油管泄漏地面检测系统设计与开发*

时间：2024-09-03

樊建春梁政伟刘迪刘书杰

(1. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京 102249； 2. 中海油研究总院有限责任公司北京 100028)

随着海洋油气、深层石油天然气勘探开发的不断发展，高压气井的比重日益增加。与此同时，高压气井的井筒环空带压问题日益突出，一旦高压气井井筒完整性出现问题，不仅使CO2和H2S等腐蚀性气体进入油套环空而腐蚀套管内壁，而且会导致套管长时间承受高压，存在天然气窜漏至地层、泄漏至井口的风险，可能导致整个油气井报废，甚至造成人员伤亡。研究表明，环空带压问题已成为海上及陆地油田面临的共同难题[1-8]，因此油管泄漏检测技术对于提高海上生产井的安全保障技术水平具有十分重要的意义。

目前，井下检测技术较为成熟，主要有多点井径测井、温度测井、超声波成像检测等技术方法[9-11]，已在油田广泛应用。经过对各种泄漏检测方法的对比，声波检测泄漏具有较高的精确度及灵敏度，可以精确地定位泄漏点的位置。目前，地面管道泄漏声波检测装置的研究已颇为成熟，可以对地面油气管道的泄漏情况进行较好的模拟[12-13]。但是由于井下管柱具有独特的结构及复杂的井口条件，如存在多层管柱、油套管材质差异、井下高压力大流量天然气流动等，现阶段研究技术很难对井下工况条件进行模拟。因此，笔者在对油管泄漏检测试验装置原理研究的基础上，设计了一套油管泄漏地面检测系统，该系统能够设置不同泄漏条件模拟井筒内流体典型流动，可完成高压力下声波泄漏检测法的各种试验。

1 油管泄漏地面检测系统结构与功能

1.1 主要结构

本文设计的油管泄漏地面检测系统主要由两部分构成，即油管泄漏模拟系统和基于虚拟器的数据采集系统，如图1所示。在结合实验室现有条件和以往管道泄漏模拟相关实验的基础上，设计了油管泄漏模拟系统，该系统是以1∶1原尺寸模拟现场实际管柱及井口结构，分为管柱模拟和流体模拟两部分，其中管柱模拟主要是对管体及环空、井口装置以及管柱中液面的模拟，流体模拟主要包括气体产生、压缩、控制及流动等部分。基于虚拟仪器的数据采集系统主要分为硬件与软件两部分，其中硬件部分又可分为对声波数据采集和常规数据采集。

图1 油管泄漏地面检测系统主要结构Fig .1 Main structure of the tubing leakage detection system

1.2 主要功能

本文设计的油管泄漏地面系统能够模拟井下多层油套管柱结构和管柱与井口设备的连接条件，能够对泄漏形状、尺寸、泄漏流量进行有效的控制，能够控制生产管柱材质、尺寸等参数，从而可以更好地从理论和实践方面对油管泄漏进行深入的研究，便于后续室内泄漏声波检测试验研究的开展。

2 油管泄漏模拟系统设计

2.1 结构设计

油管泄漏模拟系统主要对生产管柱和流体进行模拟，其中管柱模拟部分又分为对管体及环空部分、井口部分以及井中的液面部分，如图2所示。该模拟系统的工作原理是：通过压缩机将制气系统产生的低压气体从低压储气罐经过加压后泵入高压储气罐储存，并通过操作控制系统使得高压储罐中的气体流入测试系统再经过出口流入外部系统。在气体流经系统的过程中，由于油管壁上泄漏孔内外存在压差，气体会通过泄漏孔从油管向环空内泄漏，通过调节气源使得油管内气体形成稳定流动，即实现了对井下油管泄漏的模拟。

图2 油管泄漏模拟系统Fig .2 Tubing leakage simulation system

2.1.1管柱模拟

1) 管体及环空部分。

一般油气井中存在至少4层油套管结构，即表层套管、技术套管、生产套管及油管,形成至少A(油套环空)、B(技套环空)、C(技表环空)等3个环空[14]。该系统选择对A环空进行模拟，即模拟油套环空的情况，结合现场实际工况，内层管选用N80材质外径88.9 mm的油管(可更换其他材质、尺寸)，外层管选用外径244.475 mm的套管，内外管嵌套放置形成环空，如图2所示。该系统采用水平放置的方式,此方式对声波传播并不影响，能够真实模拟实际工况泄漏形式。泄漏孔设置在内层油管壁，为了便于对泄漏孔的一系列操作(改变形状、尺寸、位置)，在保证环空耐压性能的前提下，外层套管之间采用法兰的连接方式，既提高了系统的可操作性，又保证了现场的还原度。

