永久測(cè)壓系統(tǒng)在儲(chǔ)氣庫(kù)中的應(yīng)用淺析

華東管道設(shè)計(jì)研究院 李效彪

一、前言

油氣藏壓力是油氣藏監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析最基礎(chǔ)的參數(shù)，能夠及時(shí)測(cè)定油氣藏壓力并實(shí)時(shí)分析所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)油氣藏的合理開(kāi)發(fā)生產(chǎn)是非常重要的參照依據(jù)。

在儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)生產(chǎn)中，氣井井下壓力參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取和分析是正確評(píng)價(jià)和指導(dǎo)儲(chǔ)氣庫(kù)的合理注采生產(chǎn)的重要參數(shù)之一。而針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)氣井強(qiáng)注強(qiáng)采的生產(chǎn)模式，以及間斷非永久式測(cè)壓方法所反映出的壓力數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)獲取、頻繁操作危險(xiǎn)系數(shù)高、井下壓力計(jì)易損壞、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為儲(chǔ)氣庫(kù)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的趨勢(shì)，也以更高的自動(dòng)化程度服務(wù)于油氣田的發(fā)展。

二、井下測(cè)壓技術(shù)分類(lèi)

現(xiàn)有的對(duì)井下壓力的監(jiān)測(cè)技術(shù)可概括為兩大類(lèi)：一類(lèi)是存儲(chǔ)式測(cè)壓，即根據(jù)生產(chǎn)需要，適時(shí)將井下壓力計(jì)通過(guò)鋼絲下井，壓力計(jì)置于井內(nèi)可以存儲(chǔ)一段特定時(shí)間的壓力數(shù)據(jù)，測(cè)試完畢取出壓力計(jì)，將保存在壓力計(jì)內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)回放再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析等，該方式常用的監(jiān)測(cè)裝置有機(jī)械式井下壓力計(jì)、電子存儲(chǔ)式井下壓力計(jì)等。另一類(lèi)是永久式測(cè)壓，即測(cè)壓裝置隨生產(chǎn)管柱下井，備有一定的保護(hù)器件，投入運(yùn)行后可以實(shí)時(shí)測(cè)取井底壓力數(shù)據(jù)，并通過(guò)地面數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，連續(xù)不斷地采集井下壓力數(shù)據(jù)，可用來(lái)作長(zhǎng)期可靠的連續(xù)監(jiān)測(cè)，有效地減少了因傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器故障檢測(cè)、停井測(cè)試等引起的作業(yè)時(shí)間，該方法常用的監(jiān)測(cè)裝置有電子壓力傳感系統(tǒng)、光纖壓力傳感系統(tǒng)和毛細(xì)管壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

圖1 電子壓力傳感系統(tǒng)示意圖

本文針對(duì)永久式測(cè)壓技術(shù)常見(jiàn)的井下永久式電子壓力傳感系統(tǒng)、光纖壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、原理、應(yīng)用以及優(yōu)缺點(diǎn)等做以總結(jié)。

三、永久測(cè)壓系統(tǒng)對(duì)比分析

1.系統(tǒng)組成

1)電子壓力傳感系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括四大部分：

a）井下設(shè)備，包括永久電子壓力計(jì)、電纜頭、壓力計(jì)托筒；

b）電纜設(shè)備，包括井下電纜、電纜保護(hù)器、電纜連接頭；

c）井口電纜引出裝置；

d）地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2)光纖壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

a）光纖傳感器：安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)獲得井下溫度壓力數(shù)據(jù)；

b）信號(hào)傳輸光纜：包括井下光纜和地面光纜，是連接井下傳感器和地面解調(diào)設(shè)備的紐帶，光信號(hào)和傳感信號(hào)的傳輸路徑。

c）解調(diào)儀：包括溫度壓力解調(diào)儀和分布式溫度解調(diào)儀。系統(tǒng)的核心器件，內(nèi)部集數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊于一體，置于控制室，實(shí)現(xiàn)井下溫度/壓力數(shù)據(jù)的讀取、分析和傳輸

d）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)：置于計(jì)算機(jī)，內(nèi)部集成井下溫度壓力數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)光纖溫度壓力解調(diào)儀（下位機(jī)）數(shù)據(jù)的讀取、顯示、存儲(chǔ)、打印和傳輸，可以控制多臺(tái)下位機(jī)。

