熱采井下高溫高壓光柵傳感技術(shù)研究

馬 明 曾 魏 楊 峰 劉國忠 金奇光

摘要:針對(duì)水平井注蒸汽熱力開采工藝中存在的熱采測試問題,結(jié)合稠油熱采井下惡劣的環(huán)境條件,研究了光纖光柵測溫測壓的制造工藝和封裝技術(shù)。根據(jù)水平井注汽生產(chǎn)工藝,研究了現(xiàn)場測試工藝和施工方法,解決了稠油注蒸汽熱力開采水平井的熱動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測問題。經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,并已在遼河油田、吉林油田、勝利油田稠油注蒸汽熱力開采工藝中應(yīng)用。該研究使稠油熱采高溫高壓測試工藝進(jìn)入了一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域,為認(rèn)識(shí)油藏和了解井下水平段蒸汽輔助重力泄油效果提供了監(jiān)測方法和工藝技術(shù),為油藏精細(xì)描述和制訂合理的稠油熱力開發(fā)開采方案提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:稠油熱采;水平井;高溫高壓測試;光纖光柵傳感技術(shù);扶平122井

中圖分類號(hào):TE357.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

前 言

水平井注蒸汽熱力開采稠油工藝的研究與應(yīng)用為遼河油田稠油、超稠油的開采提供了新的開采工藝技術(shù)[1,2],新的生產(chǎn)工藝要有配套技術(shù)支持,目前的熱采測試工藝和測試技術(shù)不能適應(yīng)水平井的熱采測試需要[3]。國際上光纖技術(shù)的發(fā)展不僅應(yīng)用于通信領(lǐng)域,其他技術(shù)領(lǐng)域也在研究和應(yīng)用,光纖傳感技術(shù)已被國際公認(rèn)為最具有發(fā)展前途的高新技術(shù)領(lǐng)域[4]。將光纖技術(shù)應(yīng)用于石油開采井下監(jiān)測是目前國內(nèi)外石油開采技術(shù)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn),應(yīng)用于300℃以上的稠油熱力開采是目前國內(nèi)外的科技攻關(guān)課題。經(jīng)檢索查詢和技術(shù)調(diào)研,目前石油開采技術(shù)領(lǐng)域已應(yīng)用光纖拉曼反向散射原理進(jìn)行測溫。拉曼反向散射是應(yīng)用單膜光纖隨溫度的變化,其散射率隨之變化的原理來進(jìn)行溫度測量,其測量距離(深度)是按光速運(yùn)行時(shí)間計(jì)算測量點(diǎn),測量點(diǎn)的溫度變化是根據(jù)地面激光在該點(diǎn)的反向散射率計(jì)算確認(rèn)。受光源功率、光纖彎曲、散射光強(qiáng)度等因素影響,按光的運(yùn)行時(shí)間和散射率計(jì)算測量點(diǎn)的溫度,測量精度很難控制。為此,研究一種摻有光敏材料的特制光纖,在光纖上設(shè)計(jì)測溫、測壓傳感光柵。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)測量信息采用光譜頻率和波長編碼,不受光源功率、光纖彎曲、光強(qiáng)度等因素影響,實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力同步測量。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 光柵溫度監(jiān)測技術(shù)研究

溫度監(jiān)測技術(shù)是在摻有光敏材料的特制光纖上用微激光工藝把設(shè)計(jì)的光譜波長寫入光柵,根據(jù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測距離和各測量點(diǎn)的間距用紫外激光工藝將光柵寫入纖芯,每組光柵都有固定的光譜波長,用特制的耐溫400℃高分子材料屏蔽,當(dāng)溫度變化時(shí)光柵的波長隨之成正比,成線性變化[5-6]。測量時(shí)地面光端機(jī)發(fā)出寬帶激光,同時(shí)檢測每組光柵的波長變化情況,并將信息輸入解調(diào)系統(tǒng),經(jīng)光譜分析、濾波、耦合、數(shù)模轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換,準(zhǔn)確顯示和儲(chǔ)存各測量點(diǎn)的溫度變化曲線和資料數(shù)據(jù)。

測試光纖中包含了大量傳感光柵,必須保證能“尋址”每一個(gè)光柵,即根據(jù)獨(dú)立變化的中心波長確認(rèn)每一個(gè)光柵[7]。為此,要求各個(gè)光柵的中心波長λ1,λ₂,……,λn 及其工作范圍Δλ1,Δλ₂,……,Δλn,互不重迭[8]。其中有2個(gè)方面需要考慮,即傳感光柵之間的緩沖區(qū)和每個(gè)傳感光柵的探測范圍Δλ。而探測范圍Δλ由測量范圍決定,測量范圍越大,探測范圍越大。

