光纤传感推动油藏地球物理技术智能创新发展

苟 量 张少华 余 刚, 王熙明 安树杰 吴俊军 陈沅忠

（1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司；2.中油奥博（成都）科技有限公司）

油藏地球物理技术是应用地球物理勘探技术，从勘探向开发领域延伸，纵向上以油藏尺度为目标，空间上以油藏单元为范围，以地震为主，涉及非地震、岩石物理、地质、测井、油藏建模、开发等多学科，通过油藏描述、模拟和监测手段来解决油气藏评价、开发与生产阶段出现的油气藏问题。特点是：以井为核心，将测井、钻井、岩心、地震等数据综合起来，进行油藏静态精细刻画和油藏开发动态监测；研究目标比勘探地球物理技术更明确，资料采集、处理、解释方法更有针对性。其最终目标是围绕“认识油藏、开发油藏、改造油藏”寻找剩余油气资源，提高采收率。

分布式光纤声波传感器（Distributed Acoustic Sensing，DAS）采用独特的分布式光纤探测技术，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化的信息进行测量或监控。该技术利用光纤本身作为传感器进行信号采集，在井中地震勘探、井中—地面立体勘探、油气藏长期动态监测和微地震监测等方面被广泛应用，凭借重量轻、高密度、全井段、高效率、低成本、灵敏度高、耐高温耐高压等优势，近年来得到快速发展，成为贯穿油气井全生命周期的新兴油气藏监测技术。

1 传统油藏地球物理技术的局限性分析

油藏地球物理技术发展初期，油藏管理的理念主要体现在降低油田开发和生产作业成本，地球物理技术主要应用于油藏圈闭特征描述、油藏特性和油藏特征参数表征、油藏生产动态监测3个方面，在降低作业成本、发现剩余油气资源、减少干井和低产井数量等方面发挥了积极作用，也在应用中得到扩充、发展和完善。但油藏管理面临两大技术挑战：（1）油气田勘探开发早期，油藏特征精细描述存在缺陷，包括厚度、埋深、体积、流体性质、岩性和储层连续性等；（2）油气藏开发生产过程中的长期动态监测技术有待改进，以便实现更准确的监控和更有效的管理。

常规地面地震勘探技术主要面临两方面挑战：（1）常规地面三维反射波地震数据低分辨率成像的问题。地面三维反射波地震数据的分辨率只有反射地震波信号波长的1/4，不能分辨小于10m厚度的薄储层，很难针对油气储层进行高精度高分辨率的精细刻画和准确描述；（2）常规地面三维反射波地震数据属性反演的多解性问题。要解决油气藏管理和高效开发所面临的两大技术挑战，需要深入到油气藏储层内部去进行高精度高分辨率的观测与测量（精细特征描述与刻画），以及油气藏储层参数和实际生产数据的长期动态监测（原位实时动态监测）。目前行业内广泛使用的井下三分量检波器由于一次下井级数较少（不超过100级）、测量间距大，无法一次完成全井段、高密度、长时间的井中地震数据采集任务。另外，在油气生产井下安装常规电子传感器，也因为数量少、精度低、耐温耐压能力差、使用寿命有限等因素，无法实现对油气生产井进行无干扰、无间断、高精度、高密度和长期生产数据的实时动态监测。这是目前传统油藏地球物理技术在油气藏开发生产中规模化应用的局限性。

2 油藏地球物理技术现状及创新发展

为了提高油气田采收率，需要对所有的油气生产井进行多参数、长期、实时、无干扰的动态监测，根据动态监测结果及时优化调整开发方案，最大限度提高油气采收率，降低生产作业成本。

2.1 光纤传感技术发展历程及技术现状

光纤传感技术始于1977年，是伴随光纤通信技术发展起来的。分布式光纤传感技术采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的分布式传感测量。分布式光纤传感器是一种全分布式的测量技术，其工作原理是基于向后散射效应，集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控，一次测量就可获得整个光纤分布区域的空间参数分布图，可测得长达几十千米的信息。近年快速发展起来的有分布式光纤声波传感（DAS）、分布式光纤温度传感（DTS）和分布式光纤应变传感（DSS）技术。在油气勘探开发领域，DAS系统应用于地表、井中和海底的地震数据采集，井下气体或液体流动噪声记录；DTS系统已广泛应用于井中温度测量和监测；DSS系统则开始应用于井下地应力测量和监测，地层压力异常区内的套管变形和套损的长期监测。

