段胜男，潘勇，芦志伟中国石油新疆油田分公司工程技术研究院（新疆　克拉玛依　834000）



光纤温压动态监测技术的油田应用和发展趋势

段胜男，潘勇，芦志伟
中国石油新疆油田分公司工程技术研究院（新疆克拉玛依834000）

光纤温压动态监测技术是近年发展起来的一种实时高精度监测技术，具有耐高温高压、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，成为油田监测手段中最具前景的监测方法。介绍了光纤温压动态监测技术的工作原理和在油田复杂环境条件下的应用，并分析了未来发展趋势。新疆油田经过多年的现场应用研究，光纤温压动态监测系统已经能够在井下稳定运行2年以上，且拥有精确的测温精度和压力监测准确度，实现了全井段温度变化和井下单点压力变化的连续稳定动态监测。

光纤温压动态监测技术；光纤分布式测温；光纤测压；温度剖面

新疆油田风城超稠油油藏储量丰富，为有效动用超稠油储量，自2008年开展SAGD先导试验。SAGD全称蒸汽辅助重力泄油（Steam Assisted Gravi⁃ty Drainage），其生产机理为向注汽井持续注入高温蒸汽，蒸汽由于浮力作用而上升，在汽液界面因热传导造成蒸汽凝结，凝结的水及加热的原油在重力作用下泄向生产井中被采出。

SAGD开采过程中，为有效规模动用油藏，最大限度地提高油气采收率，井下温压动态监测数据尤为重要，通过温度剖面、压力数据，直接反映蒸汽腔发育情况，判断井筒内流体相态变化等，为有效指导SAGD生产调控及工艺措施改进提供依据。

传统的油田监测技术具有诸多缺点，不能满足当前日益精细化的油田开发方案，为进一步提高监测结果的有效性，技术人员开展光纤传感器的油田应用研究[1]。自2012起，新疆油田开展光纤温压动态监测技术，并在SAGD井推广应用。

1　光纤温压动态监测技术工作原理

1.1光纤分布式测温原理

在光纤分布式测温（DTS）技术中，光纤不但是信号的载体起信号传输作用，还是敏感元件起温度传感器的作用。DTS测温原理是结合光纤中时域反射技术（瑞利散射）和拉曼散射的温度效应来实现对待测光纤链路上各点温度的分布式测量的[2-4]。

当散射光信号的频率与入射光信号不同而发生移动时，产生拉曼散射。拉曼散射有2个不同频率的信号：频率较低的为斯托克斯(Stokes)光（比光源波长长的光），频率较高的为反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波长短的光），与入射光信号频率偏移量的绝对值相等。光纤受外部温度影响，光纤中的反斯托克斯光强发生变化，反斯托克斯与斯托克斯的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

1.2光纤测压原理

光纤测压原理是基于法-泊腔(F-P)的腔长随外界压力变化的特点来实现压力测量。光纤压力传感器的核心部分是F-P腔，光纤（Fiber）端面与空气隙形成F-P腔，当外界压力发生变化时，引起F-P腔长的改变，其变化量正比于压强[5]，如图1所示。

图1　F-P压力作用模型结构

当压力变化ΔP时，可由切应变关系计算出腔长ΔG的变化：

式中：L为F-P腔焊点间距，m；ri、r0为毛细管内外半径，m；E为毛细管材料的杨氏模量，N/m2；μ为毛细管材料的泊松比。

光纤压力传感器是基于法布里-珀罗腔（F-P腔）干涉原理设计出的可用于测量井下单点压力的设备。压力的变化会导致F-P腔长的改变，由此通过F-P腔干涉光谱解调出精确的腔长值，就能完成环境压力的测量。但是，温度也是导致F-P腔长变化的一个主要因素，当温度变化时，F-P腔由于光纤和外管的热膨胀引起的长度差异而导致腔长变化。

当温度变化时，由于光纤和外管的热膨胀引起长度差异而导致的腔长变化ΔG为：

式中：αh、αi、αr为毛细管、入射光纤和反射光纤的热膨胀系数；L为F-P腔焊点之间距离，m；ΔT为温度差值，℃；G为腔长，m。

为了消除温度因素，采用传感器复用方案，在F-P腔传感器中串联一个光纤光栅传感器（FBG）作为温度传感器，在不影响F-P腔压力传感的同时，实现温度补偿，从而完成压力的精确测量。

1.3高温井光纤测试技术研究

针对SAGD井高温、腐蚀性等特点，新疆油田公司在常规光纤测试技术的基础上，进行以下几个方面的设计和研制。

1）光纤纤芯选择：选用特种涂覆光纤纤芯，增加光纤的耐温和抗拉性能，适应SAGD开采环境。

2）护管结构设计：采用三层护管方式，中层管选用纯铝材料，其表面形成的氧化铝模可有效隔绝氢离子对光纤的渗透并提升光缆力学性能，成缆后充入氩气密封，有效排除光缆内部的空气、水汽等杂质，保证光纤成缆质量。

