基于拉曼散射的DTS技術(shù)在石油與天然氣工業(yè)中的應(yīng)用

測(cè)量井下環(huán)境和管道沿線的分布式光纖溫度傳感有許多應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹基于拉曼散射的DTS技術(shù)在石油和天然氣行業(yè)的重要應(yīng)用。

一、井量監(jiān)測(cè)

在井中開始生產(chǎn)之前，關(guān)閉溫度曲線表示地?zé)釡囟?，前提是沒有由于活動(dòng)（例如泥漿循環(huán)、流體注入和水力壓裂）而導(dǎo)致的溫度變化。一旦開始生產(chǎn)，由于烴類化合物流入井筒，流入點(diǎn)的參考地?zé)釡囟瓤赡軙?huì)發(fā)生顯著變化。

圖1使用基于拉曼散射光纖DTS定位井筒中的流入點(diǎn)

圖1顯示了一個(gè)典型的例子，使用由基于拉曼散射的DTS技術(shù)產(chǎn)生的溫度曲線定位井筒中的流入點(diǎn)。地?zé)釡囟龋t線）隨著深度不斷增加。關(guān)注井筒溫度剖面（綠線），其溫度與井筒底部的地?zé)崽荻认嗥ヅ?，因?yàn)樵搮^(qū)域沒有生產(chǎn)。在這個(gè)代表性的例子中，流體于流入點(diǎn)1進(jìn)入井眼，其溫度對(duì)應(yīng)于當(dāng)?shù)氐牡責(zé)釡囟?。?dāng)流體向井口上升時(shí)，熱量在流體和井筒之間傳遞，因此流體失去一些熱量并加熱井筒。在流入點(diǎn)2處，流體以新的局部地?zé)釡囟仍俅芜M(jìn)入井筒，由于流體混合導(dǎo)致井筒溫度下降。相反，如果氣體進(jìn)入井筒，則會(huì)因絕熱膨脹而產(chǎn)生冷卻效果。因此，使用基于拉曼散射的DTS技術(shù)進(jìn)行井下熱監(jiān)測(cè)可以識(shí)別烴類化合物進(jìn)入井眼的流入點(diǎn)。

二、注水監(jiān)測(cè)

鉆完生產(chǎn)井后，烴類化合物從儲(chǔ)層流向地表，儲(chǔ)層的原始?jí)毫νǔＷ阋詫N類化合物向上推。然而，隨著儲(chǔ)層的產(chǎn)生，原始?jí)毫χ饾u降低，這需要向儲(chǔ)層注入水以增加其壓力（圖2(a)）。注水過程改變了井下烴類化合物的溫度。注入過程成功的關(guān)鍵因素之一是確定注入水轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)層的區(qū)域。

通過回溫方法監(jiān)測(cè)注入井的性能，可用基于拉曼散射的DTS技術(shù)記錄的井下溫度測(cè)量值。在這種方法中，注水之后關(guān)井，可觀測(cè)到井的溫度恢復(fù)到了地?zé)崽荻??？紤]圖2(b)中的代表性示例。其中冷水注入改變了井周圍和儲(chǔ)層中所有圍巖的溫度（紫線）。一旦停止注入并關(guān)井，巖石的溫度就會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸恢復(fù)到地?zé)崽荻龋ňG線）。吸收了更多水量的區(qū)域的溫度以較慢的速度返回地?zé)崽荻??？梢允褂脺囟葴y(cè)量將總注入水量分配到每個(gè)儲(chǔ)層。因此，DTS還可用于識(shí)別區(qū)域外注入——多余的地質(zhì)層被加壓而非產(chǎn)油層。這對(duì)于正確執(zhí)行注入策略非常重要。此外，注入井的部分難點(diǎn)是壓力增加可能會(huì)導(dǎo)致過載的管道零件完整性受到挑戰(zhàn)。

圖2 (a)注液示意圖；(b)注水井中的回暖測(cè)量

這些井還可能導(dǎo)致完整性問題，其潛在后果是將流體泄漏到淺層含水層中。因此，監(jiān)測(cè)一些關(guān)鍵井以避免這種潛在問題對(duì)環(huán)境至關(guān)重要。

三、蒸汽輔助重力排水（SAGD）優(yōu)化

提高石油采收率的一種技術(shù)是蒸汽輔助重力排水（SAGD），其中將蒸汽注入儲(chǔ)層以降低重油的粘度。SAGD井通常包括一對(duì)井，使水平生產(chǎn)井位于另一口水平蒸汽注入井下方約5m處（圖3(a)）。蒸汽最初通過注入井和生產(chǎn)井注入儲(chǔ)層，直到形成足夠的蒸汽室，然后生產(chǎn)井進(jìn)入生產(chǎn)階段。由于重力作用，加熱的重油落向生產(chǎn)井并開始流向地表。同時(shí)，注入井繼續(xù)注汽過程，以補(bǔ)償生產(chǎn)過程中發(fā)生的熱損失。

