潘億勇 顧啟林 孫玉豹孟祥海 汪 成李大儉

(1.中國(guó)海油(中國(guó))有限公司勘探開(kāi)發(fā)部 2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部 3.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.中國(guó)海油(中國(guó))有限公司天津分公司)

0 引 言

我國(guó)海洋原油儲(chǔ)量豐富，已發(fā)現(xiàn)稠油地質(zhì)儲(chǔ)量3.29×109m3，稠油熱采技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)海上稠油油田的有效手段之一。稠油熱采技術(shù)自2008年以來(lái)在渤海油田推廣應(yīng)用，取得了較好的開(kāi)發(fā)效果[1-2]。隨著增儲(chǔ)上產(chǎn)需求以及技術(shù)的發(fā)展，海上油田已進(jìn)入規(guī)模化熱采開(kāi)發(fā)階段。但海上熱采井多為水平井，注汽開(kāi)采面臨著水平段動(dòng)用程度不均勻、動(dòng)用程度未知，汽竄、水竄流道不明等問(wèn)題[3-4]，影響了熱采開(kāi)發(fā)效果。因此，海上稠油熱采對(duì)測(cè)試技術(shù)的需求日益迫切。

光纖測(cè)試技術(shù)是近些年興起的一種測(cè)試技術(shù)，因其分布式監(jiān)測(cè)與高精度的特性，在遼河油田、新疆油田以及勝利油田等陸地油田均有應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)稠油熱采井的注入與產(chǎn)出剖面監(jiān)測(cè)、蒸汽驅(qū)或火驅(qū)波及情況監(jiān)測(cè)，儲(chǔ)氣庫(kù)溫度及漏失監(jiān)測(cè)，以及冷采井找水、壓裂監(jiān)測(cè)[5-6]。張義強(qiáng)等[7]針對(duì)稠油熱采井提出了一種分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，使用?6.35 mm光纖管及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)取井筒溫度。鄭金中等[8]基于光纖光柵傳感器，研究了一種井下永久式光纖溫度-壓力測(cè)試技術(shù)，適應(yīng)井下200 ℃高溫測(cè)試需求。劉明堯等[9]基于光纖光柵壓力檢測(cè)原理，提出了一種套管井下壓力光纖光柵測(cè)量方法，并開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)研究。任利華等[10]創(chuàng)新性地將溫度監(jiān)測(cè)光纖與壓力監(jiān)測(cè)電纜一體化封裝、捆綁在油管柱下入，實(shí)現(xiàn)了全井筒溫度及部分井段壓力的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。鄒洪峰等[11]論述了國(guó)外光纖測(cè)井技術(shù)的發(fā)展概況、耐高溫光纖技術(shù)方案及國(guó)外開(kāi)發(fā)耐高溫光纖的情況。

雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于光纖測(cè)井技術(shù)的研究較多，但主要以井下永久式、半永久式光纖測(cè)試技術(shù)為主，通過(guò)油管或者套管攜帶的方式下入測(cè)試光纜。該類(lèi)型測(cè)井技術(shù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)過(guò)程中光纜易損壞而失去信號(hào)，而且井下光纜及配套工具無(wú)法重復(fù)使用，測(cè)試成本高、適用性不足。為此，筆者研發(fā)了一種耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)為一種臨時(shí)光纖測(cè)井技術(shù)，具有耐高溫、作業(yè)時(shí)間短、測(cè)試靈活高效，測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)回收的特點(diǎn)。2022年3月，該技術(shù)應(yīng)用于海上稠油油田蒸汽驅(qū)注汽井，成功獲取了該井全井段的溫度數(shù)據(jù)，了解了水平段的吸汽(吸水)狀況，為該油田蒸汽驅(qū)效果評(píng)價(jià)、注采方案優(yōu)化及堵調(diào)工藝措施實(shí)施提供了科學(xué)指導(dǎo)和依據(jù)。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 測(cè)試工藝流程

通過(guò)將部署于連續(xù)管內(nèi)部的耐高溫光纖下入井底，以光纖本身作為傳感器，地面端連接連續(xù)管光纜密封器、分布式溫度傳感測(cè)量系統(tǒng)(DTS)以及分布式聲學(xué)傳感系統(tǒng)(DAS)，從而實(shí)現(xiàn)全井段的溫度、聲波以及壓力等參數(shù)測(cè)試。通過(guò)DTS與DAS結(jié)合、相互驗(yàn)證，從而了解注汽井、生產(chǎn)井油層段的吸汽/產(chǎn)液狀況，識(shí)別出水層位，為注采方案優(yōu)化及工藝措施實(shí)施提供指導(dǎo)依據(jù)。水平井光纖連續(xù)管測(cè)試工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 水平井光纖連續(xù)管測(cè)試工藝流程圖

