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1、光纤温度传感技术在油井监测中的应用概述【摘要】随着数字化智能油田的建设和进展，传统的生产测井技术难以满足井下监测的需求，实时、牢靠的光纤监测技术是保证油气井尤其是深水油气田高效生产的根底。光纤传 感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰以及分布式、实时牢靠、可永久性监测等优势，受 到了国内外的广泛关注与应用。首先对光纤分布式温度传感技术的原理和进呈现状进展了介 绍，阐述了传感光缆的三种不同安装形式，论述了国内外分布式光纤温度传感技术在油气田 中的现场应用状况，分析了该技术在流淌剖面解释、蒸汽突破前缘、增产作业过程及气举阀 工作状态监测方面的特点和优势。中海油服油田技术事业部也开展了相关的争论工作，
2、承受 光电复合缆完成了对山西临兴xxxx 井的生产测井和光纤测温作业，并对该井生产状况进展了解释。最终，对光纤传感技术在油田勘探和开发中的应用和进展方向进展了展望。【关键词】分布式温度传感；油藏监测；流淌剖面；焦耳-汤普森效应1. 引言油气藏动态监测是评价油气藏开发效果，编制油气藏综合调整方案、规划、组织生产和实现 油气藏科学治理的一项重要工作。传统的油气藏动态监测，例如永久式压力监测和生产测井，面临着挑战：蒸汽驱温度到达 200C 以上，设备耐温受到限制；无法实现连续的动态监测，给后续工作带来困难和作业安全；受时间窗口限制，油藏测试类作业次数削减，无法猎取准确的油藏数据，影响单井措施方案及实
3、施时机，最终影响区块挖潜，综合调整。近年来，随着光纤传感技术的不断进展，分布式光纤温度传感技术 distributed temperature sensor, DTS因其测量温度时不需要光纤来回移动，确保井下温度的平衡状态不受影响，越来越多地被应用到油气井下动态温度监测。通过实时测量井下空间温度场的分布状况， 获得整个完井全井筒连续温度数据信息，可以反演解释储层物理性质、产出剖面等信息，进而优化采油技术方案和提高采收率。本论文对光纤温度传感系统测量原理，测井及生产井内温度分布特性及实际应用状况进展了 介绍与总结。并针对油井监测领域 DTS 技术的应用进展了展望。2. 光纤传感监测原理沿着光纤内
4、传输的入射光，在光纤中会产生三种类型的散射光，如图 1 所示。每一个入射脉冲激光与光纤内分子作用导致拉曼后向散射光。而拉曼散射光的强度与光纤在任意位置处的温度有关。通常，拉曼后向散射光由两个组分构成，对称分布在瑞利谱峰的两侧。光波长较长的斯托克斯拉曼光对温度不敏感，而波长较短的反斯托克斯拉曼光强与温度成正比。通过计算反斯托克斯峰与斯托克斯峰信号的强度比，可以获得准确的温度测量值。分布式光纤温度传感技术是基于光纤内部传输拉曼散射光的温度特性，利用光时域反射测试 技术，将较高功率的窄带光脉冲入射到光纤，将返回的散射光强随时间的变化记录下来。依据拉曼散射光的强度来计算温度信息，由接收到散射光信号的时
5、间来推断具体位置。而分布式光纤声音传感distributed acoustic sensing，DAS技术则是承受相干光时域反射测量原理，将相干短脉冲激光注入到光纤中，当外界的声音振动作用于光纤时，由于弹 光效应，导致背向瑞利散射信号发生转变，从而使得接收到的反射光强发生变化。图 1 光纤中的三种类型散射光分布式光纤温度传感系统主要由测温光缆、传感信号解调设备和地面计算机构成。3. 光缆安装作业方式依据不同的井下监测需要，DTS 技术所用的传感光纤既可以永久性安装在套管外部，实现油气井全生命周期的监测；可以固定在油管外部，随油管下入，实现半永久性安装；也可以通过钢 丝、连续油管、泵送等方式将光
