許玲玲，孫寶全，2，張國玉，劉艷霞，郭林園

（1.勝利油田采油工藝研究院，山東東營257000；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東東營257061） ①

光纖溫度測試技術(shù)在油井中的應(yīng)用

許玲玲1，孫寶全1，2，張國玉1，劉艷霞1，郭林園1

（1.勝利油田采油工藝研究院，山東東營257000；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東東營257061）①

光纖傳感器具有體積小、高靈敏、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，在油井井下測試中的應(yīng)用日趨廣泛。介紹了分布式光纖溫度測試技術(shù)和光纖光柵測溫技術(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：光纖溫度測試技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)井下固定點(diǎn)及剖面的永久溫度監(jiān)測，為油藏監(jiān)測、工藝措施的有效實(shí)施和提高采收率打下基礎(chǔ)。

光纖；溫度傳感器；油井；應(yīng)用

油氣田開發(fā)亟需研究的一個重要領(lǐng)域是監(jiān)測油藏動態(tài)和實(shí)施優(yōu)化采油，其中油藏溫度檢測是對油藏實(shí)施有效管理和提高采收率的基礎(chǔ)。井下溫度測試數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)出層位的劃分、實(shí)時生產(chǎn)剖面監(jiān)測、套管竄槽和漏失情況判斷；尤其對于稠油注蒸汽井，準(zhǔn)確、連續(xù)、實(shí)時地進(jìn)行井下溫度監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時注入剖面監(jiān)測和實(shí)時注蒸汽管理。光纖傳感器能抗電磁干擾，外形尺寸小，能承受高溫高壓及腐蝕等極端工況，特別適用于井下溫度永久監(jiān)測。目前，應(yīng)用于油水井的光纖溫度測試技術(shù)主要有分布式光纖溫度測試技術(shù)和光纖光柵測溫技術(shù)。

1 原理簡介

1.1 分布式光纖溫度測試技術(shù)

分布式光纖溫度測試技術(shù)（FODTS：Fiber Optic Distributed Temperature Sensor）中，光纖本身既是傳感器又是信號傳輸?shù)妮d體。依據(jù)光纖后向拉曼散射原理，光脈沖在光纖中傳播，受熱時會產(chǎn)生后向散射。光纖所處的環(huán)境溫度越高，該點(diǎn)的后向散射光的光強(qiáng)度越大，檢測散射光強(qiáng)度即可確定測試點(diǎn)的溫度；利用光時域反射（OTDR）原理，依據(jù)光從入射點(diǎn)到散射點(diǎn)往返的時間，可計算出入射點(diǎn)到散射點(diǎn)的距離。因此，不同時刻的反射波對應(yīng)不同距離點(diǎn)發(fā)生的散射，依據(jù)反射波的光強(qiáng)度可以計算出散射點(diǎn)的溫度。

常規(guī)的通信光纖耐溫為－45～75℃。在常規(guī)油水井中，溫度可達(dá)80～150℃，而在稠油熱采井中，需要向井下注入高溫蒸汽，其溫度高達(dá)300℃，因此，耐高溫光纖是其關(guān)鍵技術(shù)。通常，耐高溫光纖纖芯為涂鍺的石英，包層為純石英材料，涂敷層為改性聚酯亞胺材料，這種光纖能夠耐溫－65～300℃。

1.2 光纖光柵（FBG）溫度測試技術(shù)

光纖光柵（FBG：Fiber Bragg）最主要的應(yīng)用之一是作為溫度傳感器。用在空間上周期變化的強(qiáng)紫外線激光照射摻鍺光纖，就可在纖芯內(nèi)沿軸向形成一個折射率周期變化的光柵光纖。