3)毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

a）地面設(shè)備：包括氮?dú)庠?、氮?dú)庠鰤罕谩⒖諝鈮嚎s機(jī)、吹掃管匯、壓力變送器等；

b）井下部分：井口穿越器、環(huán)空封隔器、毛細(xì)鋼管、毛細(xì)鋼管保護(hù)器、傳壓筒；

c）井口引出裝置；

d）數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

圖3 毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.工作原理

1)電子壓力傳感系統(tǒng)

電子壓力計(jì)置于壓力計(jì)托筒，監(jiān)測(cè)到井筒環(huán)境下油氣壓力變化信號(hào)，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后通過(guò)電纜傳送到地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等。

圖4 工作原理示意圖

2)光纖壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

傳感器監(jiān)測(cè)井筒環(huán)境下油氣壓力、溫度變化信號(hào)，將井底信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，井下光纜和光纜連接器是連接傳感器與地面光電解調(diào)儀之間的信號(hào)傳輸紐帶，將光源發(fā)射光傳送給傳感器，并將傳感器反射的信號(hào)光輸送到地面接收器，光電解調(diào)儀是井下光纖傳感器的光源與數(shù)據(jù)處理設(shè)備，能夠發(fā)射并精確檢測(cè)傳感器反射的光波信號(hào)，通過(guò)顯示與存儲(chǔ)設(shè)備將井底溫度壓力測(cè)試數(shù)據(jù)反映出來(lái)（見(jiàn)圖5）。

3)毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該裝置的工作原理：毛細(xì)鋼管和傳壓筒中均充滿(mǎn)氮?dú)猓獨(dú)鈿庠从稍诰诘钠胀üI(yè)氮?dú)馄刻峁?，必要時(shí)使用高壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)將氮?dú)獯祾咧撩?xì)鋼管及井下傳壓筒中。傳壓筒底端開(kāi)孔與井筒液體連通，其內(nèi)容積比毛細(xì)管內(nèi)容積大幾十倍，為系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)容積，使之在井下壓力變化時(shí)，保持傳壓筒內(nèi)壓力基本穩(wěn)定。

當(dāng)井下測(cè)壓點(diǎn)處的壓力作用在傳壓筒內(nèi)的氣柱上，由氣體傳遞壓力至井口，由壓力變送器測(cè)得地面一端毛細(xì)鋼管內(nèi)的氮?dú)鈮毫?，將信?hào)傳送到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將壓力數(shù)據(jù)顯示并儲(chǔ)存起來(lái)。記錄下來(lái)的井口實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)回放后處理，根據(jù)測(cè)壓深度和井筒溫度完成由井口壓力向井下壓力的計(jì)算。

圖5 光學(xué)壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理示意圖

四、毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.應(yīng)用廣泛

a）勝利油田已成功應(yīng)用近百套，效果良好。

b）大港、遼河、長(zhǎng)慶油田都進(jìn)行過(guò)應(yīng)用。

c）北京儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行應(yīng)用，得到用戶(hù)的好評(píng)。

2.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

以勝利油田渤深6-6井下入毛細(xì)管測(cè)壓系統(tǒng)為例，用以進(jìn)行試井及恢復(fù)測(cè)試，了解地層參數(shù)及邊界情況，并進(jìn)行干擾測(cè)試。通過(guò)毛細(xì)管測(cè)壓系統(tǒng)得到井下實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，分析確定井間連通性、儲(chǔ)層裂縫發(fā)育方向性、斷層密封性、確定儲(chǔ)層物性等。

渤深6-6井位于渤深區(qū)塊，層位奧陶系，測(cè)試深度4331m，油層深度4363～4906m，井底溫度170℃，采用的完井管柱(自上而下)為：油管+毛細(xì)鋼管+井下傳壓筒+扶正器+喇叭口。

完井時(shí)保證整個(gè)毛細(xì)管測(cè)壓系統(tǒng)內(nèi)部充滿(mǎn)氮?dú)?，必須進(jìn)行徹底的氮?dú)獯祾哌^(guò)程。吹掃時(shí)數(shù)據(jù)采集間隔1s。由曲線(xiàn)顯示可知：吹掃2次，時(shí)間共35min，吹掃時(shí)最高壓力達(dá)到46MPa，壓力恢復(fù)顯示正常，效果良好。