1.2 技術(shù)原理

(1)分布式光纖溫度測(cè)量原理。主要依據(jù)光纖的時(shí)域反射原理以及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖一端射入光纖時(shí)，光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內(nèi)部分子發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，故光脈沖在光纖中每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，其中有一部分反射光其方向與入射光的方向相反(亦可稱(chēng)為背向)[12-13]。這種背向反射光的強(qiáng)度與該反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)性。反射點(diǎn)的溫度越高，反射光的強(qiáng)度也越大。若能測(cè)出背向反射光強(qiáng)度，便可計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度。通過(guò)對(duì)光纖系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定，即可計(jì)算出環(huán)境的實(shí)際溫度[7]：

(1)

式中：T為測(cè)量點(diǎn)環(huán)境溫度，K；T0為恒溫槽溫度，K；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K;h為普朗克常數(shù)，h=6.63×1034J·s；c為真空中的光速，c=3×108m/s;Δγ為偏移系數(shù)，cm-1；R(T)為反斯托克斯光強(qiáng)度與斯托克斯光強(qiáng)度比值。

(2)分布式光纖聲波傳感測(cè)試原理。與常規(guī)OTDR(光學(xué)時(shí)域反射技術(shù))相比，基于C-OTDR的分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高、定位精度高以及多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。C-OTDR系統(tǒng)是基于光的干涉原理，對(duì)背向散射光的瑞利光信號(hào)以相干接收方法進(jìn)行接收，可有效消除系統(tǒng)中光放大器引入的自發(fā)輻射噪聲，增大了檢測(cè)信號(hào)的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍[14-16]。在探測(cè)方面，C-OTDR引入外差探測(cè)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的信噪比，從而減少了平均次數(shù)，提高了系統(tǒng)的振動(dòng)頻響能力。分布式光纖聲波傳感測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 分布式光纖聲波傳感測(cè)試原理圖

(3)分布式光纖定位測(cè)量原理。光脈沖進(jìn)入光纖之后開(kāi)始計(jì)時(shí)，發(fā)射端收到散射回波信號(hào)時(shí)，說(shuō)明該處信號(hào)是由距發(fā)射端處的光纖所產(chǎn)生。只要接收端的頻率足夠高，且采樣時(shí)間間隔足夠小，就能夠得到整根光纖的實(shí)際信號(hào)值，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。其測(cè)量計(jì)算式為：

L=c1t/2

(2)

式中：L為光纖產(chǎn)生散射的位置，m；c1為光脈沖在光纖中的傳播速度，m/s；t為光脈沖進(jìn)入光纖到接收到回波信號(hào)的時(shí)間差，s。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

(1)測(cè)溫范圍0～400 ℃，測(cè)溫精度± 0.2 ℃；

(2)測(cè)溫分辨率0.1 ℃，溫度漂移≤0.1 ℃/a；

(3)測(cè)壓精度為0.1% FS，測(cè)壓分辨率0.001 MPa；

(4)定位精度±0.5 m，空間分辨率≤0.5 m；

(5)測(cè)量頻率范圍5～10 kHz；

(6)最大測(cè)量距離>3 km。

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

(1)實(shí)時(shí)、快速實(shí)現(xiàn)井下多點(diǎn)測(cè)試；

(2)光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量；

(3)耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾；

(4)通過(guò)光纖精確定位連續(xù)管下入深度；

(5)測(cè)試作業(yè)靈活、高效，系統(tǒng)可回收。

2 關(guān)鍵配套設(shè)備工具

2.1 耐高溫光纖連續(xù)管

海上熱采井多為水平井，井斜角及狗腿度大，且注蒸汽井溫度高、壓力高，井下工況極為苛刻。常規(guī)光纖光纜不耐高溫，在熱采水平井工況下易損壞，進(jìn)而氫離子滲入光纜侵蝕光纖，導(dǎo)致光纖失效[17-18]。為此，筆者研發(fā)了耐高溫光纖連續(xù)管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該設(shè)備可在熱采水平井350 ℃高溫、21 MPa高壓工況下連續(xù)穩(wěn)定測(cè)試，獲取井下溫度、壓力以及聲波振動(dòng)等數(shù)據(jù)。

1—連續(xù)管；2—外層不銹鋼毛細(xì)管；3—內(nèi)層不銹鋼毛細(xì)管；4—耐高溫光纖。

關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：連續(xù)管外徑38.1 mm；外層不銹鋼毛細(xì)管外徑6.35 mm、825材質(zhì)；內(nèi)層不銹鋼毛細(xì)管外徑4 mm、316L材質(zhì)；耐高溫光纖采用改良聚酰亞胺光纖，耐溫350 ℃、耐壓21 MPa。

