光纤温度测试技术在油井中的应用

许玲玲，孙宝全，2，张国玉，刘艳霞，郭林园

（1.胜利油田采油工艺研究院，山东东营257000；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营257061） ①

光纤温度测试技术在油井中的应用

许玲玲1，孙宝全1，2，张国玉1，刘艳霞1，郭林园1

（1.胜利油田采油工艺研究院，山东东营257000；2.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营257061）①

光纤传感器具有体积小、高灵敏、抗干扰的优点，在油井井下测试中的应用日趋广泛。介绍了分布式光纤温度测试技术和光纤光栅测温技术。现场应用表明：光纤温度测试技术能够实现井下固定点及剖面的永久温度监测，为油藏监测、工艺措施的有效实施和提高采收率打下基础。

光纤；温度传感器；油井；应用

油气田开发亟需研究的一个重要领域是监测油藏动态和实施优化采油，其中油藏温度检测是对油藏实施有效管理和提高采收率的基础。井下温度测试数据可以用于产出层位的划分、实时生产剖面监测、套管窜槽和漏失情况判断；尤其对于稠油注蒸汽井，准确、连续、实时地进行井下温度监控，能实现实时注入剖面监测和实时注蒸汽管理。光纤传感器能抗电磁干扰，外形尺寸小，能承受高温高压及腐蚀等极端工况，特别适用于井下温度永久监测。目前，应用于油水井的光纤温度测试技术主要有分布式光纤温度测试技术和光纤光栅测温技术。

1 原理简介

1.1 分布式光纤温度测试技术

分布式光纤温度测试技术（FODTS：Fiber Optic Distributed Temperature Sensor）中，光纤本身既是传感器又是信号传输的载体。依据光纤后向拉曼散射原理，光脉冲在光纤中传播，受热时会产生后向散射。光纤所处的环境温度越高，该点的后向散射光的光强度越大，检测散射光强度即可确定测试点的温度；利用光时域反射（OTDR）原理，依据光从入射点到散射点往返的时间，可计算出入射点到散射点的距离。因此，不同时刻的反射波对应不同距离点发生的散射，依据反射波的光强度可以计算出散射点的温度。

常规的通信光纤耐温为－45～75℃。在常规油水井中，温度可达80～150℃，而在稠油热采井中，需要向井下注入高温蒸汽，其温度高达300℃，因此，耐高温光纤是其关键技术。通常，耐高温光纤纤芯为涂锗的石英，包层为纯石英材料，涂敷层为改性聚酯亚胺材料，这种光纤能够耐温－65～300℃。

1.2 光纤光栅（FBG）温度测试技术

光纤光栅（FBG：Fiber Bragg）最主要的应用之一是作为温度传感器。用在空间上周期变化的强紫外线激光照射掺锗光纤，就可在纤芯内沿轴向形成一个折射率周期变化的光栅光纤。

当一束宽谱光射入FBG时，一部分光透过FBG继续传输，另一部分光反射回来，如图1所示。反射光的中心波长受环境温度的影响，在低温段（＜100℃），反射光中心波长变化量与温度变化量呈现较好的线性关系；在高温段（＞100℃），反射波长与温度呈非线性关系，可用二次多项式［1］表示波长变化量Δλ和温度变化量ΔT之间的关系，即

式中，Δλ为反射光中心波长变化量；ΔT为温度变化量；K1、K2为裸FBG的一阶和二阶温度灵敏度系数。

图1 光纤布拉格光栅反射原理

在注蒸汽井中，光纤光栅温度传感器同样面临高温的考验。采用相位掩膜法在掺锗石英光纤上刻制FBG［2］；利用化学气相沉积法在光纤的1个端面上交替沉积1／4波长厚度的SiN和Si2N，形成准Bragg光栅。在高温环境下，光纤光栅的反射波长与温度有很好的线性关系。另外，经研究发现提高光纤光栅传感器基体材料的热膨胀系数，能够有效提高FBG的高温线性。

2 现场应用

2.1 分布式光纤温度测试系统

分布式光纤测温系统在石油工程测试中的应用包括：实时生产剖面监测、实时注入剖面监测、实时注蒸汽管理、油井水气窜监测、深水完井监测、人工举升监测与优化、水平井剖面监测及多产层井测试。1996年，该技术首次应用［3］于加利福尼亚州的West Coalinga油田蒸汽驱井组。

哈里伯顿公司在印度尼西亚的蒸汽驱井应用光纤分布式测温技术对油藏温度监测。图2是1998－04—2003－10在某观察井中测得的5条温度曲线，可以看出，在井深146～168m（480～550英尺）处，温度随时间明显升高，温度剖面显示蒸汽腔的形成。

