油气井分布式光纤监测技术应用.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 3基金项目:油气藏地质及开发工程国家重点实验室2 0 2 2年开放基金课题“页岩油复杂裂缝扩展及支撑运移机理研究(P L N 2 0 2 2-1 8)作者简介:郭道凡(1 9 9 7-),女,安徽六安人,现为在读硕士研究生,研究方向为:水平井油气开采智能装备。通讯作者:杨冬(1 9 7 4-),男,辽宁葫芦岛人,博士,教授,主要研究方向:智能测井仪器。油气井分布式光纤监测技术应用郭道凡,杨 冬*(1.长江大学 机械工程学院,湖北 荆州 4 3 4 0 2 3)摘要:几十年来,随着测井技术不断发展,光纤的涉及在油气井行业也有长足的进步,仅在几年前,这一目标还
2、不可想象,但由于最近的几项关键技术进步,如配备光纤的井下实时数据测量这一目标得以实现。主要介绍光纤的传感原理、光纤井下监控使用这些技术获得的重大效益。传统方法仅限于测量稳态条件或单点动态条件,而光纤监测可以提供整个油井长度的实时温度剖面。通过操纵井筒温度,操纵获得的动态温度信息可以快速识别可能影响生产场景的井筒条件变化。关键词:光纤传感原理;井下温度监测;井下压力监测;井下流量监测中图分类号:P 6 3 1.8+3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 6-0 0 6 8-0 41 引用在石油仪器的发展过程中,测井仪器技术发展最快,新技术应用最多,技术水
3、平最高1。近年来,测井技术发展主要表现在以下几个方面:操作系统整合化、轻巧便携、智能化。地面操作系统需要具备多元化操作2借助先进的技术手段来达到实时监测井下数据,能够及时获取相关信息,做出预估和评判。由于油气井的环境,传统的传输信息的仪器达不到极端恶劣井下环境的要求,如极端的高温、高压、高腐蚀和井下岩石冲击。以前是通过测井电缆将井下的携带有用信息的电信号传输到地面的计算机处理系统3,在通过指定的解释软件把获取的电信号转换成所需数据。然而,传统的电缆测井也存在技术上的弊端。在水平井和斜井的地质条件的环境下会有电缆入井的窘境,其次在数据传输方面能力较慢,最后整个测试过程搭建成本高并且工具串需多次下
4、井作业达到基本工作需求。相对比与传统的电缆测井,具有光纤监测测井在其基础上做出了技术性的突破。2 光纤监测的原理光纤测井系使用多模或单模光纤作为主要传感元件4。光纤测温主要是通过光时域反射定位的原理。由激光源发射的单色光脉冲以周期性的间隔从表面沿光纤长度向下发送。当光脉冲击中光纤中的缺陷时,一些光被散射并反射回光源(瑞利散射),一些光激发缺陷处的分子。这些被激发的分子在入射光上下发生散射,散射光脉冲的一个组成部分称为布里渊散射,另一个组成部分称为拉曼散射。布里渊散射产生的波长与入射波长非常接近,很难进行温度测量。拉曼散射由两个波长组成,在入射波长上下移动相等。这两种波长被称为斯托克斯和反斯托克
5、斯。斯托克斯波长对温度相对不敏感,而反斯托克斯波长随温度升高而增强5。因此,通过比较斯托克斯分量和反斯托克斯波长分量的强度,可以确定沿光纤长度的温度。对多个光脉冲的结果进行平均,以确定沿光纤长度的温度分布。目前的仪器能够确定沿光纤每米间隔的温度。3 光纤在测井中的应用3.1 温度监测分布式温度是一种测量技术,它沿着光纤的整个长度提供连续的温度分布,可以将光纤安装在井内在必要时方便更换,方法是(通过使用流体阻力)将光纤输送到21/8英寸连续油管内部6。安装完成后的光纤可以在任何时间作为直接测量温度的手段。测量的精度和温度分辨率主要取决于光纤长度、采集时间、所需的空间分辨率,以及测量是单86 内蒙
6、古石油化工2 0 2 3年第6期 端(仅一端连接到表面仪器)还是双端(两端连接到仪器)。通过适当的处理,一口井下5公里处的温度分辨率可0.17。光纤可以安装在套管外部或井筒内部也可是永久性或临时性测量。当用作临时测量时,它通常通过井筒内的连续油管部署或者与包括光纤电缆在内的混合光电缆(图1)一起部署。此外,随着井下工具和仪器更加复杂,需要传输的数据量越来越多。使用内存模块获取信息导致数据的延迟和硬件复杂性和功耗的增加。井下工具的数据只有在从井中取出后才能获取。因此,在井下和地面设备之间传输数据对于实现实时控制和监测的测井活动是必要的8。图1 光电复合缆3.2 压力监测压强在油气井监测中必要的参