2.2 井口防噴裝置

為實(shí)現(xiàn)對(duì)注汽井高溫(≥300 ℃)、高壓工況下的光纖連續(xù)管測(cè)試[19]，研發(fā)了耐高溫連續(xù)管井口防噴裝置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該裝置采用耐高溫密封組件，主要由耐高溫防噴盒、雙層防噴管、噴淋裝置等部分組成。測(cè)試作業(yè)期間持續(xù)向防噴管中循環(huán)注入冷卻水降溫，并通過(guò)噴淋裝置向防噴盒降溫，同時(shí)可注入氮?dú)庾韪舾邷亓黧w，從多個(gè)方面保障高溫下井口防噴裝置的可靠性，確保連續(xù)管測(cè)試作業(yè)安全。

1—防噴循環(huán)立管；2—單向閥；3—防噴盒；4—噴淋裝置；5—循環(huán)軟管；6—耐高溫防噴立管。

關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：通徑77.7 mm；連接形式為法蘭連接；適用連續(xù)管規(guī)格?38.1 mm；耐溫≥320 ℃，耐壓≥21 MPa。

2.3 密封裝置

耐高溫光纖連續(xù)管密封裝置是一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)管、光纜及光纖之間密封的地面密封保護(hù)裝置。該裝置能防止當(dāng)井下連續(xù)管、光纜出現(xiàn)刺漏時(shí)，井下高溫流體上返至地面端造成安全風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)壓力表有壓力顯示時(shí)，可通過(guò)關(guān)閉光纖密封器球閥來(lái)關(guān)斷井下與地面的通道，確保測(cè)試安全。

1—連續(xù)管密封；2—針閥；3—卡套；4—球閥；5—三通；6—光纖密封器；7—壓力表。

關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：適用連續(xù)管外徑38.1 mm；適用光纜管直徑6.35 mm；耐溫350 ℃、耐壓21 MPa；關(guān)鍵部件材質(zhì)2Cr13。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 測(cè)試井概況

X1井為渤海某油田一口熱采水平井，完鉆井深1 752 m。該井自2011年以來(lái)開(kāi)展了3輪次注熱吞吐作業(yè)。為進(jìn)一步提高該油田熱采采收率，自2020年6月開(kāi)展水平井蒸汽驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)，注汽溫度330～340 ℃、注汽壓力9.5～110.0 MPa、過(guò)熱度>20 ℃。該井采用了高效隔熱+水平段均勻注汽的組合管柱，水平段共布置了10個(gè)均衡配注閥，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。截至2022年3月，井筒管柱及工具經(jīng)歷多次停注、高低溫交變工況考驗(yàn)，達(dá)到了方案預(yù)期效果，計(jì)劃2022年4月進(jìn)行換管柱作業(yè)。為了解該井水平段的吸汽情況，識(shí)別高滲、汽竄通道，在更換注汽管柱前開(kāi)展光纖連續(xù)管測(cè)試作業(yè)，為該井水平段注汽管柱優(yōu)化、后續(xù)注熱參數(shù)調(diào)整與調(diào)堵措施制定提供依據(jù)。

圖6 均衡配注閥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 注汽井測(cè)試工藝

(1)測(cè)試前準(zhǔn)備。目標(biāo)井注入過(guò)熱蒸汽，溫度高達(dá)340 ℃，進(jìn)行光纖連續(xù)管測(cè)試作業(yè)，最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為連續(xù)管井口防噴裝置?？紤]到光纖連續(xù)管首次應(yīng)用于注蒸汽井，風(fēng)較高，為確保安全作業(yè)，待該井停注后下入光纖連續(xù)管。并通過(guò)氮?dú)庠O(shè)備向注汽管柱中注入一定量的氮?dú)?，抑制管柱?nèi)高溫流體上返至井口，確保井口防噴裝置安全。

(2)光纖連續(xù)管入井及測(cè)試工藝。①光纖連續(xù)管入井前連接光纖解調(diào)設(shè)備，確認(rèn)光纖信號(hào)正常。②光纖連續(xù)管入井過(guò)程中間歇檢測(cè)光纖信號(hào)。③光纖連續(xù)管下入注熱管柱底部后，釋放下壓力，保持靜止?fàn)顟B(tài)[15]。④持續(xù)對(duì)水平段及全井筒管柱進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，水平段測(cè)試時(shí)間不少于12 h，當(dāng)同一點(diǎn)溫度變化不超過(guò)0.5 ℃/h時(shí)，達(dá)到測(cè)試目的。

