段勝男，潘勇，蘆志偉中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院（新疆　克拉瑪依　834000）

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光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的油田應(yīng)用和發(fā)展趨勢

段勝男，潘勇，蘆志偉
中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院（新疆克拉瑪依834000）

光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種實(shí)時高精度監(jiān)測技術(shù)，具有耐高溫高壓、抗電磁干擾、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為油田監(jiān)測手段中最具前景的監(jiān)測方法。介紹了光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)的工作原理和在油田復(fù)雜環(huán)境條件下的應(yīng)用，并分析了未來發(fā)展趨勢。新疆油田經(jīng)過多年的現(xiàn)場應(yīng)用研究，光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)能夠在井下穩(wěn)定運(yùn)行2年以上，且擁有精確的測溫精度和壓力監(jiān)測準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了全井段溫度變化和井下單點(diǎn)壓力變化的連續(xù)穩(wěn)定動態(tài)監(jiān)測。

光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)；光纖分布式測溫；光纖測壓；溫度剖面

新疆油田風(fēng)城超稠油油藏儲量豐富，為有效動用超稠油儲量，自2008年開展SAGD先導(dǎo)試驗。SAGD全稱蒸汽輔助重力泄油（Steam Assisted Gravi?ty Drainage），其生產(chǎn)機(jī)理為向注汽井持續(xù)注入高溫蒸汽，蒸汽由于浮力作用而上升，在汽液界面因熱傳導(dǎo)造成蒸汽凝結(jié)，凝結(jié)的水及加熱的原油在重力作用下泄向生產(chǎn)井中被采出。

SAGD開采過程中，為有效規(guī)模動用油藏，最大限度地提高油氣采收率，井下溫壓動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)尤為重要，通過溫度剖面、壓力數(shù)據(jù)，直接反映蒸汽腔發(fā)育情況，判斷井筒內(nèi)流體相態(tài)變化等，為有效指導(dǎo)SAGD生產(chǎn)調(diào)控及工藝措施改進(jìn)提供依據(jù)。

傳統(tǒng)的油田監(jiān)測技術(shù)具有諸多缺點(diǎn)，不能滿足當(dāng)前日益精細(xì)化的油田開發(fā)方案，為進(jìn)一步提高監(jiān)測結(jié)果的有效性，技術(shù)人員開展光纖傳感器的油田應(yīng)用研究[1]。自2012起，新疆油田開展光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，并在SAGD井推廣應(yīng)用。

1　光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)工作原理

1.1光纖分布式測溫原理

在光纖分布式測溫（DTS）技術(shù)中，光纖不但是信號的載體起信號傳輸作用，還是敏感元件起溫度傳感器的作用。DTS測溫原理是結(jié)合光纖中時域反射技術(shù)（瑞利散射）和拉曼散射的溫度效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對待測光纖鏈路上各點(diǎn)溫度的分布式測量的[2-4]。

當(dāng)散射光信號的頻率與入射光信號不同而發(fā)生移動時，產(chǎn)生拉曼散射。拉曼散射有2個不同頻率的信號：頻率較低的為斯托克斯(Stokes)光（比光源波長長的光），頻率較高的為反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波長短的光），與入射光信號頻率偏移量的絕對值相等。光纖受外部溫度影響，光纖中的反斯托克斯光強(qiáng)發(fā)生變化，反斯托克斯與斯托克斯的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。

1.2光纖測壓原理

光纖測壓原理是基于法-泊腔(F-P)的腔長隨外界壓力變化的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)壓力測量。光纖壓力傳感器的核心部分是F-P腔，光纖（Fiber）端面與空氣隙形成F-P腔，當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時，引起F-P腔長的改變，其變化量正比于壓強(qiáng)[5]，如圖1所示。

圖1　F-P壓力作用模型結(jié)構(gòu)

當(dāng)壓力變化ΔP時，可由切應(yīng)變關(guān)系計算出腔長ΔG的變化：

式中：L為F-P腔焊點(diǎn)間距，m；ri、r0為毛細(xì)管內(nèi)外半徑，m；E為毛細(xì)管材料的楊氏模量，N/m2；μ為毛細(xì)管材料的泊松比。

