光纖傳感技術(shù)改善油氣井監(jiān)測(cè)

朱桂清，王曉娟

（1.中國(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100724；2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶 400021）

0 引 言

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體、光纖為媒介，感知和傳輸被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。光纖體積小、重量輕、易彎曲，抗電磁干擾和抗輻射性能好，特別適于惡劣環(huán)境下使用。在油氣井監(jiān)測(cè)中，1根光纖可以完成溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等多種參數(shù)測(cè)量，提供全面的井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括估算各層中油、氣和水的產(chǎn)出量；監(jiān)測(cè)各層中水、蒸汽和氣體的注入情況；探測(cè)氣、水突破；優(yōu)化氣舉；識(shí)別套后竄流、探測(cè)泄漏；檢測(cè)各種管柱及完井設(shè)備的完整性等。

利用光纖傳感器可以對(duì)油氣井進(jìn)行永久性監(jiān)測(cè)，在井的整個(gè)生產(chǎn)壽命期內(nèi)沿井眼軌跡進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，利于油氣井及油藏的有效管理，對(duì)于智能完井、數(shù)字油田具有非常重要的意義。隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，油氣井的監(jiān)測(cè)將發(fā)生重大變化。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

前幾年，光纖傳感器在油氣井監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用主要局限于井下監(jiān)測(cè)油氣開(kāi)采過(guò)程。近來(lái)，航空航天和國(guó)防領(lǐng)域研發(fā)的某些光纖傳感器在油氣井監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，使得光纖傳感技術(shù)在油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在油氣井監(jiān)測(cè)中使用的主要有分布式溫度傳感（DTS，Distributed Temperature Sensor）、分布式應(yīng)力傳感（DSS，Distributed Strain Sensor）和分布式聲波傳感（DAS，Distributed Acoustic Sensor）等光纖傳感技術(shù)。其中，分布式溫度傳感器最成熟，已經(jīng)有15年的井下應(yīng)用歷史，其他幾種傳感器剛剛推出或正處于研發(fā)階段。

光纖傳感系統(tǒng)通常由光纖傳感器、光纜和光纖詢問(wèn)器組成（見(jiàn)圖1）。分布式傳感器將光纖本身轉(zhuǎn)換成一系列傳感器，測(cè)量溫度、聲波、應(yīng)力等參數(shù)。油氣井監(jiān)測(cè)使用的光纜不同于通訊行業(yè)所用光纜，利用專門(mén)的化學(xué)玻璃、涂層和結(jié)構(gòu)。詢問(wèn)器的作用是向光纜發(fā)射脈沖激光，記錄反散射光的數(shù)量和類型，利用先進(jìn)的軟件算法，將反散射光轉(zhuǎn)變成測(cè)量數(shù)據(jù)[1]。

圖1 光纖傳感系統(tǒng)示意圖

1.1 分布式溫度測(cè)量（DTS）

分布式溫度測(cè)量是將光纖轉(zhuǎn)換成若干個(gè)溫度傳感器，通常間隔1m或0.5m。測(cè)量時(shí)，通過(guò)詢問(wèn)器向光纖發(fā)送激光脈沖，光纖中的分子振動(dòng)引起拉曼反散射。斯托克斯拉曼反散射（波長(zhǎng)大于入射光）強(qiáng)度與光纖溫度無(wú)關(guān)，而反斯托克斯拉曼反散射（波長(zhǎng)小于入射光）與溫度有關(guān)（見(jiàn)圖2）。這樣，反斯托克斯散射與斯托克斯反散射強(qiáng)度之比可以用于計(jì)算光纖的溫度[2]。

圖2 分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)

井中流體的注入或產(chǎn)出會(huì)改變井眼溫度，因此通過(guò)井眼附近的熱模型可以將測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成流量剖面，并估算出井眼各層段的流體注入或產(chǎn)出量。盡管這是一種間接測(cè)量方法，但通過(guò)結(jié)合地面流量、泵口壓力、巖石物理和地質(zhì)數(shù)據(jù)，可以了解每個(gè)層段對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。