2) 井口部分。

井口部分主要模拟油套管与井口设备之间(在此为油管四通)的连接情况，该系统设计时使用全尺寸油管四通与油套管连接，油管与四通之间使用油管头连接及密封，套管使用法兰与四通连接并密封。四通出口端连接至外部出口系统，出口系统由储气罐、单向阀及一系列阀门、管线构成，可形成一个气体排放或循环系统。

3) 液面部分。

油气井完井后在环空中均存在液面，为了更真实地模拟现场实际工况，模拟系统也应当能够模拟液面的存在。为了实现这一点，在现有系统尾端增加了一段弯管作为储水机构，如图2所示，在试验过程中向弯管内注入一定量的水即可形成液面。

2.1.2流体模拟

油管泄漏模拟系统设计中很重要的部分就是对于井筒内高速流动的天然气的模拟。由于天然气开采一般选用自喷方式，依靠天然气的自身膨胀性，使天然气以很高的流速沿油管从井底高压区流动至井口低压区，因此对于管内气体流动的模拟首先要解决好气源问题，即有一个相对稳定的高压气源来模拟井底高压气藏。

高压气源模拟系统主要由低压储气罐、高压储气罐、压缩机、控制系统各种管线阀门等构成。储存在低压储气罐中的低压气体先经过干燥脱水等程序，然后通过压缩机加压后进入高压储气罐储存。模拟中通过操作控制系统控制高压储气罐中的气体以一定压力、流量进入测试油管，并在油管内形成相对稳定的流动，气体在进入测试油管之前进行了压力、温度等参数的测量。

为了达到满足试验要求的压力，同时避免储气罐壁厚过大，在该系统设计中使用了多个并联的储气瓶作为高压储气罐，单个储气瓶的压力可达15 MPa，容量为40 L。随着气体流进油管，储气瓶内压力降低，会对管内气流产生影响，为了保证试验过程中形成相对稳定的气流，需要使用压缩机及时对钢瓶中气体进行补充。

2.2 参数设计及仪器选型

油管泄漏模拟系统总长约47 m，高约1 m，由油管及套管构成双层管柱结构，内层油管通过接箍相连接，长约45.922 m，总容积V1=0.207 34 m3；外层套管通过法兰相连，长约45.142 m，形成环空总容积V2=1.567 456 m3；系统所使用四通为φ179.35 mm、68.9 MPa(10 000 psi)级全尺寸油管四通。

2.2.1温度、压力设计

油管泄漏模拟系统所有结构均使用钢结构设计，可承受很宽范围的温度。通过现场调研井口温度一般在-40～160 ℃，因此该模拟系统在温度性能上完全满足设计需求。

在油管泄漏模拟系统设计中，耐压性能是很重要的一部分，该系统多由钢结构连接而成，连接部位往往是最薄弱的环节。在该系统中油管之间通过接箍相连，所使用油管均为标准API油管，经过测试其耐压性能可达到30 MPa。外层管为Q345B材质、245×10规格的钢管，其许用拉应力为510 MPa，由下式可计算出其最大承压能力p,即

(1)

式(1)中：[S]为管材的许用拉应力强度，MPa；T为管壁厚，mm；D为管内径，mm；k为安全系数。

取安全系数k=3，得到外层管最大耐内压为15.1 MPa。外层管使用标准法兰DN225PN63，其设计压力为6.3 MPa。在系统运行之前必须经过整体耐压性能测试，测试压力应不低于5 MPa。

2.2.2用气量设计

油管泄漏模拟系统油管内部总容积V1=0.207 34 m3，环空总容积V2=1.567 456 m3，设计泄漏方式为气体由油管内部向环空泄漏，因此环空压力应小于或等于油管内压力。由气体状态方程计算油套管中压力达到相应值时所需气量V0(标况下体积，标况压力p0=1 atm，温度T0=273.15 K)，即

(2)

根据质量守恒，则m=m1+m2，进而得到

(3)

当油管与环空压力平衡时，忽略管内摩阻，则有p1=p2；试验过程中系统各部分温度视为与环境温度一致，则有T1=T2。因此，可取Z1=Z2，得到

(4)