光纖壓力傳感器是基于法布里-珀羅腔（F-P腔）干涉原理設(shè)計出的可用于測量井下單點(diǎn)壓力的設(shè)備。壓力的變化會導(dǎo)致F-P腔長的改變，由此通過F-P腔干涉光譜解調(diào)出精確的腔長值，就能完成環(huán)境壓力的測量。但是，溫度也是導(dǎo)致F-P腔長變化的一個主要因素，當(dāng)溫度變化時，F(xiàn)-P腔由于光纖和外管的熱膨脹引起的長度差異而導(dǎo)致腔長變化。

當(dāng)溫度變化時，由于光纖和外管的熱膨脹引起長度差異而導(dǎo)致的腔長變化ΔG為：

式中：αh、αi、αr為毛細(xì)管、入射光纖和反射光纖的熱膨脹系數(shù)；L為F-P腔焊點(diǎn)之間距離，m；ΔT為溫度差值，℃；G為腔長，m。

為了消除溫度因素，采用傳感器復(fù)用方案，在F-P腔傳感器中串聯(lián)一個光纖光柵傳感器（FBG）作為溫度傳感器，在不影響F-P腔壓力傳感的同時，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，從而完成壓力的精確測量。

1.3高溫井光纖測試技術(shù)研究

針對SAGD井高溫、腐蝕性等特點(diǎn)，新疆油田公司在常規(guī)光纖測試技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下幾個方面的設(shè)計和研制。

1）光纖纖芯選擇：選用特種涂覆光纖纖芯，增加光纖的耐溫和抗拉性能，適應(yīng)SAGD開采環(huán)境。

2）護(hù)管結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用三層護(hù)管方式，中層管選用純鋁材料，其表面形成的氧化鋁模可有效隔絕氫離子對光纖的滲透并提升光纜力學(xué)性能，成纜后充入氬氣密封，有效排除光纜內(nèi)部的空氣、水汽等雜質(zhì)，保證光纖成纜質(zhì)量。

3）光纖標(biāo)定：針對光纖長期測量下本征衰減引起的漂移問題，研制微型雙端光纖標(biāo)定裝置，對入井后的光纖進(jìn)行二次標(biāo)定，保證光纖測溫精度在±2℃以內(nèi)。

4）井下壓力傳感器：采用“全氟橡膠密封圈與全金屬卡套”雙重密封方式增加密封性能；優(yōu)化導(dǎo)壓管長徑比，提高測壓性能。

5）地面解調(diào)儀器：研制光纖測溫主機(jī)和壓力解調(diào)儀，在保證設(shè)備可靠性前提下實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，成本降低了1.5倍。

1.4光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)儀器

分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）主要包括兩部分：主機(jī)、傳感器（光纖）。主機(jī)由工業(yè)計算機(jī)、光器件、激光源等部分組成，它們集成在機(jī)箱內(nèi)，用于整個系統(tǒng)的參數(shù)配置、信號采集、信號分析和顯示存儲等。傳感器所采用的是特種鎧裝光纜，將它作為線型傳感器，通過分析光纖內(nèi)不同位置上的光散射信號得知相應(yīng)的溫度和位置信息。DTS系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測量從主機(jī)端口到井下端點(diǎn)整根光纖上所有點(diǎn)的溫度和位置，現(xiàn)場通過地面通訊光纜將多井次的井下測溫光纜引入中控室的DTS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一臺DTS主機(jī)監(jiān)測多井的井下溫度變化。

DTS主機(jī)溫度解調(diào)范圍：-40～400℃，溫度解調(diào)準(zhǔn)確度：±1℃，溫度分辨率：0.05℃；有效測量深度：4km，空間分辨率：1m；通道個數(shù)：12個，單井測量速率：＜30 s/次；光源波長：（1 064±10）nm，光源強(qiáng)度：＞100 W；光纜工作溫度范圍：-50～300℃；光纜外徑：6.35 mm，耐氫損。

