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      分布式光纖監測系統應用油井溫度壓力流量等解決方案

      油氣井的井底壓力、溫度等數據是油氣田開發動態分析及制定開發調整方案的必要依據,因此在油氣井生產過程中,需要經常進行測試作業以獲取相關數據,但隨著油氣田精細化開發的深入,間斷的單時點數據已不能有效支撐對油氣井的及時調整。永久壓力監測和光纖監測技術可對油氣井進行長期連續監測,獲取井底壓力、溫度的實時曲線,可實時指導油氣井在合理壓差下進行排采生產,通過穩定或不穩定試井,計算單井動態儲量、滲透率、表皮系數等,多點布控可測試井間產層連通性。

      永久井下壓力監測系統采用了先進的壓力傳感器和電子芯片,經過在加拿大、美國、伊拉克、伊朗、俄羅斯、馬來西亞等國家油田十幾年的現場應用,已充分顯示出了其在油氣井試井技術中的優越性。20世紀 80 年代中期與 90 年代初期,由12 家單位聯合發起了有關光纖傳感器技術在油藏永久監測方面的應用研究,目前,溫度壓力測量系統、分布式溫度測量系統等光纖監測系統已經成熟,并應用于油井溫度、壓力、流量等的監測。

      目前國內主要采用間隔式的鋼絲作業進行油氣井井底壓力、溫度數據的測量,連續監測技術應用較少,本文將重點總結不同測試方法的基本原理及其適應性,為油氣井測試方法的選擇,尤其是高溫、高壓等重點油氣井測試方法的選擇提供參考。

      常規間隔式測試方法根據生產需要在特定時間對油氣井進行測試,利用鋼絲或電纜將壓力計下入井中,得到測試作業時的井底壓力、溫度數據,作業結束后將壓力計起出井口。此種方法的優勢是單次測試作業成本較低,但無法獲取長期的連續的壓力、溫度數據。同時,應用的壓力計主要為寶石或石英電子壓力計,其壓力量程約為105MPa,溫度量程約為 177℃,已無法滿足高溫、高壓井的測試要求。

      目前常用的測試工藝主要有 3 種:

      (1)鋼絲起放存儲式:先將電子壓力計編程后聯電,采用鋼絲設備將壓力計下入目的層位,測試結束后壓力計隨鋼絲起出井口,在地面回放壓力、溫度數據。

      (2)鋼絲投撈存儲式:將電子壓力計編程后聯電,隨鋼絲下入目的層位,脫手壓力計,起出鋼絲。測試結束時,利用鋼絲工具打撈壓力計,在地面回放壓力、溫度數據。

      (3)電纜起放直讀式:將電子壓力計與單芯電纜連接,利用絞車送入井底目的層位,在地面為井下壓力計供電,測試數據通過電纜實時傳回地面,測試結束后起出壓力計。

      存儲式測試方式采用電池為壓力計供電,直讀式測試方式采用電纜為井下壓力計供電,測試時間不再受電池電能限制,但是存在測試井口密封問題。目前主要采用鋼絲起放存儲式進行測試作業,根據鋼絲起下過程中測得的井筒壓力梯度曲線折算油層中深處的壓力、溫度。

      測試作業為井口帶壓作業,高溫高壓井測試作業對防噴器、防噴管等井控設備壓力等級要求高,由于鋼絲工具串配重較重,對鋼絲的抗拉性能也提出較高要求,測試作業風險大。

      永久壓力監測技術永久井下監測系統(Permanent Downhole Monitor?ing System,以下均簡稱 PDMS)是將電子壓力計置入油管連接的壓力計托筒中,隨油管下入井中,通過壓力計中高精度的傳感器感應井下的壓力和溫度,并將經過處理的壓力、溫度信號經電纜傳送到地面,地面數據采集系統控制和存儲傳送到地面的井下壓力、溫度信號,實時錄取壓力、溫度數據。PDMS可以利用地面直讀方式對油藏和井況進行實時、連續、長期的監測,便于及時掌握油氣井生產動態,優化油氣井工作制度和舉升參數。

      PDMS 系統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、數據采集系統、太陽能自動供電系統組成。井下部分由電子壓力計、壓力計托筒、鎧裝電纜、電纜保護器組成。

      地面數據采集系統用于向井下壓力計供電,并向其發出控制指令,改變井下電子壓力計的采樣間隔,同時收集和存儲井下壓力計傳送上來的壓力、溫度數據,數據采用 SD 卡存儲,存儲容量可達到 1500 萬組數據。太陽能自動供電系統向地面數據采集系統和井下壓力計提供可靠的電源。在油管掛和采油樹上預留電纜穿出孔,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Inconel 718,采用全金屬密封,可保證長期應用的密封效果,適用于高壓高溫油、氣井。

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

      電子壓力計是PDMS系統的井下核心部分,采用高精度、高分辨率的石英壓力、溫度傳感器,電路的生產設計基于當前最先進的混合電路技術,并采用真空焊接工藝封裝,電子壓力計傳感器與電路外筒的密封采用離子束焊接工藝。外筒材質采用超強防腐鎳基合金Inconel 718加工制作,最大外徑0.875″,最高壓力等級可達到25000Psi, 高溫200℃/392℉下連續工作時間長達10年以上,可在高溫、高壓等井況惡劣條件下長期工作。

