光纖溫壓動態監測技術的油田應用和發展趨勢

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

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光纖溫壓動態監測技術的油田應用和發展趨勢

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

光纖溫壓動態監測技術是近年發展起來的一種實時高精度監測技術，具有耐高溫高壓、抗電磁干擾、抗腐蝕等優點，成為油田監測手段中最具前景的監測方法。介紹了光纖溫壓動態監測技術的工作原理和在油田復雜環境條件下的應用，并分析了未來發展趨勢。新疆油田經過多年的現場應用研究，光纖溫壓動態監測系統已經能夠在井下穩定運行2年以上，且擁有精確的測溫精度和壓力監測準確度，實現了全井段溫度變化和井下單點壓力變化的連續穩定動態監測。

光纖溫壓動態監測技術；光纖分布式測溫；光纖測壓；溫度剖面

新疆油田風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先導試驗。SAGD全稱蒸汽輔助重力泄油（Steam Assisted Gravi?ty Drainage），其生產機理為向注汽井持續注入高溫蒸汽，蒸汽由于浮力作用而上升，在汽液界面因熱傳導造成蒸汽凝結，凝結的水及加熱的原油在重力作用下泄向生產井中被采出。

SAGD開采過程中，為有效規模動用油藏，最大限度地提高油氣采收率，井下溫壓動態監測數據尤為重要，通過溫度剖面、壓力數據，直接反映蒸汽腔發育情況，判斷井筒內流體相態變化等，為有效指導SAGD生產調控及工藝措施改進提供依據。

傳統的油田監測技術具有諸多缺點，不能滿足當前日益精細化的油田開發方案，為進一步提高監測結果的有效性，技術人員開展光纖傳感器的油田應用研究[1]。自2012起，新疆油田開展光纖溫壓動態監測技術，并在SAGD井推廣應用。

1　光纖溫壓動態監測技術工作原理

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測溫原理是結合光纖中時域反射技術（瑞利散射）和拉曼散射的溫度效應來實現對待測光纖鏈路上各點溫度的分布式測量的[2-4]。

當散射光信號的頻率與入射光信號不同而發生移動時，產生拉曼散射。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發生變化，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現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來實現壓力測量。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，當外界壓力發生變化時，引起F-P腔長的改變，其變化量正比于壓強[5]，如圖1所示。

圖1　F-P壓力作用模型結構

當壓力變化ΔP時，可由切應變關系計算出腔長ΔG的變化：

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

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

當溫度變化時，由于光纖和外管的熱膨脹引起長度差異而導致的腔長變化ΔG為：

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

為了消除溫度因素，采用傳感器復用方案，在F-P腔傳感器中串聯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，實現溫度補償，從而完成壓力的精確測量。

1.3高溫井光纖測試技術研究

針對SAGD井高溫、腐蝕性等特點，新疆油田公司在常規光纖測試技術的基礎上，進行以下幾個方面的設計和研制。

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SAGD開采環境。

2）護管結構設計：采用三層護管方式，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性能，成纜后充入氬氣密封，有效排除光纜內部的空氣、水汽等雜質，保證光纖成纜質量。

3）光纖標定：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定裝置，對入井后的光纖進行二次標定，保證光纖測溫精度在±2℃以內。

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；優化導壓管長徑比，提高測壓性能。

5）地面解調儀器：研制光纖測溫主機和壓力解調儀，在保證設備可靠性前提下實現設備國產化，成本降低了1.5倍。

1.4光纖溫壓動態監測系統儀器

分布式光纖測溫系統（DTS）主要包括兩部分：主機、傳感器（光纖）。主機由工業計算機、光器件、激光源等部分組成，它們集成在機箱內，用于整個系統的參數配置、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，通過分析光纖內不同位置上的光散射信號得知相應的溫度和位置信息。DTS系統可以準確地測量從主機端口到井下端點整根光纖上所有點的溫度和位置，現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系統中，實現一臺DTS主機監測多井的井下溫度變化。

DTS主機溫度解調范圍：-40～400℃，溫度解調準確度：±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：12個，單井測量速率：＜30 s/次；光源波長：（1 064±10）nm，光源強度：＞100 W；光纜工作溫度范圍：-50～300℃；光纜外徑：6.35 mm，耐氫損。

光纖測壓系統主要包括三部分：地面解調儀、傳輸光纖和井下傳感器。地面解調儀類似于主機。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時溫度。壓力的變化會導致F-P腔內的入射光纖和反射光纖間距發生變化，通過獲取的干涉光譜數據可解調出該間距值，從而得到壓力大小。作為點式傳感器，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。光纖測壓系統可以準確地測量光纖底部連接的井下傳感器位置處的單點溫度和壓力，現場通過光開關可以連接多根傳輸光纜，實現一臺地面壓力解調儀監測多井的井下壓力變化。

光纖測壓系統地面解調儀壓力測量范圍：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：12個，單通道測量速率＜10 s/次；光纖規格：單模光纖。