光纖測壓系統(tǒng)主要包括三部分：地面解調(diào)儀、傳輸光纖和井下傳感器。地面解調(diào)儀類似于主機(jī)。傳輸光纖是一根特種鎧裝光纜，起光信號傳輸作用。井下傳感器包括FBG光柵和F-P腔兩部分：溫度的變化會導(dǎo)致FBG光柵的周期和折射率的變化，使峰值波長漂移，通過反射譜獲取峰值波長即可得到實(shí)時溫度。壓力的變化會導(dǎo)致F-P腔內(nèi)的入射光纖和反射光纖間距發(fā)生變化，通過獲取的干涉光譜數(shù)據(jù)可解調(diào)出該間距值，從而得到壓力大小。作為點(diǎn)式傳感器，通過分析下入井底傳感器位置處的反射光譜信號可以得知該位置處的溫度和壓力信息。光纖測壓系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測量光纖底部連接的井下傳感器位置處的單點(diǎn)溫度和壓力，現(xiàn)場通過光開關(guān)可以連接多根傳輸光纜，實(shí)現(xiàn)一臺地面壓力解調(diào)儀監(jiān)測多井的井下壓力變化。

光纖測壓系統(tǒng)地面解調(diào)儀壓力測量范圍：0～30 MPa，壓力測量精度：滿量程的0.1%；溫度測量范圍：0～300℃，溫度測量精度：0.5℃；有效測量深度：4 km；通道個數(shù)：12個，單通道測量速率＜10 s/次；光纖規(guī)格：單模光纖。

2　光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)在油田上的應(yīng)用

2.1現(xiàn)場應(yīng)用情況

自2012年新疆油田公司開展SAGD水平井光纖測溫測壓試驗以來，共計現(xiàn)場實(shí)施40井次，光纖測溫12井次，光纖測壓4井次，光纖溫壓同測24井次，現(xiàn)場實(shí)施成功率100%。截至2015年10月，最長連續(xù)工作時間24個月，最高監(jiān)測溫度302.2℃，最高監(jiān)測壓力7.92 MPa，監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時連續(xù)，溫度監(jiān)測準(zhǔn)確度±2℃；壓力監(jiān)測準(zhǔn)確度0.1 MPa，現(xiàn)場最長測量井深1 450 m。

現(xiàn)場試驗中，針對每口井的測量數(shù)據(jù)，對比光纖與熱電偶測溫數(shù)據(jù)，其平均測溫誤差為2℃，由測量結(jié)果可知光纖測溫與熱電偶測溫結(jié)果一致性較好，如圖2所示。與熱電偶的單點(diǎn)測溫相比，光纖DTS測量可獲得全井段的溫度剖面數(shù)據(jù)（間隔1m），更有助于蒸汽腔發(fā)育情況的判斷。

2.2現(xiàn)場應(yīng)用效果

光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)在風(fēng)城SAGD水平井上現(xiàn)場應(yīng)用，溫壓動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。新疆油田公司利用井下光纖溫壓數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)，進(jìn)行日常生產(chǎn)過程中生產(chǎn)壓差控制、sub-cool調(diào)控，水平段動用程度判斷，轉(zhuǎn)抽時機(jī)判斷等?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：光纖分布式測溫可獲得全井段的溫度剖面數(shù)據(jù)，更有助于對蒸汽腔發(fā)育情況的判斷，指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)控；光纖測量生產(chǎn)井井底壓力可判斷井下流體相態(tài)變化，分析注汽效果，預(yù)測產(chǎn)出狀況。

圖2　光纖與熱電偶測溫對比

2.2.1水平井連通判斷

監(jiān)測不同時間下SAGD水平生產(chǎn)井的溫度分布，可以有效判斷雙水平井在循環(huán)預(yù)熱階段的連通情況。對SAGD雙水平井井組進(jìn)行水平段連通判斷，將生產(chǎn)井燜井、注汽井兩點(diǎn)注汽，通過光纖全井段溫度測試監(jiān)測，在水平段445～775m處溫度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，即可判斷在該段已經(jīng)連通，連通段長330m，連通率為74.2%，初步具備轉(zhuǎn)抽條件，如圖3所示。

2.2.2指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)控

光纖分布式測溫曲線顯示轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)時生產(chǎn)井水平段受熱不均，后半段溫度較低，對該井進(jìn)行關(guān)井注氮?dú)狻⒏邷胤稚┑拇胧┱{(diào)控。向P井注蒸汽后，再次轉(zhuǎn)抽生產(chǎn)，水平段后半段溫度升高。

2.2.3井下蒸汽相態(tài)判斷

對比在SAGD循環(huán)預(yù)熱階段生產(chǎn)井井底實(shí)測壓力、井底溫度對應(yīng)飽和壓力和生產(chǎn)井注汽量，可判斷井下蒸汽相態(tài)。如圖4所示，當(dāng)實(shí)測壓力大于井底溫度對應(yīng)飽和壓力時，井下為液相；當(dāng)實(shí)測壓力與井底溫度對應(yīng)飽和壓力大致相同時，井下為氣相。