1.2 光柵壓力監(jiān)測技術(shù)研究

壓力監(jiān)測技術(shù)是在特制光纖中用微激光工藝把設(shè)計(jì)的光譜波長寫入光柵,用紫外激光工藝將光柵寫入纖芯,用特制的耐高溫高壓絕緣材料屏蔽固定于取壓器內(nèi),當(dāng)壓力變化時(shí)光柵的波長隨之成反比,并成線性變化。測量時(shí)地面光端機(jī)發(fā)出寬帶激光檢測光柵波長的變化,并將信息輸入解調(diào)系統(tǒng),經(jīng)光譜分析、濾波、耦合、數(shù)模轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換,準(zhǔn)確顯示并儲(chǔ)存壓力變化曲線和資料數(shù)據(jù)。

1.3 測試光纖光柵封裝工藝研究

稠油熱力開采井下監(jiān)測環(huán)境非常惡劣,條件苛刻,傳感器要在惡劣的環(huán)境中正常工作,準(zhǔn)確獲得所需的物理量[9],測試光纖光柵的封裝非常重要。為此,研制了耐溫400℃的高分子材料屏蔽,用1Cr18Ni9Ti材料整體封裝后,經(jīng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的檢測達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1.4 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)包括:①測試光纜耐溫為400℃,耐壓為30 MPa;②溫度測量范圍為0～350℃,測量精度為0.5%;③壓力測量范圍為0～30 MPa,測量精度為0.5%。

2 水平井測試施工工藝研究

為解決測試光纜進(jìn)入水平段監(jiān)測的水平方向進(jìn)入問題,根據(jù)水平井的施工要求和開采工藝的測試需求,研究設(shè)計(jì)了用i20 mm鋼管鎧裝測試光纜在鋼鎧內(nèi)設(shè)計(jì)了傳壓裝置,配套研制了鎧裝測試光纜的井口注入裝置[10],達(dá)到了水平井的施工要求。

該項(xiàng)工藝技術(shù)的研究解決了水平井高溫高壓測試施工工藝,替代了進(jìn)口的連續(xù)油管和連續(xù)油管施工車,簡化了測試施工程序,確保了測試施工的時(shí)間和工期。目前該項(xiàng)工藝技術(shù)已應(yīng)用于水平井熱力開采現(xiàn)場的光纜測試施工。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

該項(xiàng)目研究得到了國內(nèi)外有關(guān)大學(xué)和科研院、所的支持和協(xié)助,歷時(shí)3a完成了課題的設(shè)計(jì)和研究,經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,并已在遼河油田洼38—沙H3井、H4井、吉林油田撫平122井、124井、125井、勝利油田坨826—監(jiān)平1井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),按測試施工設(shè)計(jì)方案光纜成功推入水平井段。測試光纜在水平射孔井段進(jìn)行了注汽—悶井—放噴全過程的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測,地面可在計(jì)算機(jī)屏幕上隨時(shí)觀察井下的熱動(dòng)態(tài)變化。注汽過程通過油藏?zé)釀?dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測及時(shí)調(diào)整了注汽參數(shù)和注汽強(qiáng)度,提高了注汽質(zhì)量。悶井階段通過監(jiān)測,準(zhǔn)確掌握了油藏蒸汽腔的消失時(shí)間,把握開井時(shí)機(jī),減少熱注能源的浪費(fèi)或損失,有效提高了水平井注蒸汽稠油熱力開采效果。該項(xiàng)工藝技術(shù)通過6口井的現(xiàn)場試驗(yàn),目前已增產(chǎn)原油5 600 t,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.1 扶平122井完井及油層射孔資料

中油吉林油田公司扶平122井為典型井例。該井完鉆日期2007年9月15 日,完井日期2007年9月16日,完鉆井深為943 m,套管深度942.7 mm,最大井斜角94.83°,套管外徑177.8 mm,最大狗腿度15.56°,套管內(nèi)徑159.42 mm,水平段射孔295 m,人工井底931.9 m。表1為該井油層射孔資料。該井水平段砂巖長度累計(jì)198 m,水平段油層射孔長度累計(jì)197 m。

3.2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

(1) 根據(jù)光纜的監(jiān)測距離和扶平122井的射孔井段,設(shè)計(jì)光纜下至830 m,監(jiān)測井段的水平射孔井段為630～830 m ,監(jiān)測距離為630、 650、670、690、710、730、750、770、790、810、830 m。

(2) 從注汽前3 h開機(jī)開始注汽—悶井—放噴全程監(jiān)測,井下200 m水平射孔井段溫度及壓力同步連續(xù)監(jiān)測地面直讀,各組監(jiān)測數(shù)據(jù)6 min自動(dòng)記錄存儲(chǔ)1次。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