      壓力計托筒為壓力計提供安裝位置和機械保護,與壓力計之間的密封為金屬密封,可選擇監測托筒外部套管內壓力或者通過傳壓孔感應和監測油管內的壓力, 一支托筒也可同時安裝2只壓力計。

      永久井下監測系統可以長期、連續監測油氣井井底壓力、溫度,用于油氣井生產動態分析、試井分析、油氣藏數值模擬、人工舉升工作參數優化、防止地層出砂等多個問題的研究,其主要特點有:(1)具有長期工作的穩定性。太陽能供電系統可保證系統連續可靠的工作;采用超大規模集成電路設計,具有很強的抗震、抗干擾能力;采用了當前最新的壓力傳感器技術和電路技術,連續監測的時間可達到10年以上,具有很高的工作穩定性和可靠性。

      (2)適用于高溫、高壓井的監測。電子壓力計最高壓力等級可達到25kPsi, 高溫200℃/392℉下連續工作時間長達10年以上,可用于高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣井況監測。

      (3)多層壓力連續實時監測。PDMS 永久井下監測系統不但可以實現單層壓力監測,還可以實現單井多層位井下數據同時、實時監測。另外,可選擇監測托筒外部套管內壓力或者托筒內部油管內壓力。

      永置式光纖監測技術光纖傳感技術是以光波為載體,光纖為媒質,感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。永置式光纖壓力/溫度監測技術是將光纖傳感器隨完井管柱下入井中,井口激光器發出激光,光信號通過光纖到達井下傳感器,傳感器將溫度壓力信息調制在反射光譜上,井口探測器接受從傳感器反射回來的光譜,并通過對干涉光譜的分析得到溫度壓力數據。永置式光纖監測可以實現油氣井井底壓力及溫度數據實時、長期、穩定的監測,通過區域性、多井點數據監測,可以為油氣田開發方案制定提供依據。

      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 的測量基礎是溫度對光散射系數的影響,通過檢測外界溫度分布于光纖上的擾動信息來獲取溫度的信息,實現分布式溫度測量,測量的技術基礎是光纖拉曼散射技術。激光器沿光纖發出光脈沖,通過分光器后分為兩束光,下接2個不同中心波長的濾波器,對應濾出斯托克斯光和反斯托克斯光,經光電探測器轉化為電信號后送入數據采集與處理單元,經過檢波處理最后輸出溫度值。

      基于光速不變原理,可測量光纖反射光信號的精確深度

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

      永置式光纖壓力/溫度監測系統組成

      地面部分主要有地埋光纜、調制解調儀,井下部分主要有光纖傳感器、傳感器托筒、光纜和光纜保護器。地面光譜解調儀發出1510~1590nm的連續波長掃描激光,激光經過信號光纖傳遞到井下的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儀,并由解調儀將光譜信號發送給計算機,計算機按照解調程序計算出井下的壓力和溫度值,并按需要的數據庫格式進行實時顯示、存儲或遠程發送。

      地面控制單元由解調儀和筆記本計算機組成,與解調儀匹配的軟件被內置到計算機中。解調儀是實現將井下溫度壓力傳感器反射回來的光譜信號解釋為用戶可見的溫度壓力數值,依次能夠解調16通道傳感器的壓力和溫度信號,并對當前溫度壓力進行顯示和存儲。地埋光纜主要是實現從井口到設備間光信號的傳輸,一般采用地埋的方式進行施工。鎧裝光纜提供傳感器與地面解調器之間信號傳輸的通道,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,大大延長了光纜在高溫情況下的使用壽命,光纜的使用壽命能達到10年以上。

      光纖傳感器是永置式光纖壓力/溫度監測系統的井下核心部分,其最大工作壓力可達15kPsi,最大工作溫度可達300℃。

      永置式光纖監測技術的優點主要有:

      (1)傳感器體積小,重量輕,零部件極少且無運動部件,光學傳感器壽命大于15年。

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

      (3)全石英結構,化學性質穩定,激光微加工技術,性能可靠。

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

      (5)測量點多,可串、并聯組網同時監測單井多個層位的壓力和溫度,單井1/4″光纜最多12個壓力溫度信號,一套井口設備可以同時連接16個溫度和壓力傳感器。

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

      鋼絲作業適用于直井、小斜度井的測試,其優點是單次作業費用較低,但后續費用隨作業次數增加,可用于低溫、低壓普通開發井的臨時監測。永久壓力監測和光纖監測適用于直井、水平井,其初始投入較高,但后續無作業費用,叢式井/平臺井可共享地面設備,從而大幅度降低綜合成本,可用于高溫、高壓井或重點井的實時、連續監測。

      (1)連續監測技術為油氣井的精細化管理提供了有力的數據支持,有助于油氣井工作制度的及時優化,防止儲層出砂、抑制邊底水快速錐進。

      (2)永久壓力監測技術、光纖監測技術可以有效解決高溫高壓井的動態監測難題,可以在提供油氣井動態數據的同時,降低測試作業的工程事故率。

      (3)綜合考慮技術、經濟因素,建議對重點井進行長期連續監測,高壓井采用永久壓力監測技術,高溫井采用光纖監測技術。

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      關鍵詞:

      光纖聯系

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