分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用油井溫度壓力流量等解決方案

油氣井的井底壓力、溫度等數(shù)據(jù)是油氣田開發(fā)動(dòng)態(tài)分析及制定開發(fā)調(diào)整方案的必要依據(jù)，因此在油氣井生產(chǎn)過(guò)程中，需要經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試作業(yè)以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，但隨著油氣田精細(xì)化開發(fā)的深入，間斷的單時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)已不能有效支撐對(duì)油氣井的及時(shí)調(diào)整。永久壓力監(jiān)測(cè)和光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可對(duì)油氣井進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲取井底壓力、溫度的實(shí)時(shí)曲線，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)油氣井在合理壓差下進(jìn)行排采生產(chǎn)，通過(guò)穩(wěn)定或不穩(wěn)定試井，計(jì)算單井動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量、滲透率、表皮系數(shù)等，多點(diǎn)布控可測(cè)試井間產(chǎn)層連通性。

永久井下壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了先進(jìn)的壓力傳感器和電子芯片,經(jīng)過(guò)在加拿大、美國(guó)、伊拉克、伊朗、俄羅斯、馬來(lái)西亞等國(guó)家油田十幾年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,已充分顯示出了其在油氣井試井技術(shù)中的優(yōu)越性。20世紀(jì) 80 年代中期與 90 年代初期，由12 家單位聯(lián)合發(fā)起了有關(guān)光纖傳感器技術(shù)在油藏永久監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究，目前，溫度壓力測(cè)量系統(tǒng)、分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)等光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成熟，并應(yīng)用于油井溫度、壓力、流量等的監(jiān)測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)主要采用間隔式的鋼絲作業(yè)進(jìn)行油氣井井底壓力、溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量，連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用較少，本文將重點(diǎn)總結(jié)不同測(cè)試方法的基本原理及其適應(yīng)性，為油氣井測(cè)試方法的選擇，尤其是高溫、高壓等重點(diǎn)油氣井測(cè)試方法的選擇提供參考。

常規(guī)間隔式測(cè)試方法根據(jù)生產(chǎn)需要在特定時(shí)間對(duì)油氣井進(jìn)行測(cè)試，利用鋼絲或電纜將壓力計(jì)下入井中，得到測(cè)試作業(yè)時(shí)的井底壓力、溫度數(shù)據(jù)，作業(yè)結(jié)束后將壓力計(jì)起出井口。此種方法的優(yōu)勢(shì)是單次測(cè)試作業(yè)成本較低，但無(wú)法獲取長(zhǎng)期的連續(xù)的壓力、溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，應(yīng)用的壓力計(jì)主要為寶石或石英電子壓力計(jì)，其壓力量程約為105MPa，溫度量程約為 177℃，已無(wú)法滿足高溫、高壓井的測(cè)試要求。

目前常用的測(cè)試工藝主要有 3 種：

（1）鋼絲起放存儲(chǔ)式：先將電子壓力計(jì)編程后聯(lián)電，采用鋼絲設(shè)備將壓力計(jì)下入目的層位，測(cè)試結(jié)束后壓力計(jì)隨鋼絲起出井口，在地面回放壓力、溫度數(shù)據(jù)。

（2）鋼絲投撈存儲(chǔ)式：將電子壓力計(jì)編程后聯(lián)電，隨鋼絲下入目的層位，脫手壓力計(jì)，起出鋼絲。測(cè)試結(jié)束時(shí)，利用鋼絲工具打撈壓力計(jì)，在地面回放壓力、溫度數(shù)據(jù)。

（3）電纜起放直讀式：將電子壓力計(jì)與單芯電纜連接，利用絞車送入井底目的層位，在地面為井下壓力計(jì)供電，測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)電纜實(shí)時(shí)傳回地面，測(cè)試結(jié)束后起出壓力計(jì)。

存儲(chǔ)式測(cè)試方式采用電池為壓力計(jì)供電，直讀式測(cè)試方式采用電纜為井下壓力計(jì)供電，測(cè)試時(shí)間不再受電池電能限制，但是存在測(cè)試井口密封問(wèn)題。目前主要采用鋼絲起放存儲(chǔ)式進(jìn)行測(cè)試作業(yè)，根據(jù)鋼絲起下過(guò)程中測(cè)得的井筒壓力梯度曲線折算油層中深處的壓力、溫度。