7、数,井内压强的大小决定油井是否稳定产能。当开采石油时只有在地层的压力大于井内压强产生压差的情况下,储存在岩石孔隙 中的原油 才会从地 层 中 渗 入 到 油管9。随着原油流入井内过程中井内和地层的压强是时刻发生变化,通常根据井内的压强数值来调解井口油嘴的大小达到控制生产不同产能制度。除此之外压强对于井场的设备安全性能以及操作研究人员的生命安全有至关重要的意义,每年全球因井内压强过大不能做到有效监控而造成的大小事故不计其数。对于发生井喷前会出现井侵、溢流、井涌以及井喷,当出现这些情景时如果能够很好的监测井内的压强做好防御措施就可以避免灾难的发生。光纤传感压力器(图2)可以很好的解决这一问题,它具
8、有光纤独特的优势能够满足对于井下压力的实时监测1 0。3.3 流量监测井下的含水量测量通常处于井下几千米的地层井筒内相对比在一般情况下,井下的含水量测量尤为困难。当在对井下持水率测量时对于测量仪器需要在具备承受高温、高压、高腐蚀不可变的环境因素外,还需在仪器的设计上满足结构紧凑和精准的测量尺度。光纤传感器在监测持水率是一个选择。斯伦贝谢研发的流体扫描成像测井仪F S I(图3)能够探测井内的数据。它带有光学探针和电探针均匀周向的分布,根据油、气、水三相的导电系数和密度不同,光学探针和电探针可以分别探测持气率和持水率。测量原理是根据探针周围的水泡或油泡在游离状态下碰上探针的次数,能够将石油井内的
9、持水率进行准确的测量,第一时间将持水率的变化通过光纤传输到地面控制台1 0。持水率的及时测定对石油开采工作的效率以及石油开采工作的安全性保证有着重要的意义,石油井中的含水量会对石油开采产生严重的影响,含水量的升高会使石油开采设备造成一定程度的损坏,以至于在日后的工作中会产生一些问题,将导致石油开采不能够顺利地进行,所以对水量的控制是十分必要的。图2 光纤传感压力器图3 F S I出井图96 2 0 2 3年第6期郭道凡等 油气井分布式光纤监测技术应用4 现场应用X井是位于四川盆地东南边缘与云贵高原过渡地带的一口页岩气水平井,井深2 1 7 9 m,水平段长7 0 5米,分4段共1 5簇压裂。该
10、井通过光纤连续油管过27/8生产油管下入深度2 1 7 7 m,覆盖所有测试段,通过D T S和D A S测试,在产气量为4万方每天2.5万方每天两种生产制度下测试,分别获取生产的数据瀑布图(见图4)。通过生产测量时的温度曲线与关井时的地温曲线进行产出解释得到的测试结果(见图5)。D T S解释结果显示在产气量为4万方每天制度下第3段产气量贡献率为3 5.4 2%,第2段的产气量为1 5.5%;在产气量为2.5万方每天制度下第2段产气量贡献率为3 9.0 4%,第1段的产气量为9.9 6%;结合2种制度下各簇产气贡献率总体贡献率较为突出在第3,4段。图4 X井D T S数据“瀑布图”图5 X井
11、两种生产制度下的产气贡献率5 总结与认识(1)使用实时光纤井下测量系统,可以提供传统测井仪器或井下仪表无法提供的数据。(2)通过操纵井筒温度,获得的动态温度信息可以提供识别井筒条件的信息。通过克服井下事件与地面监测之间的时间延迟,实时井下监测允许快速调整,使操作更安全、更高效。(3)光纤具有广阔的应用前景,在国内中石油07 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 在其几口油气井放置了光纤系统,但是由于其寿命达不到预期的目标,所以目前还无法实现大规模安装的水平,但是一旦这个问题得到了改善或者解决,相信光纤系统具有极大的发展前景。参考文献1 王兆明,温志新,贺正军,等.全球近1 0年油气勘探新进展特
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