DTS技術(shù)永久性監(jiān)測(cè)整個(gè)井段或目的井段的溫度剖面，有助于更好地進(jìn)行油井和油藏管理，特別適用于蒸汽輔助重力驅(qū)（SAGD）和注蒸汽采油作業(yè)。威德福公司的DST系統(tǒng)利用純硅芯的單模光纖，耐溫達(dá)到300℃，適合在SAGD等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)油井的溫度剖面。與常規(guī)的單模光纖相比，純芯單模光纖極大地降低了光損失率（見(jiàn)圖3）[3]。

圖3 純芯單模光纖與常規(guī)單模光纖的光損失率對(duì)比

為了測(cè)試新系統(tǒng)的可靠性，日本加拿大油砂公司于2006年8月在加拿大西部的1口水平SAGD井中同時(shí)安裝了常規(guī)系統(tǒng)和新系統(tǒng)，測(cè)試井溫度為200～300℃。在20多個(gè)月的測(cè)試期內(nèi)，常規(guī)光纖只在最初幾天提供了良好的溫度記錄，1周后數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)重下降，而純芯單模光纖連續(xù)提供了精確的溫度剖面。除威德福公司，斯倫貝謝等公司也推出了耐溫達(dá)300℃的光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)。

1.2 分布式應(yīng)變測(cè)量（DSS）

高地質(zhì)應(yīng)力或油藏壓力可能使套管處于較大的應(yīng)力之下，導(dǎo)致套管變形或被擠毀。早期檢測(cè)套管形狀的變化有助于及時(shí)采取修井措施，連續(xù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以改善對(duì)油藏的了解，優(yōu)化生產(chǎn)和儲(chǔ)量開(kāi)發(fā)。為了改善對(duì)各種地下應(yīng)力造成的油管變形的監(jiān)測(cè)，殼牌公司與貝克休斯公司開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)套管應(yīng)變成像儀（RTCI），提供套管的連續(xù)、實(shí)時(shí)、高分辨率圖像，用于監(jiān)測(cè)套管變形[4]。

RTCI由3部分組成（見(jiàn)圖4）：裝有光纜的管柱、地面詢問(wèn)機(jī)（SIU）和計(jì)算機(jī)。光纜含有數(shù)千個(gè)間隔數(shù)厘米、均勻分布的應(yīng)變計(jì)，以預(yù)先確定的角度纏繞在油井管柱上，監(jiān)測(cè)套管的變形；SIU用于訪問(wèn)光纖上的應(yīng)變計(jì)，采集最終數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)用于將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，并重建油井管柱圖像。RTCI具有很高的空間分辨率（約1cm）和很高的精度（約10微應(yīng)變），對(duì)所有引起管柱應(yīng)變的因素敏感，包括軸向壓縮、彎曲、橢圓化、溫度和壓力。儀器可以探測(cè)每100ft＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0.3048m，下同不足10°的套管變形，探測(cè)擠壓與拉伸軸向應(yīng)力范圍從小于0.1%到10%。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些變化，可以在早期探測(cè)和量化地應(yīng)力事件，更好地了解這些應(yīng)力及其與油藏的關(guān)系，預(yù)防對(duì)單口井或更多井的損害，優(yōu)化油氣生產(chǎn)。

圖4 RTCI構(gòu)成圖

實(shí)際應(yīng)用表明，RTCI不僅能夠監(jiān)測(cè)油藏壓實(shí)、上覆層膨脹和其他地質(zhì)力學(xué)變形，還可以監(jiān)測(cè)更小的事件，如水泥候凝造成的套管直徑0.001in的變化。到目前為止，還沒(méi)有其他方法能夠在無(wú)需儀器下入井中、不干擾生產(chǎn)的情況下，達(dá)到同等靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率和響應(yīng)時(shí)間。

