李 明，彭振洲，孙志伟，何昌邦，宋 聪，李 娜，董建国

(1.石油化工股份有限公司胜利油田分公司 石油工程技术研究院，山东东营 257000； 2.武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司，武汉 430000)

油田开采过程中采用水井注水驱油，可有效提高油田产量。对注水剖面的监测和水驱效果的评估一直是油田关注的重点之一。但目前对注水井的监测和调节采用定期测调方式,周期通常为几个月,在此时间跨度内，注水情况是未知的[1]。

为了测试注入剖面情况，油田常使用的几种注入剖面测井方法，包括同位素示踪注入剖面测井、流量计测井、脉冲中子氧活化测井。但目前这些测试方法对井下不同注水结构的适应性不同，且测试施工难度较大，测试周期长，有些测试方法用到放射性元素，有一定污染和危险性。

光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、抗腐蚀、可实现分布式、实时在线、永久性监测等特点[2]，近年来光纤传感在油田逐渐开始应用推广[3]。光纤传感分为点式传感器和分布式传感器两大类，点式光纤传感器种类繁多，能检测各类物理量，测量精度高[4]；分布式光纤传感器利用光纤作为传感元件，光纤上任何一点既是传感单元又是信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤在空间和时间上变化的分布信息[5]。

本文利用DTS和DAS在油田开展了水井注入剖面监测,为油田注入剖面监测引入新的测试仪器和方法。采用分布式光纤传感系统监测注入剖面，只需要下一根光缆到井下，施工简单快捷，无污染无危险性，可实现实时动态监测。

1 分布式光纤传感原理

光时域反射(OTDR)技术是实现分布式光纤传感的关键技术，其基本原理是光纤中的光向前传输时不断发生后向散射[6]，后向散射光传播的距离与其所需的时间成正比。利用探测器检测后向散射光在某时刻的光强，并记录激光器从出光到采集时刻的时间差，可得到光纤上各处的后向散射光强。采用OTDR技术，可实现对沿光纤线路监测问题点的定位[7]。

光在光纤中传播的同时产生的后向散射光分为瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射三种[8]。后向散射光的分布情况，如图1所示。

图1 后向散射光分布图

图1中，喇曼散射包含斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)两个部分，斯托克斯光的频率比原始入射光大，反斯托克斯光的频率比原始入射光的小。反斯托克斯光对温度较敏感，当光纤的温度上升时，反斯托克斯光的强度也增加。利用此特点，可以测量光纤的温度变化情况[9]。瑞利散射的波长与入射光波长相同，当光纤收到振动时，后向瑞利散射光的强度及相位会产生变化，利用此特点，可以通过检测后向瑞利散射光的相位和强度变化来探测光纤的扰动情况[10]。

1.1 分布式光纤测温原理

当光在光纤中传输时，由于与光纤中的分子、杂质及不均匀性物质等相互作用发生散射。其中的喇曼散射是由于光纤中分子的热振动与光子相互作用发生能量交换而产生[11]。

光纤中输入光的波长为λ0，后向散射光中波长为λs=λ0+Δλ的光为斯托克斯光,波长为λa=λ0-Δλ的光为反斯托克斯光。由拉曼散射理论可知，反斯托克斯光的功率Pa(T)与斯托克斯光的功率Ps(T)之间的比值与温度相关[12]，计算方法如公式(1)所示:

(1)

式中：λs为斯托克斯光的波长，λa为反斯托克斯光的波长，Δγ为偏移波数，h为普朗克常数,T为绝对温度，c为真空中的光速，k为波尔兹曼常数。

式(1)的意义是，在光的波长一定的情况下，R(T)的值只与后向散射光产生处的绝对温度T和某些物理常数相关，所以可以用R(T)测量光纤上的温度。通过探测光纤上各处后向斯托克斯光和反斯托克斯光的光强度，通过两个光强的比值计算光纤各处的温度，实现温度测量[13]。

1.2 分布式声波/振动传感原理

当光纤收到振动影响时，光纤中的后向瑞利散射光强度和相位发生变化。采用光强度探测时，设光纤上某点为Z，该处距光纤入射端长度为x，此处光功率如公式(2)所示[14]:

(2)

式中：p0为初始光功率，a0(x)为前向衰减系数。

Z处后向散射光传输回入射端，被探测到的功率如公式(3)所示：

(3)

式中：kr为器件损耗乘积因子，kr≈0.5；S(x)为光纤在Z处的后向散射系数；ab(x)为光纤后向散射的衰减系数。

当Z处有振动发生时，S(x)会随振动的变化发生变化，记为S(x,t)。后向散射光传输回光纤入射端的强度也产生变化。将式(2)代入式(3)得到公式(4)：

(4)

根据公式(4),在光纤入射端测量后向散射光随时间的变化的情况，可以获得光纤上各点随时间变化的振动情况[15]。

2 注水剖面监测情况及分析

2.1 光纤传感注水剖面监测的理论模型及实施情况

利用DTS监测注入剖面的理论模型是：在注水过程中观察井温变化情况，通过井温变化的斜率评估井筒内的水流速度，以此评估输入地层的水流量。利用DAS测注入剖面的理论模型是：对于笼统注水井，水通过射孔流入地层的速度越快，产生的振动声音越大，反映到DAS监测界面上的振动信号就越强，地层越厚，DAS监测界面上的振动区间就越宽。通过对振动强度和范围的综合分析，可评估各层段的注入量。对于分层配注井，各层段均装有配水器，水流过配水器的流量越大，产生的振动越强烈，反映到DAS监测界面上的振动信号越强。通过各层段注水振动强度关系，结合总注入量，分析各层实际输入量。

