煤层气井液面测试精度提升与信息挖掘

2018-02-15李文强刘元新刘国伟邹红刚邢俊杰

中国煤层气 2018年6期

蒲攀李文强刘元新刘国伟邹红刚邢俊杰

(华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

作为煤层气井排采管理的一项基础工作，获取有效的人工液面信息具有如下作用：(1)对没有安装井下压力计的单井进行常规的生产监控；(2)为井下故障的判断及处理提供重要依据；为弥补井下压力计安装拆除及故障处理成本高昂和人工液面测试不能实现连续监测的不足，目前在部分单井尝试采用自动液面测试仪。但因排采井生产情况复杂多变，不具备良好的参数自动调节功能的自动液面测试仪很难具有普遍适应性。对人工液面测试的现场操作流程和读图解释方法进行分析，明确主要技术指标，一方面可以减小液面计算误差,获取更加真实的井筒及管柱信息，为单井分析提供有效的参考依据，另一方面可为自动液面测试仪的发展提供借鉴。

1 液面测试的原理

1.1 测试仪器的工作原理

目前煤层气井声波液面测试运用的是油套环空中的回波反射原理，计算公式为：

其中：D表示液面深度；V表示声速；Δt表示液面波与井口波的传播时差。

测试仪器的井口装置主要分为声波击发装置和声波接收装置。声波击发装置发出脉冲声波，经油套环空中的障碍物反射后，由微音器接收并将振动信号转化为电流信号。经放大后电流信号经由主机逻辑电路后产生数字信号，主机程序将数字信号处理后形成图像。脉冲声波分为膨胀冲击波和压缩冲击波，两种波的质点初始振动方向相反，但均平行于声波传播方向，分别由具有一定压力的套管气和外部高压气源击发。

1.2 油套环空中声波的传播特征

液面测试仪击发的是频率为20Hz左右的低频声波，井间声速差异主要受介质种类、温度和压力影响。当介质主要成分为常压空气时，声速约为340m/s；甲烷中的声速值一般在430～460m/s的范围内。周家新等和徐爱钧针对油气井中声速值的分布规律分别从深度和温度给出校正计算方法。对于井深较小的煤层气井，其井筒温度与煤层产出的甲烷气体基本一致，垂向差异并不显著，因此煤层气井筒中声速可视为一恒定值；在油套环空内声波呈射线状传播，遇油管外壁和套管内壁产生反射，传播路径改变；传播介质中某一质点的振动轨迹为经不同路径同时到达该质点处声波的矢量迭加(图1)。因此某一时刻微音器记录下的波形受到经不同路径传播后同时到达的脉冲声波共同作用。

图1 声波的反射迭加示意图

2 液面测试精准度的影响因素

2.1 现场测试因素

为获取高质量的液面图形，在现场测试过程一方面需采取存信降噪措施减少杂波干扰，如对于气量大的井在测试时关闭生产阀门可减少过气声对有用信号的干扰；另一方面应选择合适的击发方式和电流增益系数，有助于得出有效波波形清楚的图像。如图2在某次测试中因选择了较大的电流放大系数，在声波击发之前的井口杂波被当做有用信号记录下来。

图2 某次测试记录下的井口噪声图

2.2 读图解释因素

测试仪器系统将井筒及液面信息通过图像的方式记录下来；而读图解释工作就是由测试图像反推井筒结构获取有效信息的过程。可将读图计算液面深度的过程简要分为三步：

(1)确定液面反射波和井口反射波时间域的位置，计算出两个波之间的时差Δt；

(2)获取声速值V，常用的方法有声速法、节箍法和音标法；

(3)由公式D=V·Δt/2计算液面深度值；

2.2.1 反射波在时间域的位置确定

测试仪器选择相邻的两个采集点的时间间隔约为1.5ms，换算为深度间隔为0.5m左右；在反射波位置的标定不可避免受到随机误差的影响，这是造成液面解释误差的一个主要因素。测试得到的图形表征经由不同路径到达微音器处的声波的叠加，由费马最小时间原理可推论：首先到达微音器的波传播路径最契合井眼轨迹。因此反射波位置应严格标定在初始拐点处，这样可最大限度减少因人的主观因素造成的误差。

2.2.2 声速值的确定

对于声速计算方法，目前投入使用的各类仪器的使用说明均提供了音速法、音标法和接箍法三种，需要解释工作者依据液面图形的清晰度和资料的完整度选择最优方法。其中音速法适用于选择固定声速值对生产稳定的单井进行液面监控，但对于井间液面对比和当单井生产状态变化较大时不具有太多参考价值。采用接箍法计算声速误差较大，如表1为对于同一图形(图3)采用接箍法的声速计算结果，得出的声速值差异性较大，且与选择的接箍数目相关性弱。造成这种误差的原因为各接箍反射波相互叠加，无法将某一反射波标定在图形拐点处，选择波峰位置作为计算点具有一定随机性。

图3 采用接箍法计算声速示意图

接箍数目声速值/(m/s)液面深度/m8443.21697.1810439.86691.7912441.38694.1814439.22690.7816437.61688.2518442.59696.20

表2 采用音标法计算反向回波深度统计

采用音标法相对于接箍法具有更高的计算精度，如表2所示。因音标反射面积较大，可有效与接箍波区分。采用“双音标法”可使计算结果更接近井筒内的平均声速值。在管柱设计时需注意，为保证波形显示清楚，应考虑下部音标选择更大一号的尺寸，同时避免因下入深度过深导致反射波在到达微音器之前过度衰减。

3 反向回波的区分和应用

在计算液面深度的过程中通常只需要对井口波、音标波、接箍波和液面波进行位置标定并参与计算，但这造成长期以来对一些特殊波形的忽视和甚至误解。图4为X1井液面深度不同的两次测试，同时该井使用井下压力计监控液面。当液面在煤层以上时，测得的液面波与音标波和井口波的初始相位一致；但液面在煤层段以下时，出现了与井口波和音标波的初始相位相反的“液面波形”。表2为对一些无压力计的井的测试结果，采用音标法计算出这种反向回波的深度与煤层顶部深度基本一致。由此表明，这种与井口反射波相位相反的特殊波形在垂向上表征煤层射孔段顶部深度，可称为“煤层回波”。当液面在煤层以下一定深度以内时，煤层回波与液面波产生叠加，使后者不易被分辨出来。当液面在顶部煤层以下深度足够时(如对于多煤层合采井)，两波可有效区分。

图4 X1井不同液面深度状态下的波形图

对于煤层回波的产生原因，岳强等认为是射孔段涌出的水柱使声波在此产生回波。但这个解释不令人信服，因为对于不产水的井同样能测出煤层回波，同时在有套管缺失记录的井筒段也有反向回波出现。笔者认为反向回波的产生原因为：井筒中某段套管发生突变，当声波到达突变点时产生反向回波。该突变点可看作一个新的声源，这一点与地震勘探中绕射波的产生原理类似。对于反向回波的分析和认识可以在以下方面服务于煤层气井排采管理。

(1)可依据液面反射波与煤层回波的相位相反的特点快速定性判别液面是否在煤层以上；

(2)可将煤层回波作为一个天然的音标用于计算声速，对于液面波和煤层回波不产生叠加的情形，可以将此声速用于液面深度计算；

(3)回波的振幅大小可粗略表套管的完好性，可据此识别液面以上井筒内有无套管缺失或大幅形变，同时可为射孔质量评价提供参考。