圖6 完井時(shí)吹掃壓力曲線(xiàn)圖

試井時(shí)，數(shù)據(jù)采集間隔為20s。由曲線(xiàn)顯示可知：該段時(shí)間井內(nèi)壓力處于上升趨勢(shì)。毛細(xì)管測(cè)壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，生成曲線(xiàn)平滑。

圖7 試井時(shí)壓力恢復(fù)曲線(xiàn)圖

3.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)DTS溫度剖面監(jiān)測(cè)

可結(jié)合分布式光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及壓力計(jì)算方法的溫度補(bǔ)償，提高井底壓力計(jì)算精度。

最初測(cè)壓技術(shù)在計(jì)算壓力時(shí)溫度取平均溫度，溫度補(bǔ)償則是在計(jì)算壓力時(shí)充分考慮溫度的實(shí)時(shí)變化，不再是一個(gè)單一平均值，而將溫度的動(dòng)態(tài)變化影響因素考慮在內(nèi)。這就需要溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而分布式光纖溫度傳感器(DTS)是一種時(shí)興的可用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感器。

DTS的工作原理：光纖既是傳輸媒質(zhì)也是傳感媒質(zhì)，利用光纖向喇曼散射的溫度效應(yīng)，可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。利用光時(shí)域反射技術(shù)可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，分布式的結(jié)構(gòu)使得該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速多點(diǎn)測(cè)量。可以很高的精度和分辨率（每1m一個(gè)采樣點(diǎn)，精度0.1℃，耐溫280℃）獲得井下溫度分布Ti。采用實(shí)時(shí)溫度分布對(duì)測(cè)壓點(diǎn)壓力進(jìn)行溫度補(bǔ)償，有效補(bǔ)償溫度影響，提高測(cè)壓精度。而毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)與分布式光纖溫度傳感器的結(jié)合使用也是這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合之首創(chuàng)。

圖8 壓力計(jì)算方法的溫度補(bǔ)償

2)集群式毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

效果示意如圖9所示。可實(shí)現(xiàn)多井同時(shí)檢測(cè)，共用一套地面設(shè)備和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，形成集群式毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，節(jié)省成本的同時(shí)利于管理。目前最高紀(jì)錄該系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)32口井的壓力。效果示意如圖9所示：

圖9 集群式毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

該集群式毛細(xì)管測(cè)壓系統(tǒng)目前應(yīng)用極為廣泛，舉例如下：

a）中海油天津分公司

用于該油田大斜度井和水平井，單套地面系統(tǒng)同時(shí)控制多井，安裝深度約2000米，溫度約90度。

b）冀東灘海油田

用于該油田高產(chǎn)自噴探井和試采井，安裝深度約4000米，溫度約150度。

c）新疆油田

用于該油田注蒸汽熱采井，深度1000～5000米，蒸汽溫度約400度。

五、永久式壓力監(jiān)測(cè)橫向?qū)Ρ?/h2>

1.裝置特點(diǎn)

1)電子壓力傳感系統(tǒng)

該技術(shù)已經(jīng)非常成熟。具有以下特點(diǎn)：

a）測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高，可滿(mǎn)足油氣井不停產(chǎn)進(jìn)行測(cè)試的要求。

b）測(cè)量速度快，可實(shí)時(shí)獲得井底壓力、溫度等數(shù)據(jù)。

c）組成電子元件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力較弱，使用壽命短。地下設(shè)備過(guò)多的組成元件，難以適應(yīng)井下相對(duì)復(fù)雜惡劣的環(huán)境，使用壽命短并且電子傳感器的價(jià)格昂貴，極易損壞。這極大地限制了它在油田的應(yīng)用和發(fā)展。

2)光纖式壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該技術(shù)為目前發(fā)展最為迅速的監(jiān)測(cè)方式，具有以下特點(diǎn)：

a）以光作為傳輸信號(hào)，基本不受電磁場(chǎng)的干擾，長(zhǎng)期漂移小。

b）光纖傳感器通過(guò)鎧裝特殊材料工藝處理，井下無(wú)電子設(shè)備，適用極高溫度環(huán)境。

c）光纖傳感器橫截面小，縱截面低，方便井下安置。

d）光纖和光纖接頭在井中易損壞，光纖傳感器與流體接觸極易改變特性，傳感器性能的穩(wěn)定性有待提高。

e）光在光纖中傳播會(huì)有一定損耗，尤其在接頭和接觸點(diǎn)處的損耗較大，影響測(cè)量精確度。

f）光纖傳感器具有易碎的特點(diǎn)，一部分光纖傳感器在井下安裝不久就不能正常工作。光纖傳感器和光纖的堅(jiān)固耐用性能，有待提高。

3)毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該技術(shù)已相對(duì)成熟，國(guó)際國(guó)內(nèi)產(chǎn)品頗多，成熟的技術(shù)可確保產(chǎn)品的不斷優(yōu)化，對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障問(wèn)題等具有較強(qiáng)的解決處理能力，具有以下特點(diǎn)：