6、纤布置在油管内，实现临时性监测。3.1 永久性安装永久性安装方式是将光纤固定套管外，保证光纤不受井下作业的影响，对井下温度分布进展 长期的实时监测。将外披钢丝光纤与生产管柱捆绑后下入井下，直到下一次作业时起出，传感光纤在较长的一段时间内固定于井下，这种工作方式主要用于对重要油气井的井下温度分布进展长期不连续的监测，尤其是在注蒸汽热采井中。也可用于深井泵、螺杆泵、采油井、高凝油井、稠油井的生产动态剖面测试。3.2 半永久性安装半永久式安装方式的光纤光缆被捆绑在生产油管外部，并暴露在油管和套管之间的环形区域。 与常规的电缆测井施工方法类似，即简洁地将光纤置于毛细钢管内，类似于试井钢丝或绞缆系统。光
7、纤可缠绕在滚筒上入井，主要在用于注蒸汽井注水井的注入剖面、自喷井产出剖面、套管井的 井矿测试。该方式限制了光纤只能位于生产封隔器上方。但是，对于油管和套管环空区域的泄漏检测至 关重要。3.3 临时性安装临时性安装方法可以使用户获得生产流量安排、注入流量安排、确定穿插流量等信息。油管 内部的光纤光缆可以直接捕获流体流淌动态信息。可分为三种方法：第一种方法是光纤光缆嵌入到连续油管中，光纤位于连续油管内部，可供给注入剖面信息；其次种方法是光纤光缆嵌入到电缆或钢丝中，该方法适用于低角度井60 度，假设角度大于 60 度，可使用爬行器或其它牵引设备将光缆拉伸穿越水平段；第三种方法是光纤嵌入到半刚性复合碳
8、棒内，碳棒的外径约 0.6 英寸。4. DTS 技术在油气田中的应用今年来，DTS 技术在国内外已经成功应用于智能井、注水井、气举井、稠油蒸汽驱井等领域， 监测对象涉及井筒流量分布、水力压裂、泡沫段油井液位1、油井泄露探测，取得了较好的应用 效果和显著的经济价值。4.1 流淌剖面解释由于完井过程中流体的流淌会与油井四周环境发生热交换，主要由于地温梯度和内部焦耳- 汤姆逊流体效应导致。这些效应作用产生了一个随时间变化的特征热剖面，可使用 DTS 系统记录并分析热剖面以确定井筒中的流量。因此依据温度分布变化，可以获得流量信息来评估井筒流量 分布2。而不同温度的流体流入井筒时，会引起温度分布的变化，
9、利用该信息可以识别油井完整性。并且，测量采油井和注水井内的流体流淌剖面，能够对油井的生产状况和油层生产性质作出 评价，可以进一步了解生产井段产出或吸入流体的性质和流量3。斯坦福大学 Bukhamsin A.等， 将 DTS 与 DAS 技术相结合，来解释先进智能井流入剖面4。斯伦贝谢公司 Ben Haoua T.等5，将水平测井与分布式温度传感相结合确定割缝筛管完井环空流量。他们将流量计、脉冲中子测井PNL 与温度传感器相结合，对阿尔及利亚境内的油井进展了测试。通过 DTS 测量，确定了由地层进入的流量；通过 PNL 获得了流淌相；使用流量计量化总流量。美国德克萨斯 A&M 大学 Yoshid
10、aN.和 Hill A.D.等6，提出了多裂缝水平井的综合数值流淌和热力模型。在瞬态条件下，利用质量守恒、动量守恒和能量守恒，建立了储层和井筒的模型。承受积分有限差分法对两个区域进展 了数值模拟，并将其耦合得到了井眼和砂层的温度分布。国内西南石油大学，基于 Levenberg Marquart 算法建立了一套 DTS 数据反演解释模型7， 形成了一套基于 DTS 数据的低渗气藏压裂水平井产出剖面解释方法，实现了基于 DTS 数据定量解释裂缝参数和产出剖面。油田技术事业部于 2023 年 12 月份在山西临兴 xxxx 井，承受光电复合缆完成生产测井和光纤测温作业，并对该井生产状况进展了解释。从
11、图 2 可知，DTS 和 PLT 测量温度曲线差值根本在1C 以内。该误差可能由两套测量系统之间的误差和不同时刻测量误差导致。图 2 光纤测量温度与生产测井测量温度比照4.2 蒸汽突破前缘监测油田中很大一局部是稠油区块，主要承受蒸汽吞吐的开采方式，高温监测最高测试温度达350C 以上，传统的生产测井仪器无法进展有效测量。光纤的特性使得 DTS 可以对稠油蒸汽驱井下温度场分布的动态变化状况进展实时监测，该技术已在我国克拉玛依和辽河油田得到了应用，可猎取油井空间上开采状况、推断蒸汽前缘、油井的热连通以及蒸汽腔的形成过程分析等准确信 息，给相关部门制定油井治理方面的乐观有效的措施供给科学合理的依据，