3）光纤标定：针对光纤长期测量下本征衰减引起的漂移问题，研制微型双端光纤标定装置，对入井后的光纤进行二次标定，保证光纤测温精度在±2℃以内。

4）井下压力传感器：采用“全氟橡胶密封圈与全金属卡套”双重密封方式增加密封性能；优化导压管长径比，提高测压性能。

5）地面解调仪器：研制光纤测温主机和压力解调仪，在保证设备可靠性前提下实现设备国产化，成本降低了1.5倍。

1.4光纤温压动态监测系统仪器

分布式光纤测温系统（DTS）主要包括两部分：主机、传感器（光纤）。主机由工业计算机、光器件、激光源等部分组成，它们集成在机箱内，用于整个系统的参数配置、信号采集、信号分析和显示存储等。传感器所采用的是特种铠装光缆，将它作为线型传感器，通过分析光纤内不同位置上的光散射信号得知相应的温度和位置信息。DTS系统可以准确地测量从主机端口到井下端点整根光纤上所有点的温度和位置，现场通过地面通讯光缆将多井次的井下测温光缆引入中控室的DTS系统中，实现一台DTS主机监测多井的井下温度变化。

DTS主机温度解调范围：-40～400℃，温度解调准确度：±1℃，温度分辨率：0.05℃；有效测量深度：4km，空间分辨率：1m；通道个数：12个，单井测量速率：＜30 s/次；光源波长：（1 064±10）nm，光源强度：＞100 W；光缆工作温度范围：-50～300℃；光缆外径：6.35 mm，耐氢损。

光纤测压系统主要包括三部分：地面解调仪、传输光纤和井下传感器。地面解调仪类似于主机。传输光纤是一根特种铠装光缆，起光信号传输作用。井下传感器包括FBG光栅和F-P腔两部分：温度的变化会导致FBG光栅的周期和折射率的变化，使峰值波长漂移，通过反射谱获取峰值波长即可得到实时温度。压力的变化会导致F-P腔内的入射光纤和反射光纤间距发生变化，通过获取的干涉光谱数据可解调出该间距值，从而得到压力大小。作为点式传感器，通过分析下入井底传感器位置处的反射光谱信号可以得知该位置处的温度和压力信息。光纤测压系统可以准确地测量光纤底部连接的井下传感器位置处的单点温度和压力，现场通过光开关可以连接多根传输光缆，实现一台地面压力解调仪监测多井的井下压力变化。

光纤测压系统地面解调仪压力测量范围：0～30 MPa，压力测量精度：满量程的0.1%；温度测量范围：0～300℃，温度测量精度：0.5℃；有效测量深度：4 km；通道个数：12个，单通道测量速率＜10 s/次；光纤规格：单模光纤。

2　光纤温压动态监测技术在油田上的应用

2.1现场应用情况

自2012年新疆油田公司开展SAGD水平井光纤测温测压试验以来，共计现场实施40井次，光纤测温12井次，光纤测压4井次，光纤温压同测24井次，现场实施成功率100%。截至2015年10月，最长连续工作时间24个月，最高监测温度302.2℃，最高监测压力7.92 MPa，监测数据实时连续，温度监测准确度±2℃；压力监测准确度0.1 MPa，现场最长测量井深1 450 m。

现场试验中，针对每口井的测量数据，对比光纤与热电偶测温数据，其平均测温误差为2℃，由测量结果可知光纤测温与热电偶测温结果一致性较好，如图2所示。与热电偶的单点测温相比，光纤DTS测量可获得全井段的温度剖面数据（间隔1m），更有助于蒸汽腔发育情况的判断。

2.2现场应用效果

光纤温压动态监测技术在风城SAGD水平井上现场应用，温压动态监测系统实时连续监测数据。新疆油田公司利用井下光纤温压数据指导生产，进行日常生产过程中生产压差控制、sub-cool调控，水平段动用程度判断，转抽时机判断等。现场应用表明：光纤分布式测温可获得全井段的温度剖面数据，更有助于对蒸汽腔发育情况的判断，指导生产调控；光纤测量生产井井底压力可判断井下流体相态变化，分析注汽效果，预测产出状况。

图2　光纤与热电偶测温对比

2.2.1水平井连通判断

监测不同时间下SAGD水平生产井的温度分布，可以有效判断双水平井在循环预热阶段的连通情况。对SAGD双水平井井组进行水平段连通判断，将生产井焖井、注汽井两点注汽，通过光纤全井段温度测试监测，在水平段445～775m处温度呈现先下降后上升的趋势，即可判断在该段已经连通，连通段长330m，连通率为74.2%，初步具备转抽条件，如图3所示。

