分布式光纖監(jiān)測系統(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)過程中，需要經(jīng)常進(jìn)行測試作業(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)已不能有效支撐對油氣井的及時(shí)調(diào)整。永久壓力監(jiān)測和光纖監(jiān)測技術(shù)可對油氣井進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，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)，通過穩(wěn)定或不穩(wěn)定試井，計(jì)算單井動(dòng)態(tài)儲量、滲透率、表皮系數(shù)等，多點(diǎn)布控可測試井間產(chǎn)層連通性。

永久井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)采用了先進(jìn)的壓力傳感器和電子芯片,經(jīng)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(xiàn)場應(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)測方面的應(yīng)用研究，目前，溫度壓力測量系統(tǒng)、分布式溫度測量系統(tǒng)等光纖監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成熟，并應(yīng)用于油井溫度、壓力、流量等的監(jiān)測。

目前國內(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)的測量，連續(xù)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用較少，本文將重點(diǎn)總結(jié)不同測試方法的基本原理及其適應(yīng)性，為油氣井測試方法的選擇，尤其是高溫、高壓等重點(diǎn)油氣井測試方法的選擇提供參考。

常規(guī)間隔式測試方法根據(jù)生產(chǎn)需要在特定時(shí)間對油氣井進(jìn)行測試，利用鋼絲或電纜將壓力計(jì)下入井中，得到測試作業(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)勢是單次測試作業(yè)成本較低，但無法獲取長期的連續(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(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，測試數(shù)據(jù)通過電纜實(shí)時(shí)傳回地面，測試結(jié)束后起出壓力計(jì)。

存儲式測試方式采用電池為壓力計(jì)供電，直讀式測試方式采用電纜為井下壓力計(jì)供電，測試時(shí)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(jìn)行測試作業(yè)，根據(jù)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(yè)為井口帶壓作業(yè)，高溫高壓井測試作業(yè)對防噴器、防噴管等井控設(shè)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(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。

永久壓力監(jiān)測技術(shù)永久井下監(jiān)測系統(tǒng)(Permanent Downhole Monitor?ing System，以下均簡稱 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)過處理的壓力、溫度信號經(jīng)電纜傳送到地面，地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制和存儲傳送到地面的井下壓力、溫度信號，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油藏和井況進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、長期的監(jiān)測，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)收集和存儲井下壓力計(jì)傳送上來的壓力、溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用 SD 卡存儲，存儲容量可達(dá)到 1500 萬組數(shù)據(jù)。太陽能自動(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″，最高壓力等級可達(dá)到25000Psi, 高溫200℃/392℉下連續(xù)工作時(shí)間長達(dá)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(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)測托筒外部套管內(nèi)壓力或者通過傳壓孔感應(yīng)和監(jiān)測油管內(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)測系統(tǒng)可以長期、連續(xù)監(jiān)測油氣井井底壓力、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)問題的研究，其主要特點(diǎn)有：（1）具有長期工作的穩(wěn)定性。太陽能供電系統(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。電子壓力計(jì)最高壓力等級可達(dá)到25kPsi, 高溫200℃/392℉下連續(xù)工作時(shí)間長達(dá)10年以上，可用于高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣井況監(jiān)測。

（3）多層壓力連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。PDMS 永久井下監(jiān)測系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)單層壓力監(jiān)測，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。另外，可選擇監(jiān)測托筒外部套管內(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量信號的新型傳感技術(shù)。永置式光纖壓力/溫度監(jiān)測技術(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，光信號通過光纖到達(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(shù)據(jù)。永置式光纖監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)油氣井井底壓力及溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、長期、穩(wěn)定的監(jiān)測，通過區(qū)域性、多井點(diǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測，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 的測量基礎(chǔ)是溫度對光散射系數(shù)的影響，通過檢測外界溫度分布于光纖上的擾動(dòng)信息來獲取溫度的信息，實(shí)現(xiàn)分布式溫度測量，測量的技術(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，通過分光器后分為兩束光，下接2個(gè)不同中心波長的濾波器，對應(yīng)濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號后送入數(shù)據(jù)采集與處理單元，經(jīng)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(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?yàn)檎也āＭㄟ^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(dǎo)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(jiān)測系統(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)波長掃描激光，激光經(jīng)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(diào)儀，并由解調(diào)儀將光譜信號發(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)庫格式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲或遠(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的光譜信號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，并對當(dāng)前溫度壓力進(jìn)行顯示和存儲。地埋光纜主要是實(shí)現(xiàn)從井口到設(shè)備間光信號的傳輸，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)器之間信號傳輸?shù)耐ǖ溃怄z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(dá)到10年以上。

光纖傳感器是永置式光纖壓力/溫度監(jiān)測系統(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傳輸媒介，無井下電子器件，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）測量點(diǎn)多，可串、并聯(lián)組網(wǎng)同時(shí)監(jiān)測單井多個(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，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。永久壓力監(jiān)測和光纖監(jiān)測適用于直井、水平井，其初始投入較高，但后續(xù)無作業(yè)費(fèi)用，叢式井/平臺井可共享地面設(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。

（1）連續(xù)監(jiān)測技術(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，防止儲層出砂、抑制邊底水快速錐進(jìn)。

（2）永久壓力監(jiān)測技術(shù)、光纖監(jiān)測技術(shù)可以有效解決高溫高壓井的動(dòng)態(tài)監(jiān)測難題，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，建議對重點(diǎn)井進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，高壓井采用永久壓力監(jiān)測技術(shù)，高溫井采用光纖監(jiān)測技術(shù)。