光纖溫度測(cè)試技術(shù)在油井中的應(yīng)用

許玲玲，孫寶全，2，張國(guó)玉，劉艷霞，郭林園

（1.勝利油田采油工藝研究院，山東東營(yíng)257000；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061） ①

光纖溫度測(cè)試技術(shù)在油井中的應(yīng)用

許玲玲1，孫寶全1，2，張國(guó)玉1，劉艷霞1，郭林園1

（1.勝利油田采油工藝研究院，山東東營(yíng)257000；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061）①

光纖傳感器具有體積小、高靈敏、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，在油井井下測(cè)試中的應(yīng)用日趨廣泛。介紹了分布式光纖溫度測(cè)試技術(shù)和光纖光柵測(cè)溫技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：光纖溫度測(cè)試技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)井下固定點(diǎn)及剖面的永久溫度監(jiān)測(cè)，為油藏監(jiān)測(cè)、工藝措施的有效實(shí)施和提高采收率打下基礎(chǔ)。

光纖；溫度傳感器；油井；應(yīng)用

油氣田開發(fā)亟需研究的一個(gè)重要領(lǐng)域是監(jiān)測(cè)油藏動(dòng)態(tài)和實(shí)施優(yōu)化采油，其中油藏溫度檢測(cè)是對(duì)油藏實(shí)施有效管理和提高采收率的基礎(chǔ)。井下溫度測(cè)試數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)出層位的劃分、實(shí)時(shí)生產(chǎn)剖面監(jiān)測(cè)、套管竄槽和漏失情況判斷；尤其對(duì)于稠油注蒸汽井，準(zhǔn)確、連續(xù)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行井下溫度監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)注入剖面監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)注蒸汽管理。光纖傳感器能抗電磁干擾，外形尺寸小，能承受高溫高壓及腐蝕等極端工況，特別適用于井下溫度永久監(jiān)測(cè)。目前，應(yīng)用于油水井的光纖溫度測(cè)試技術(shù)主要有分布式光纖溫度測(cè)試技術(shù)和光纖光柵測(cè)溫技術(shù)。

1 原理簡(jiǎn)介

1.1 分布式光纖溫度測(cè)試技術(shù)

分布式光纖溫度測(cè)試技術(shù)（FODTS：Fiber Optic Distributed Temperature Sensor）中，光纖本身既是傳感器又是信號(hào)傳輸?shù)妮d體。依據(jù)光纖后向拉曼散射原理，光脈沖在光纖中傳播，受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生后向散射。光纖所處的環(huán)境溫度越高，該點(diǎn)的后向散射光的光強(qiáng)度越大，檢測(cè)散射光強(qiáng)度即可確定測(cè)試點(diǎn)的溫度；利用光時(shí)域反射（OTDR）原理，依據(jù)光從入射點(diǎn)到散射點(diǎn)往返的時(shí)間，可計(jì)算出入射點(diǎn)到散射點(diǎn)的距離。因此，不同時(shí)刻的反射波對(duì)應(yīng)不同距離點(diǎn)發(fā)生的散射，依據(jù)反射波的光強(qiáng)度可以計(jì)算出散射點(diǎn)的溫度。

常規(guī)的通信光纖耐溫為－45～75℃。在常規(guī)油水井中，溫度可達(dá)80～150℃，而在稠油熱采井中，需要向井下注入高溫蒸汽，其溫度高達(dá)300℃，因此，耐高溫光纖是其關(guān)鍵技術(shù)。通常，耐高溫光纖纖芯為涂鍺的石英，包層為純石英材料，涂敷層為改性聚酯亞胺材料，這種光纖能夠耐溫－65～300℃。

1.2 光纖光柵（FBG）溫度測(cè)試技術(shù)

光纖光柵（FBG：Fiber Bragg）最主要的應(yīng)用之一是作為溫度傳感器。用在空間上周期變化的強(qiáng)紫外線激光照射摻鍺光纖，就可在纖芯內(nèi)沿軸向形成一個(gè)折射率周期變化的光柵光纖。

當(dāng)一束寬譜光射入FBG時(shí)，一部分光透過(guò)FBG繼續(xù)傳輸，另一部分光反射回來(lái)，如圖1所示。反射光的中心波長(zhǎng)受環(huán)境溫度的影響，在低溫段（＜100℃），反射光中心波長(zhǎng)變化量與溫度變化量呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；在高溫段（＞100℃），反射波長(zhǎng)與溫度呈非線性關(guān)系，可用二次多項(xiàng)式［1］表示波長(zhǎng)變化量Δλ和溫度變化量ΔT之間的關(guān)系，即

式中，Δλ為反射光中心波長(zhǎng)變化量；ΔT為溫度變化量；K1、K2為裸FBG的一階和二階溫度靈敏度系數(shù)。

圖1 光纖布拉格光柵反射原理

在注蒸汽井中，光纖光柵溫度傳感器同樣面臨高溫的考驗(yàn)。采用相位掩膜法在摻鍺石英光纖上刻制FBG［2］；利用化學(xué)氣相沉積法在光纖的1個(gè)端面上交替沉積1／4波長(zhǎng)厚度的SiN和Si2N，形成準(zhǔn)Bragg光柵。在高溫環(huán)境下，光纖光柵的反射波長(zhǎng)與溫度有很好的線性關(guān)系。另外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)提高光纖光柵傳感器基體材料的熱膨脹系數(shù)，能夠有效提高FBG的高溫線性。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 分布式光纖溫度測(cè)試系統(tǒng)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在石油工程測(cè)試中的應(yīng)用包括：實(shí)時(shí)生產(chǎn)剖面監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)注入剖面監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)注蒸汽管理、油井水氣竄監(jiān)測(cè)、深水完井監(jiān)測(cè)、人工舉升監(jiān)測(cè)與優(yōu)化、水平井剖面監(jiān)測(cè)及多產(chǎn)層井測(cè)試。1996年，該技術(shù)首次應(yīng)用［3］于加利福尼亞州的West Coalinga油田蒸汽驅(qū)井組。