运用DTS和DAS在大庆油田XXX井开展中高压注入井注入剖面监测试验。该井日注入量约300 m3，井下1 000 m～1 180 m有6个注入层，光缆悬挂配重从油管内下井，监测过程如下：

1)光缆下井深度1 182 m；

2)0 min启动设备，采集开井前的数据

3)50 min开始注水，注水量约300 m3/d；

4)130 min减小注水量至约250 m3/d；

5)150 min减小注水量至约200 m3/d；

6)160 min减小注水量至约100 m3/d；

7)180 min停止注水，开启井口溢流；

8)300 min小流量注水。

2.2 数据处理及分析

DTS测试所得井温情况如图2、图3所示。

图2 测试井温二维图

图3 测试井温三维图

由图2、图3可见，0～50 min时间段内，在关井状态下，井下0～1 000 m温度逐渐上升，温度曲线接近地温梯度，井下1 000 m以后因存在注入层，受地层温度影响，1 000 m以下不同层段的温度呈现高低变化。

50 min时刻，开始注水，可清晰的看到0～500 m井段的低温水迅速向井底流动，同时在流动过程中逐渐升温，温度变化在深度和时间方向上形成一条显著的斜线。900～1 000 m井段内的高温水向井底流动，温度变化在深度和时间方向形成一条微微弯曲的斜线，其斜率小于冷水温度的斜率，且深度越深斜率越低，1 100 m以后斜率显著降低。说明1 000 m以下的井筒内水流速度逐渐减小，其原因是井筒内的水注入各个地层，导致井筒内水流量减少，注入地层的水越多，该地层后续井段内的水流速就越低，因此温度变化斜率就越低。

180 min停止注水，开启井口溢流后高温地层液进入井内，井下温度迅速上升，1 000 m以下井段温度在深度方向上形成数条横线，横线位置与井下地址位置基本对应，说明各地层温度不同。

300 min小流量注水，井口的冷水下行，900 m以下的热水下行，其温度变化斜率与50 min时刻基本相同。

DAS测试数据如图4所示，分别截取了各测试时间段内5 min的数据，绘制二维图，X轴为从井口到井底的深度，Y轴为时间。图中蓝色为底色，当在某个深度某个时刻发生振动时，该处出现浅色亮点，亮点越多越密集说明该处振动越强烈。

图4 测试过程DAS图像

根据图4测试数据可知，在关井状态下，井下基本无振动。当开始注水时，因注入量大，井下产生强烈振动。特别在井下1 000 m之后因安装有多个配水器，水经过配水器后产生剧烈振动。当调低注入量后，井下振动情况随之减小。

截取井下1 000～1 200 m的数据，进行频域和时域分析如图5所示。振动时域图中X轴为深度，Y轴为时间，颜色从蓝到红为振动强度逐渐升高。振动频域图中X轴为深度，Y轴为频率，颜色从蓝到红为振动强度逐渐升高。

图5 注水时井下1 000～1 200 m的振动图像

由图5可见井下1 000 m后有多处井段持续振动，但也存在部分井段偶发性振动。其中1 100 m之后的井段有三处振动较强，且振动频率集中在低频部分，而1 100 m之前的井段有多处振动较弱，且频率集中在100～200 Hz，频率比1 100 m之后的井段高。与油田技术人员核实1 000～1 100 m有3个配水器，设置流量较小。1 100 m之后有3个配水器，设置流量较大。结合图5可得，配水器设置流量小时，产生的振动强度较弱，但振动频率较高；配水器设置流量大时，产生的振动强度大，但频率较低。

为了更清晰的辨别振动持续产生的井段，滤除偶发性振动，采用振动能量分析，综合考虑振动强度与振动频率，得到图6。图中X轴为深度，Y轴为振动能量。

图6 根据振动分析出的配水器位置及相对注入量

由图6可得1 020 m、1 050 m、1 070 m、1 130 m、1 150 m、1 180 m处共6处振动强烈的井段，该6处与实际配水器位置对应。其中1 130 m、1 150 m、1 180 m这 3个注入层段振动强烈，判断该3层为高注入层。假设实际注入量与振动能量呈线性相关，根据图6各处振动能量峰值相对高度，其比值约为2.5∶4.2∶2∶10∶21∶12，结合300 m3/d的总注入量，计算各层注入量分别为14.5 m3/d，24.4 m3/d，11.6 m3/d，58 m3/d，121.9 m3/d，69.6 m3/d。其中1 070 m和1 150 m层段的注入量与设计资料相差较大，其余各层注入量计算结果与设计资料上相差20%以内。因该井暂未采取其他测试手段进行对比，暂时无法对注入量的定量计算结果进行验证。但实测各层段的振动能量与配水器的流量设置成正相关，其用于注水剖面的快速定性监测具有实用价值。

3 结论

在注水井注入剖面监测试验中，利用DTS和DAS联合监测，快速监测和估算各地层的注入量，使油田方更清晰的了解个井下注水的实际情况，有利于更加合理、精确的配置注水参数，使注水效果更优。