分布式光纤传感技术在国内油田应用浅谈

刘艳玲 张玉辉 李 军 梁 宁

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆)

0 引 言

目前，我国大部分油田进入了开发中后期，老油田产量呈递减趋势，地下油水关系复杂，新探明石油储量品位下降，原有的开发测井技术不能完全满足油田开发的需要。光纤传感技术是20 世纪70 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)。分布式光纤传感技术作为光纤传感技术的一个分支领域，可同时测量分布在光纤路径上的被测量的分布情况，这也是该技术优越于一般的点分布、准分布式光纤传感技术的地方，解决了许多特殊环境下光纤传感器和传统传感器难以胜任的测量难题。分布式光纤传感器具有精度高、轻巧、能克服井下恶劣环境等优势，其只需要一根传感光纤可以实现分布式测量，布线非常简单，且系统成本随着传感距离的增加大幅降低，在油田开发中具有非常广阔的前景。

1 分布式光纤传感器

分布式光纤传感技术是通过检测光在光纤传输过程中产生的后向散射光所携带的振幅、相位、频率、不同散射光的相应参数等信息来实现温度、压力等油田开发所需要的物理参数的测量。当光通过介质时，偏离原来的方向而向四周传播，这种现象称为光的散射。光的后向散射光谱如图1 所示。由于瑞利散射的受限性，油田上应用较少。目前应用于油田的分布式光纤传感技术主要分为基于拉曼散射的分布式光纤传感系统以及基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中基于拉曼散射的分布式光纤传感系统测量参数只与温度相关，只可以测量温度，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统则可以同时测量温度与压力两个参数。

图1 后向散射光分析

分布式光纤传感系统的特点:

1)与其他传统的传感器相比具有测量精度高、不受电磁干扰、可以克服井下恶劣环境等优势;

2)非接触式测量，不会破坏井内原有的温度、压力场，能真实的反映实际测试情况;

3)与其他光纤传感器相比较，分布式测量系统测量原理简单、成本低、易于推广，基于拉曼散射的分布式光纤测温系统，由于测量参数只对温度敏感，避免温度、压力交叉敏感的问题;

4)布线简单，只需要一根传感光纤即可实现分布式测量;

5)实时永久性监测，一次测量可以监测到测量时间点内整个光纤分布范围内温度压力的变化。

2 分布式光纤传感系统在油田的应用

2.1 稠油热采油田中温度的监测

稠油热采技术是针对稠油难开采而新发展起来的油气开采技术。地层的温度作为油藏动态监测中的两个重要参数，SAGD 开采模式需要监测井内温度沿水平段的分布，以及蒸汽腔内的温度在平面及纵向上的分布。前者是为了了解水平井生产段的有效利用程度，后者是为了了解油层中蒸汽腔发展的均匀程度和油藏非均质性的影响，由于此稠油热采技术大大提高了油层温度，原有的仪器测试技术指标已经不能适应高温环境下的测量要求。分布式光纤传感系统的特点使其能够克服井下恶劣环境，实施温度、压力的测量。

利用分布式光纤测温系统实时监测温度变化情况，通过分析监测资料发现和分析问题，提出解决方案，保证试验的顺利实施。其在稠油热采过程中起到以下几点作用［1］。(1)判断注汽过程中漏失点:当注汽过程中出现油管套管漏失时，注入油管内的高压气体在漏失点进入地层。由于地层压力低进入地层的气体突然膨胀产生冷却效应，在漏失点形成低温场，由此可以判断漏失点的位置。通常井下测试因无法录取连续的温度压力资料。只能通过压力梯度的变化来分析漏汽位置。光纤分布式测井技术可以同时测出温度、压力和深度数据，综合温度和压力的变化来判断漏汽位置。(2)判断吸气剖面:在稠油开采中注汽井吸汽剖面能正确地反映油层动用情况，便于油藏动态分析，判断注汽效果，调整注汽方案，为准确掌握油藏生产动态和改善注蒸汽开发效果提供了重要依据。与传统的监测技术相比分布式测井技术可以实时并且同时测出温度、压力，更直观的反映出吸气效果，如图2。综合温度和压力的变化来分析吸汽剖面的变化提高资料分析的可靠性。(3)利用温度和压力剖面资料探测液面:光纤分布式测井技术可以同时确定温度、深度和压力。深度剖面可以明显反映出液面的深度。测试过程不需要进行多级梯度停点，测试结果准确、直观。