測(cè)試作業(yè)為井口帶壓作業(yè)，高溫高壓井測(cè)試作業(yè)對(duì)防噴器、防噴管等井控設(shè)備壓力等級(jí)要求高，由于鋼絲工具串配重較重，對(duì)鋼絲的抗拉性能也提出較高要求，測(cè)試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。

永久壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)永久井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Permanent Downhole Monitor?ing System，以下均簡(jiǎn)稱 PDMS)是將電子壓力計(jì)置入油管連接的壓力計(jì)托筒中，隨油管下入井中，通過(guò)壓力計(jì)中高精度的傳感器感應(yīng)井下的壓力和溫度,并將經(jīng)過(guò)處理的壓力、溫度信號(hào)經(jīng)電纜傳送到地面，地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制和存儲(chǔ)傳送到地面的井下壓力、溫度信號(hào)，實(shí)時(shí)錄取壓力、溫度數(shù)據(jù)。PDMS可以利用地面直讀方式對(duì)油藏和井況進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)掌握油氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，優(yōu)化油氣井工作制度和舉升參數(shù)。

PDMS 系統(tǒng)主要由井下和地面兩部分組成。地面部分由電纜井口引出裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、太陽(yáng)能自動(dòng)供電系統(tǒng)組成。井下部分由電子壓力計(jì)、壓力計(jì)托筒、鎧裝電纜、電纜保護(hù)器組成。

地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于向井下壓力計(jì)供電，并向其發(fā)出控制指令，改變井下電子壓力計(jì)的采樣間隔,同時(shí)收集和存儲(chǔ)井下壓力計(jì)傳送上來(lái)的壓力、溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用 SD 卡存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量可達(dá)到 1500 萬(wàn)組數(shù)據(jù)。太陽(yáng)能自動(dòng)供電系統(tǒng)向地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和井下壓力計(jì)提供可靠的電源。在油管掛和采油樹上預(yù)留電纜穿出孔，安裝電纜井口引出裝置，主要功能是密封穿出井口的電纜，密封壓力20kPsi，材質(zhì)Inconel 718，采用全金屬密封，可保證長(zhǎng)期應(yīng)用的密封效果，適用于高壓高溫油、氣井。

電纜是電力和數(shù)據(jù)的傳輸通道，內(nèi)部是實(shí)心銅線，中間分別有內(nèi)絕緣層和絕緣充填層，最外層是金屬封裝層。鋼管材質(zhì)Incoloy 825(高鎳合金），最高工作壓力25kPsi，最高工作溫度200℃，抗拉強(qiáng)度1000kg，芯線規(guī)格 18 AWG，具有較好的抗擠壓、抗磨蝕和耐腐蝕性能，適合于在井下長(zhǎng)期使用。電纜保護(hù)器用于將電纜附著在油管上并在油管接箍處對(duì)電纜提供保護(hù)，有沖壓式輕型保護(hù)器和鑄鋼重型電纜保護(hù)器可供選擇。重型電纜保護(hù)器通常使用在油管串的下端和特殊的井筒結(jié)構(gòu)中，它可以抗磨損和承受較大的外部沖擊力，保護(hù)電纜完全不受到井下惡劣環(huán)境的損害；輕型電纜保護(hù)器通常用在油管串的上部，它既可以對(duì)電纜起到固定作用，也可以承受通常的井下沖擊力。

電子壓力計(jì)是PDMS系統(tǒng)的井下核心部分，采用高精度、高分辨率的石英壓力、溫度傳感器，電路的生產(chǎn)設(shè)計(jì)基于當(dāng)前最先進(jìn)的混合電路技術(shù)，并采用真空焊接工藝封裝，電子壓力計(jì)傳感器與電路外筒的密封采用離子束焊接工藝。外筒材質(zhì)采用超強(qiáng)防腐鎳基合金Inconel 718加工制作，最大外徑0.875″，最高壓力等級(jí)可達(dá)到25000Psi, 高溫200℃/392℉下連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年以上，可在高溫、高壓等井況惡劣條件下長(zhǎng)期工作。

