連續油管光纖測井技術在產氣剖面中的應用

劉建成,段銀鹿,溫柔,鄭小敏,裴陽,杜旭

(中國石油集團測井有限公司生產測井中心,陜西西安710077)

0 引 言

近年來,以“三低”油氣藏著稱的長慶氣田水平井數量逐年增加,常規水平井產氣剖面測井受井筒通徑、出砂、軌跡等因素制約,容易遇阻遇卡,特別是流量計容易出現啟動困難和轉動失效等現象。目前,利用光纖測井技術評價產氣剖面是研究熱點,董杰[1]通過一套基于分布式聲波監測系統(DAS)技術的水下聲波測量系統,證實了DAS技術能夠實時快速地實現多個聲波信息的定量測量。張向林等[2]提出利用光纖后向拉曼散射的溫度效應,對光纖所在的溫度場進行實時測量,分布式結構使該系統能夠實現實時快速多點測量。本文利用連續油管光纖產氣剖面測井技術,采用分布式溫度監測系統(DTS)和分布式聲波監測系統(DAS)模式,有效解決低滲透油田間歇產出對測井的影響,實現整個產層全覆蓋實時測量,對井筒內流體溫度、壓力和流量分布連續記錄。采集的資料更加精準詳實和全面,有利于下一步分析油氣藏和產層信息,優化氣井生產工藝、指導采氣生產[3-5]。

1 連續油管光纖產氣剖面測井原理

連續油管光纖產氣剖面測井將測井儀器連接在連續油管頂端,油管內部穿有光纖,在上提或下放連續油管的同時帶動儀器完成全井段測試。該儀器包括分布式溫度監測系統和分布式聲波監測系統,具有儀器輸送動力大、操作方便、成功率高等特點。

1.1 分布式溫度監測系統

分布式光纖溫度傳感器基于光纖內部光的散射現象溫度特性,利用光時域反射測試技術,通過光纖傳送較高功率窄帶光脈沖信號,探測隨時間的變化返回的散射光強,得出整個光纖長度上的溫度剖面[5]。分布式光纖溫度監測系統由地面計算機、DTS問答機和高溫溫度監測光纖構成。入射端發出略低于真空光速的一束向前傳播的脈沖光,并向周圍發射散射光,散射光中的一部分沿光纖返回至入射端,反射回入射端的反射光中,有一種反射光為拉曼散射光。它具有2種頻率成分:斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光。其中斯托克斯光與溫度無關,而反斯托克斯光的強度會隨著溫度的變化而變化。通過實測這2種光強度之比可計算出絕對溫度值。將1條光纖分為等間距的多個區域,對各個區域的拉曼散射光信號精細處理,可完成整個光纖等間距的分布式井溫測量。

1.2 分布式聲波監測系統

分布式聲波監測系統利用光纖對聲波(振動)敏感性特性,當傳感光纖感應到外界振動時,光纖的折射率、相位及長度將會產生微小的變化,使光強產生變化,由此確定每米光纖上的聲波幅度,從而確定各層的產量。

單個脈沖周期內,參考光纖后向瑞利散射光一維脈沖響應模型[6-8],假如有一束頻率為f的矩形脈沖入射光,脈沖寬為ω,同時假設該入射光相干時間與脈沖寬ω相比無限大。那么在時間t=0時將此光脈沖發射進入光纖內,在光纖輸入端獲得后向瑞利散射光er(t),其振幅可表示為[9]

(1)

式中,ai和τi分別為第i個散射波振幅與時間的延遲,單位分別為dB和s;N為設定的散射個數;當[t-τi]/ω≤1時,矩形函數rect[(t-τi)/ω]值為1,否則為0。時間延遲τi與從輸入端至第i個散射光纖長度li(單位為m)的關系表示為τi=(2nfli)/c;c為真空光速,m/s;nf為光纖的折射率。任意時刻接收到的最終干涉光強為

(2)