在油气藏储层精细刻画描述方面，沿井筒布设到地下储层深处的铠装光缆和亚米量级（uDAS®仪器空间采样率最小至0.1m）道间距采集的高密度DAS井中地震数据，可用于井筒周围储层的高精度高分辨率构造成像，提高油气田开发区生产井周围的精细油气藏描述能力。在油气藏生产长期动态监测方面，井中记录的微地震数据可以用于水力压裂储层改造效果的准确评价；利用油气生产井下布设的铠装光缆连续实时测量温度（DTS）和噪声（DAS）数据，对多储层油气生产井或水平井中的多相流体实时动态监测，了解油气生产井段和地层水流入井段的具体位置和流量，计算产液剖面和吸水剖面，实时调整优化油气生产方案和程序，提高油气采收率；利用在井下套管外布设的铠装光缆和地面DSS调制解调仪器，可长期动态监测地下压力场变化，实时监测地应力变化异常地段内的套管应变，及时发现套管形变和评估产生套损的风险，采取必要的工程措施和手段，预防和减少套损的发生，降低油气资源开发生产的直接成本。

2.2 创新应用及发展展望

随着分布式光纤传感技术装备的进步和数据处理方法的发展，其应用范围已经拓展到井中和地面地震数据采集、井中—地面联合立体勘探、水力压裂微地震监测、储层改造精准工程监测、油气生产井长期动态监测等领域，用于解决油藏地球物理问题。分布式光纤传感技术在油气藏勘探开发领域大规模推广应用，将为未来建设智慧油气田提供油气藏三维空间储层参数直接感知、实时测量和动态监测数据，真正实现地下油气藏的智能精细刻画和描述、油藏智能建模与模拟、优化高效开采，最终达到大幅提高油气藏采收率的目的。

3 分布式光纤传感技术在油气藏精细静态刻画中的应用

近年来，DAS技术被认为是井下三分量检波器阵列采集井中地震数据的可行替代方案。将光纤部署在油气井中，无论是在套管内布设铠装光缆，还是把铠装光缆作为完井管柱的一部分，每次地面震源激发时都可测量整个井筒内的地震信号，这促使全井段采集数据所需的作业时间大幅减少，空间覆盖率更高。

布设在井中铠装光缆和井口附近的DAS调制解调仪器，结合地面震源和地面布设的检波器，进行井中—地面立体联合勘探，可同步采集同源同波场的地面三维和井中地震数据，实现井筒周围储层的高精度高分辨率构造成像，提高生产井周围油气藏精细刻画和描述能力。

3.1 井中地震

DAS-VSP具有全井段覆盖、高密度采样、高效率、耐高温、耐高压等优点[1-7]，相比时移海底电缆或节点地震数据采集系统（OBC或OBN），时移3D-VSP成本更低、应用前景更广，是井中地震技术的重要发展方向[8-9]。壳牌石油公司在墨西哥湾3D DASVSP勘探中取得了较好效果[10]，成像结果可满足地质需求。bp、CGG、斯伦贝谢等国际知名公司均已在DAS-VSP研究方面取得较大进步[11-12]。2015年至今，中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司（简称东方物探）已在国内多个油田开展分布式光纤VSP数据采集试验，获得了较高分辨率的成像结果[13]。

2016年，东方物探在大港油田进行三维地面地震数据采集，区块面积192.49km2。通过B-01井和B-02井两个钻孔同时采集井中地震数据，两口井深度分别为3500m和2770m。在B-01井套管内布设一根从井口至井底的铠装单模光缆，接收间距为2m（共1750级），共记录地面震源井炮8167次，震源覆盖面积73.92km2；在B-02井套管内500～2080m布设一个80级三分量井下检波器阵列，接收间距为20m，共记录地面震源井炮7913次，震源覆盖面积53.88km2。井中地震数据总覆盖面积达127.8km2，地面有效炮数达16080次，两口井分别进行了井区周围地面三维地震数据的井驱叠前深度偏移成像处理。

图1显示了大港油田地面三维地震数据的叠前深度偏移（PSDM）成像、B-02井的井下三分量检波器阵列Walkaway VSP成像和B-01井的Walkaway DAS-VSP成像及其振幅谱，测试结果分别为60Hz、70Hz和85Hz。根据DAS-VSP成像结果，可以很容易识别出小于地面地震尺度的小断层和尖灭构造，而这些高分辨率精细地质构造在地面三维地震数据成像和井下三分量检波器阵列Walkaway VSP成像中是不可见的[14]。

