马 明 曾 魏 杨 峰 刘国忠 金奇光

摘要:针对水平井注蒸汽热力开采工艺中存在的热采测试问题,结合稠油热采井下恶劣的环境条件,研究了光纤光栅测温测压的制造工艺和封装技术。根据水平井注汽生产工艺,研究了现场测试工艺和施工方法,解决了稠油注蒸汽热力开采水平井的热动态连续监测问题。经室内实验和现场试验验证,各项技术指标达到了设计要求,并已在辽河油田、吉林油田、胜利油田稠油注蒸汽热力开采工艺中应用。该研究使稠油热采高温高压测试工艺进入了一个新的技术领域,为认识油藏和了解井下水平段蒸汽辅助重力泄油效果提供了监测方法和工艺技术,为油藏精细描述和制订合理的稠油热力开发开采方案提供了科学依据。

关键词:稠油热采;水平井;高温高压测试;光纤光栅传感技术;扶平122井

中图分类号:TE357.8文献标识码:A

前 言

水平井注蒸汽热力开采稠油工艺的研究与应用为辽河油田稠油、超稠油的开采提供了新的开采工艺技术[1,2],新的生产工艺要有配套技术支持,目前的热采测试工艺和测试技术不能适应水平井的热采测试需要[3]。国际上光纤技术的发展不仅应用于通信领域,其他技术领域也在研究和应用,光纤传感技术已被国际公认为最具有发展前途的高新技术领域[4]。将光纤技术应用于石油开采井下监测是目前国内外石油开采技术领域研究的焦点,应用于300℃以上的稠油热力开采是目前国内外的科技攻关课题。经检索查询和技术调研,目前石油开采技术领域已应用光纤拉曼反向散射原理进行测温。拉曼反向散射是应用单膜光纤随温度的变化,其散射率随之变化的原理来进行温度测量,其测量距离(深度)是按光速运行时间计算测量点,测量点的温度变化是根据地面激光在该点的反向散射率计算确认。受光源功率、光纤弯曲、散射光强度等因素影响,按光的运行时间和散射率计算测量点的温度,测量精度很难控制。为此,研究一种掺有光敏材料的特制光纤,在光纤上设计测温、测压传感光栅。该项技术对测量信息采用光谱频率和波长编码,不受光源功率、光纤弯曲、光强度等因素影响,实现了温度与压力同步测量。

1 主要研究内容

1.1 光栅温度监测技术研究

温度监测技术是在掺有光敏材料的特制光纤上用微激光工艺把设计的光谱波长写入光栅,根据设计的监测距离和各测量点的间距用紫外激光工艺将光栅写入纤芯,每组光栅都有固定的光谱波长,用特制的耐温400℃高分子材料屏蔽,当温度变化时光栅的波长随之成正比,成线性变化[5-6]。测量时地面光端机发出宽带激光,同时检测每组光栅的波长变化情况,并将信息输入解调系统,经光谱分析、滤波、耦合、数模转换、光电转换,准确显示和储存各测量点的温度变化曲线和资料数据。

测试光纤中包含了大量传感光栅,必须保证能“寻址”每一个光栅,即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅[7]。为此,要求各个光栅的中心波长λ1,λ₂,……,λn 及其工作范围Δλ1,Δλ₂,……,Δλn,互不重迭[8]。其中有2个方面需要考虑,即传感光栅之间的缓冲区和每个传感光栅的探测范围Δλ。而探测范围Δλ由测量范围决定,测量范围越大,探测范围越大。

1.2 光栅压力监测技术研究

压力监测技术是在特制光纤中用微激光工艺把设计的光谱波长写入光栅,用紫外激光工艺将光栅写入纤芯,用特制的耐高温高压绝缘材料屏蔽固定于取压器内,当压力变化时光栅的波长随之成反比,并成线性变化。测量时地面光端机发出宽带激光检测光栅波长的变化,并将信息输入解调系统,经光谱分析、滤波、耦合、数模转换和光电转换,准确显示并储存压力变化曲线和资料数据。

1.3 测试光纤光栅封装工艺研究

稠油热力开采井下监测环境非常恶劣,条件苛刻,传感器要在恶劣的环境中正常工作,准确获得所需的物理量[9],测试光纤光栅的封装非常重要。为此,研制了耐温400℃的高分子材料屏蔽,用1Cr18Ni9Ti材料整体封装后,经各项技术指标的检测达到了设计要求。

1.4 主要技术指标

主要技术指标包括:①测试光缆耐温为400℃,耐压为30 MPa;②温度测量范围为0～350℃,测量精度为0.5%;③压力测量范围为0～30 MPa,测量精度为0.5%。

2 水平井测试施工工艺研究

为解决测试光缆进入水平段监测的水平方向进入问题,根据水平井的施工要求和开采工艺的测试需求,研究设计了用i20 mm钢管铠装测试光缆在钢铠内设计了传压装置,配套研制了铠装测试光缆的井口注入装置[10],达到了水平井的施工要求。

该项工艺技术的研究解决了水平井高温高压测试施工工艺,替代了进口的连续油管和连续油管施工车,简化了测试施工程序,确保了测试施工的时间和工期。目前该项工艺技术已应用于水平井热力开采现场的光缆测试施工。