12、光纤温度测井起到了 其他测井方法所不能代替的作用。可以有效监测油井产量及后续油藏采收率最大化。为证明蒸汽驱生产井是否发生蒸汽突破，并确定蒸汽突破产层段的具体位置，哈利伯顿公司 应用 DTS 设备对位于加州的生产井进展了测试8。在 DTS 设备安装和调试后，向井中注入冷水使井筒温度冷却到接近原始地层温度，然后关井回暖，在回暖过程中觉察 800870ft 处的产层温度增加特别快速，明显区分于其他产层段，因此确定其为蒸汽突破产层段。哈利伯顿公司 Marcelo A.P.等9，将光纤置于连续油管内，使用 DTS 监测重油蒸汽关心井的温度分布。验证了 DTS 传感光纤在连续注入井中监测 300C 温度的
13、技术牢靠性。4.3 增产作业过程监测当前，约 70%的石油产品来自成熟的油田，业界的焦点集中在这些成熟的油井。为了提高采收率，在增产作业过程中，通常实施注水技术，能够将不需要的水转化为资源，减轻对环境的影响10。井温数据已经成为一种评估增产设计、完井有效性和井筒性能的有效手段。由于增产作业过程会引起格外明显的温度变化，因此 DTS 也被用来监测水力压裂作业过程中井筒温度的变化， 目的是通过温度变化确定工作液流向，并评价作业效果。通过 DTS 监测，可以对操作过程中的一些参数进展掌握，来优化注采操作工艺，并推断出潜在问题。实现优化注入率，注入井泄露检测，油井泄露掌握，横向流淌效果探测，油藏中各层
14、的奉献和生产井的水窜检测。戴文石油公司使用 DAS 和 DTS 监测压裂处理分布状况，为可视化说明压裂几何外形，建立了三维压裂模型11。4.4 气举阀工作状态监测DTS 还可用来监测气举阀的工作状态，其原理是依据气体焦耳-汤普森效应在气举阀进气处压力降低造成的温度降低推断阀门工作是否正常。North Sea 油田 1 口气举井安装了 DTS 后，当阀套开放时，可以观看到进气引起的井筒温度降低；当该井产量增加时，其下部的井筒温度曲线 也相应地向上移动，说明温度下降。通过 DTS 对气举阀的监测可以确定阀套是否处于正常工作状态。5. 展望光纤传感器的特有优点、蓬勃进展的市场和宽阔的应用前景，引起了
15、国际著名石油公司的亲热关注。斯伦贝谢公司、BP、Shell、Norsk Hydro 和 Statoil 等国外公司投入了巨大的人力、物力和财力进展光纤监测油田开发及应用，拓宽了其市场份额，稳固了其市场地位。在 2023 年的国际会议上，Morten Eriksrud 称光纤传感器技术是转变石油产业玩耍规章的关键技术。2023 年， Shell 公司 Johannes M.V.A.称光纤监测技术将会成为将来智能油田的神经网络，光学油田将是将来油田进展的必定趋势。6. 结论本文对光纤温度传感技术的原理和进呈现状进展了介绍，比照分析了传感光缆的三种不同安 装形式，论述了国内外光纤温度传感技术在油气田
16、中的现场应用状况。介绍了油田技术事业部承受光电复合缆在山西临兴 xxxx 井的应用状况，完成生产测井和光纤测温作业，并对该井生产状况进展了解释。分析了该技术在流淌剖面解释、蒸汽突破前缘、增产作业过程及气举阀工作状态监测方面的特点和优势。最终，对光纤传感技术在油田勘探和开发中的应用和进展进展了展望。参考文献1 Peng G, He J, Yang S, et al. Application of the fiber-optic distributed temperature sensing for monitoring the liquid level of producing oil well
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