永久式光纖監(jiān)測技術在海上首口二氧化碳回注井的應用

鄧成輝 曹波波 黨黎鋒 宣濤 張璽亮

1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司 深圳 518067

2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 天津 300452

南海東部油田啟動國內首個海上CO2捕集和封存綠色低碳示范項目。作為我國自主設計實施的第一口海上二氧化碳回注井，利用海上平臺的優(yōu)勢，將伴生的二氧化碳捕集并且封存在地下，是一種可靠且經(jīng)濟的手段。該技術要求監(jiān)測蓋層和井筒的完整性，防止在注入過程中，二氧化碳通過水泥環(huán)或套管漏點外溢。

分布式光纖傳感技術在井筒完整性監(jiān)測和二氧化碳注入剖面監(jiān)測上有不可替代的技術優(yōu)勢，可以稱得上是“井下聽診器”，整根光纜就是傳感器，無任何電子元件，安全可靠。將光纖固定在油管外，安裝至目的層，通過地面激光解調儀發(fā)射激光，可以采集0.01～50000Hz頻率范圍的井下聲音和整個井筒的分布式溫度，溫度分辨率可高達0.01℃[1]，通過解釋軟件，可以準確的得到二氧化碳在井下的分布情況、注入管柱和蓋層的完整性。

1 分布式光纖監(jiān)測原理

分布式光纖傳感系統(tǒng)原理為利用光纖作為傳感敏感原件和傳輸信號介質，采用先進的OTDR技術，實現(xiàn)分布式測量。光纖本身即為傳感器，光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。光纖傳感系統(tǒng)主要由光源、耦合器、傳感光纖、探測器以及處理器組成[1，8]。

光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，在光纖中傳輸?shù)耐瑫r持續(xù)產(chǎn)生后向散射光波，如瑞麗散射、布里淵散射和拉曼散射等[1]。其中，拉曼散射受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經(jīng)波分復用、檢測解調后，經(jīng)過解調處理系統(tǒng)便可將溫度信號以圖形或表格形式實時顯示出來[2]。通過對光纖系統(tǒng)進行溫度標定，即可根據(jù)下面公式計算出環(huán)境的實際溫度[3，6]。

式中：T為測量點環(huán)境溫度，K；T0為恒溫槽溫度，K；k=1.38×10-23J/K；h為普朗克常數(shù)，h=6.63×1034J.K；c為真空中的光速，c=3 x 108m/s；△γ為偏移系數(shù)，cm-1；R（T）為反斯托克斯光強度與斯托克斯光強度比值。

2 二氧化碳回注井溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)

為實現(xiàn)二氧化碳注入剖面、井筒完整性、管外竄流、注入壓力監(jiān)測等目的，保證施工安全、長期監(jiān)測可靠性、系統(tǒng)備用性以及井下的安全性，設計注入管柱下入永久式光纖。

二氧化碳回注井永久式光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要包括井下光纜、井下光纖壓力計[7]、地面數(shù)據(jù)處理及分析系統(tǒng)等見圖1 。該技術將井下光纜固定在注入油管下入[4，5]，設計滾輪式光纜接箍保護器降低管柱下入磨阻，安全下至目標深度，實現(xiàn)了全井筒溫度剖面及井底壓力的實時動態(tài)監(jiān)測。

圖1 注入管柱示意

2.1 井下鎧裝光纜

該井注入二氧化碳極限溫度147℃，注入壓力約11MPa，選擇耐高溫高壓抗腐蝕井下光纜，纖芯表面具有耐高溫碳涂層，耐溫等級300℃，1/4″A825鎳基合金保護管封裝，承壓70MPa，具有良好的防腐性能，外鎧雙層鋼絲纏繞，具有高抗拉、抗磨損性能。

2.2 光纖壓力計

高精度光纖壓力計（溫壓傳感器）實時監(jiān)測注入層壓力變化。通過實時采集該點壓力和溫度信號，通過井下光纖、地面光纖傳輸至地面壓力解調儀。溫壓傳感器，材質：718，溫度等級：150℃，壓力等級：15000psi，分辨率：0.4Psi、0.1℃；精度：±5psi、±1℃；金屬封裝，單端出纖；配套專用壓力計托筒。