图1 地面三维地震数据叠前深度偏移（PSDM）成像、井下三分量检波器阵列Walkaway VSP成像和Walkaway DAS-VSP成像及其振幅谱对比

2019年，为了研究港东油田地下渗流场变化规律，东方物探一年内实施了3期（1月、7月和12月）时移DAS-VSP观测，采用套管外光纤采集和地面可控震源激发，保证3期DAS-VSP资料具有一致性。通过精细处理，获得了高分辨率时移Walkaway DAS-VSP成像。从时移VSP剖面属性和反演两个方面进行差值分析（图2），在高亮体属性上，目的层在第一期、第二期监测之间变化较大，在第二期、第三期监测之间差异较小。波阻抗反演的差值剖面上，也表现为前两期监测之间差值较大，后两期监测变化很小。属性变化说明储层从投产前的第一期监测到生产5个月后的第二期监测期间，产能变化较大（第一期为34t/d，第二期、第三期为8t/d），表现为压力与产量的降低。而波阻抗的差值显示，第二期监测与第一期监测之间目的层的波阻抗值降低，表现为含油气性变化，含水量上升是该现象的主要原因。第二期监测与第三期监测的时间段内本井实现稳产，压力、日产量、流体比例等生产参数基本保持稳定，在属性与波阻抗的差值剖面上无异常响应。此结果已通过本井实际生产情况得到验证。

图2 时移DAS-VSP高亮体属性差值剖面和波阻抗反演体差值剖面对比

3.2 井中—地面联合立体勘探

井中—地面地震联合立体勘探技术可将井中与地面地震数据采集相结合，同步采集、同步处理，以提高勘探区成像精度、目的层反射信噪比与分辨率，有利于识别特殊地质体，开展储层精细预测与评价，研究砂体及岩性圈闭，精细研究井周围地层的构造、储层及油层变化特征，是一种新型的地震勘探技术。

东方物探近两年在国内近20个三维地面地震数据采集工区率先进行了井中—地面立体联合勘探数据采集作业，大幅降低了三维VSP数据采集成本。通过后期的三维地面地震数据的井驱处理，地面三维地震数据成像的准确度和分辨率显著提高。井中地震数据处理包括准确计算地下介质速度场，获取地层的平均和各层间的纵波速度与横波速度，识别多次波，计算沿井筒的球面扩散TAR因子（真振幅恢复因子）和衰减系数Q值，提取子波和反褶积参数，利用Walkaround VSP或三维VSP数据求取地下介质速度各项异性参数等。地面三维地震数据的井驱处理包括精细准确地建立井周围地下介质的三维地震波速度模型、三维弹性或黏弹性参数模型，并对三维地面地震数据进行静校正处理、去除多次波处理、振幅恢复处理、后续的三维地面地震数据提高分辨率处理，以及各向异性偏移成像和叠前道集数据的Q补偿或Q偏移成像，通过综合解释技术精细刻画与综合评价油气藏储层。

图3是四川盆地火山岩气藏勘探开发区地面三维地震数据井驱处理前后的结果对比。从图3可以看到，经过井驱处理的各向异性叠前深度Q偏移剖面的高频能量损耗得到了较好补偿，剖面的频率带宽和高频信号的振幅提高不少，Q-PSDM剖面上出现的高分辨率反射界面在过井位置上与声波测井曲线十分吻合，为油气藏储层精细刻画与描述提供了准确可靠的高分辨率、高信噪比三维成像数据体[15]。

图3 常规地面地震数据各向异性PSDM剖面与井驱处理各向异性Q-PSDM剖面对比

图4是火山岩储层段地面三维地震数据各向异性叠前深度偏移剖面与井驱处理各向异性叠前深度Q偏移剖面效果对比。后者展示的火山上行通道更为清晰，火山岩体内的溢流相和爆发相等相带解释与划分更容易、更可靠，可为识别高含气火山岩相带，布设新探井、评价井或开发井提供依据。