式中,Δφij=4πfnf(li-lj)/c。干涉光強含有聲信號引起的相位差φij。只需要解調φij,就能夠定量且精準地恢復聲源信號幅度、相位及頻率等信息。

2 模型建立及流量求取

2.1 穩態熱力學模型及蒙特卡洛法非線性反演

本文使用一維熱力學模型模擬井筒生產段在穩態下的溫度響應。模型建立有2個基本假設:生產流體為單相氣態,溫度響應為穩態,也就是模型中dT/dt項為0。

如考慮井筒熱力學模型計算網格的1個格點,設x為井筒軸向坐標,當前格點的長度為Δx的1個小量;設穩定生產時井口總產量的流體速度為v,產量積累分布為R(x),即生產段從趾端起R為0,到跟端R為100%;則當前格點流入的氣體速度為vR(x),氣體溫度為T(x);設當前格點內新增生產流速為vΔR,生產氣體溫度為Tp;設井筒周圍巖層/油藏溫度為Tf;對當前格點建立穩態熱力學方程

(3)

式中,U為井壁熱傳導系數,無單位;G為生產流體溫壓系數,℃;dTJT為焦湯效應溫差,℃;Tf為井筒周圍的儲層溫度,℃;T為穩產中井內溫度,℃。式(3)等號左邊為井筒內流體在經過這一格點后的溫度變化;右邊第1項為井筒熱傳導導致的溫度變化,第2項為熱對流導致的溫度變化,包括:①格點范圍內如有射孔簇生產,則油藏中生產流體進入井筒,流體速度增量為vΔR,這部分增量流體溫度在穩態假設下與井筒周圍巖層/油藏溫度相同;②焦湯效應,生產氣體通過多孔介質由油藏進入井筒,壓力降低,產生冷卻效應,這對氣體生產一般較為顯著。式(3)等號右邊第3項代表生產流體溫壓關系,z為當前地層深度,當水平井水平段深度變化不大,且生產的是氣體時,可以認為這一項是小量。

產氣剖面解釋使用至少2個DTS的溫度測量結果,一個是井筒周圍的儲層溫度Tf,由關井一段時間后的基線測量代表;另一個是穩產時的井內溫度曲線T,即模型反演目標曲線。水平井段模型通常由上千個或更多模型格點構成,是一個非線性非常強的高維問題,因此模型反演使用蒙特卡洛方法,隨機產生多個(該項工作使用了1 800個)產氣剖面分布,迭代反演得到最優化的產氣剖面解釋。在去除物理上不合理的解之后,仍會有上千個結果滿足優化條件,因此,在之后的結果展示中,每簇生產貢獻會有1個統計上的均值和標準差。

2.2 生產井井筒熱傳遞模型分析及流量求取

當流體從井內產出時,井筒溫度與地層溫度會產生偏差,此時上部產層流體溫度高于原始地層溫度。假設相態不受深度的微小改變而變化,根據能量守恒原理,液體損失的熱量與傳送至套管的熱量大致相等,通過地層周圍向套管傳遞的熱傳導速度及地層溫度線隨深度改變的線性關系,最終得到流體溫度隨著時間t和計算點離流體入口點距離Z的表達式為

(4)

式中,T1為油管內流體溫度,℃;Z為計算點離流體入口點的距離,m;TGe為流體入口點地層溫度,℃;gG為地層溫度梯度,℃/m;A為弛豫距離,m;Tef為流體在井筒內的溫度,℃;TeG為計算點的地層溫度,℃。

根據井筒內流體溫度的特征,在較為穩定的生產層曲線上,以固定深度間隔讀取若干組Z、T1(Z,t)值,以指數的形式對讀取的數值進行最小二乘曲線擬合,得到弛豫距離A。具體方法如下。

首先,從某一個深度點開始,在流體入口點以上某段井溫剖面曲線以及相應的地溫梯度線上,以一定深度間隔讀取若干組Z、T1(Z,t)值,一直讀取到較為穩定的深度為止。由式(4)和最小二乘法擬合1條最佳井溫曲線,該曲線對應的馳豫距離A值更具有代表性。求得流量

(5)

式中,Q為某深度點的流量,m3/s;k為井筒中某點流量與地層的熱導率,W/(m·℃);ρf為流體密度,kg/m3;c井內流體比熱,J/(kg· ℃);r2為套管外徑,m;α為地層熱擴散率,cm2/s;t為總生產時間,s。該方法要求產層間距離足夠大,漸近線擬合可靠,地層參數和井內流體參數已知,穩產下生產足夠的時間測得。