當(dāng)一束寬譜光射入FBG時，一部分光透過FBG繼續(xù)傳輸，另一部分光反射回來，如圖1所示。反射光的中心波長受環(huán)境溫度的影響，在低溫段（＜100℃），反射光中心波長變化量與溫度變化量呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；在高溫段（＞100℃），反射波長與溫度呈非線性關(guān)系，可用二次多項(xiàng)式［1］表示波長變化量Δλ和溫度變化量ΔT之間的關(guān)系，即

式中，Δλ為反射光中心波長變化量；ΔT為溫度變化量；K1、K2為裸FBG的一階和二階溫度靈敏度系數(shù)。

圖1 光纖布拉格光柵反射原理

在注蒸汽井中，光纖光柵溫度傳感器同樣面臨高溫的考驗(yàn)。采用相位掩膜法在摻鍺石英光纖上刻制FBG［2］；利用化學(xué)氣相沉積法在光纖的1個端面上交替沉積1／4波長厚度的SiN和Si2N，形成準(zhǔn)Bragg光柵。在高溫環(huán)境下，光纖光柵的反射波長與溫度有很好的線性關(guān)系。另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)提高光纖光柵傳感器基體材料的熱膨脹系數(shù)，能夠有效提高FBG的高溫線性。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 分布式光纖溫度測試系統(tǒng)

分布式光纖測溫系統(tǒng)在石油工程測試中的應(yīng)用包括：實(shí)時生產(chǎn)剖面監(jiān)測、實(shí)時注入剖面監(jiān)測、實(shí)時注蒸汽管理、油井水氣竄監(jiān)測、深水完井監(jiān)測、人工舉升監(jiān)測與優(yōu)化、水平井剖面監(jiān)測及多產(chǎn)層井測試。1996年，該技術(shù)首次應(yīng)用［3］于加利福尼亞州的West Coalinga油田蒸汽驅(qū)井組。

哈里伯頓公司在印度尼西亞的蒸汽驅(qū)井應(yīng)用光纖分布式測溫技術(shù)對油藏溫度監(jiān)測。圖2是1998－04—2003－10在某觀察井中測得的5條溫度曲線，可以看出，在井深146～168m（480～550英尺）處，溫度隨時間明顯升高，溫度剖面顯示蒸汽腔的形成。

圖2 觀察井中DTS監(jiān)測蒸汽腔的形成

2007年斯倫貝謝公司在BP的艾澤里油田（Azeri）1口礫石充填井中安裝了永久光纖分布式測溫系統(tǒng)。圖3是2007－01－11和2007－04－01在井深4 100～4 600m處測得的2條溫度曲線。由2007－04－01的溫度曲線可以看出，隨著井深的變化，出現(xiàn)多處溫度突變，據(jù)此可判斷氣竄。

光纖分布式測溫技術(shù)在國內(nèi)雖起步較晚，但隨著蒸汽輔助重力泄油技術(shù)（SAGD）及開發(fā)深層稠油資源的需求，國內(nèi)各油田及院校相繼開展此方面的研究。1997－05，遼河油田在曙一區(qū)杜84塊SAGD生產(chǎn)井安裝了光纖分布式測溫系統(tǒng)和毛細(xì)管測壓系統(tǒng)，用來監(jiān)測蒸汽腔的形成。2006—2007年，在遼河油田SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)新鉆6口溫度觀察井中，安裝了光纖分布式測溫系統(tǒng)［4］。圖4為在1口蒸汽注入井周圍的4口觀察井中測得的4條溫度曲線。可以看出，注入的蒸汽沿著油藏方向水平擴(kuò)展，顯示蒸汽腔已形成。2009年在錦45塊，試驗(yàn)區(qū)中心井組附近3口溫度觀察井（錦45－J2、觀26和22－250）應(yīng)用了光纖分布式測溫系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測地層溫度場變化，證明井組的熱連通已基本建立。勝利油田有限公司采油工藝研究院于2001年研制開發(fā)和應(yīng)用了油井分布式光纖測溫系統(tǒng)，并在草橋區(qū)塊油田CN8－3注汽井上進(jìn)行了現(xiàn)場測試試驗(yàn)，1次測量出整個井筒的溫度剖面。

