耐高溫光纖連續管測試技術研究及應用*

潘億勇 顧啟林 孫玉豹孟祥海 汪 成李大儉

(1.中國海油(中國)有限公司勘探開發部 2.中海油田服務股份有限公司油田生產事業部 3.海洋石油高效開發國家重點實驗室 4.中國海油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

我國海洋原油儲量豐富，已發現稠油地質儲量3.29×109m3，稠油熱采技術已成為開發海上稠油油田的有效手段之一。稠油熱采技術自2008年以來在渤海油田推廣應用，取得了較好的開發效果[1-2]。隨著增儲上產需求以及技術的發展，海上油田已進入規模化熱采開發階段。但海上熱采井多為水平井，注汽開采面臨著水平段動用程度不均勻、動用程度未知，汽竄、水竄流道不明等問題[3-4]，影響了熱采開發效果。因此，海上稠油熱采對測試技術的需求日益迫切。

光纖測試技術是近些年興起的一種測試技術，因其分布式監測與高精度的特性，在遼河油田、新疆油田以及勝利油田等陸地油田均有應用，可實現稠油熱采井的注入與產出剖面監測、蒸汽驅或火驅波及情況監測，儲氣庫溫度及漏失監測，以及冷采井找水、壓裂監測[5-6]。張義強等[7]針對稠油熱采井提出了一種分布式光纖測溫技術，使用?6.35 mm光纖管及分布式光纖測溫系統測取井筒溫度。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-壓力測試技術，適應井下200 ℃高溫測試需求。劉明堯等[9]基于光纖光柵壓力檢測原理，提出了一種套管井下壓力光纖光柵測量方法，并開展了室內試驗研究。任利華等[10]創新性地將溫度監測光纖與壓力監測電纜一體化封裝、捆綁在油管柱下入，實現了全井筒溫度及部分井段壓力的實時動態監測。鄒洪峰等[11]論述了國外光纖測井技術的發展概況、耐高溫光纖技術方案及國外開發耐高溫光纖的情況。

雖然國內外關于光纖測井技術的研究較多，但主要以井下永久式、半永久式光纖測試技術為主，通過油管或者套管攜帶的方式下入測試光纜。該類型測井技術作業時間長，作業過程中光纜易損壞而失去信號，而且井下光纜及配套工具無法重復使用，測試成本高、適用性不足。為此，筆者研發了一種耐高溫光纖連續管測試技術。該項技術為一種臨時光纖測井技術，具有耐高溫、作業時間短、測試靈活高效，測試系統可實現回收的特點。2022年3月，該技術應用于海上稠油油田蒸汽驅注汽井，成功獲取了該井全井段的溫度數據，了解了水平段的吸汽(吸水)狀況，為該油田蒸汽驅效果評價、注采方案優化及堵調工藝措施實施提供了科學指導和依據。

1 技術簡介

1.1 測試工藝流程

通過將部署于連續管內部的耐高溫光纖下入井底，以光纖本身作為傳感器，地面端連接連續管光纜密封器、分布式溫度傳感測量系統(DTS)以及分布式聲學傳感系統(DAS)，從而實現全井段的溫度、聲波以及壓力等參數測試。通過DTS與DAS結合、相互驗證，從而了解注汽井、生產井油層段的吸汽/產液狀況，識別出水層位，為注采方案優化及工藝措施實施提供指導依據。水平井光纖連續管測試工藝流程見圖1。

圖1 水平井光纖連續管測試工藝流程圖

1.2 技術原理

(1)分布式光纖溫度測量原理。主要依據光纖的時域反射原理以及光纖的背向拉曼散射溫度效應。當一個光脈沖從光纖一端射入光纖時，光脈沖會沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內部分子發生彈性碰撞和非彈性碰撞，故光脈沖在光纖中每一點都會產生反射，其中有一部分反射光其方向與入射光的方向相反(亦可稱為背向)[12-13]。這種背向反射光的強度與該反射點的溫度有一定的相關性。反射點的溫度越高，反射光的強度也越大。若能測出背向反射光強度，便可計算出反射點的溫度。通過對光纖系統進行溫度標定，即可計算出環境的實際溫度[7]：

(1)