3 連續油管光纖測井技術現場應用

靖XX井為1口采氣井,為了解該井壓裂后各壓裂段產出狀況,采用連續油管輸送工藝,將光纜下入下入目的層;采用分布式溫度監測系統DTS進行全井段連續實時測量,并用分布式聲波監測系統DAS進行測量約束,確定各產層的產氣量和產水位置。

3.1 基于DTS測量的產氣剖面解釋

圖1為求解產氣剖面使用的2個不同階段下(關井/穩產)的全井段DTS溫度瀑布圖。2個階段各自進行了6 h數據采集,每20 min采集1條全井溫度曲線。

圖1 全井段DTS溫度瀑布圖

圖2 DTS溫度曲線:關井-穩產

DTS測量在地面設有恒溫箱模塊,用于校準溫度測量曲線,主要校準參數為反斯托克斯、斯托克斯雙光路衰減系數差和測量偏移值。圖2是進行溫度校準后的溫度曲線,青線為關井溫度基線,即壓裂完井一段時間后關井測量的井筒水平段穩定溫度分布,近似于井筒周圍的儲層溫度;藍線為對關井溫度基線做空間平滑去噪后得到的曲線;棕線為穩態生產溫度測量曲線,為開井后生產一段時間產量穩定時測量的溫度分布;深棕線為對穩態生產溫度做空間平滑去噪后得到的曲線。由于連續油管只下到約4 200 m,可觀測到的各射孔簇深度位置用紅色十字在圖2中標出。

圖2中的2條測量曲線有壓裂作業后水平井溫度的典型特征:①井筒水平段的實際地層垂深變化很小,可以認為深度變化造成的地層溫度梯度變化可以忽略,因此,2條溫度曲線在水平段的大走勢不像垂直段一樣呈現明顯上升趨勢;②關井溫度基線上顯示明顯的局部溫度低點,這些低點的位置與壓裂射孔簇位置重合,形成原因是壓裂過程中在射孔附近造縫并注入較冷的壓裂液,造成局部冷卻;③開井穩態生產一段時間后,如棕線所示,井筒內的氣體流動造成的熱對流抹平了大部分青線上的局部溫度低點;然而在3 900 m左右生產溫度曲線有1個驟降。

圖3是對基于DTS測量的產氣剖面解釋結果。圖3中青線為校準后水平段DTS測量的關井基準線(經過時間域平滑處理);黑線為校準后水平段DTS測量的穩態生產溫度曲線(經過時間域平滑處理);各簇射孔位置由藍色十字標出;紅色虛線為熱力學產氣剖面解釋模型反演得到最優化解的預測穩態生產溫度曲線。各射孔簇的生產貢獻百分比由柱狀圖給出,這是如前所述蒙特卡羅反演方法的一個特點,結果由千余個滿足優化條件的模型解空間給出,柱狀圖表示給出當前簇貢獻百分比的均值,黑色實線標出標準差的誤差線。

3.2 DAS約束下的DTS產氣剖面解釋

分布式聲波監測系統DAS利用相干光時域反射測量的基本原理,將相干短脈沖激光信號注入光纖中,當外界聲波傳播至光纖時,纖芯內部結構會產生微小地改變,導致背向瑞利散射信號的改變,從而改變接收到的反射光強度,通過檢測井下瑞利散射光信號事件前后的強度變化,經信號處理后,超低頻的DAS信號可用來觀測微小的溫度變化,以此探測并精準定位監測井井下流體事件。

圖3 基于DTS測量的產氣剖面解釋結果

圖4 關井至開井循環中由DAS超低頻信號求解出熱段塞流速度

在執行關井至開井的操作序列時,井筒內的生產氣體流動會與流經的井筒進行熱交換,產生1個以局部氣體流速前進的溫變信號,即1個熱段塞流。通過穩態熱力學模型及實驗表明,超低頻DAS信號瀑布圖上可以觀測到熱段塞流信號(見圖4中黑色虛線標出的紅色段)。通過測量瀑布圖上熱段塞流的斜率可以得到局部的氣體流速v。