图2 分布式光纤测井曲线

2.2 评价井间热联通

井间热连通有两个阶段:(1)随着蒸汽前缘的推进，油层的加热方式为对流和传导，井间温度上升，在蒸汽前缘到达监测井之前，监测温度明显上升，但升高的幅度不大。当监测温度超过稠油粘温曲线的拐点温度时，达到热液体连通阶段。(2)蒸汽前缘到达监测井后，对流为主要传热方式，监测温度急剧上升至蒸汽的饱和温度，升高的幅度也很大。此时认为达到汽窜阶段。利用分布式光纤测试资料与电子压力计测试资料相结合可以分析出注汽过程中井间的连同情况［2］。

2.3 套管应变监测［3］

光纤布里渊应变传感器与光纤光栅传感器监测相结合分别监测套管轴向和周向应变。摸索套管在剪切和挤压弹性变形极限内套管轴向拉应变的变化规律，量化出层段套损的预警界限，为套损监测提供科学依据。图3 为某井套管应变监测曲线。从图上可以看出，套管应变在250 微应变以内，油层段应变在400 微应变以内，套管未发生损坏，处于安全状态;随着投产时间延长，套管由受拉向受挤压方向发展。

图3 某井套管应变监测曲线

2.4 地层压力监测［3］

将解调出的光纤布里渊频移转化为地层压力，实现井下数据录取、分析解释自动化，真实反映区块各小层压力变化趋势如图4 所示。应用光纤布里渊传感器监测地层压力，既能够满足分布式监测小层压力的需要，又具有成本低、测试工艺简单的优势，可以为油田开发布孔方案设计及采取系统压力调整措施提供依据。

图4 地层压力测试曲线

在国内，DTS 测试系统也已成为国内各大油田、公司的研究热门技术。辽河油田的科研工作者通过利用光纤测温技术提高了稠油开采的效益，高温光纤温压监测技术已经在多处油田成功完成了多口高温油井的温度压力监测任务［4］;大庆油田已经逐步应用了油水井套管外光纤传感技术及套管内光纤分布式连续测温技术，完成了地层压力监测、套管变形、油井温度场在时间和空间上的连续动态监测［3］;北京蔚蓝仕公司公司研制的分布式光纤测温系统在多个油田进行了应用，其测温精度可以达到±5℃、温度测量范围-40℃-400℃;测温距离15 km、空间分辨率0.25 m。

3 展望

光纤传感技术的出现极大的丰富了油田的测试领域。近年来，分布式光纤传感技术的发展已趋于成熟，目前虽然光纤传感技术还未广泛地应用于油田开发领域，但它作为一种有着巨大潜力的新技术，必将广泛应用于石油开发领域并发挥巨大作用。光纤传感器技术是改变石油产业游戏规则的关键技术，光学油田将是未来油田发展的必然趋势。

［1］马 坤，郭 强，戴建飞，等. 分布式光纤测井技术在稠油开采中的应用［J］.石油矿场机械，2012，41(2)

［2］刘立成，姜汉桥，赵业卫. 应用分布式光纤温度测试技术评价井间连通［J］.西南石油大学学报，2007，29(5)

［3］林发枝. 油水井套管外光纤监测套管应变和地层压力技术研究［D］.东北石油大学硕士论文

［4］刘立成. 实时分布式光纤温度测试SAGD 中的应用［J］.中国石油大学胜利学院学报，2010，24(2)