1.3 分布式聲波測(cè)量（DAS）

分布式聲波測(cè)量（DAS）系統(tǒng)將數(shù)公里長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電信光纖轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿蜋z波器陣列，使用相干光時(shí)域反射測(cè)定技術(shù)，即沿光纖連續(xù)發(fā)射高度相干光的短脈沖，并觀測(cè)因光纖玻璃芯非均質(zhì)性引起的微弱反散射信號(hào)。聲振干擾到達(dá)光纜時(shí)會(huì)在微觀層面上改變玻璃芯內(nèi)的散射位置，導(dǎo)致瑞利反向散射激光信號(hào)的變化；通過(guò)讀寫(xiě)單元分析這些變化，并沿光纖每1～10m（道）生成一系列獨(dú)立的聲波信號(hào)。DAS系統(tǒng)使用沿井筒長(zhǎng)度方向布放的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，以及一個(gè)用于參數(shù)（如采樣率、空間分辨率和通道數(shù)量）優(yōu)化的上部讀寫(xiě)單元，將原始聲波數(shù)據(jù)從讀寫(xiě)器單元傳送到處理單元，進(jìn)行信號(hào)的解釋與可視化。

DAS系統(tǒng)可以應(yīng)用于井下和區(qū)域監(jiān)測(cè)，如分布式流量測(cè)定、出砂檢測(cè)、氣體突破、人工舉升優(yōu)化、智能井完井監(jiān)測(cè)以及近井眼監(jiān)測(cè)等[5－6]。

1.4 分布式化學(xué)測(cè)量（DCS）

隨著分布式溫度和分布式聲波測(cè)量技術(shù)在油氣井監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的推廣，監(jiān)測(cè)井中生產(chǎn)流體化學(xué)組分的技術(shù)需求顯得愈加迫切。鑒于此，殼牌公司正在與TNO（荷蘭的一家應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)）合作研究光纖分布式化學(xué)測(cè)量技術(shù)（DCS，Distributed Chemical Sensor）。

分布式化學(xué)傳感器通過(guò)將光纖布拉格光柵技術(shù)與光敏物質(zhì)相結(jié)合，在極端條件下在各種介質(zhì)中探測(cè)水、二氧化碳和硫化氫分子。其應(yīng)用包括在油氣井中探測(cè)和確定出水位置，通過(guò)開(kāi)啟油氣層或關(guān)閉產(chǎn)水層降低產(chǎn)水量，優(yōu)化油氣生產(chǎn)。這一點(diǎn)對(duì)于注水開(kāi)發(fā)尤其重要，通過(guò)關(guān)閉產(chǎn)水層或停止某些位置的注水或改變注水位置改變注水策略，達(dá)到有效開(kāi)采的目的。圖5為利用DCS傳感器探測(cè)水突破的示意圖[7]。

圖5 用分布式化學(xué)傳感器探測(cè)水突破

2 應(yīng)用實(shí)例

在衰竭的高含水儲(chǔ)層通常很難確定哪些層段產(chǎn)油。這些井一般使用電潛泵舉升流體，測(cè)井作業(yè)受到限制。即便可以完成測(cè)井作業(yè)，從產(chǎn)水層中識(shí)別出不足5%的產(chǎn)油量也面臨著極大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，通過(guò)在電潛泵之下的高含水產(chǎn)層中安裝光纖分布式溫度傳感器可以解決這一問(wèn)題。盡管無(wú)法用DTS系統(tǒng)直接區(qū)分產(chǎn)油層和產(chǎn)水層，但是通過(guò)關(guān)閉或開(kāi)啟周?chē)淖⑺?，可以識(shí)別每口注水井所支撐的儲(chǔ)層，找到能夠使油產(chǎn)量最大化的注入方式。在后續(xù)的修井作業(yè)中，根據(jù)獲得的信息關(guān)閉只產(chǎn)水的層段，提高油的產(chǎn)量。