壓力計(jì)托筒為壓力計(jì)提供安裝位置和機(jī)械保護(hù)，與壓力計(jì)之間的密封為金屬密封，可選擇監(jiān)測(cè)托筒外部套管內(nèi)壓力或者通過(guò)傳壓孔感應(yīng)和監(jiān)測(cè)油管內(nèi)的壓力, 一支托筒也可同時(shí)安裝2只壓力計(jì)。

永久井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)油氣井井底壓力、溫度，用于油氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析、試井分析、油氣藏?cái)?shù)值模擬、人工舉升工作參數(shù)優(yōu)化、防止地層出砂等多個(gè)問(wèn)題的研究，其主要特點(diǎn)有：（1）具有長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可保證系統(tǒng)連續(xù)可靠的工作；采用超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的抗震、抗干擾能力；采用了當(dāng)前最新的壓力傳感器技術(shù)和電路技術(shù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)的時(shí)間可達(dá)到10年以上，具有很高的工作穩(wěn)定性和可靠性。

（2）適用于高溫、高壓井的監(jiān)測(cè)。電子壓力計(jì)最高壓力等級(jí)可達(dá)到25kPsi, 高溫200℃/392℉下連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10年以上，可用于高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣井況監(jiān)測(cè)。

（3）多層壓力連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。PDMS 永久井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)單層壓力監(jiān)測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)單井多層位井下數(shù)據(jù)同時(shí)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外，可選擇監(jiān)測(cè)托筒外部套管內(nèi)壓力或者托筒內(nèi)部油管內(nèi)壓力。

永置式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)光纖傳感技術(shù)是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。永置式光纖壓力/溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)是將光纖傳感器隨完井管柱下入井中，井口激光器發(fā)出激光，光信號(hào)通過(guò)光纖到達(dá)井下傳感器，傳感器將溫度壓力信息調(diào)制在反射光譜上，井口探測(cè)器接受從傳感器反射回來(lái)的光譜，并通過(guò)對(duì)干涉光譜的分析得到溫度壓力數(shù)據(jù)。永置式光纖監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)油氣井井底壓力及溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)，通過(guò)區(qū)域性、多井點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，可以為油氣田開發(fā)方案制定提供依據(jù)。

井下常用光纖傳感器主要有分布式光纖溫度傳感器（DTS）和光纖壓力傳感器（PT）。DTS 的測(cè)量基礎(chǔ)是溫度對(duì)光散射系數(shù)的影響，通過(guò)檢測(cè)外界溫度分布于光纖上的擾動(dòng)信息來(lái)獲取溫度的信息，實(shí)現(xiàn)分布式溫度測(cè)量，測(cè)量的技術(shù)基礎(chǔ)是光纖拉曼散射技術(shù)。激光器沿光纖發(fā)出光脈沖，通過(guò)分光器后分為兩束光，下接2個(gè)不同中心波長(zhǎng)的濾波器，對(duì)應(yīng)濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后送入數(shù)據(jù)采集與處理單元，經(jīng)過(guò)檢波處理最后輸出溫度值。

基于光速不變?cè)?，可測(cè)量光纖反射光信號(hào)的精確深度

光纖壓力傳感器大多數(shù)采用基于法布里—玻羅干涉儀原理的壓力計(jì)。由兩光纖端面形成的空腔在光學(xué)上稱作法布里—帕羅腔，簡(jiǎn)稱法帕腔。激光由一端光纖進(jìn)入法帕腔時(shí)，部分光能量在該端的光纖端面形成反射；其余光能量繼續(xù)前向傳播，繼而由第二個(gè)光纖端面反射，并且反向進(jìn)入第一段光纖。2次反射的激光在探測(cè)器表面形成干涉，干涉光譜由法帕腔腔長(zhǎng)唯一決定，在頻率域?yàn)檎也?。通過(guò)測(cè)量正弦波的周期和相位，則可以精確得知腔長(zhǎng)。外界壓力P將壓縮法帕腔，導(dǎo)致2根光纖端面之間形成的法帕腔的腔長(zhǎng)隨著外界壓力的變化而變化。因此，通過(guò)測(cè)量法帕腔的腔長(zhǎng)，可以反推出外界的壓力P。