2.2.2指导生产调控

光纤分布式测温曲线显示转抽生产时生产井水平段受热不均，后半段温度较低，对该井进行关井注氮气、高温分散剂的措施调控。向P井注蒸汽后，再次转抽生产，水平段后半段温度升高。

2.2.3井下蒸汽相态判断

对比在SAGD循环预热阶段生产井井底实测压力、井底温度对应饱和压力和生产井注汽量，可判断井下蒸汽相态。如图4所示，当实测压力大于井底温度对应饱和压力时，井下为液相；当实测压力与井底温度对应饱和压力大致相同时，井下为气相。

2.2.4计算Sub- cool，指导生产调控

Sub-cool是指生产井井底产液温度与蒸汽腔温度的差值，是SAGD生产阶段关键操作参数确定的核心，与产量相关。对比在SAGD生产阶段井底实测压力的饱和温度与水平段产液最高温度，可判断井下Sub-cool值大小，对生产参数做相应调整。

图3　水平井连通判断曲线

3　存在问题与发展趋势

光纤温压动态监测技术具有无法比拟的优点，适于油田复杂环境条件下的实时监测，成为国内外研究的热点，但不可避免会存在一些难题尚需进一步攻克。

3.1存在问题

1）由于光纤传感器的封装技术、多参数交叉敏感性以及自身材料特性的限制，在长期高温腐蚀环境下易发生信号衰减，机械强度、力敏和温敏灵敏度降低，在环境较恶劣情况下难以长期稳定运行，要求针对特定油藏条件研制特定光纤温压动态监测传感器。

图4　井下蒸汽相态判断

2）现场井距较远，监测井井数较多，实时了解井下状态需要实时获取监测数据。光纤传感信号数据量大，传输需大量占用网络，实时传输是制约现场应用的关键因素之一。

3）目前光纤监测数据的应用并不全面，通过井下温度压力的监测可以了解井下环境指导生产调控。但进一步描绘井下环境发展趋势，如何与其他监测数据相结合需要深入研究。

3.2发展趋势

为了解决以上问题，未来基于光纤的油田井下温压实时监测技术的发展趋势主要有以下3个方面：

1）传感器工艺技术的研究。针对特定油藏开发环境，研制相应光纤温压动态监测传感器，主要针对其材料特性、封装结构、材料保护等措施进行改进。

2）传感网络技术的研究。多参数、实时、在线、大数据传感网络系统是未来油田监测发展的必然趋势。光纤传感数据，要结合油田现场的其他监测数据共同完成监测数据的实时传输。

3）进行多学科交叉研究，建立多参数变化模型，将光纤温压监测数据与其他监测数据相结合，更好地进行油田开发特征描述和指导生产。

光纤温压动态监测技术已经日臻成熟，其产品化研究也已达到实用化推广的多项要求。国内基于光纤温压动态监测技术在油田应用方面起步较晚，但随着光纤传感技术的日益发展和应用的不断扩大，该技术必将成为油田监测领域的首选方法之一。

[1]孙艳坤,李琦,李霞颖，等.基于光纤Bragg光栅的油气工业实时监测技术研究进展[J].科技导报，2015，33（13）：84-91．

[2]张小丽，陈乐，孙坚，等.一种分布式光纤温度传感器的校准方法[J].自动化仪表，2011，32（12）：32-35．

[3]盛守东.套管内光纤分布式连续测温技术及其应用研究[D].大庆：东北石油大学，2012．

[4]王伟杰.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计及优化[D].济南：山东大学，2013．

[5]韩吉声,潘勇,李士建,等.稠油热采井下光纤压力传感信号的小波降噪方法[J].激光与光电子学进展, 2012（9）：57-62.

Dynamic monitoring technology of optical fiber temperature and pressure is a high-precision real-time monitoring technology developed in recent years, which has the advantages of high-temperature and high-pressure resistance, anti electromagnetic interfer⁃ence, corrosion resistance and so on, and it is the most promisingmonitoringmethod in oil field monitoringmethod in oilfields. The work⁃ing principle of optical fiber temperature and pressure dynamic monitoring technology and its applications in oilfield complex environ⁃ment are introduced, and the development trend of the technology in the future is analyzed. After many years of field application re⁃search, the optical fiber temperature and pressure dynamic monitoring system has been able to downhole stably work more than 2 years in Xinjiang Oilfield, and it has accurate temperature and pressure monitoring accuracy, whose pressure monitoring accuracy can reach to 0.1 MPa. It realizes the continuous and stable dynamic monitoring of the whole well temperature change and the monitoring of the downhole single point pressure change.

optical fiber temperature and pressure; dynamic monitoring technology optical fiber distributed temperature measurement; optical fiber pressure measurement; temperature profile

段胜男（1988-），女，现从事油气田开发工作。

本文编辑：王梅2015-12-09