2.1 根據(jù)DTS數(shù)據(jù)調(diào)整注水量

在1口用電潛泵／分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)完成的井中，在關(guān)井和生產(chǎn)情況下分別進(jìn)行了溫度測(cè)量（見(jiàn)圖6）。測(cè)量前預(yù)測(cè)上部?jī)?chǔ)層（圖6中粉色）衰竭程度要高于下部?jī)?chǔ)層（圖6中藍(lán)色），含水率低于下部?jī)?chǔ)層，但關(guān)井測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)并未顯示有層間串流，說(shuō)明這些儲(chǔ)層壓力相同。開(kāi)啟電潛泵，井的流動(dòng)穩(wěn)定之后，用分布式溫度和巖石物理數(shù)據(jù)建立的熱模型確定每個(gè)層段的產(chǎn)液量。數(shù)據(jù)顯示，該井的產(chǎn)液量主要來(lái)自下部層段?；诹鲃?dòng)數(shù)據(jù)建立的熱模型（見(jiàn)圖7）說(shuō)明，在泵速保持不變的情況下，如果上部?jī)?chǔ)層壓力增加400psi＊，產(chǎn)出液中的含油率會(huì)從6%上升到11%。由此可見(jiàn)，根據(jù)溫度測(cè)量結(jié)果調(diào)整每層的注水量，能夠降低產(chǎn)出液的含水率[2]。

圖6 熱模型與流動(dòng)DTS數(shù)據(jù)顯示來(lái)自下部?jī)?chǔ)層產(chǎn)量

圖7 熱模型顯示上部注水壓力增加400psi的影響

2.2 用DTS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)水和CO2交替注入

對(duì)衰竭的碳酸鹽巖儲(chǔ)層用水和CO2（WAG）交替注入以提高產(chǎn)量。注入開(kāi)始時(shí)，產(chǎn)出液的含水率為97%。4個(gè)月后，溫度監(jiān)測(cè)顯示上部層段的溫度剖面發(fā)生了變化，產(chǎn)出液的含油率增加到18%。但上部層段之下所有層段的溫度并未發(fā)生改變，說(shuō)明WAG注入并未波及到這些層段。WAG注入的目的是提高所有層段的產(chǎn)量，因此，在該層的產(chǎn)量開(kāi)始下降之后，對(duì)注入井的上部層段封堵，改善下部層段的壓力支持，保持石油生產(chǎn)的穩(wěn)定。

2.3 用DTS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)注入水突破

一口新井預(yù)計(jì)從上部和下部2個(gè)層段產(chǎn)油，在安裝了ESP／DTS系統(tǒng)之后，關(guān)井溫度數(shù)據(jù)顯示下部層段溫度明顯下降。溫度下降的原因是鉆井液的侵入、注入水突破，或兩者共同作用的結(jié)果。當(dāng)井投產(chǎn)足夠長(zhǎng)時(shí)間，鉆井液的侵入作用消散，產(chǎn)出液為100%的水。該井下部層段產(chǎn)出液的溫度本應(yīng)接近地?zé)釡囟龋珼TS數(shù)據(jù)卻顯示其溫度遠(yuǎn)低于地?zé)釡囟?。熱模型證實(shí)只有下部層段有流體產(chǎn)出，因產(chǎn)出水溫度遠(yuǎn)低于地?zé)釡囟?，?yīng)該來(lái)自附近注水井。