2　光纖溫壓動態監測技術在油田上的應用

2.1現場應用情況

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，共計現場實施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，現場實施成功率100%。截至2015年10月，最長連續工作時間24個月，最高監測溫度302.2℃，最高監測壓力7.92 MPa，監測數據實時連續，溫度監測準確度±2℃；壓力監測準確度0.1 MPa，現場最長測量井深1 450 m。

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

2.2現場應用效果

光纖溫壓動態監測技術在風城SAGD水平井上現場應用，溫壓動態監測系統實時連續監測數據。新疆油田公司利用井下光纖溫壓數據指導生產，進行日常生產過程中生產壓差控制、sub-cool調控，水平段動用程度判斷，轉抽時機判斷等。現場應用表明：光纖分布式測溫可獲得全井段的溫度剖面數據，更有助于對蒸汽腔發育情況的判斷，指導生產調控；光纖測量生產井井底壓力可判斷井下流體相態變化，分析注汽效果，預測產出狀況。

圖2　光纖與熱電偶測溫對比

2.2.1水平井連通判斷

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

2.2.2指導生產調控

光纖分布式測溫曲線顯示轉抽生產時生產井水平段受熱不均，后半段溫度較低，對該井進行關井注氮氣、高溫分散劑的措施調控。向P井注蒸汽后，再次轉抽生產，水平段后半段溫度升高。

2.2.3井下蒸汽相態判斷

對比在SAGD循環預熱階段生產井井底實測壓力、井底溫度對應飽和壓力和生產井注汽量，可判斷井下蒸汽相態。如圖4所示，當實測壓力大于井底溫度對應飽和壓力時，井下為液相；當實測壓力與井底溫度對應飽和壓力大致相同時，井下為氣相。

2.2.4計算Sub- cool，指導生產調控

Sub-cool是指生產井井底產液溫度與蒸汽腔溫度的差值，是SAGD生產階段關鍵操作參數確定的核心，與產量相關。對比在SAGD生產階段井底實測壓力的飽和溫度與水平段產液最高溫度，可判斷井下Sub-cool值大小，對生產參數做相應調整。

圖3　水平井連通判斷曲線

3　存在問題與發展趨勢

光纖溫壓動態監測技術具有無法比擬的優點，適于油田復雜環境條件下的實時監測，成為國內外研究的熱點，但不可避免會存在一些難題尚需進一步攻克。

3.1存在問題

1）由于光纖傳感器的封裝技術、多參數交叉敏感性以及自身材料特性的限制，在長期高溫腐蝕環境下易發生信號衰減，機械強度、力敏和溫敏靈敏度降低，在環境較惡劣情況下難以長期穩定運行，要求針對特定油藏條件研制特定光纖溫壓動態監測傳感器。

圖4　井下蒸汽相態判斷

2）現場井距較遠，監測井井數較多，實時了解井下狀態需要實時獲取監測數據。光纖傳感信號數據量大，傳輸需大量占用網絡，實時傳輸是制約現場應用的關鍵因素之一。

3）目前光纖監測數據的應用并不全面，通過井下溫度壓力的監測可以了解井下環境指導生產調控。但進一步描繪井下環境發展趨勢，如何與其他監測數據相結合需要深入研究。

3.2發展趨勢

為了解決以上問題，未來基于光纖的油田井下溫壓實時監測技術的發展趨勢主要有以下3個方面：

1）傳感器工藝技術的研究。針對特定油藏開發環境，研制相應光纖溫壓動態監測傳感器，主要針對其材料特性、封裝結構、材料保護等措施進行改進。

2）傳感網絡技術的研究。多參數、實時、在線、大數據傳感網絡系統是未來油田監測發展的必然趨勢。光纖傳感數據，要結合油田現場的其他監測數據共同完成監測數據的實時傳輸。

3）進行多學科交叉研究，建立多參數變化模型，將光纖溫壓監測數據與其他監測數據相結合，更好地進行油田開發特征描述和指導生產。

光纖溫壓動態監測技術已經日臻成熟，其產品化研究也已達到實用化推廣的多項要求。國內基于光纖溫壓動態監測技術在油田應用方面起步較晚，但隨著光纖傳感技術的日益發展和應用的不斷擴大，該技術必將成為油田監測領域的首選方法之一。

[1]孫艷坤,李琦,李霞穎，等.基于光纖Bragg光柵的油氣工業實時監測技術研究進展[J].科技導報，2015，33（13）：84-91．

[2]張小麗，陳樂，孫堅，等.一種分布式光纖溫度傳感器的校準方法[J].自動化儀表，2011，32（12）：32-35．

[3]盛守東.套管內光纖分布式連續測溫技術及其應用研究[D].大慶：東北石油大學，2012．

[4]王偉杰.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統設計及優化[D].濟南：山東大學，2013．

[5]韓吉聲,潘勇,李士建,等.稠油熱采井下光纖壓力傳感信號的小波降噪方法[J].激光與光電子學進展, 2012（9）：57-62.

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，現從事油氣田開發工作。

本文編輯：王梅2015-12-09