图4 地面三维地震数据各向异性叠前深度偏移剖面与井驱处理各向异性叠前深度Q偏移剖面效果对比

4 分布式光纤传感技术在油气藏长期动态监测上的应用

分布式光纤传感器布设在油气藏储层内进行温度/震动、噪声/应力、应变（DTS/DAS/DSS）的测量和实时监测。井下永久布设（套管外）或半永久布设（油管外）可实现油气生产井的阶段动态监测、连续动态监测和实时动态监测，为压裂段产液产气量评价、储层产量（品质）动态评价（产油产气剖面）、调剖堵水生产制度调整、储层二次开发等提供可靠依据，为寻找残余油、剩余油、提高油气采收率提供整体决策方案，是传统的生产测井、示踪剂测井等技术的创新性替代手段。井下光纤长期动态监测可贯穿于油气井的全生命周期（图5）。

图5 井下永久布设铠装光缆长期动态监测油气生产井示意图

4.1 微地震监测

随着致密储层体积压裂的规模应用，井下微地震压裂裂缝监测技术对改进压裂设计、提高压裂效果起到了重要作用。目前，DAS技术已进入实用阶段。由于DAS调制解调仪器具有较大的动态范围，能够精确测量低频地震信号，应用效果良好。与井中三分量检波器阵列相比，井中DAS数据采集系统虽存在信噪比及横向敏感性相对较低等问题，但由于具有超高密度地面/井中地震数据采集效率高与生产成本低等优势，应用前景好。

应用井下DAS数据采集系统进行井下水力压裂微地震监测，铠装光缆被布设在井下套管内外、油管外或连续油管内外，推送到水平井下。套管外永久布设的铠装光缆可用于水力压裂同井或邻井的微地震监测。套管内、油管外或安置在连续油管内外的铠装光缆只能用于邻井的微地震监测。图6是四川某页岩气开发区1口水平井套管外铠装光缆监测到的邻近分支井水力压裂产生的微地震事件。

图6 四川页岩气开发区X平台光纤监测到的水力压裂微地震事件平面分布示意图

4.2 水力压裂精准储层改造工程监测

利用套管外铠装光缆进行同井精准储层改造工程监测，实现对压裂作业过程中各核心细节的监测，可对桥射连作过程中桥塞卡瓦坐封、桥塞丢手、射孔等动作进行监测，压裂过程中可对投球坐封、不同阶段加压进液过程进行监测。通过每簇进液响应可实时进行暂堵转向效果监测及评价、桥塞封隔质量监测及评价等，其中压裂进液监测可实现分簇实时分析，分辨率小于3m，有效指导了不同压裂作业条件下每簇地层进液情况，实现了由水平井水力压裂段（60～100m）到压裂簇（3～8m）的监测能力提升，由间接（压裂微地震事件）到直接（压裂进液加砂响应）的监测，达到实时直观地动态评价水力压裂效果。

图7a显示加砂之后，在砂浓度为120kg/m³时，1～3簇进液量较小，4～8簇进液量较大，9簇、10簇偶尔有一点信号，推测可能未进液或间断性有少量进液，11簇无明显信号。图7b显示砂浓度达到240kg/m³后，1簇进液量稍有增大，9簇、10簇进液量增大，11簇开始有少量进液，2～8簇无明显变化，其中2簇、3簇进液量最小，4～8簇最大。图7c显示第一次暂堵后的顶替阶段，9簇、10簇进液量逐渐减小，直至无进液，11簇依旧未进液，1～8簇进液皆有增多，其中2簇、3簇较少，1簇较多，4～8簇最多。图7d显示第二次暂堵后效果明显，在排量达14m3、砂浓度为60kg/m³时，各簇信号增强明显，可能是储层改造效果较好，液体流通顺畅导致，此时各簇进液量都较大，1簇、9簇稍弱，11簇开始连续进液。图7e显示总液量达到2132.84m³、砂浓度为240kg/m³时，1～3簇和9簇进液量较小，其余各簇进液量较大，此时在射孔段顶界上方有较强且连续信号，推测裂缝可能延伸至此处，有一定量的压裂液通过。图7f显示最后顶替阶段，9簇进液量稍有增大，其余各簇无明显变化，射孔段顶界上方依旧存在连续较强信号[16]。

图7 套管外铠装光缆进行同井精准储层改造工程监测结果实时动态显示

4.3 产液/吸水剖面

产液剖面是指多层油层纵向上的产液强度曲线与油层顶界、底界、厚度围成的面积与总面积的百分比；吸水剖面指的是水井高速注入低温流体后温度低于地温，计算出的各层位对于注入水的分配比例。两个剖面的主要影响因素是井温局部变化。井筒的温度剖面会随着井筒与周围地层发生流体交换而发生变化，主要受到流体交换速度、地层渗透率、流体和岩体的热物理学特性等影响，各层段井下温度的变化幅度不同，从而为生产解释提供理论依据。测温仪器实时监测井筒温度变化，探测影响井筒热稳定模型发生变化的影响因素，反演出生产状况的变化。焦耳-汤姆逊效应可用于解释井筒中热力学变化。

