0 引 言

油气井环空带压问题严重影响油气田安全生产。环空压力通常分为热效应套管压力、持续套管压力以及人为施加套管压力，其中因油套管柱泄漏引起的持续套管压力危险性最高。但国内现有环空带压井监测系统监测参数不够全面，并且不能进行原因分析及泄漏位置的诊断。

国外已经具有针对环空带压的油气井监测系统，如挪威ScanWell公司开发的油气井环空压力监控系统，该系统可对环空气体泄漏量和环空液面位置进行监测；Adma-Opco环空带压监测系统(Smart Skid Leak Rate Measurements)则可对环空压力、泄放速率及泄放中的流体成分进行监测^[1]；美国路易斯安那州立大学的A.T.Bourgoyne等人^[2]采用的环空带压监测系统可对环空压力以及环空气体组分进行监测。国内对环空带压问题还处于研究阶段，尚未开发成套监测系统^[3]。如对克拉2气田高压气井环压问题采用连续监测记录环空压力变化情况并测试环空排出气液组分的方法^[4]，有的气井则采用加拿大先锋石油技术公司开发的PPS31无线传输压力监测设备以及采气树自身流量计实时监测井口压力和产量，进而分析气井井口内泄漏位置^[5]。

笔者在分析现有环空带压监测系统结构原理的基础上，借鉴国外先进技术，深入研究系统的工艺流程，提出了结合压力、温度、流量、气体组分和液面等监测手段的地面监测系统，实现对环空带压井带压原因分析和泄漏位置及泄漏程度的诊断，为生产井的完整性管理、修井及安全生产提供了技术支持。

环空带压地面监测诊断系统包含监测模块、数据采集模块和数据处理模块。监测模块包括压力变送器、温度传感器、流量计、气体组分分析仪及液面监测仪，模块中有3个压力变送器、1个温度传感器和1个流量计(输出4~20 mA的电流信号)。数据采集选用美国DATAQ公司的DI-710数据采集卡，该采集卡为16通道单端/8通道差分数据输入，可通过USB口或以太网与计算机连接，分辨率为14 bit，模拟信号输入范围为-10~10 V，因此在压力变送器、温度传感器及流量计内接电阻，将4~20 mA电流转化为0~5 V电压值。气体组分分析仪和液面监测仪为单片机通讯，故选用RS-485的通讯方式与电脑相连，因为单片机输出的是TTL电平，必须经过电平转换才能和PC机一致，所以单片机与PC机之间的通讯，必须使用电平转化接口芯片。数据处理采用笔者编制的监测诊断软件，该软件能够实时采集环空温度、压力、流量、气体组分及液面位置信息，并可实现数据的实时显示及存储，以便查阅历史数据并进行图像显示，从而分析泄漏来源、泄漏深度和泄漏量。

该环空带压地面监测诊断系统根据海上油气井常规井身结构设计，能够与海上平台各种常用井口连接。系统整体设计包括井口连接模块和集成于移动车内的测试模块2部分，两者通过高压防爆天然气专用软管连接。工作时，井口模块连接在采油树环空连通阀上，打开总阀门，便可以进行环空温度、流量监测，当环空压力过高，需要进行泄放时，可打开电磁阀和单向阀，进行流量及组分监测。停止工作时，关闭总阀门、拆下井口模块放于移动车内，方便维护、移动。整个系统集成于一个正压防爆箱内，满足井场防爆要求，其结构示意图如图 1所示。

图 1 环空带压地面监测诊断系统结构示意图 Fig.1 Structural schematic of ground monitoring and diagnosis system for pressurized annulus

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环空带压地面监测系统能同时监测A、B、C这3个环空的压力。根据API RP90标准计算最大允许环空带压值MAWOP并设定临界压力值p₁。当环空压力超过p₁时便自动进行泄压操作^[6]，同时监测环空压力变化，若不能泄放到0 MPa，则说明井屏障部分失效，需要进一步调查研究；若能泄放到0 MPa，则继续监测环空压力。若24 h内环空压力不上升，则说明井屏障完好，环空带压仅由热效应引起，不存在泄漏，若在24 h内压力上升，则说明存在泄漏通道。根据环空压力上升曲线图，初步判断环空带压原因^{[7, 8]}，再通过对放喷气体进行气体组分分析判断泄漏来源，同时监测放喷的流量判断泄漏程度。若环空中存在环空保护液，则可根据环空保护液高度来判断泄漏位置。整个工作流程如图 2所示。