2.4 用DTS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)酸化壓裂

一家作業(yè)公司計(jì)劃對(duì)一口具有多個(gè)射孔段的井進(jìn)行強(qiáng)化處理，上部地層部分枯竭，下部的新射孔層段仍處于原始油藏壓力。設(shè)計(jì)對(duì)砂巖層段進(jìn)行多級(jí)酸化壓裂，并用回收式DTS系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示處理部位，以便及時(shí)改變壓裂順序、規(guī)模和泵排量。圖8和圖9為酸化壓裂期間DTS監(jiān)測(cè)到的溫度剖面的變化情況。圖8、圖9中上部曲線為初始溫度剖面，下部曲線為作業(yè)過(guò)程某一時(shí)間的實(shí)際井溫剖面。圖8顯示了一級(jí)酸化壓裂后測(cè)量的井溫剖面，說(shuō)明最下部射孔段未被處理。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，對(duì)作業(yè)進(jìn)行了改進(jìn)，二次作業(yè)成功地處理了最下部射孔段，見(jiàn)圖8下部曲線所示[8]。

圖8 壓裂期間的實(shí)時(shí)可視化，基于溫度剖面進(jìn)行了二次導(dǎo)流

2.5 水力壓裂監(jiān)測(cè)

在水力壓裂監(jiān)測(cè)方面，殼牌公司在加拿大致密氣田中安裝了幾套DAS系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)壓裂監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)干預(yù)優(yōu)化流體和支撐劑的位置、診斷限流處理設(shè)計(jì)的效果，在操作過(guò)程中實(shí)時(shí)以及通過(guò)作業(yè)后的診斷，優(yōu)化節(jié)省費(fèi)用。

圖9 二次導(dǎo)流獲得成功，改善了流體分配

如圖10所示，一口水平井進(jìn)行5段水力壓裂，每段有1～4個(gè)射孔簇。圖10顯示一個(gè)壓裂段上4個(gè)射孔簇的數(shù)據(jù)，限流壓裂并未保證所有射孔簇壓裂流體的均勻分布。酸化期間和水力壓裂之前（階段a），射孔簇2和3吸液最多，并持續(xù)到壓裂開(kāi)始（階段b）；二次壓裂開(kāi)始后，射孔簇1吸液最多。圖10中不同顏色代表高頻范圍的聲波能量（紅色高，藍(lán)色低）。為了使壓裂液均勻分布于各射孔簇，采用了限流設(shè)計(jì)。通過(guò)DAS測(cè)量，可以非常好地捕捉到整個(gè)水力壓裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。寬頻信號(hào)能夠辨別出注酸過(guò)程中最活躍的射孔簇，以及整個(gè)作業(yè)過(guò)程中吸收大部分流體和支撐劑的射孔簇。這類信息對(duì)于優(yōu)化體積分配設(shè)計(jì)和改善未來(lái)作業(yè)至關(guān)重要[9]。

圖10 對(duì)4個(gè)射孔簇限流壓裂記錄的數(shù)據(jù)

3 發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

（1）光纖傳感器易于布放，特別是在安裝有電潛泵等完井設(shè)備的井中，因含有光纖控制線的直徑只有1／4in，可以布放在泵和套管間的環(huán)空中。根據(jù)作業(yè)類型，采用不同的方式將光纖傳感器置入油氣井：永久性部署在套管或油管上、用鋼絲繩、牽引器等將光纖送入井中。

（2）光纖傳感器可以永久性安裝在完井設(shè)備上，在井的整個(gè)壽命期內(nèi)根據(jù)需要進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，不影響油氣生產(chǎn)，降低作業(yè)費(fèi)用和相關(guān)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）光纖傳感器無(wú)電子元器件，系統(tǒng)的可靠性更高，適于惡劣環(huán)境使用。

（4）為實(shí)現(xiàn)整個(gè)井眼監(jiān)測(cè)的可持續(xù)性，應(yīng)控制油田數(shù)據(jù)的激增。控制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)激增的一種方法是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在源頭上減少數(shù)據(jù)流。

（5）雖然可以很容易地從得到的數(shù)據(jù)中得出定性的結(jié)論，但是定量分析要涉及所有相關(guān)數(shù)據(jù)，這對(duì)數(shù)據(jù)的綜合處理和解釋帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要克服這種挑戰(zhàn)，需要提高地球物理建模技術(shù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)解釋算法的穩(wěn)定性[10]。

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