3次關井至開井序列中,4 100、4 011和3 845 m附近的熱段塞流速度在3～11 cm/s各不相同,但每次觀測中這三者之間的比例基本保持不變;在4 000 m以下的熱段塞流速度與3 845 m附近的熱段塞流速度相差較大,后者約為前者的1.7倍,這與使用DTS測量得出的產氣剖面結果中,3 900 m左右的6段2簇是1個主要的生產貢獻簇的結論相符合。

假設穩產與關井至開井序列的測量中,各生產簇的貢獻比例保持不變(基于油藏儲層的線性響應假設),那么超低頻DAS測量得出的各熱段塞流速度之比可以作為基于DTS測量的產氣剖面模型的有效約束。

圖5是受到超低頻DAS熱段塞流速度約束的基于DTS測量得到的產氣剖面模型結果。圖5中青線為校準后水平段DTS測量的關井基準線(經過時間域平滑處理);黑線為校準后水平段DTS測量的穩態生產溫度曲線(經過時間域平滑處理);各簇射孔位置由藍色十字標出;紅色虛線為熱力學產氣剖面解釋模型反演得到最優化解的預測穩態生產溫度曲線。

圖5 受到超低頻DAS熱段塞流速度約束的基于DTS測量的產氣剖面解釋結果

表1對比了使用和不使用DAS約束的2種產氣剖面解釋結果。各射孔簇的生產貢獻以百分比表示。95%置信區間表示在使用蒙特卡洛方法反演的超過1 000個模型優化結果中,當前簇的生產貢獻有95%的可能落在這個區間內。由于連續油管僅下到井深4 200 m,沒有對S1～S4段溫度的直接觀測,因此,S1～S4段的生產貢獻為1個模型反演的估算值,估計占總產量的30%。第6段第2簇貢獻了總產量的32%～40%左右,其余的所有簇貢獻總和僅為30%左右。

表1 靖XX井有無使用DAS約束的產氣剖面解釋結果對比表

從模型結果中可知:①在超低頻DAS熱段塞流速度的約束下,連續油管底部DTS未觀測到的4段生產總量估算由30%上升至45%,說明趾端方向前4段各簇生產量較預想更大;②除去S1～S4段以外,S6C2簇的生產貢獻占總百分比的的23%～25%,與初步結果雖有出入,但S6C2簇是連續油管觀測到的主要生產簇這一結論不變;③從置信區間看,使用DAS約束的結果收斂情況要明顯低于未約束的初步結果(誤差線變窄)。

4 測試結果可靠性分析

產氣剖面解釋得到,S6段生產貢獻較大(24%),S1～S4段總生產貢獻較大(45%),但由于連續油管未探底測量無法得到各段產量。由圖6可見,S3、S6、S9這3段在壓裂過程中破裂壓力顯示明顯(油壓壓差>15 MPa),其余壓裂段均未觀察到較大壓降,說明這3段壓裂裂縫規模較大;其中S3段可能是S1～S4段中的主要貢獻產出段,S6段壓裂施工曲線與該段生產貢獻吻合,相比之下,S9段的壓裂曲線雖然也有類似的壓降反應,但可以注意到在加砂不到1/3的時候壓力迅速回升,表明可能發生了砂堵;解堵之后壓力仍維持在較高水平,說明砂堵問題未完全解決,這可能是S9段生產表現劣于S6段與S3段的原因。

圖6 壓裂泵注曲線與產氣剖面相對照

5 結 論

(1)使用分布式聲波監測系統DAS的超低頻信號觀測關井至開井序列,可觀察到明顯的區域熱段塞流信號;用熱段塞流速度比例對基于分布式溫度監測系統DTS測量的產氣剖面模型進行約束,可以更準確地估算連續油管下端未觀測到的S1～S4段的總生產貢獻,并改善模型收斂情況。

(2)連續油管光纖產氣剖面測試能得到各射孔簇產氣貢獻量,通過與壓裂施工曲線進行對比,產氣剖面解釋與壓裂情況分析相吻合,測試精度高,解釋成果可靠,能夠有效評價各級壓裂效果。