分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試技術(shù)應(yīng)用

鄒順良

(中石化江漢石油工程有限公司頁(yè)巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司,湖北武漢430000)

0 引 言

水平井產(chǎn)出剖面測(cè)試目前常使用陣列式產(chǎn)出剖面測(cè)試儀器,主要有斯倫貝謝公司的FSI陣列式儀器和Openfield公司的FAST陣列式儀器等[1-2]。通過(guò)連續(xù)油管上下拖動(dòng)儀器,由陣列式分布的多組傳感器采集井筒截面不同區(qū)域的流速、相持率、溫度及壓力等數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)解釋流體產(chǎn)出情況。這種方法不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的測(cè)試,在低流量和井產(chǎn)量不穩(wěn)定的情況下測(cè)試結(jié)果存在較大誤差。此外,由于測(cè)試儀器尺寸的限制,無(wú)法在小套管或下入生產(chǎn)油管的井中測(cè)試。

分布式光纖測(cè)試技術(shù)[3]由光纖通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái),其主要包括分布式溫度測(cè)試(Distributed Temperature Sensor,DTS)和分布式聲波測(cè)試(Distributed Acoustic Sensor,DAS),利用光纖完成溫度、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)。隨著溫度產(chǎn)量解釋從早期定性流量分析到目前定量分析的理論日趨成熟[4],加上DAS對(duì)DTS的協(xié)調(diào)優(yōu)化,近幾年利用分布式光纖進(jìn)行產(chǎn)出剖面測(cè)試得到了快速發(fā)展。該技術(shù)不僅能提供實(shí)時(shí)連續(xù)的產(chǎn)出剖面信息,還可以靜止測(cè)試,對(duì)井生產(chǎn)干擾小、易入井,勝任小尺寸管柱,同時(shí)其成本也更低。目前使用該技術(shù)進(jìn)行了較多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,但對(duì)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證少。本文通過(guò)分布式光纖在非常規(guī)水平氣井產(chǎn)出剖面測(cè)試的應(yīng)用和驗(yàn)證,證明了該技術(shù)具有較高的可信度,具有推廣應(yīng)用潛力。

1 分布式光纖測(cè)試技術(shù)原理

分布式光纖測(cè)試技術(shù)是基于非彈性散射和光時(shí)域反射定位的原理[5]。發(fā)射光從光纖入射后,返回的散射光根據(jù)波長(zhǎng)和光強(qiáng)有3種:瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。其中,拉曼散射光受溫度影響會(huì)產(chǎn)生部分拉曼反斯托克斯光,通過(guò)計(jì)算拉曼反斯托克光和拉曼斯托克光的比值,計(jì)算溫度分布。利用瑞利散射對(duì)聲音(振動(dòng))敏感的特性,當(dāng)外界振動(dòng)作用于傳感光纖上時(shí),瑞利散射光強(qiáng)發(fā)生變化,通過(guò)光強(qiáng)變化計(jì)算振動(dòng)頻率。光纖上每個(gè)點(diǎn)都會(huì)向后傳播散射光,散射光返回光纖端的延時(shí)即反映反射點(diǎn)在光纖總線上的位置,通過(guò)測(cè)試攜帶溫度信息的拉曼散射光和瑞利散射光即可獲得反射點(diǎn)的溫度和振動(dòng)頻率。

2 分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試技術(shù)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試系統(tǒng)主要由光纖、恒溫槽、光耦合器、分光器和光發(fā)射機(jī)等組成[6]。分布式光纖使用沿整個(gè)井筒的光纖作為溫度和振動(dòng)頻率傳感器。光發(fā)射機(jī)從光纖尾部輸出光脈沖,經(jīng)過(guò)光耦合器進(jìn)入整個(gè)傳感光纖。當(dāng)激光在光纖中發(fā)生散射后,后向散射光將返回到光耦合器,并耦合至分光器。分光器濾出斯托克光、反斯托克光和瑞利散射光,3種光信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換和放大,然后由數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理,獲得溫度和振動(dòng)頻率信息。

2.2 測(cè)試方式

測(cè)試方式可分為套管外永置式和光纖連續(xù)油管測(cè)試。后者首先將光纖傳入連續(xù)油管,再入井測(cè)試。永置式為光纖固定在套管外壁,隨套管下入,工藝復(fù)雜,費(fèi)用較高。光纖連續(xù)油管可根據(jù)實(shí)際需求入井進(jìn)行中短時(shí)間測(cè)試,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,靈活方便,是目前應(yīng)用最廣的測(cè)試方式。