2.2.4計算Sub- cool，指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)控

Sub-cool是指生產(chǎn)井井底產(chǎn)液溫度與蒸汽腔溫度的差值，是SAGD生產(chǎn)階段關(guān)鍵操作參數(shù)確定的核心，與產(chǎn)量相關(guān)。對比在SAGD生產(chǎn)階段井底實(shí)測壓力的飽和溫度與水平段產(chǎn)液最高溫度，可判斷井下Sub-cool值大小，對生產(chǎn)參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。

圖3　水平井連通判斷曲線

3　存在問題與發(fā)展趨勢

光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，適于油田復(fù)雜環(huán)境條件下的實(shí)時監(jiān)測，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但不可避免會存在一些難題尚需進(jìn)一步攻克。

3.1存在問題

1）由于光纖傳感器的封裝技術(shù)、多參數(shù)交叉敏感性以及自身材料特性的限制，在長期高溫腐蝕環(huán)境下易發(fā)生信號衰減，機(jī)械強(qiáng)度、力敏和溫敏靈敏度降低，在環(huán)境較惡劣情況下難以長期穩(wěn)定運(yùn)行，要求針對特定油藏條件研制特定光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測傳感器。

圖4　井下蒸汽相態(tài)判斷

2）現(xiàn)場井距較遠(yuǎn)，監(jiān)測井井?dāng)?shù)較多，實(shí)時了解井下狀態(tài)需要實(shí)時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。光纖傳感信號數(shù)據(jù)量大，傳輸需大量占用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時傳輸是制約現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

3）目前光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用并不全面，通過井下溫度壓力的監(jiān)測可以了解井下環(huán)境指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)控。但進(jìn)一步描繪井下環(huán)境發(fā)展趨勢，如何與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合需要深入研究。

3.2發(fā)展趨勢

為了解決以上問題，未來基于光纖的油田井下溫壓實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下3個方面：

1）傳感器工藝技術(shù)的研究。針對特定油藏開發(fā)環(huán)境，研制相應(yīng)光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測傳感器，主要針對其材料特性、封裝結(jié)構(gòu)、材料保護(hù)等措施進(jìn)行改進(jìn)。

2）傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。多參數(shù)、實(shí)時、在線、大數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是未來油田監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。光纖傳感數(shù)據(jù)，要結(jié)合油田現(xiàn)場的其他監(jiān)測數(shù)據(jù)共同完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。

3）進(jìn)行多學(xué)科交叉研究，建立多參數(shù)變化模型，將光纖溫壓監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，更好地進(jìn)行油田開發(fā)特征描述和指導(dǎo)生產(chǎn)。

光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，其產(chǎn)品化研究也已達(dá)到實(shí)用化推廣的多項要求。國內(nèi)基于光纖溫壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù)在油田應(yīng)用方面起步較晚，但隨著光纖傳感技術(shù)的日益發(fā)展和應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，該技術(shù)必將成為油田監(jiān)測領(lǐng)域的首選方法之一。

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Dynamic monitoring technology of optical fiber temperature and pressure is a high-precision real-time monitoring technology developed in recent years, which has the advantages of high-temperature and high-pressure resistance, anti electromagnetic interfer?ence, corrosion resistance and so on, and it is the most promisingmonitoringmethod in oil field monitoringmethod in oilfields. The work?ing principle of optical fiber temperature and pressure dynamic monitoring technology and its applications in oilfield complex environ?ment are introduced, and the development trend of the technology in the future is analyzed. After many years of field application re?search, the optical fiber temperature and pressure dynamic monitoring system has been able to downhole stably work more than 2 years in Xinjiang Oilfield, and it has accurate temperature and pressure monitoring accuracy, whose pressure monitoring accuracy can reach to 0.1 MPa. It realizes the continuous and stable dynamic monitoring of the whole well temperature change and the monitoring of the downhole single point pressure change.

optical fiber temperature and pressure; dynamic monitoring technology optical fiber distributed temperature measurement; optical fiber pressure measurement; temperature profile

段勝男（1988-），女，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)工作。

本文編輯：王梅2015-12-09