哈里伯頓公司在印度尼西亞的蒸汽驅(qū)井應(yīng)用光纖分布式測(cè)溫技術(shù)對(duì)油藏溫度監(jiān)測(cè)。圖2是1998－04—2003－10在某觀察井中測(cè)得的5條溫度曲線，可以看出，在井深146～168m（480～550英尺）處，溫度隨時(shí)間明顯升高，溫度剖面顯示蒸汽腔的形成。

圖2 觀察井中DTS監(jiān)測(cè)蒸汽腔的形成

2007年斯倫貝謝公司在BP的艾澤里油田（Azeri）1口礫石充填井中安裝了永久光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)。圖3是2007－01－11和2007－04－01在井深4 100～4 600m處測(cè)得的2條溫度曲線。由2007－04－01的溫度曲線可以看出，隨著井深的變化，出現(xiàn)多處溫度突變，據(jù)此可判斷氣竄。

光纖分布式測(cè)溫技術(shù)在國(guó)內(nèi)雖起步較晚，但隨著蒸汽輔助重力泄油技術(shù)（SAGD）及開發(fā)深層稠油資源的需求，國(guó)內(nèi)各油田及院校相繼開展此方面的研究。1997－05，遼河油田在曙一區(qū)杜84塊SAGD生產(chǎn)井安裝了光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)和毛細(xì)管測(cè)壓系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)蒸汽腔的形成。2006—2007年，在遼河油田SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)新鉆6口溫度觀察井中，安裝了光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)［4］。圖4為在1口蒸汽注入井周圍的4口觀察井中測(cè)得的4條溫度曲線。可以看出，注入的蒸汽沿著油藏方向水平擴(kuò)展，顯示蒸汽腔已形成。2009年在錦45塊，試驗(yàn)區(qū)中心井組附近3口溫度觀察井（錦45－J2、觀26和22－250）應(yīng)用了光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層溫度場(chǎng)變化，證明井組的熱連通已基本建立。勝利油田有限公司采油工藝研究院于2001年研制開發(fā)和應(yīng)用了油井分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，并在草橋區(qū)塊油田CN8－3注汽井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，1次測(cè)量出整個(gè)井筒的溫度剖面。

圖3 光纖分布式溫度測(cè)試確定氣竄

圖4 SAGD先導(dǎo)區(qū)溫度觀察井組溫度曲線

2.2 光纖光柵溫度測(cè)試系統(tǒng)

2002年，威德福在阿拉斯加附近的奧斯達(dá)爾油田（orthstart）安裝了永久光纖光柵溫度壓力傳感器監(jiān)測(cè)油藏。圖5為NS－14井井底溫度壓力值，該井在2002－02－19和2002－02－20分別進(jìn)行了1次射孔施工，從井底溫度壓力變化曲線上可以看出，射孔施工時(shí)，溫度壓力值發(fā)生了相應(yīng)的突變。

2007年，勝利油田采油工藝研究院成功研制了光纖光柵溫度壓力測(cè)試系統(tǒng)，2009－04將其安裝在勝利油田GO6－28－495井中，對(duì)該井的井底溫度、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該井為國(guó)內(nèi)第1口光纖分層測(cè)試分層采油井，為智能完井技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

圖5 NS－14井射孔溫度－壓力曲線

3 結(jié)論

1） 實(shí)踐證明，光纖分布式溫度測(cè)試技術(shù)適合在稠油井、水平井監(jiān)測(cè)油藏溫度剖面，以確定蒸汽腔的形成，判斷井間連通性、水氣竄等。

2） 光纖溫度測(cè)試技術(shù)適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井下固定點(diǎn)及剖面的溫度變化，對(duì)井下不同層位開采和施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

3） 光纖傳感器性能穩(wěn)定，能夠抵抗高溫、高壓等惡劣井下環(huán)境，其在油藏監(jiān)測(cè)中的作用日趨顯著。目前，光纖傳感器正向井下溫度、壓力、流量［5］測(cè)試等石油應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。

［1］ 劉欽朋，喬學(xué)光，賈振安，等.光纖Bragg光柵高溫傳感技術(shù)研究［J］.光電子·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］ 尤洪軍，王宏遠(yuǎn).溫度觀察井系統(tǒng)在超稠油SAGD開發(fā)中的應(yīng)用［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（3）：99－101.

［5］ 左芳君，鐘功祥.油氣水多相測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)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

項(xiàng)目來(lái)源：中石化重大攻關(guān)項(xiàng)目“油水井光纖四參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究”（P09036）

許玲玲（1981－），女，山東東營(yíng)人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于山東大學(xué)，現(xiàn)從事石油工程測(cè)試工作，E－mail：xulinglingsdu＠gmail.com。