3 分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試資料解釋方法

3.1 測(cè)試資料解釋原理

測(cè)試資料對(duì)于產(chǎn)出狀況的解釋以DTS數(shù)據(jù)解釋[7]為主,結(jié)合DAS數(shù)據(jù)解釋來(lái)進(jìn)行。引起溫度變化的熱效應(yīng)有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)等,其中焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)是流體壓力變化所引起的溫度變化現(xiàn)象,是一定量流體引起的流入溫度與等深度下地層溫度產(chǎn)生差異的主要原因。在純氣井中焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)的降溫效果非常明顯,通過(guò)分布式溫度剖面,根據(jù)焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)很容易得到流動(dòng)剖面,識(shí)別產(chǎn)層。流體成分不同,溫度變化不同(見圖1)。地層產(chǎn)氣為降溫過(guò)程,其焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)取決于氣體組份、壓力及溫度,通常焦?fàn)?湯姆遜系數(shù)為-2.4～-1.0 ℃/MPa;出水為升溫過(guò)程,其焦?fàn)?湯姆遜系數(shù)為2.3 ℃/MPa[4]。通過(guò)振動(dòng)頻率可半定量判定產(chǎn)出情況,通常產(chǎn)出越大,氣體流速越高,產(chǎn)生的振動(dòng)頻率越高(見圖2)。根據(jù)P.A.Sookprasong等[8]的相關(guān)研究,井下產(chǎn)氣引起的頻率一般在8～20 Hz。

圖1 焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)示意圖

圖2 振動(dòng)強(qiáng)度判斷產(chǎn)出示意圖

3.2 測(cè)試資料解釋過(guò)程

DTS數(shù)據(jù)解釋主要根據(jù)井口產(chǎn)量、完井方式、流體參數(shù)和地層導(dǎo)熱特性等數(shù)據(jù),按照質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律,建立井筒流動(dòng)模型和熱學(xué)模型,形成耦合模型并求解。質(zhì)量平衡方程見式(1),能量平衡方程見式(2),耦合模型可簡(jiǎn)單表示為式(3)。

Q2=Q1+Q3

(1)

Q3CP(T2-T3)=Q1CP(T2-T1)

T3=Tgeo+η

(2)

2πrwU(T3-Tgeo)+(βT2-1)Q3Δp

(3)

式中,Q1、Q2為井筒內(nèi)流量,kg/h;Q3為地層到井筒流量,kg/h;T1、T2、T3為井筒溫度, ℃;cP為流體比熱容,J/kg· ℃;Tgeo為關(guān)井實(shí)測(cè)地溫, ℃;η為流體焦?fàn)?湯姆遜系數(shù), ℃/MPa;rw為井筒半徑,cm;ρ為流體密度,g/cm3;z為運(yùn)動(dòng)距離,m;t為時(shí)間,h;Δp為節(jié)流壓力變化,MPa;U為熱傳導(dǎo)系數(shù),W/m2· ℃;β為等壓熱膨脹系數(shù),無(wú)量綱。式(3)左邊表示能量變化,右邊第1及第2項(xiàng)表示熱對(duì)流效應(yīng),第3項(xiàng)表示熱傳導(dǎo)效應(yīng),第4項(xiàng)表示焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)。

將流動(dòng)模型和熱學(xué)模型構(gòu)成的耦合模型作為正演模型,計(jì)算溫度和壓力剖面,然后將DTS測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)與正演模型模擬的溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,使溫度擬合誤差達(dá)到設(shè)定最小,定量解釋產(chǎn)出剖面,獲得水平井的多相流量。DAS數(shù)據(jù)解釋主要是通過(guò)振動(dòng)頻率反演計(jì)算流體速度,結(jié)合天然氣狀態(tài)方程、井口產(chǎn)量迭代求解井下各段產(chǎn)量,但更多情況是使用其強(qiáng)度大小作為產(chǎn)量大小的定性判斷。DTS數(shù)據(jù)和DAS數(shù)據(jù)解釋均可計(jì)算產(chǎn)出情況,通常以DTS解釋結(jié)果為主,同時(shí)輔以DAS解釋結(jié)果的協(xié)調(diào)優(yōu)化,從而得到最優(yōu)結(jié)果。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 A井實(shí)例

A井是位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜的一口致密氣水平井,井深2 157 m,水平段長(zhǎng)900 m,分3段壓裂,后期采用2in(1)非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同油管生產(chǎn),產(chǎn)氣量6×104m3/d,產(chǎn)水量182 m3/d。為找出主要出水位置,需進(jìn)行產(chǎn)出剖面測(cè)試。由于采用油管生產(chǎn),傳統(tǒng)儀器測(cè)試無(wú)法過(guò)油管作業(yè),因此,采用光纖連續(xù)油管進(jìn)行DTS測(cè)試。該井先后在生產(chǎn)條件(產(chǎn)氣量6×104m3/d、水產(chǎn)量182 m3/d)和關(guān)井條件下測(cè)試,并獲取流動(dòng)溫度和地溫剖面(見圖3)。