a）測(cè)試精度高，其分辨率達(dá)到0.001MPa，適用于直井、斜井、稠油熱采井的單層測(cè)試和分層測(cè)試，可在不停產(chǎn)條件下進(jìn)行測(cè)試。

b）井下部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)電器元件，無(wú)密封膠圈，不易損壞，耐高溫，使用壽命長(zhǎng)，工作性能可靠。

c）壓力傳感器及其它電子元件置于地面，不受井下惡劣環(huán)境的影響，并可以隨時(shí)在地面進(jìn)行校驗(yàn)或維修。

d）可實(shí)現(xiàn)多井同時(shí)檢測(cè)，共用一套地面設(shè)備和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，形成集群式毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，節(jié)省成本的同時(shí)利于管理。

e）可結(jié)合分布式光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及壓力計(jì)算方法的溫度補(bǔ)償，提高井底壓力計(jì)算精度。

2.成本投入

整套電子式裝置價(jià)格一般在20萬(wàn)左右，毛細(xì)管式測(cè)壓系統(tǒng)國(guó)外引進(jìn)費(fèi)用在70萬(wàn)元左右，而國(guó)產(chǎn)裝置性能也很完善，像勝利油田采油研究院的PS-60毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，目前的應(yīng)用極為廣泛，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，質(zhì)量相同，價(jià)格較低，而且具有方便、良好的售后服務(wù)。若可實(shí)現(xiàn)集群式毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共用地面設(shè)備則可更節(jié)省成本。光纖式壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本過(guò)高，單套裝置目前文96儲(chǔ)氣庫(kù)所采用的weatherford公司的產(chǎn)品為197萬(wàn)元，從其工具清單，可看出目前關(guān)鍵技術(shù)和部件均為國(guó)外生產(chǎn)

表1 weatherford光學(xué)壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部件產(chǎn)地清單

3.失效情況

失效情況即監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨生產(chǎn)管柱入井后，可能會(huì)喪失工作能力無(wú)法正常使用的一些情況。表2是對(duì)這三種測(cè)壓技術(shù)失效情況總結(jié)：

4.使用經(jīng)驗(yàn)

電子式始于20世紀(jì)六七十年代，毛細(xì)管測(cè)壓技術(shù)是上世紀(jì)80年代由美國(guó)Pruett公司首創(chuàng)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的首次研制投運(yùn)是在1998年勝利油田，該裝置投運(yùn)后一直運(yùn)行良好。世界上第一口光纖式智能測(cè)井僅在2002年挪威海游投運(yùn)，而國(guó)內(nèi)技術(shù)的首次實(shí)施始于2008年底山東科學(xué)院與勝利油田的合作，雖打破了國(guó)際壟斷，但技術(shù)存在諸多問(wèn)題，進(jìn)一步性能提高還需努力。

表2 三大監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效情況對(duì)比表

5.目前最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間

查閱相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)顯示，這三大監(jiān)測(cè)技術(shù)均有相應(yīng)的應(yīng)用歷史，統(tǒng)計(jì)各系統(tǒng)目前最長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間如下表：

表3 三大監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

六、總結(jié)與建議

表4 三大系統(tǒng)綜合對(duì)比效果表

實(shí)時(shí)的井下壓力溫度監(jiān)測(cè)是確保儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行的有力保障，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際配備合適的裝置是必不可少的。結(jié)合裝置的性能指標(biāo)、成本投入、適應(yīng)經(jīng)驗(yàn)、失效情況、運(yùn)行時(shí)間等的綜合考慮，綜合對(duì)比各永久式監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，由表4所示，建議在儲(chǔ)氣庫(kù)永久測(cè)壓時(shí)予以考慮使用性?xún)r(jià)比高、維護(hù)優(yōu)越、使用經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢(shì)較高的毛細(xì)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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