3.3 測(cè)試結(jié)果解釋分析

2022年3月開(kāi)展光纖連續(xù)管測(cè)試作業(yè)，順利下至目的深度1 712 m，其中水平段溫度測(cè)試時(shí)間12 h，成功測(cè)取了全井筒的溫度數(shù)據(jù)。

(1)全井段光纖溫度測(cè)試解釋分析。X1全井段光纖溫度測(cè)試曲線如圖7所示，水平段注汽管柱內(nèi)溫度為290.5～293.5 ℃，檢驗(yàn)了光纖連續(xù)管的耐高溫性能。從圖7可以看出，注汽管柱存在多個(gè)溫度低點(diǎn)，說(shuō)明隔熱油管接箍處的隔熱性能要低于隔熱油管本體，有必要進(jìn)一步增強(qiáng)接箍處的隔熱性能，降低熱損失。通過(guò)分析測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)變化規(guī)律認(rèn)為，該井動(dòng)液面約為188 m，進(jìn)而計(jì)算目前該井地層壓力約為7.63 MPa(轉(zhuǎn)驅(qū)前地層壓力約為5 MPa)。

圖7 X1井全井段光纖溫度測(cè)試曲線

(2)水平段溫度測(cè)試解釋分析。水平段溫度測(cè)試曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，該井水平段吸汽不均勻，整體下半段吸汽情況優(yōu)于上半段吸汽情況[20-21]。

圖8 X1井水平段溫度變化趨勢(shì)圖

圖9 X1井水平段微差井溫條狀圖

吸汽相對(duì)差層段：1 530～1 575 m井段溫度相對(duì)偏低，平均溫度約為291.5 ℃，吸汽層段溫度1 530～1 550 m>1 550～1 560 m>1 560～1 575 m。

吸汽相對(duì)好層段：1 587～1 705 m井段溫度平穩(wěn)偏高，平均溫度約為293 ℃，吸汽層段溫度1 587～1 652 m>1 661～1 690 m>1 652～1 661 m>1 690～1 705 m。

圖10為X1井測(cè)井地質(zhì)解釋圖。對(duì)比圖8和圖10可知，水平段光纖測(cè)溫相對(duì)偏低(286～288 ℃)的井段為泥巖層段(1 453.4～1 456.2 m、1 505.0～1 520.3 m)。由于泥巖較砂巖吸熱性差，導(dǎo)致該處注汽期間溫度偏低，同時(shí)也驗(yàn)證了光纖連續(xù)管測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖10 X1井測(cè)井地質(zhì)解釋圖

(3)水平段均勻注汽管柱優(yōu)化。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過(guò)水平段均衡注汽設(shè)計(jì)軟件對(duì)該井水平段注汽管柱進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整均衡配注閥的位置及密度，改善水平段的吸汽情況，抑制汽竄情況，提高X1井蒸汽驅(qū)注汽效果。優(yōu)化后的均衡配注閥分布與首次注汽管柱均衡配注閥分布情況如表1所示。

表1 優(yōu)化后的均衡配注閥分布與均衡配注閥首次設(shè)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)論與建議

(1)通過(guò)耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試，可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)取全井筒的溫度、壓力及振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而了解注汽井或者生產(chǎn)井的水平段吸汽(吸水)、產(chǎn)出狀況，為注采效果評(píng)價(jià)、注采方案優(yōu)化及工藝措施提供指導(dǎo)和依據(jù)。

(2)通過(guò)采用耐高溫光纖連續(xù)管、光纖連續(xù)管密封裝置以及向管柱內(nèi)注入氮?dú)庾韪舾邷亓黧w上返至井口的組合測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)了注汽井高溫下的光纖連續(xù)測(cè)試，獲取了全井筒的溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)光纖連續(xù)管順利回收，達(dá)到了測(cè)試目的，為注汽井開(kāi)展光纖連續(xù)管測(cè)試積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(3)此次水平段溫度測(cè)試結(jié)果表明，該井水平段溫度及吸汽情況存在差異，整體趨勢(shì)下半段優(yōu)于上半段。建議對(duì)水平段均勻注汽管柱進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整不同層段均衡配注閥的位置及密度，以改善注汽效果；后續(xù)可對(duì)水平段下半段進(jìn)行堵調(diào)，抑制汽竄、水竄情況，進(jìn)一步改善注汽效果。

(4)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)井工藝，耐高溫光纖連續(xù)管測(cè)試具有耐高溫高壓、可實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)取數(shù)據(jù)、作業(yè)靈活高效、井下測(cè)試系統(tǒng)可回收等顯著的特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景，建議繼續(xù)在海上稠油熱采井推廣應(yīng)用。