注蒸汽開采稠油的油藏中,傳導(dǎo)和對(duì)流是主要的熱傳遞方式,在油藏注汽壓力穩(wěn)定前,對(duì)流是主要的熱傳遞形式,是增大加熱半徑的主要因素,當(dāng)井下溫場與注汽參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定熱平衡時(shí)是最佳的注汽量。準(zhǔn)確控制注汽參數(shù)和注汽量可有效提高注汽效果和減少能源的浪費(fèi)。2007年11月10日16:00扶平122井開始注汽,井下監(jiān)測設(shè)備13:00開機(jī)開始監(jiān)測,注汽前井下溫度為30.15℃,壓力為3.05 MPa,注汽8 h井下壓力溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。根據(jù)井下熱平衡監(jiān)測資料及時(shí)調(diào)整了注汽參數(shù),提高了注汽強(qiáng)度,13日11:00注汽壓力由8.5 MPa上升至9.3 MPa,井下溫場平穩(wěn)升至304℃。通過現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測,11月28日井下溫場達(dá)到熱平衡,比原設(shè)計(jì)方案提前3 d達(dá)到注汽參數(shù),與井下熱動(dòng)態(tài)參數(shù)平衡完成注汽,實(shí)施注汽時(shí)間為416 h,注汽量為2 030 t,比原設(shè)計(jì)方案節(jié)約蒸汽580 t,11月28日6:00停注,進(jìn)行悶井。悶井目的是讓注入的熱能得到油藏的充分吸收,悶井時(shí)間長或短都可造成熱注能源的浪費(fèi)。當(dāng)油藏汽腔消失,溫場降速平穩(wěn),壓力下降幅度平穩(wěn)時(shí),是合理的悶井時(shí)間。

第1期馬 明等:熱采井下高溫高壓光柵傳感技術(shù)研究

通過井下溫度壓力的跟蹤,連續(xù)監(jiān)測可了解到井下溫度壓力的下降速度,掌握油藏溫場剖面,監(jiān)控油藏蒸汽腔的消失時(shí)間,準(zhǔn)確把握開井放噴時(shí)機(jī),減少熱注能源的浪費(fèi)或損失。

扶平122井2007年11月28日6:00停注悶井,悶井階段實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄了20580組井下水平射孔井段溫度與壓力的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資料。悶井階段初期井下溫度為290℃,壓力為8 MPa,悶井階段井下溫度壓力平穩(wěn)下降。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測情況,將原設(shè)計(jì)方案的4 d悶井時(shí)間延長,悶井第6 d油藏的蒸汽腔逐漸消失,注入熱能得到了油藏的充分吸收,蒸汽腔消失后油藏溫場的壓力為 6.2 MPa,溫度為168℃。12月5日9:30開井進(jìn)罐生產(chǎn)。

扶平122井蒸汽吞吐:注汽—悶井—放噴全程進(jìn)行了壓力與溫度同步連續(xù)監(jiān)測地面直讀,圖1為溫度壓力同步連續(xù)監(jiān)測曲線。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測情況,及時(shí)調(diào)整了注汽參數(shù)和注汽強(qiáng)度,準(zhǔn)確控制了悶井時(shí)間,把握開井時(shí)機(jī),增產(chǎn)原油915 t。全程記錄了128 700組實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料,全部監(jiān)測資料存儲(chǔ)在監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中,可查閱和拷貝。

4 結(jié) 論

(1) 歷時(shí)3 a完成了稠油熱力開采水平井高溫高壓光纖光柵監(jiān)測技術(shù),經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)檢索證明,該項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國際石油熱采技術(shù)領(lǐng)域水平井溫度與壓力同步監(jiān)測技術(shù)的空白。該項(xiàng)技術(shù)目前已取得2項(xiàng)國家專利,專利號(hào)分別是:ZL200620093751.3和ZL200620093750.9。

(2) 該項(xiàng)技術(shù)對(duì)測量信息采用光譜頻率和波長編碼,測量距離和測量信息不受光源功率、光纖彎曲等因素影響。光柵測試技術(shù)在一支特制的光纖上可準(zhǔn)確定位測量多組光柵傳感器,實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力的同步測量。該項(xiàng)技術(shù)的研究開拓了新的稠油熱采高溫高壓測試工藝和測試技術(shù),測試方法和測試工藝達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

(3) 該項(xiàng)技術(shù)的研究解決了水平井、定向井、蒸汽驅(qū)注汽井、蒸汽驅(qū)觀察井、蒸汽驅(qū)生產(chǎn)井油藏多層位的溫度剖面和壓力同步連續(xù)監(jiān)測方法和測試技術(shù)。為蒸汽驅(qū)和水平井熱力采油工藝的研究與開發(fā)提供了重要的技術(shù)支持。

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編輯 王 昱