圖3 (a)使用注入-生產(chǎn)井針對(duì)的SAGD操作；(b)三維溫度曲線在SAGD過程中使用光纖DTS系統(tǒng)記錄

基于拉曼散射的DTS技術(shù)提供的溫度曲線對(duì)于優(yōu)化SAGD過程至關(guān)重要。例如，注入井和生產(chǎn)井之間的溫差是應(yīng)該監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)之一。如果生產(chǎn)井的溫度與注入井的溫度相匹配，則表明蒸汽突破到生產(chǎn)井中。因此，生產(chǎn)井會(huì)將蒸汽/冷凝水而非烴類化合物泵送到井口。將兩個(gè)井之間的溫差調(diào)整到最佳值可以改進(jìn)SAGD過程。此外，決定稠油粘度的注采區(qū)溫度被認(rèn)為是控制稠油流入生產(chǎn)井的主要參數(shù)。本次討論強(qiáng)調(diào)了使用光纖DTS改進(jìn)SAGD工藝的優(yōu)點(diǎn)。然而蒸汽注入的溫度通常遠(yuǎn)高于200°C。由于高溫和惡劣的井下環(huán)境條件，光纖光纜可能會(huì)因氫化變黑等原因而老化。此外，適當(dāng)?shù)墓饫w部署是監(jiān)測(cè)SAGD過程的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

使用光纖DTS系統(tǒng)，圖3(b)顯示了位于加拿大阿爾伯塔省喬斯林油田的SAGD井的溫度剖面測(cè)量示例。數(shù)據(jù)是在2004年10月1日至12月31日SAGD井生產(chǎn)的時(shí)間間隔內(nèi)記錄的。除了底部區(qū)域，儲(chǔ)層最初溫度很低。隨著時(shí)間的推移，儲(chǔ)層從底部開始逐漸升溫，直到12月31日底部的三分之二才熱起來。

四、管道泄漏監(jiān)測(cè)

管道中的輕微泄漏可能發(fā)展成重大災(zāi)害。通過壓降或質(zhì)量平衡監(jiān)測(cè)管道泄漏在定位泄漏方面既困難又不精確?；诶⑸涞墓饫wDTS技術(shù)可以捕獲管道表面溫度變化，這意味著DTS可以立即監(jiān)測(cè)到泄漏，甚至可以更輕松地找到泄漏的位置。光纖光纜可以直接連接到管道表面，也可以埋在管道旁邊。在某些情況下，用于長(zhǎng)距離通信的光纖光纜與管道可一起鋪設(shè)。

圖4 當(dāng)管道運(yùn)輸石油（a）或天然氣（b）時(shí)使用光纖 DTS 進(jìn)行管道泄漏監(jiān)測(cè)

由于電信光纖光纜通常包含未使用的備用光纖（暗光纖），因此暗光纖可用于監(jiān)測(cè)管道沿線的泄漏，且成本最低。如果管道正在輸送液體或氣體，則光纖光纜鋪設(shè)在管道表面的下方或上方（圖4）。圖4(a)和(b)顯示了通過管道泄漏的石油和天然氣的代表性示例，這些管道分別在泄漏部位升高和降低光纖光纜的溫度。

有人擔(dān)心對(duì)用于防止腐蝕的管道涂層的損壞以及對(duì)管道附近工作人員的健康和安全限制。因此，在可能的情況下，例如在埋地管道時(shí)，建議避免將光纖光纜直接連接到管道表面，而是將光纖鋪設(shè)在輸送液體或氣體的管道下方或上方。例如，DTS系統(tǒng)的產(chǎn)品文獻(xiàn)表明，光纖可以鋪設(shè)在輸送液體的管道下方10.2厘米至15.2厘米處。周圍土壤的近場(chǎng)溫度受到內(nèi)部流體流動(dòng)的埋地管道的影響。監(jiān)測(cè)出小型泄漏的可能性不僅取決于DTS系統(tǒng)的規(guī)格，還取決于土壤的特性。例如，在發(fā)生小型泄漏的情況下，從管道中通過高含水量土壤釋放的石油產(chǎn)品很有可能像分散的手指一樣移動(dòng)。

這被認(rèn)為是使用DTS系統(tǒng)進(jìn)行泄漏監(jiān)測(cè)的最壞情況，因?yàn)樾孤┑漠a(chǎn)品可能不會(huì)直接接觸光纖。因此，DTS系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測(cè)能力需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。此外，為了降低泄漏監(jiān)測(cè)的誤報(bào)率，重要的是DTS系統(tǒng)的校準(zhǔn)，以便在DTS解析期間背景土壤溫度不會(huì)顯著波動(dòng)。

審核編輯：劉清