图2 观察井中DTS监测蒸汽腔的形成

2007年斯伦贝谢公司在BP的艾泽里油田（Azeri）1口砾石充填井中安装了永久光纤分布式测温系统。图3是2007－01－11和2007－04－01在井深4 100～4 600m处测得的2条温度曲线。由2007－04－01的温度曲线可以看出，随着井深的变化，出现多处温度突变，据此可判断气窜。

光纤分布式测温技术在国内虽起步较晚，但随着蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）及开发深层稠油资源的需求，国内各油田及院校相继开展此方面的研究。1997－05，辽河油田在曙一区杜84块SAGD生产井安装了光纤分布式测温系统和毛细管测压系统，用来监测蒸汽腔的形成。2006—2007年，在辽河油田SAGD先导试验区新钻6口温度观察井中，安装了光纤分布式测温系统［4］。图4为在1口蒸汽注入井周围的4口观察井中测得的4条温度曲线。可以看出，注入的蒸汽沿着油藏方向水平扩展，显示蒸汽腔已形成。2009年在锦45块，试验区中心井组附近3口温度观察井（锦45－J2、观26和22－250）应用了光纤分布式测温系统，实时监测地层温度场变化，证明井组的热连通已基本建立。胜利油田有限公司采油工艺研究院于2001年研制开发和应用了油井分布式光纤测温系统，并在草桥区块油田CN8－3注汽井上进行了现场测试试验，1次测量出整个井筒的温度剖面。

图3 光纤分布式温度测试确定气窜

图4 SAGD先导区温度观察井组温度曲线

2.2 光纤光栅温度测试系统

2002年，威德福在阿拉斯加附近的奥斯达尔油田（orthstart）安装了永久光纤光栅温度压力传感器监测油藏。图5为NS－14井井底温度压力值，该井在2002－02－19和2002－02－20分别进行了1次射孔施工，从井底温度压力变化曲线上可以看出，射孔施工时，温度压力值发生了相应的突变。

2007年，胜利油田采油工艺研究院成功研制了光纤光栅温度压力测试系统，2009－04将其安装在胜利油田GO6－28－495井中，对该井的井底温度、压力进行实时监测。该井为国内第1口光纤分层测试分层采油井，为智能完井技术的研究奠定了基础。

图5 NS－14井射孔温度－压力曲线

3 结论

1） 实践证明，光纤分布式温度测试技术适合在稠油井、水平井监测油藏温度剖面，以确定蒸汽腔的形成，判断井间连通性、水气窜等。

2） 光纤温度测试技术适合长期监测井下固定点及剖面的温度变化，对井下不同层位开采和施工过程进行监测和分析。

3） 光纤传感器性能稳定，能够抵抗高温、高压等恶劣井下环境，其在油藏监测中的作用日趋显著。目前，光纤传感器正向井下温度、压力、流量［5］测试等石油应用领域发展。

［1］ 刘钦朋，乔学光，贾振安，等.光纤Bragg光栅高温传感技术研究［J］.光电子·激光，2007，18（2）：147－149.

［2］ Wang Wenhua，Song Shide，Wang Xiaoxu.Study on high temperature characteristic of fiber Bragg grating［J］.Journal of Optoelectronics－Laser，2005，16（7）：806－808.

［3］ Karaman O S，Kutlik R L，Kluth E L.A field trial to test fiber optic sensors for downhole temperature and pressure measurements，West Coalinga Field，California［C］.SPE 35685，1996.

［4］ 尤洪军，王宏远.温度观察井系统在超稠油SAGD开发中的应用［J］.油气地质与采收率，2008，15（3）：99－101.

［5］ 左芳君，钟功祥.油气水多相测量系统的设计［J］.石油矿场机械，2007，36（10）：58－60.

Application of Fiber Optic Sensor Temperature Testing in Oil Well

XU Ling－ling1，SUN Bao－quan1，2，ZHANG Guo－yu1，LIU Yan－xia1，GUO Lin－yuan1
（1.Shengli Oil Production Research Institute，Dongying257000，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Petroleum，Dongying257061，China）

The fiber optic sensors have the advantages of small volume，high sensitivity and immune to Interferences.It is widely applied in reservoir monitoring of the oil well.The principle and the application of the fiber optic distributed temperature sensor and fiber Bragg gating temperature testing which are mature technologies are presented in detail.The field application proved that，the fiber optic temperature sensors could test the temperature profile of the reservoir，making a foundation for the effective implement of reservoir monitor，technology measures and EOR.

fiber；temperature sensor；oil well；application

1001－3482（2011）11－0041－03

TE937

A

2011－05－18

项目来源：中石化重大攻关项目“油水井光纤四参数测试技术研究”（P09036）

许玲玲（1981－），女，山东东营人，工程师，硕士，2007年毕业于山东大学，现从事石油工程测试工作，E－mail：xulinglingsdu＠gmail.com。