圖3 A井DTS數(shù)據(jù)“瀑布圖”

提取生產(chǎn)時(shí)的流動(dòng)溫度曲線和關(guān)井時(shí)的地溫曲線進(jìn)行產(chǎn)出解釋。解釋結(jié)果的模擬溫度曲線與實(shí)測(cè)生產(chǎn)溫度曲線擬合很好(見圖4),誤差值<10%。DTS解釋結(jié)果顯示:A井第3段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率為70.93%,產(chǎn)水貢獻(xiàn)率為22.83%,是主要產(chǎn)氣段;第2段產(chǎn)水貢獻(xiàn)率為72.28%,產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率為6.70%,是主要產(chǎn)水段;第1段產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率為22.37%,產(chǎn)水貢獻(xiàn)率為4.87%。

圖4 A井DTS解釋成果圖

后期通過(guò)橋塞封堵第3段以下井段后,該井氣產(chǎn)量變?yōu)?.56×104m3/d,出水量大幅減少,降為36 m3/d,比封堵前產(chǎn)水降低80.22%。該井通過(guò)堵水措施驗(yàn)證分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試結(jié)果的可靠性。

4.2 B井實(shí)例

B井是位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜的一口頁(yè)巖氣水平井,井深5 160 m,水平段長(zhǎng)1 182 m,分15段壓裂。井口壓力23 MPa,氣產(chǎn)量16×104m3/d。該井采用光纖連續(xù)油管進(jìn)行DTS和DAS測(cè)試,在產(chǎn)氣量16×104m3/d的生產(chǎn)制度下測(cè)試24 h,在關(guān)井條件下測(cè)試12 h,分別獲取生產(chǎn)流動(dòng)溫度剖面、地溫剖面(見圖5)以及振動(dòng)頻率圖。

圖5 B井DTS數(shù)據(jù)“瀑布圖”

將地面生產(chǎn)數(shù)據(jù)與DTS溫度數(shù)據(jù)代入分析軟件,建立生產(chǎn)制度下的生產(chǎn)模型,得到反向建模模擬曲線,不斷迭代計(jì)算將正演模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比修正,同時(shí)結(jié)合DAS監(jiān)測(cè)結(jié)果(見圖6),進(jìn)一步優(yōu)化,剔除多解性,獲取滿足質(zhì)量控制要求的結(jié)果。

圖6 B井DTS解釋結(jié)果與DAS解釋結(jié)果對(duì)比圖

模擬溫度曲線與實(shí)測(cè)溫度曲線得到很好擬合,誤差值<10%。DTS解釋結(jié)果顯示主要高產(chǎn)段為第15、14、13段,次要高產(chǎn)段為第8、7、6、5段。同時(shí)DAS監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示高頻振動(dòng)段與DTS解釋高產(chǎn)段一致。該井隨后在同樣產(chǎn)量制度下使用FSI陣列式儀器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見圖7。

圖7 B井FSI陣列式儀器產(chǎn)出剖面測(cè)試結(jié)果

分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試儀器和FSI陣列式儀器其測(cè)試方式對(duì)井筒的干擾不同,陣列式儀器受井眼軌跡影響嚴(yán)重,在低氣量下精度有限,分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試多相流解釋模型還不完善。基于此陣列式儀器測(cè)試成果與分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試成果存在一些差異,但總體趨勢(shì)一致,主要產(chǎn)氣段一致,高產(chǎn)段集中在第15、14、13、10、8段(見表1)。

表1 B井分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試與FSI陣列式儀器產(chǎn)出剖面測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

5 結(jié) 論

(1)分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試可以準(zhǔn)確獲取全井筒實(shí)時(shí)溫度與振動(dòng)頻率剖面,根據(jù)熱力學(xué)等原理,能夠解釋得出各壓裂段簇氣水產(chǎn)出貢獻(xiàn)的大小。

(2)采用堵水措施驗(yàn)證了分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試的結(jié)果,同時(shí)通過(guò)陣列式儀器與分布式光纖的對(duì)比測(cè)試也表明分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試結(jié)果具有很高的可信度。

(3)相對(duì)于傳統(tǒng)儀器產(chǎn)出剖面測(cè)試,分布式光纖產(chǎn)出剖面測(cè)試技術(shù)能提供實(shí)時(shí)連續(xù)的測(cè)試,無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行監(jiān)測(cè),施工更加安全,滿足小尺寸管柱內(nèi)作業(yè)需求,同時(shí)費(fèi)用較低,具有較好的應(yīng)用潛力。