式(2)～(4)中：p0为标况下压力；p为油管与环空压力相同时的压力；p1、p2分别为油管与环空压力；T0为标况下温度；T为油管与环空压力相同时的温度；T1、T2分别为油管与环空温度；V0为油套管中所需气量标况下体积；V1、V2分别为油管与环空总容积；Z0为标况下压缩因子；m为注入气体总质量；m1为油管内气体总质量；m2为环空内气体总质量；R为理想气体常数。通过查表得到压缩因子Z，即可求得目标泄漏压力下所需的气体用量。

3 基于虚拟器的数据采集系统开发

3.1 硬件组成

数据采集系统主要检测声波信号和常规信号。声波信号采集模块由安装在油管四通处的采集泄漏点发出声波信号的声波传感器、信号调理器和数据采集卡构成。常规信号采集模块由安装在油管四通处的分别监测油管压力和环空压力的压力变送器及温度变送器组成。

3.1.1声波信号采集模块

在检测过程中，经声波传感器检测到声波信号，先经过信号调理器对信号进行预处理，然后将信号传递到采集卡。声波传感器的种类很多，常见的传感器类型有动圈式、电容式、压电式、驻极体式、光纤等，其灵敏度对比如表1所示。

表1 常见声波传感器灵敏度Table 1 Common acoustic sensor sensitivity

实际选用声波传感器时需要考虑以下2点：①泄漏源特性，包括泄漏声波信号的频率范围、泄漏声波的声压、泄漏点与检测点的距离和声源种类；②检测环境。

通过室内试验发现油管泄漏产生的声波能量主要集中在1～130 Hz，即主要为次声波成分。通过调研国内外相关文献及产品，目前用于泄漏检测方面的声波传感器主要是传声器及动态压力传感器，最终选择了灵敏度高/测量范围更大的预极化电容式驻极体传声器。

声波传感器所采集的信号中包含了很多高频噪声成分，主要是来自传声器本身的噪声，需要经过一个滤波电路进行处理，因此增加了一个声波采集电路中常用的信号调理器，主要用于传声器的供电及声波信号的放大与滤波处理。此外，从信号调理器输出的声波信号需要经过采集卡进行A/D转换才能进行分析，由于声波信号一般频率都很高，需要采集卡具有足够高的采样频率及分辨率。通过实际调研、参阅文献并结合实际使用工况，该系统选用的声波传感器、信号调理器以及采集器的主要参数如表2所示。

表2 采集系统各硬件对应指标及数值Table 2 Corresponding indexes and value of each hardware of the acquisition system

3.1.2常规信号采集模块

压力变送器和温度变送器的选型主要是确定其测量范围，并在一定的量程内尽可能地提高精度。在该系统中，压力范围主要是根据气源的压力大小来确定，已知气源可提供最大压力为15 MPa，最终压力变送器选用的是罗斯特蒙生产的3051S型压力变送器，压力范围为0～16 MPa。最终温度变送器选用的是罗斯特蒙生产的3144P型温度变送器。

3.2 软件设计

软件设计是整个采集系统的核心，也是系统的主要组成部分。基于虚拟器的应用软件主要包括集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟器的用户界面。

油管泄漏检测系统的软件设计主要包括数据采集、保存及历史数据查看模块。基于虚拟器的数据采集系统主要采集声波数据以及压力变送器采集的油管及环空的实时压力。实际运行结果表明，该数据采集系统能够满足试验要求。

4 现场试验分析

为了验证该系统的可靠性及对泄漏点的定位准确性，开展了声波定位试验，选择1.5 mm泄漏孔径的泄漏口，压差等级设置为2 MPa。泄漏孔设置位置如图3所示，泄漏孔位置及时间差数据见表3。已知环空长度L=46.90 m，得到的各泄漏点位置数据见表4。

图3 声波定位试验泄漏点位置设置Fig .3 Leakage points position setting in acoustic positioning experiment表3 声波定位试验泄漏点位置及时间差数据Table 3 Leakage points position and time difference data in acoustic positioning experiment

泄漏点编号位置/mΔt1/sΔt2/s①1.150.2589670.006300②4.720.2587670.025700③7.720.2596670.042400④11.060.2611670.061700⑤14.060.2594000.078100

表4 基于已知特征点距离定位泄漏点误差分析Table 4 Positioning leakage points error analysis based on known feature point distance

从表4可以看出，利用本文设计的油管泄漏地面检测系统对泄漏点进行定位，相对误差可以控制在1%以内，说明该系统具有较高的可靠性及准确性，可以应用于现场实践。