节约示踪剂用量，降低成本。本发明可以广泛应用于气井生产管柱泄漏检测中。

附图说明

图1是本发明的气井生产管柱泄漏检测方法系统框图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

本发明的基于气体示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法包括三个阶段：1)采用示踪剂气体，与井口天然气混合后，利用高压设备将混合后的气体通过待测井口采油树套管四通闸阀通道注入环空中，并对注入气体的压力、流量及浓度进行监测，此为注入阶段；2)在采油树油嘴下部的取样口对油管产出的天然气取样，监测取样气体的示踪剂浓度，同时监测该井油压和天然气产量，此为监测阶段；3)通过监测数据计算环空和油管内压力剖面，并结合监测井口示踪剂的浓度和时间迭代计算泄漏深度及程度，此为数据分析阶段。

基于上述内容，如图1所示，本发明的基于示踪剂的气井生产管柱泄漏检测方法，包括以下步骤：

1、环空泄压：为使地面示踪剂快速充满环空空间，测试前先将环空压力泄至压力不再降低的稳定状态，即通过泄压管线将环空中天然气引入平台火炬放喷。

2、注入示踪剂混合气体，采用He气源作为示踪剂，通过气体混合器将其与从其 他气井引入的井口天然气混合，气体混合器能够根据He和天然气的流量自动控制混合比例，然后通过气体增压泵对混合后的气体增压到预定压力，从测试井采油树套管四通闸板阀通道注入环空中，并实时监测注入气体的温度、压力、流量及浓度参数。

3、示踪剂注入时压缩环空原有气体，由于注入压力远大于环空泄压后的压力，同时生产管柱泄漏尺寸较小，环空原有气体/注入示踪剂气体不能快速泄漏进油管中。而且，环空具有长径比很大的几何特点，假设示踪剂气体与环空原有气体之间没有混合。因此，可认为注入的示踪剂气体由井口向井底压缩环空原有气体，最终注满环空体积。假设示踪剂气体从井口注入到其流至生产管柱泄漏点位置的时间为t₁，将此段环空分为N小段，计算每小段平均流动时间，最终求和计算得到示踪剂注入环空的流动时间：

$t_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{1i}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{1}{4}·\frac{\pi (d_c^2-d_t^2)h}{{\mathrm{NQ}}_{inj}}\frac{T_{ci}}{T_0}\frac{P_0}{P_{ci}}{Z}_{ci}=\frac{\pi (d_c^2-d_t^2)h}{4{\mathrm{NQ}}_{inj}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}·\frac{T_{ci}{P}_0{Z}_{ci}}{T_0{P}_{ci}}---\left(1\right)$

式中，t_1i为各个小段平均流动时间，单位为s，d_c为套管直径，单位为m，d_t为油管直径，单位为m，h为泄漏点深度，单位为m，T_ci为环空温度，单位为K，T₀为标况温度，单位为K，P_ci为环空压力，单位为Pa，P₀为标况压力，单位为Pa，Z_ci为示踪剂压缩因子，Q_inj为示踪剂注入流量，单位Nm³/s。

4、检测示踪剂：在采油树油嘴下部取样口位置对产气引流取样，利用He检测传感器(质谱仪)对取样气体进行He浓度实时监测，直到检测出He成分并记下此时时间t₂，在此过程中气井的生产参数油压和产量同时进行实时监测。在初次检测到He成分后继续保持监测，观察是否出现浓度增加情况；保持一段时间，当取样气体中He浓度不再变化时，停止注入He，但是仍然注入高压天然气驱替环空中的He混合气体，直至油嘴下部取样气体不再检测到He成分为止，停止测试，获得示踪剂在油管柱中(从泄漏位置到井口的)运动时间同样可以通过将油管柱分为N小段最终求和计算出：

$t_2=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{t}_{2i}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{\mathrm{\pi hd}}_t^2}{4{\mathrm{NQ}}_{sc}}\frac{T_{ti}}{T_0}\frac{P_0}{P_{ti}}{Z}_{ti}=\frac{{\mathrm{\pi hd}}_t^2}{4{\mathrm{NQ}}_{sc}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{T_{ti}{P}_0{Z}_{ti}}{T_0{P}_{ti}}---\left(2\right)$

式中，t_2i为各个小段平均流动时间，单位为s，d_t为油管直径，单位为m，T_ti为生产管柱内温度，单位为K；P_ti为生产管柱内压力，单位为Pa；Z_ti为天然气压缩因子；Q_sc为天然气产量，单位为Nm³/s。

5、根据示踪剂从注入开始到在油管下部检测到其组分总流动时间，计算油管柱泄漏点深度。

根据示踪剂从注入开始到在油管下部检测到其组分总流动时间t：

t＝t₁+t₂>

联立式(1)、(2)和(3)可知生产管柱泄漏深度h为：

$h=1/\left[\frac{\pi (d_c^2-d_t^2)}{4{\mathrm{NQ}}_{inj}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}·\frac{T_{ci}{P}_0{Z}_{ci}}{T_0{P}_{ci}}+\frac{{\mathrm{\pi d}}_t^2}{4{\mathrm{NQ}}_{sc}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{T_{ti}{P}_0{Z}_{ti}}{T_0{P}_{ti}}\right]---\left(4\right).$

6、根据泄漏浓度计算生产管柱泄漏程度，具体过程为：

利用步骤5计算的泄漏点深度计算泄漏点处生产管柱内压力和环空压力，泄漏类型由生产管柱内压力与环空压力之比P_t/P_c跟临界压比关系确定。

临界压比CPR定义为：

$CPR={\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}---\left(5\right)$

式中，k为天然气等熵指数。

当P_t/P_c＞CPR时，泄漏为亚临界流动，此时：泄漏速度为：

$V_{leak}=\sqrt{\frac{2{\mathrm{kR}}_g{T}_c}{k-1}[1-{\left(\frac{P_t}{P_c}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}---\left(6\right)$

式中，R_g为天然气等熵指数，T_c为泄漏点处环空温度，单位为K；

当P_t/P_c≤CPR时，泄漏为临界流动，此时：泄漏速度为：

$V_{leak}=\sqrt{2\frac{k}{k+1}{R}_g{T}_c}---\left(7\right)$

根据示踪剂浓度计算生产管柱泄漏流量如下式：

$Q_{leak}=\frac{{\eta }_2}{{\eta }_1}{Q}_{sc}---\left(8\right)$

式中，η₁为示踪剂注入浓度，％，η₂为油嘴下部取样口检测示踪剂浓度，％。

泄漏流量跟泄漏速度存在如下关系：

$Q_{leak}=\frac{\pi }{4}{D}^2{V}_{leak}---\left(9\right)$

式中，D为泄漏孔等效直径，单位为m；

联立式(8)和式(9)可计算泄漏孔等效直径为：

$D=2\sqrt{\frac{{\eta }_2{Q}_{sc}}{{\mathrm{\pi \eta }}_1{V}_{leak}}}---\left(10\right)$

可以用计算出的泄漏孔等效直径D衡量泄漏程度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。