2.3 光纖續(xù)接器

光纖割斷穿越后進行續(xù)接，達到密封承壓要求；材質：718，壓力等級：10000psi，溫度等級：150℃。

2.4 井口穿越裝置

連接井下和地面光纜；材質：13Cr，扣型：1/2"NPT P，壓力等級：10000psi，溫度等級：150℃。

2.5 DTS 激光器

4通道，溫度分辨率：0.01℃，采集分辨率：1m，采集頻率：30s。

3 現(xiàn)場施工

根據(jù)注入管柱結構見圖1，依次連接工具入井，具體步驟為：1）連接斜口引鞋，2）連接壓力計托筒總成，光纜續(xù)接，3）連接球座、7”生產(chǎn)封隔器總成，光纜穿越續(xù)接，4）連接4”油管、安全閥，5）連接油管掛和采氣樹，光纜割斷進行穿越出井口，6）井下和地面光纜續(xù)接、地面光纜鋪設至中控室，7）連接DTS激光器和壓力計解調儀，讀取全井筒溫度剖面曲線、壓力計壓力和溫度數(shù)據(jù)正常。

4 監(jiān)測結果

4.1 安裝結束信號監(jiān)測

EP15-1-XXX碳回注井于2023年5月19號開始下入上部完井管柱，2 2 號下至3 1 9 2 m 目標深度。2只光纖壓力計安裝在托筒上，間距0.758m，1#光纖壓力計深度3160.578米，2#光纖壓力計深度3161.336m。1#壓力計：壓力1172.63psi、溫度52.63℃；2#壓力計：壓力1174.3psi、溫度52.82℃。該井垂深894m，壓力梯度132.1psi/100m，地溫梯度4.38℃/100m，與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，見表1。

表1 光纖壓力計讀取井下壓力溫度數(shù)據(jù)

DTS激光器實時監(jiān)測全井筒溫度剖面曲線。井下光纜下入深度3161m，地面光纜長度約216m，216m后為井筒內溫度剖面曲線，3161m處監(jiān)測的溫度約53℃，見圖2，與2只壓力計監(jiān)測溫度吻合。

圖2 DTS激光器讀取全井筒溫度剖面數(shù)據(jù)

4.2 試注二氧化碳信號監(jiān)測

5月23號10：30，開始小排量試注氣，排量3000m3/h，井口壓力1034psi，井口溫度70℃。2只光纖壓力計檢測到壓力升高，分別為1209psi和1207psi，溫度分別為52.9℃和52.3℃，采樣頻率：1組數(shù)據(jù)/1s，見表1。

在注入期間，二氧化碳加壓后溫度為70℃，曲線216m處的溫度顯示突變，此處為采氣樹位置。壓縮后的高溫二氧化碳進入井筒內，壓力快速擴散降溫，在88m海水深度段快速冷卻，然后進入泥層，在地溫梯度作用下緩慢上漲，到井筒穩(wěn)斜段后溫度趨于穩(wěn)定，采樣頻率：1組數(shù)據(jù)/30s，見圖2。

4.3 正式回注二氧化碳信號監(jiān)測

5月24號6：00，提高到正常日注氣排量，5300m3/h，井口壓力1082psi，井口溫度87℃。2只光纖壓力計檢測到壓力升高，分別為1209psi和1207psi，溫度分別為52.9℃和52.3℃，見表1。

在注入期間，二氧化碳加壓后溫度為87℃，此時井筒周邊已被加熱，進入井筒后氣體溫度成緩慢下降趨勢，在深度3192m處溫度為56.049℃，與完井管柱核對為生產(chǎn)封隔器位置，見圖2，二氧化碳回注及永久式光纖監(jiān)測正式投入生產(chǎn)。

綜上所述，永久式光纖溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)井筒溫度分布及井底壓力的實時精準監(jiān)測，降低了作業(yè)風險，減小了對回注井正常生產(chǎn)的影響；根據(jù)光纖數(shù)據(jù)監(jiān)測的分布解釋結果可反演二氧化碳回注剖面，從而指導注氣參數(shù)動態(tài)調整。

5 結束語

（1）光纖監(jiān)測技術在二氧化碳回注井的首次應用，DTS溫度激光器成功實時測取注氣過程中全井筒的溫度剖面曲線、光纖壓力計實時測取注入層壓力。

（2）通過全井筒溫度剖面數(shù)據(jù)，因井筒完整性及管外竄流引起局部溫度突變可及時被發(fā)現(xiàn)，注入期間圈閉蓋層的問題引起的壓力波動可以被及時發(fā)現(xiàn)。

（3）國內首個海上二氧化碳捕集和封存綠色低碳示范項目的成功實施，為后面同類型井提供了寶貴的技術支持。