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分布式光纤监测系统应用油井温度压力流量等解决方案

油气井的井底压力、温度等数据是油气田开发动态分析及制定开发调整方案的必要依据,因此在油气井生产过程中,需要经常进行测试作业以获取相关数据,但随着油气田精细化开发的深入,间断的单时点数据已不能有效支撑对油气井的及时调整。永久压力监测和光纤监测技术可对油气井进行长期连续监测,获取井底压力、温度的实时曲线,可实时引导油气井在合理压差下进行排采生产,通过稳定或不稳定试井,计算单井动态储量、渗透率、表皮系数等,多点布控可测试井间产层连通性。

永久井下压力监测系统采用了先进的压力传感器和电子芯片,经过在加拿大、美国、伊拉克、伊朗、俄罗斯、马来西亚等国家油田十几年的现场应用,已充分显示出了其在油气井试井技术中的优越性。20世纪 80 年代中期与 90 年代初期,由12 家单位联合发起了有关光纤传感器技术在油藏永久监测方面的应用研究,目前,温度压力测量系统、分布式温度测量系统等光纤监测系统已经成熟,并应用于油井温度、压力、流量等的监测。

目前国内主要采用间隔式的钢丝作业进行油气井井底压力、温度数据的测量,连续监测技术应用较少,本文将重点总结不同测试方法的基本原理及其适应性,为油气井测试方法的选择,尤其是高温、高压等重点油气井测试方法的选择提供参考。

常规间隔式测试方法根据生产需要在特定时间对油气井进行测试,利用钢丝或电缆将压力计下入井中,得到测试作业时的井底压力、温度数据,作业结束后将压力计起出井口。此种方法的优势是单次测试作业成本较低,但无法获取长期的连续的压力、温度数据。同时,应用的压力计主要为宝石或石英电子压力计,其压力量程约为105MPa,温度量程约为 177℃,已无法满足高温、高压井的测试要求。

目前常用的测试工艺主要有 3 种:

(1)钢丝起放存储式:先将电子压力计编程后联电,采用钢丝设备将压力计下入目的层位,测试结束后压力计随钢丝起出井口,在地面回放压力、温度数据。

(2)钢丝投捞存储式:将电子压力计编程后联电,随钢丝下入目的层位,脱手压力计,起出钢丝。测试结束时,利用钢丝工具打捞压力计,在地面回放压力、温度数据。

(3)电缆起放直读式:将电子压力计与单芯电缆连接,利用绞车送入井底目的层位,在地面为井下压力计供电,测试数据通过电缆实时传回地面,测试结束后起出压力计。

存储式测试方式采用电池为压力计供电,直读式测试方式采用电缆为井下压力计供电,测试时间不再受电池电能限制,但是存在测试井口密封问题。目前主要采用钢丝起放存储式进行测试作业,根据钢丝起下过程中测得的井筒压力梯度曲线折算油层中深处的压力、温度。

测试作业为井口带压作业,高温高压井测试作业对防喷器、防喷管等井控设备压力等级要求高,由于钢丝工具串配重较重,对钢丝的抗拉性能也提出较高要求,测试作业风险大。

永久压力监测技术永久井下监测系统(Permanent Downhole Monitor?ing System,以下均简称 PDMS)是将电子压力计置入油管连接的压力计托筒中,随油管下入井中,通过压力计中高精度的传感器感应井下的压力和温度,并将经过处理的压力、温度信号经电缆传送到地面,地面数据采集系统控制和存储传送到地面的井下压力、温度信号,实时录取压力、温度数据。PDMS可以利用地面直读方式对油藏和井况进行实时、连续、长期的监测,便于及时掌握油气井生产动态,优化油气井工作制度和举升参数。

PDMS 系统主要由井下和地面两部分组成。地面部分由电缆井口引出装置、数据采集系统、太阳能自动供电系统组成。井下部分由电子压力计、压力计托筒、铠装电缆、电缆保护器组成。