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

(2)分布式光纖聲波傳感測試原理。與常規OTDR(光學時域反射技術)相比，基于C-OTDR的分布式光纖聲波傳感系統技術的主要優勢在于靈敏度高、定位精度高以及多點監測。C-OTDR系統是基于光的干涉原理，對背向散射光的瑞利光信號以相干接收方法進行接收，可有效消除系統中光放大器引入的自發輻射噪聲，增大了檢測信號的信噪比和動態范圍[14-16]。在探測方面，C-OTDR引入外差探測，進一步提高了系統的信噪比，從而減少了平均次數，提高了系統的振動頻響能力。分布式光纖聲波傳感測試原理如圖2所示。

圖2 分布式光纖聲波傳感測試原理圖

(3)分布式光纖定位測量原理。光脈沖進入光纖之后開始計時，發射端收到散射回波信號時，說明該處信號是由距發射端處的光纖所產生。只要接收端的頻率足夠高，且采樣時間間隔足夠小，就能夠得到整根光纖的實際信號值，實現分布式測量。其測量計算式為：

L=c1t/2

(2)

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

1.3 技術指標

(1)測溫范圍0～400 ℃，測溫精度± 0.2 ℃；

(2)測溫分辨率0.1 ℃，溫度漂移≤0.1 ℃/a；

(3)測壓精度為0.1% FS，測壓分辨率0.001 MPa；

(4)定位精度±0.5 m，空間分辨率≤0.5 m；

(5)測量頻率范圍5～10 kHz；

(6)最大測量距離>3 km。

1.4 技術特點

(1)實時、快速實現井下多點測試；

(2)光纖傳感器體積小、質量輕，可實現遠距離測量；

(3)耐高溫、抗腐蝕、抗電磁干擾；

(4)通過光纖精確定位連續管下入深度；

(5)測試作業靈活、高效，系統可回收。

2 關鍵配套設備工具

2.1 耐高溫光纖連續管

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。常規光纖光纜不耐高溫，在熱采水平井工況下易損壞，進而氫離子滲入光纜侵蝕光纖，導致光纖失效[17-18]。為此，筆者研發了耐高溫光纖連續管，其結構如圖3所示。該設備可在熱采水平井350 ℃高溫、21 MPa高壓工況下連續穩定測試，獲取井下溫度、壓力以及聲波振動等數據。

1—連續管；2—外層不銹鋼毛細管；3—內層不銹鋼毛細管；4—耐高溫光纖。

關鍵技術參數：連續管外徑38.1 mm；外層不銹鋼毛細管外徑6.35 mm、825材質；內層不銹鋼毛細管外徑4 mm、316L材質；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

為實現對注汽井高溫(≥300 ℃)、高壓工況下的光纖連續管測試[19]，研發了耐高溫連續管井口防噴裝置，其結構如圖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。測試作業期間持續向防噴管中循環注入冷卻水降溫，并通過噴淋裝置向防噴盒降溫，同時可注入氮氣阻隔高溫流體，從多個方面保障高溫下井口防噴裝置的可靠性，確保連續管測試作業安全。

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

關鍵技術參數：通徑77.7 mm；連接形式為法蘭連接；適用連續管規格?38.1 mm；耐溫≥320 ℃，耐壓≥21 MPa。

2.3 密封裝置

耐高溫光纖連續管密封裝置是一種可實現連續管、光纜及光纖之間密封的地面密封保護裝置。該裝置能防止當井下連續管、光纜出現刺漏時，井下高溫流體上返至地面端造成安全風險，結構如圖5所示。當壓力表有壓力顯示時，可通過關閉光纖密封器球閥來關斷井下與地面的通道，確保測試安全。

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

關鍵技術參數：適用連續管外徑38.1 mm；適用光纜管直徑6.35 mm；耐溫350 ℃、耐壓21 MPa；關鍵部件材質2Cr13。

3 現場應用

3.1 測試井概況

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年以來開展了3輪次注熱吞吐作業。為進一步提高該油田熱采采收率，自2020年6月開展水平井蒸汽驅先導試驗，注汽溫度330～340 ℃、注汽壓力9.5～110.0 MPa、過熱度>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個均衡配注閥，其結構如圖6所示。截至2022年3月，井筒管柱及工具經歷多次停注、高低溫交變工況考驗，達到了方案預期效果，計劃2022年4月進行換管柱作業。為了解該井水平段的吸汽情況，識別高滲、汽竄通道，在更換注汽管柱前開展光纖連續管測試作業，為該井水平段注汽管柱優化、后續注熱參數調整與調堵措施制定提供依據。