图 2 环空带压地面监测系统工作流程图 Fig.2 Workflow chart of ground monitoring and diagnosis system for pressurized annulus

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在硬件设计的基础上，根据监测系统工作原理以及工作流程，采用模块化设计方法编制了监测诊断软件。运用该软件可以控制液面监测仪进行声发射操作，同时微音器接受声波，通过软件界面显示其声波曲线并计算液面深度。软件还能够调用API油套管数据手册内的参数，并根据油套管钢级、壁厚和内径等数据计算出油套管的抗内压及抗挤压强度，再应用API-RP90标准计算出A、B、C环空的最大允许带压值MAWOP，最后对比实时监测到的环空压力数据，当环空压力超过MAWOP时报警，将接收到的各环空压力、温度、气体组分及流量值的电压信号换算成数值信号，并实时显示在软件界面，以便于现场管理。监测系统软件具备数据存储、回放及U盘下载功能，其操作界面如图 3所示。

图 3 监测系统软件界面 Fig.3 Software interface of the monitoring system

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压力：量程40 MPa，精度0.1%FS；

温度：量程-40~160 ℃，精度0.2%FS；

流量：量程10~1 000 m³/d，精度1%FS；

液面测试精度：2%；

动液面范围：0~2 200 m，误差≤1%。

(1)针对油气井生产过程中出现的环空带压问题，采用地面实时监测技术实时监测油气井状态且不影响正常生产。

(2)采用一体化设计，将压力传感器、温度传感器、气体组分分析仪、流量计和液面监测仪集成于一个正压防爆箱内，实现环空带压井的多参数监测，弥补了单一监测手段的不足。多参数监测可判断多种泄漏形式，并为环空带压机理研究提供依据。

(3)开发了一种自增压的液面监测仪，在不需要外部气源的情况下，利用增压装置将井内气体作为气源推动活塞，压缩井内气体产生不同压力等级次声波，再采用回声特性检测井下液面位置，解决了内爆式装置需要定期更换气源，外爆式装置在井内压力不足时不能正常工作的问题。

(4)利用液面位置判断油管泄漏点。当气井发生严重泄漏的时候，环空A液面就会降到漏点，通过对环空液面的测量，即可确定泄漏位置；还可向环空中加入液体继续监测，如果油管存在泄漏，环空液面还会降到液面深度。

2015年2月在中海油服油田技术研究院燕郊实验基地的试验井进行了液面监测仪的地面试验。液面监测仪在气瓶压力为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 MPa下的液面曲线如图 4所示。图中纵坐标是转化为电压信号值的声波幅度。由图可看出，压力越大，声波幅度越高；横坐标为读取的液面数据点数，每次读取返回数据总长度为245字节，仪器ID占1字节，功能码占1字节，数据长度占1字节，CRC校验和占2字节，液面数据长度为240字节，读取液面过程分10次完成，故共有2 400个液面数据点。该试验结果表明，液面监测仪测量准确，能够精确实时反映液面深度。2015年5月进行环空带压地面监测诊断系统室内综合试验和仪器标定。试验结果表明，仪器构造合理，传输性能稳定，测试数据准确，软件的数据采集、处理、存储及回放设计合理，具有一定的实用性，可真实反映环空中压力、温度和流量的变化情况，满足海上气井的实际应用需求。

图 4 液面波形图 Fig.4 The waveform of the fluid level

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(1)研制的多参数环空带压地面监测系统可以实现环空带压井带压原因分析和泄漏位置与泄漏程度诊断，并通过开发相关软件实现了监测参数的实时曲线显示，方便了现场作业管理，降低了操作风险。

(2)开发的自增压液面检测仪解决了内爆式装置需要定期更换气源，外爆式装置在井内压力不足时不能正常工作的问题，但液面位置的计算精度还有待提高。

(3)地面综合试验结果表明，整套仪器设计合理、工作可靠性高、测量精度高，实现了测量数据的实时显示。