地面数据采集系统用于向井下压力计供电,并向其发出控制指令,改变井下电子压力计的采样间隔,同时收集和存储井下压力计传送上来的压力、温度数据,数据采用 SD 卡存储,存储容量可达到 1500 万组数据。太阳能自动供电系统向地面数据采集系统和井下压力计提供可靠的电源。在油管挂和采油树上预留电缆穿出孔,安装电缆井口引出装置,主要功能是密封穿出井口的电缆,密封压力20kPsi,材质Inconel 718,采用全金属密封,可保证长期应用的密封效果,适用于高压高温油、气井。

电缆是电力和数据的传输通道,内部是实心铜线,中间分别有内绝缘层和绝缘充填层,最外层是金属封装层。钢管材质Incoloy 825(高镍合金),最高工作压力25kPsi,最高工作温度200℃,抗拉强度1000kg,芯线规格 18 AWG,具有较好的抗挤压、抗磨蚀和耐腐蚀性能,适合于在井下长期使用。电缆保护器用于将电缆附着在油管上并在油管接箍处对电缆提供保护,有冲压式轻型保护器和铸钢重型电缆保护器可供选择。重型电缆保护器通常使用在油管串的下端和特殊的井筒结构中,它可以抗磨损和承受较大的外部冲击力,保护电缆完全不受到井下恶劣环境的损害;轻型电缆保护器通常用在油管串的上部,它既可以对电缆起到固定作用,也可以承受通常的井下冲击力。

电子压力计是PDMS系统的井下核心部分,采用高精度、高分辨率的石英压力、温度传感器,电路的生产设计基于当前最先进的混合电路技术,并采用真空焊接工艺封装,电子压力计传感器与电路外筒的密封采用离子束焊接工艺。外筒材质采用超强防腐镍基合金Inconel 718加工制作,最大外径0.875″,最高压力等级可达到25000Psi, 高温200℃/392℉下连续工作时间长达10年以上,可在高温、高压等井况恶劣条件下长期工作。

压力计托筒为压力计提供安装位置和机械保护,与压力计之间的密封为金属密封,可选择监测托筒外部套管内压力或者通过传压孔感应和监测油管内的压力, 一支托筒也可同时安装2只压力计。

永久井下监测系统可以长期、连续监测油气井井底压力、温度,用于油气井生产动态分析、试井分析、油气藏数值模拟、人工举升工作参数优化、防止地层出砂等多个问题的研究,其主要特点有:(1)具有长期工作的稳定性。太阳能供电系统可保证系统连续可靠的工作;采用超大规模集成电路设计,具有很强的抗震、抗干扰能力;采用了当前最新的压力传感器技术和电路技术,连续监测的时间可达到10年以上,具有很高的工作稳定性和可靠性。

(2)适用于高温、高压井的监测。电子压力计最高压力等级可达到25kPsi, 高温200℃/392℉下连续工作时间长达10年以上,可用于高温、高压、高腐蚀性等恶劣井况监测。

(3)多层压力连续实时监测。PDMS 永久井下监测系统不但可以实现单层压力监测,还可以实现单井多层位井下数据同时、实时监测。另外,可选择监测托筒外部套管内压力或者托筒内部油管内压力。

永置式光纤监测技术光纤传感技术是以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。永置式光纤压力/温度监测技术是将光纤传感器随完井管柱下入井中,井口激光器发出激光,光信号通过光纤到达井下传感器,传感器将温度压力信息调制在反射光谱上,井口探测器接受从传感器反射回来的光谱,并通过对干涉光谱的分析得到温度压力数据。永置式光纤监测可以实现油气井井底压力及温度数据实时、长期、稳定的监测,通过区域性、多井点数据监测,可以为油气田开发方案制定提供依据。

井下常用光纤传感器主要有分布式光纤温度传感器(DTS)和光纤压力传感器(PT)。DTS 的测量基础是温度对光散射系数的影响,通过检测外界温度分布于光纤上的扰动信息来获取温度的信息,实现分布式温度测量,测量的技术基础是光纤拉曼散射技术。激光器沿光纤发出光脉冲,通过分光器后分为两束光,下接2个不同中心波长的滤波器,对应滤出斯托克斯光和反斯托克斯光,经光电探测器转化为电信号后送入数据采集与处理单元,经过检波处理最后输出温度值。

