油套管泄漏地面检测技术研究现状及进展

何汉平，杨顺辉，豆宁辉，窦雪锋

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 102206；2.西南石油大学，四川 成都 610500）

油气井开采的中后期，油套管泄漏问题的发生概率不断增大，将导致环空带压、井筒完整性破坏，直接威胁油气生产安全。在含硫化氢的油气井中或海洋油气井中，环空泄漏可能引发井筒完整性破坏、平台倾覆、引发火灾等安全事故。由于国内外普遍采用检测油套管泄漏的测井技术具有操作过程复杂、安全风险高、作业时间长及经济成本高等缺点，在地面开展高效准确、经济安全的油套管泄漏检测技术成为近年来研究的主要方向。

1 国内研究现状

国外已经具有成熟的油套管泄漏地面检测技术，如挪威ScanWell公司研发的油气井泄漏检测设备可以在不用停产和井下作业的情况下，在地面对泄漏深度和泄漏速率进行测量，测量时间短、精度高、安全风险低，得到国际石油行业的认可。阿布扎比海上作业公司（Adma-Opco）研发了具有油套管泄漏检测功能的系统及设备，可以得到油气井的流体成分、环空压力及泄漏速率等参数。但是，国外现有的检测设备核心技术处于封锁状态，不对外售卖，只提供技术服务，且检测费用较为昂贵。

国内对油气井泄漏的地面检测技术起步较晚，仍处于探索发展阶段。2014年，王云等人根据小孔泄漏模型建立环空泄漏速率的微分计算公式，从而得到环空泄漏面积和泄漏速率。2016年，杨周等人研发了可以利用环空液面高度来判断油管泄漏位置的多参数环空带压的地面监测系统。2017年，吕宁贻等人解释了泄漏噪声的频率与油套压差及泄漏孔径大小的变化规律。

2018年，张智、宋闯等人通过单漏点和多漏点的环空压力变化规律研究，可以定量判断单漏点位置，定性判断多漏点的存在形式。2018年，樊建春、刘迪等人建立了井下油管单点和多点泄漏的地面声波定位模型，设计出一套油管泄漏地面检测系统。

2019年，罗伟等人绘制了不同漏点深度的环空压力预测图版，提出了多泄漏点诊断技术。

2020年，胡志强等人建立了油套管泄漏深度的计算模型，阐述了泄漏点深度和当量孔径大小的变化规律。2021年，舒刚等人将油套环空放压测试与漏点位置计算方法相结合，形成油套环空带压气井漏点位置的放压诊断方法。2021年，杨云朋等人研发了可以在地面准确检测井下油套管泄漏点的海上浅水气井油套管泄漏检测系统。

2 油套管泄漏的地面检测技术分析

目前，井下泄漏的地面检测方法分为泄漏速率计算检测、泄漏点位置检测、泄漏点横截面积计算及多漏点检测技术。

2.1 泄漏速率检测技术

最简易的气井油套管泄漏速率检测方法是利用放压法。该方法是通过控制环空阀门开关程度，逐渐调试至环空压力达到稳定状态。此时，通过高压流量计测试气体排放速率，该速率即油套管的气体泄漏速率。另一种泄漏速率检测技术是微分法，该方法由王云等人提出。其基本原理是在任意无限小的时间间隔内，开展漏点处单位体积气体在单位截面情况下的泄漏流动研究。微分法采用小孔泄漏模型进行计算，在计算过程中需要确定环空压力稳定时的井口泄压速率。气体在小孔口泄漏流速的极限是音速，可以通过气体临界状态方程来判定流动状态是临界流还是非临界流，然后通过井口泄漏速率得到井下漏点出的泄漏速率。

通过上述方法对比发现，放压诊断法得到的泄漏速率结果比较粗略，微分计算法相对计算结果较为准确。

2.2 泄漏点位置检测技术

井下油套管柱泄漏的种类情况较多，本文主要考虑油管柱本体或接扣出现泄漏的情况。罗伟等人提出了图版法来预测井下漏点位置。该方法根据实际气井的产量、油压、泄漏点地层压力、环空液面高度等情况，绘制了不同漏点位置与环空压力的关系图版，从而对井下漏点进行预测。舒刚等人提出了油套环空漏点位置的放压诊断方法。该方法通过环空放压的方法得到放压前后的压力变化、放出气体总量，进而计算出环空液面高度。由于环空放压时间短，且放出气体量远大于漏点进入环空的气体量，因此忽略渗漏进入的气体量。最后，通过建立油管和环空的压力平衡方程，可计算得到漏点位置。樊建春、杨云朋等人提出了地面声波检测井下漏点的方法，并研制了可在线测量环空液面高度、漏点位置的油套管泄漏监测系统。气体经过泄漏点进入油套环空时将产生声波信号，一部分声波信号从环空向井口传播，另一部分声波信号向井下传播至环空液面后反射至井口。有泄漏的声波曲线有明显的相关性，此时，可以根据自相关曲线提取井下油管泄漏点到井口的特征时间，最终计算出油管泄漏点位置。

综合对比泄漏点位置检测的图版法、放压诊断法和声波检测法，第三种方法检测结果相对比较准确。

2.3 泄漏点横截面积计算方法

王云等人在泄漏速率计算方法的基础上，进一步提出了泄漏点横截面积计算方法。该方法假设在单次环空泄压过程中，泄漏面积为定值，从而得到任意某时刻的泄漏速率。假定每次泄压的泄漏点横截面积保持不变，则可以通过下次井口的泄压曲线得到泄压后发生变化的泄漏点横截面积。胡志强等人在对油套环空进行泄压恢复的基础方法下，提出了井下泄漏点深度和当量尺寸的计算方法。该方法先根据压力平衡方程建立泄漏点深度计算模型，然后采用小孔泄漏模型构建基于环空体积相容性原则的气体运移模型，通过控制变量法对环空带压的泄漏点深度、当量直径、泄漏速率、环空压力等敏感性因素进行分析，最后结合油套环空泄压恢复测试拟合曲线，可以得到泄漏点深度和当量尺寸。

通过分析发现，泄漏点横截面积主要是在得到泄漏速率的基础上进行的计算研究，其准确度取决于泄漏速率。

2.4 多漏点检测技术

目前，国内学者对泄漏研究范围大多是基于单漏点的情况，但是，井下泄漏点可能会有多个，因此开展多个漏点的检测技术就具有很强的现场实践意义。罗伟等人分析了上漏点与下漏点（本体泄漏）、上漏点与下漏点（丝扣泄漏）及上漏点与封隔器泄漏等三种典型泄漏情况，明确了泄漏模式与液面高度和环空压力的变化关系，为进一步研究多漏点检测技术提供理论参考。刘迪等人通过气体泄漏声波的传播机理研究，分析了气井油管单漏点深度的地面声波检测方法，进一步建立多漏点深度的地面声波检测模型，借助自主设计的室内实验装置开展多漏点位置的室内实验，计算出了环空声波速度和各泄漏点的位置。

通过研究发现，多漏点检测技术主要是声波法，但是，研究内容相对较少，需要进一步深入研究。

3 结语

综合而言，为了突破国外技术封锁，加强技术研发水平，国内众多学者越来越重视地面检测井下泄漏的技术研发，尤其是放压诊断法和声波检测法是当前至今后的重点研究方向。