3 现场试验

该项目研究得到了国内外有关大学和科研院、所的支持和协助,历时3a完成了课题的设计和研究,经室内实验和现场试验各项技术指标达到了设计要求,并已在辽河油田洼38—沙H3井、H4井、吉林油田抚平122井、124井、125井、胜利油田坨826—监平1井进行了现场试验,按测试施工设计方案光缆成功推入水平井段。测试光缆在水平射孔井段进行了注汽—闷井—放喷全过程的实时连续监测,地面可在计算机屏幕上随时观察井下的热动态变化。注汽过程通过油藏热动态连续监测及时调整了注汽参数和注汽强度,提高了注汽质量。闷井阶段通过监测,准确掌握了油藏蒸汽腔的消失时间,把握开井时机,减少热注能源的浪费或损失,有效提高了水平井注蒸汽稠油热力开采效果。该项工艺技术通过6口井的现场试验,目前已增产原油5 600 t,取得了明显的经济效益和社会效益。

3.1 扶平122井完井及油层射孔资料

中油吉林油田公司扶平122井为典型井例。该井完钻日期2007年9月15 日,完井日期2007年9月16日,完钻井深为943 m,套管深度942.7 mm,最大井斜角94.83°,套管外径177.8 mm,最大狗腿度15.56°,套管内径159.42 mm,水平段射孔295 m,人工井底931.9 m。表1为该井油层射孔资料。该井水平段砂岩长度累计198 m,水平段油层射孔长度累计197 m。

3.2 监测方案设计

(1) 根据光缆的监测距离和扶平122井的射孔井段,设计光缆下至830 m,监测井段的水平射孔井段为630～830 m ,监测距离为630、 650、670、690、710、730、750、770、790、810、830 m。

(2) 从注汽前3 h开机开始注汽—闷井—放喷全程监测,井下200 m水平射孔井段温度及压力同步连续监测地面直读,各组监测数据6 min自动记录存储1次。

3.3 现场应用效果

注蒸汽开采稠油的油藏中,传导和对流是主要的热传递方式,在油藏注汽压力稳定前,对流是主要的热传递形式,是增大加热半径的主要因素,当井下温场与注汽参数达到稳定热平衡时是最佳的注汽量。准确控制注汽参数和注汽量可有效提高注汽效果和减少能源的浪费。2007年11月10日16:00扶平122井开始注汽,井下监测设备13:00开机开始监测,注汽前井下温度为30.15℃,压力为3.05 MPa,注汽8 h井下压力温度达到动态平衡。根据井下热平衡监测资料及时调整了注汽参数,提高了注汽强度,13日11:00注汽压力由8.5 MPa上升至9.3 MPa,井下温场平稳升至304℃。通过现场实时监测,11月28日井下温场达到热平衡,比原设计方案提前3 d达到注汽参数,与井下热动态参数平衡完成注汽,实施注汽时间为416 h,注汽量为2 030 t,比原设计方案节约蒸汽580 t,11月28日6:00停注,进行闷井。闷井目的是让注入的热能得到油藏的充分吸收,闷井时间长或短都可造成热注能源的浪费。当油藏汽腔消失,温场降速平稳,压力下降幅度平稳时,是合理的闷井时间。

第1期马 明等:热采井下高温高压光栅传感技术研究

通过井下温度压力的跟踪,连续监测可了解到井下温度压力的下降速度,掌握油藏温场剖面,监控油藏蒸汽腔的消失时间,准确把握开井放喷时机,减少热注能源的浪费或损失。

扶平122井2007年11月28日6:00停注闷井,闷井阶段实时监测记录了20580组井下水平射孔井段温度与压力的动态数据资料。闷井阶段初期井下温度为290℃,压力为8 MPa,闷井阶段井下温度压力平稳下降。根据现场实时监测情况,将原设计方案的4 d闷井时间延长,闷井第6 d油藏的蒸汽腔逐渐消失,注入热能得到了油藏的充分吸收,蒸汽腔消失后油藏温场的压力为 6.2 MPa,温度为168℃。12月5日9:30开井进罐生产。

扶平122井蒸汽吞吐:注汽—闷井—放喷全程进行了压力与温度同步连续监测地面直读,图1为温度压力同步连续监测曲线。根据实时监测情况,及时调整了注汽参数和注汽强度,准确控制了闷井时间,把握开井时机,增产原油915 t。全程记录了128 700组实时监测数据资料,全部监测资料存储在监测设备的数据库中,可查阅和拷贝。

4 结 论

(1) 历时3 a完成了稠油热力开采水平井高温高压光纤光栅监测技术,经室内实验和现场试验,各项技术指标达到了设计要求。经检索证明,该项技术填补了国际石油热采技术领域水平井温度与压力同步监测技术的空白。该项技术目前已取得2项国家专利,专利号分别是:ZL200620093751.3和ZL200620093750.9。

(2) 该项技术对测量信息采用光谱频率和波长编码,测量距离和测量信息不受光源功率、光纤弯曲等因素影响。光栅测试技术在一支特制的光纤上可准确定位测量多组光栅传感器,实现了温度与压力的同步测量。该项技术的研究开拓了新的稠油热采高温高压测试工艺和测试技术,测试方法和测试工艺达到了国际先进水平。

(3) 该项技术的研究解决了水平井、定向井、蒸汽驱注汽井、蒸汽驱观察井、蒸汽驱生产井油藏多层位的温度剖面和压力同步连续监测方法和测试技术。为蒸汽驱和水平井热力采油工艺的研究与开发提供了重要的技术支持。

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编辑 王 昱