基于光速不变原理,可测量光纤反射光信号的精确深度

光纤压力传感器大多数采用基于法布里—玻罗干涉仪原理的压力计。由两光纤端面形成的空腔在光学上称作法布里—帕罗腔,简称法帕腔。激光由一端光纤进入法帕腔时,部分光能量在该端的光纤端面形成反射;其余光能量继续前向传播,继而由第二个光纤端面反射,并且反向进入第一段光纤。2次反射的激光在探测器表面形成干涉,干涉光谱由法帕腔腔长唯一决定,在频率域为正弦波。通过测量正弦波的周期和相位,则可以精确得知腔长。外界压力P将压缩法帕腔,导致2根光纤端面之间形成的法帕腔的腔长随着外界压力的变化而变化。因此,通过测量法帕腔的腔长,可以反推出外界的压力P。

永置式光纤压力/温度监测系统组成

地面部分主要有地埋光缆、调制解调仪,井下部分主要有光纤传感器、传感器托筒、光缆和光缆保护器。地面光谱解调仪发出1510~1590nm的连续波长扫描激光,激光经过信号光纤传递到井下的F-P腔压力传感器和FBG温度传感器,之后激光被F-P腔和FBG反射形成反射光谱,反射光谱将携带传感器附近的压力和温度信息沿同一条光纤传回解调仪,并由解调仪将光谱信号发送给计算机,计算机按照解调程序计算出井下的压力和温度值,并按需要的数据库格式进行实时显示、存储或远程发送。

地面控制单元由解调仪和笔记本计算机组成,与解调仪匹配的App被内置到计算机中。解调仪是实现将井下温度压力传感器反射回来的光谱信号说明为用户可见的温度压力数值,依次能够解调16通道传感器的压力和温度信号,并对当前温度压力进行显示和存储。地埋光缆主要是实现从井口到设备间光信号的传输,一般采用地埋的方式进行施工。铠装光缆提供传感器与地面解调器之间信号传输的通道,外铠材料为316L或Inconel825,中间抗氢损金属层能延缓氢损140倍左右,大大延长了光缆在高温情况下的使用寿命,光缆的使用寿命能达到10年以上。

光纤传感器是永置式光纤压力/温度监测系统的井下核心部分,其最大工作压力可达15kPsi,最大工作温度可达300℃。

永置式光纤监测技术的优点主要有:

(1)传感器体积小,重量轻,零部件极少且无运动部件,光学传感器寿命大于15年。

(2)光纤既是传感器又是信号传输媒介,无井下电子器件,抗强电磁干扰,可靠性高。

(3)全石英结构,化学性质稳定,激光微加工技术,性能可靠。

(4)铠装光缆采用316L或Inconel825合金材质,耐H2S/CO2腐蚀。

(5)测量点多,可串、并联组网同时监测单井多个层位的压力和温度,单井1/4″光缆最多12个压力温度信号,一套井口设备可以同时连接16个温度和压力传感器。

(6)可 用 于 高 温/高 压 井 :能 承 受 300?C 高 温 、15000Psi压力,以及高产气流产生的震动和冲击。

钢丝作业适用于直井、小斜度井的测试,其优点是单次作业费用较低,但后续费用随作业次数增加,可用于低温、低压普通开发井的临时监测。永久压力监测和光纤监测适用于直井、水平井,其初始投入较高,但后续无作业费用,丛式井/平台井可共享地面设备,从而大幅度降低综合成本,可用于高温、高压井或重点井的实时、连续监测。

(1)连续监测技术为油气井的精细化管理提供了有力的数据支撑,有助于油气井工作制度的及时优化,防止储层出砂、抑制边底水快速锥进。

(2)永久压力监测技术、光纤监测技术可以有效解决高温高压井的动态监测难题,可以在提供油气井动态数据的同时,降低测试作业的工程事故率。

(3)综合考虑技术、经济因素,建议对重点井进行长期连续监测,高压井采用永久压力监测技术,高温井采用光纤监测技术。

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