光纤测温、测压的便捷性好，布设在油气生产井中的铠装光缆在开发过程中可很容易获得井筒的全井段、全生产周期的温度和压力数据。由于井筒温度和压力受井下流体产出剖面的影响，依此反演出一套用于解释油气井产出剖面的模型，以便对油气井进行长期监测（图8）。在传统直井中，地层温度随着深度变化会有明显变化，通过温度变化可准确判断井下的生产状况。但在水平井中，地层深度变化不大，几乎处于同一层位，井筒周围的地层温度变化也不大，热膨胀、热传导、黏性耗散、焦耳-汤姆逊效应等微热效应的影响成为水平井温度变化的主要影响因素，建立基于井筒和地层的热力学生产模型就成为通过温度解释生产剖面的重要工作。根据DTS和DAS数据建立充分考虑油藏中微热效应的温度反演模型，计算吸水剖面和产液剖面，明确评价油气井的产出剖面。图8中最右侧红色柱状图显示了井下每套产层或每个射孔压裂段产出的油气在该井总产量中的占比。依据油气井产液剖面，可及时调整开发方案，指导增产措施的实施。

5 分布式光纤传感技术在智慧油田建设上的应用前景

光纤的工作频带宽、动态范围大，适用于遥测遥控，是性能优良的低损耗传输线。在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是优良的敏感元件。分布式光纤传感设备具有尺寸小、重量轻、无电无源、耐腐蚀、耐高温、抗辐射、抗电磁干扰、灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠等特点，具有传统传感器不可比拟的优势，特别适于在易燃、易爆、空间受严格限制、强电磁干扰等恶劣环境中使用，是地震传感技术的发展方向。

分布式光纤传感技术在油气田生产井中大规模推广应用，大量布设在地表之下和井中的铠装光缆可作为智慧油田全面感知地下油气藏的全空间神经网络系统，在油气储层深处实时测量和监测油气生产井下的噪声（声波）、温度、压力、应变，以及所有油气生产井中的油气水产量、储层状况和地层中流体动态变化等相关参数，为油气田生产的智能化管理提供关键信息与核心数据，帮助管理者全面感知油气田生产动态，预测变化趋势，实时优化油气田生产的高效动态管理与智能科学决策，持续推动油气田企业发现新增储量、挖掘残余和剩余油气资源、智能优化开发方案、提高油气产量和最终油气采收率。

6 结论与展望

分布式光纤传感技术在油气资源勘探开发领域的规模化推广应用，已经从井中延伸到了陆地和海洋，从井下单分量测量拓展到了井下和陆地三分量测量（螺旋形绕制的铠装光缆），从单井单参数测量发展到了多井多参数同步测量，调制解调仪器也从单通道单参数发展到了多通道多参数复合调制解调系统。展望未来，DAS技术将会在陆地（沙漠）和海洋中用来替代常规检波器采集高密度全波场三分量地震数据；油气田的地下和大部分油气生产井将会在套管内外、油管内外普遍安装内含多根特种光纤的铠装光缆，构建庞大的油气田地面和地下立体光纤智能感知网，全方位、全天候、全时段地实时监测油气田生产状况和储层参数动态变化，为油气田的智能决策管理和智能开发生产提供依据。

为了进一步提高分布式光纤传感技术水平，加快大规模推广应用，建议进一步开展如下3方面研究工作：

（1）研制开发集分布式光纤声波、温度、应变传感于一体的多分量、多参数、多通道复合调制解调仪器，大幅度降低分布式光纤传感系统成本。

（2）加快研制套管外铠装光缆定位定向技术与设备，积极发展与之配套的定向射孔光缆避射技术，保证射孔压裂段套管外铠装光缆在射孔压裂作业时完好无损，实现油气生产井的长期动态实时监测。

（3）创新性发展光纤油藏地球物理技术，实现对整个油气田储层的光纤智能油藏感知、描述、模拟和监测，智能优化开发方案和生产制度，在未来智慧油气田的建设中发挥重要的技术支撑作用。