光纖溫度測試技術在油井中的應用

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（華東）機電工程學院，山東東營257061） ①

光纖溫度測試技術在油井中的應用

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（華東）機電工程學院，山東東營257061）①

光纖傳感器具有體積小、高靈敏、抗干擾的優點，在油井井下測試中的應用日趨廣泛。介紹了分布式光纖溫度測試技術和光纖光柵測溫技術。現場應用表明：光纖溫度測試技術能夠實現井下固定點及剖面的永久溫度監測，為油藏監測、工藝措施的有效實施和提高采收率打下基礎。

光纖；溫度傳感器；油井；應用

油氣田開發亟需研究的一個重要領域是監測油藏動態和實施優化采油，其中油藏溫度檢測是對油藏實施有效管理和提高采收率的基礎。井下溫度測試數據可以用于產出層位的劃分、實時生產剖面監測、套管竄槽和漏失情況判斷；尤其對于稠油注蒸汽井，準確、連續、實時地進行井下溫度監控，能實現實時注入剖面監測和實時注蒸汽管理。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測。目前，應用于油水井的光纖溫度測試技術主要有分布式光纖溫度測試技術和光纖光柵測溫技術。

1 原理簡介

1.1 分布式光纖溫度測試技術

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

常規的通信光纖耐溫為－45～75℃。在常規油水井中，溫度可達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300℃，因此，耐高溫光纖是其關鍵技術。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

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

當一束寬譜光射入FBG時，一部分光透過FBG繼續傳輸，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較好的線性關系；在高溫段（＞100℃），反射波長與溫度呈非線性關系，可用二次多項式［1］表示波長變化量Δλ和溫度變化量ΔT之間的關系，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。

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。采用相位掩膜法在摻鍺石英光纖上刻制FBG［2］；利用化學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Bragg光柵。在高溫環境下，光纖光柵的反射波長與溫度有很好的線性關系。另外，經研究發現提高光纖光柵傳感器基體材料的熱膨脹系數，能夠有效提高FBG的高溫線性。

2 現場應用

2.1 分布式光纖溫度測試系統

分布式光纖測溫系統在石油工程測試中的應用包括：實時生產剖面監測、實時注入剖面監測、實時注蒸汽管理、油井水氣竄監測、深水完井監測、人工舉升監測與優化、水平井剖面監測及多產層井測試。1996年，該技術首次應用［3］于加利福尼亞州的West Coalinga油田蒸汽驅井組。

哈里伯頓公司在印度尼西亞的蒸汽驅井應用光纖分布式測溫技術對油藏溫度監測。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。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，出現多處溫度突變，據此可判斷氣竄。

光纖分布式測溫技術在國內雖起步較晚，但隨著蒸汽輔助重力泄油技術（SAGD）及開發深層稠油資源的需求，國內各油田及院校相繼開展此方面的研究。1997－05，遼河油田在曙一區杜84塊SAGD生產井安裝了光纖分布式測溫系統和毛細管測壓系統，用來監測蒸汽腔的形成。2006—2007年，在遼河油田SAGD先導試驗區新鉆6口溫度觀察井中，安裝了光纖分布式測溫系統［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展，顯示蒸汽腔已形成。2009年在錦45塊，試驗區中心井組附近3口溫度觀察井（錦45－J2、觀26和22－250）應用了光纖分布式測溫系統，實時監測地層溫度場變化，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年研制開發和應用了油井分布式光纖測溫系統，并在草橋區塊油田CN8－3注汽井上進行了現場測試試驗，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先導區溫度觀察井組溫度曲線

2.2 光纖光柵溫度測試系統

2002年，威德福在阿拉斯加附近的奧斯達爾油田（orthstart）安裝了永久光纖光柵溫度壓力傳感器監測油藏。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，溫度壓力值發生了相應的突變。

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，2009－04將其安裝在勝利油田GO6－28－495井中，對該井的井底溫度、壓力進行實時監測。該井為國內第1口光纖分層測試分層采油井，為智能完井技術的研究奠定了基礎。

圖5 NS－14井射孔溫度－壓力曲線

3 結論

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

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

3） 光纖傳感器性能穩定，能夠抵抗高溫、高壓等惡劣井下環境，其在油藏監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］測試等石油應用領域發展。

［1］ 劉欽朋，喬學光，賈振安，等.光纖Bragg光柵高溫傳感技術研究［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.溫度觀察井系統在超稠油SAGD開發中的應用［J］.油氣地質與采收率，2008，15（3）：99－101.

［5］ 左芳君，鐘功祥.油氣水多相測量系統的設計［J］.石油礦場機械，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

項目來源：中石化重大攻關項目“油水井光纖四參數測試技術研究”（P09036）

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