永置式光纖壓力/溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

地面部分主要有地埋光纜、調(diào)制解調(diào)儀，井下部分主要有光纖傳感器、傳感器托筒、光纜和光纜保護(hù)器。地面光譜解調(diào)儀發(fā)出1510~1590nm的連續(xù)波長(zhǎng)掃描激光，激光經(jīng)過(guò)信號(hào)光纖傳遞到井下的F-P腔壓力傳感器和FBG溫度傳感器，之后激光被F-P腔和FBG反射形成反射光譜，反射光譜將攜帶傳感器附近的壓力和溫度信息沿同一條光纖傳回解調(diào)儀，并由解調(diào)儀將光譜信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照解調(diào)程序計(jì)算出井下的壓力和溫度值，并按需要的數(shù)據(jù)庫(kù)格式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)或遠(yuǎn)程發(fā)送。

地面控制單元由解調(diào)儀和筆記本計(jì)算機(jī)組成，與解調(diào)儀匹配的軟件被內(nèi)置到計(jì)算機(jī)中。解調(diào)儀是實(shí)現(xiàn)將井下溫度壓力傳感器反射回來(lái)的光譜信號(hào)解釋為用戶可見的溫度壓力數(shù)值，依次能夠解調(diào)16通道傳感器的壓力和溫度信號(hào)，并對(duì)當(dāng)前溫度壓力進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。地埋光纜主要是實(shí)現(xiàn)從井口到設(shè)備間光信號(hào)的傳輸，一般采用地埋的方式進(jìn)行施工。鎧裝光纜提供傳感器與地面解調(diào)器之間信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，外鎧材料為316L或Inconel825，中間抗氫損金屬層能延緩氫損140倍左右，大大延長(zhǎng)了光纜在高溫情況下的使用壽命，光纜的使用壽命能達(dá)到10年以上。

光纖傳感器是永置式光纖壓力/溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的井下核心部分，其最大工作壓力可達(dá)15kPsi，最大工作溫度可達(dá)300℃。

永置式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）傳感器體積小，重量輕，零部件極少且無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，光學(xué)傳感器壽命大于15年。

（2）光纖既是傳感器又是信號(hào)傳輸媒介，無(wú)井下電子器件，抗強(qiáng)電磁干擾，可靠性高。

（3）全石英結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，激光微加工技術(shù)，性能可靠。

（4）鎧裝光纜采用316L或Inconel825合金材質(zhì)，耐H2S/CO2腐蝕。

（5）測(cè)量點(diǎn)多，可串、并聯(lián)組網(wǎng)同時(shí)監(jiān)測(cè)單井多個(gè)層位的壓力和溫度，單井1/4″光纜最多12個(gè)壓力溫度信號(hào)，一套井口設(shè)備可以同時(shí)連接16個(gè)溫度和壓力傳感器。

（6）可 用 于 高 溫/高 壓 井 ：能 承 受 300?C 高 溫 、15000Psi壓力，以及高產(chǎn)氣流產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊。

鋼絲作業(yè)適用于直井、小斜度井的測(cè)試，其優(yōu)點(diǎn)是單次作業(yè)費(fèi)用較低，但后續(xù)費(fèi)用隨作業(yè)次數(shù)增加，可用于低溫、低壓普通開發(fā)井的臨時(shí)監(jiān)測(cè)。永久壓力監(jiān)測(cè)和光纖監(jiān)測(cè)適用于直井、水平井，其初始投入較高，但后續(xù)無(wú)作業(yè)費(fèi)用，叢式井/平臺(tái)井可共享地面設(shè)備，從而大幅度降低綜合成本，可用于高溫、高壓井或重點(diǎn)井的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。

（1）連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)為油氣井的精細(xì)化管理提供了有力的數(shù)據(jù)支持，有助于油氣井工作制度的及時(shí)優(yōu)化，防止儲(chǔ)層出砂、抑制邊底水快速錐進(jìn)。

（2）永久壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)、光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可以有效解決高溫高壓井的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難題，可以在提供油氣井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的同時(shí)，降低測(cè)試作業(yè)的工程事故率。

（3）綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，建議對(duì)重點(diǎn)井進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，高壓井采用永久壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)，高溫井采用光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)。