圖3 光纖分布式溫度測試確定氣竄

圖4 SAGD先導(dǎo)區(qū)溫度觀察井組溫度曲線

2.2 光纖光柵溫度測試系統(tǒng)

2002年，威德福在阿拉斯加附近的奧斯達(dá)爾油田（orthstart）安裝了永久光纖光柵溫度壓力傳感器監(jiān)測油藏。圖5為NS－14井井底溫度壓力值，該井在2002－02－19和2002－02－20分別進(jìn)行了1次射孔施工，從井底溫度壓力變化曲線上可以看出，射孔施工時，溫度壓力值發(fā)生了相應(yīng)的突變。

2007年，勝利油田采油工藝研究院成功研制了光纖光柵溫度壓力測試系統(tǒng)，2009－04將其安裝在勝利油田GO6－28－495井中，對該井的井底溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。該井為國內(nèi)第1口光纖分層測試分層采油井，為智能完井技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖5 NS－14井射孔溫度－壓力曲線

3 結(jié)論

1） 實(shí)踐證明，光纖分布式溫度測試技術(shù)適合在稠油井、水平井監(jiān)測油藏溫度剖面，以確定蒸汽腔的形成，判斷井間連通性、水氣竄等。

2） 光纖溫度測試技術(shù)適合長期監(jiān)測井下固定點(diǎn)及剖面的溫度變化，對井下不同層位開采和施工過程進(jìn)行監(jiān)測和分析。

3） 光纖傳感器性能穩(wěn)定，能夠抵抗高溫、高壓等惡劣井下環(huán)境，其在油藏監(jiān)測中的作用日趨顯著。目前，光纖傳感器正向井下溫度、壓力、流量［5］測試等石油應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

［1］ 劉欽朋，喬學(xué)光，賈振安，等.光纖Bragg光柵高溫傳感技術(shù)研究［J］.光電子·激光，2007，18（2）：147－149.

［2］ Wang Wenhua，Song Shide，Wang Xiaoxu.Study on high temperature characteristic of fiber Bragg grating［J］.Journal of Optoelectronics－Laser，2005，16（7）：806－808.

［3］ Karaman O S，Kutlik R L，Kluth E L.A field trial to test fiber optic sensors for downhole temperature and pressure measurements，West Coalinga Field，California［C］.SPE 35685，1996.

［4］ 尤洪軍，王宏遠(yuǎn).溫度觀察井系統(tǒng)在超稠油SAGD開發(fā)中的應(yīng)用［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（3）：99－101.

［5］ 左芳君，鐘功祥.油氣水多相測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（10）：58－60.

Application of Fiber Optic Sensor Temperature Testing in Oil Well

XU Ling－ling1，SUN Bao－quan1，2，ZHANG Guo－yu1，LIU Yan－xia1，GUO Lin－yuan1
（1.Shengli Oil Production Research Institute，Dongying257000，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

The fiber optic sensors have the advantages of small volume，high sensitivity and immune to Interferences.It is widely applied in reservoir monitoring of the oil well.The principle and the application of the fiber optic distributed temperature sensor and fiber Bragg gating temperature testing which are mature technologies are presented in detail.The field application proved that，the fiber optic temperature sensors could test the temperature profile of the reservoir，making a foundation for the effective implement of reservoir monitor，technology measures and EOR.

fiber；temperature sensor；oil well；application

1001－3482（2011）11－0041－03

TE937

A

2011－05－18

項(xiàng)目來源：中石化重大攻關(guān)項(xiàng)目“油水井光纖四參數(shù)測試技術(shù)研究”（P09036）

許玲玲（1981－），女，山東東營人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于山東大學(xué)，現(xiàn)從事石油工程測試工作，E－mail：xulinglingsdu＠gmail.com。