圖6 均衡配注閥結構示意圖

3.2 注汽井測試工藝

(1)測試前準備。目標井注入過熱蒸汽，溫度高達340 ℃，進行光纖連續管測試作業，最大的風險點為連續管井口防噴裝置。考慮到光纖連續管首次應用于注蒸汽井，風較高，為確保安全作業，待該井停注后下入光纖連續管。并通過氮氣設備向注汽管柱中注入一定量的氮氣，抑制管柱內高溫流體上返至井口，確保井口防噴裝置安全。

(2)光纖連續管入井及測試工藝。①光纖連續管入井前連接光纖解調設備，確認光纖信號正常。②光纖連續管入井過程中間歇檢測光纖信號。③光纖連續管下入注熱管柱底部后，釋放下壓力，保持靜止狀態[15]。④持續對水平段及全井筒管柱進行溫度監測，水平段測試時間不少于12 h，當同一點溫度變化不超過0.5 ℃/h時，達到測試目的。

3.3 測試結果解釋分析

2022年3月開展光纖連續管測試作業，順利下至目的深度1 712 m，其中水平段溫度測試時間12 h，成功測取了全井筒的溫度數據。

(1)全井段光纖溫度測試解釋分析。X1全井段光纖溫度測試曲線如圖7所示，水平段注汽管柱內溫度為290.5～293.5 ℃，檢驗了光纖連續管的耐高溫性能。從圖7可以看出，注汽管柱存在多個溫度低點，說明隔熱油管接箍處的隔熱性能要低于隔熱油管本體，有必要進一步增強接箍處的隔熱性能，降低熱損失。通過分析測溫數據變化規律認為，該井動液面約為188 m，進而計算目前該井地層壓力約為7.63 MPa(轉驅前地層壓力約為5 MPa)。

圖7 X1井全井段光纖溫度測試曲線

(2)水平段溫度測試解釋分析。水平段溫度測試曲線如圖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于上半段吸汽情況[20-21]。

圖8 X1井水平段溫度變化趨勢圖

圖9 X1井水平段微差井溫條狀圖

吸汽相對差層段：1 530～1 575 m井段溫度相對偏低，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。

吸汽相對好層段：1 587～1 705 m井段溫度平穩偏高，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井測井地質解釋圖。對比圖8和圖10可知，水平段光纖測溫相對偏低(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，導致該處注汽期間溫度偏低，同時也驗證了光纖連續管測試數據的準確性。

圖10 X1井測井地質解釋圖

(3)水平段均勻注汽管柱優化。根據測試數據分析結果，通過水平段均衡注汽設計軟件對該井水平段注汽管柱進行優化，調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井蒸汽驅注汽效果。優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 優化后的均衡配注閥分布與均衡配注閥首次設計對比

4 結論與建議

(1)通過耐高溫光纖連續管測試，可實時、準確測取全井筒的溫度、壓力及振動數據，從而了解注汽井或者生產井的水平段吸汽(吸水)、產出狀況，為注采效果評價、注采方案優化及工藝措施提供指導和依據。

(2)通過采用耐高溫光纖連續管、光纖連續管密封裝置以及向管柱內注入氮氣阻隔高溫流體上返至井口的組合測試方案，實現了注汽井高溫下的光纖連續測試，獲取了全井筒的溫度數據。同時光纖連續管順利回收，達到了測試目的，為注汽井開展光纖連續管測試積累了寶貴經驗。

(3)此次水平段溫度測試結果表明，該井水平段溫度及吸汽情況存在差異，整體趨勢下半段優于上半段。建議對水平段均勻注汽管柱進行優化，調整不同層段均衡配注閥的位置及密度，以改善注汽效果；后續可對水平段下半段進行堵調，抑制汽竄、水竄情況，進一步改善注汽效果。

(4)相對于傳統測井工藝，耐高溫光纖連續管測試具有耐高溫高壓、可實時連續測取數據、作業靈活高效、井下測試系統可回收等顯著的特點，具有較好的應用前景，建議繼續在海上稠油熱采井推廣應用。