海上水平井蒸汽驱长效光纤监测技术研究与应用

2023-04-29孟祥海顾启林孙玉豹苏毅汪成李大俭

石油矿场机械 2023年3期

孟祥海顾启林孙玉豹苏毅汪成李大俭

摘要：海上稠油热采工艺已逐渐由单一的吞吐热采向注采一体化、蒸汽驱工艺发展，通过有效的监测手段获取井筒沿程及水平段的温度数据，对于海上蒸汽驱注汽井尤为重要。分布式光纤监测技术是近几年来发展起来的一项井下测试新技术，与传统测试技术相比，具有实时、稳定、长效等特点，具有无可比拟的技术优势。但海上热采井多为水平井且工艺管柱复杂，应用工况恶劣，安全要求高，监测难度大。结合海上热采井特点和蒸汽驱监测工艺，开展了水平井蒸汽驱光纤监测技术研究，并研制了关键配套工具，形成了一套水平井管内外穿越转换光纤监测工艺。该项测监工艺不仅能监测油管环空温度，了解注汽管柱隔热效果，而且能监测水平段的温度，了解水平段吸汽情况。现场应用结果表明，该监测技术具有耐高温、耐高压、实时、长效的特点，能为海上稠油蒸汽驱以及规模化热采开发提供科学依据，具有较好的应用前景。

关键词：海上水平井；蒸汽驱；长效；光纤监测；规模化热采

中图分类号：TE952 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.008

Abstract：Offshore heavy oil thermal recovery has gradually expanded from a single huff-and-puff thermal recovery method to the integrated injection production and steam drive process methods. It is particularly important for offshore steam drive steam injection wells to obtain temperature data along the wellbore and horizontal section through effective monitoring means. Distributed optical fiber testing， which is a new testing technology developed in recent years， compared with traditional testing technology， has the characteristics of real-time， stability and long-term effect， and has incomparable technical advantages. Most of the offshore thermal recovery wells are horizontal wells， and the process string is complicated， with poor application conditions， high safety requirements， high safety requirements， and difficult monitoring. Combined with the characteristics of offshore thermal production wells and the requirements of steam drive monitoring technology， the research on optical fiber monitoring technology for the steam drive in horizontal wells was carried out， and key supporting tools were developed， a set of optical fiber monitoring technology for the internal and external crossing of horizontal wells was proposed. The field application results show that the monitoring technology has the characteristics of high-temperature resistance， high-pressure resistance， real-time and long-term， which can provide a scientific basis for large-scale thermal recovery development of offshore heavy oil with good application feedback.

Key words： offshore horizontal wells; steam flooding; long-term; optical fiber monitoring; scale thermal recovery

渤海油田擁有丰富的稠油资源，注蒸汽热力采油是目前开采稠油最有效的方法之一，而井下监测工艺则是整个热采工艺的重要组成部分［1］。在注蒸汽过程中，准确、全面地测取井下各项参数，对安全、经济、高效地开采稠油油藏具有重要意义［2］。渤海油田自2008年开始，先后在南堡35-2油田、旅大27-2油田、旅大21-2油田开展吞吐式热采技术应用，截止2022年5月已应用了40余井次，取得了较好的增产效果［3-5］。目前已逐步进入规模化热采开发阶段，且已开展注采一体化及蒸汽驱先导试验。对于蒸汽驱井而言，了解长期高温注热工况下的井筒管柱隔热效果、套管和固井水泥的温度以及水平段均匀注汽效果尤为重要［6-8］，因此，有必要研究配套的监测技术，获取井下注汽参数，为海上蒸汽驱先导试验提供技术支撑。

目前国内外应用的水平井测温方式主要包括传统温度计测温、分布式光纤测温、不锈钢内嵌热电偶以及微差井温测试等［9-10］。郑金中等［11］基于光纤光栅传感器，研究了一种了井下永久式光纤温度-压力测试技术，适应井下200 ℃高温测试需求。梁栋等［12］研究了一种热采水平井井温剖面测试设备及解释技术，可以分析热采水平井水平段动用程度及产液情况。程国强等［13］介绍了一种高温双参数测试技术，该技术采用井下双参数测试仪，可一次下井同时测出井下任意位置压力、温度双参数。宫继刚［14］提出了一种毛细管温压一体化监测技术，采用双层毛细管，内管里穿有热电偶电缆用于测温，双管环空内填充氮气，作为传压介质，实现测压。邵洪峰等［15］论述了国外光纤测井技术的发展概况，耐高温光纤技术方案及国外开发耐高温光纤的情况。

目前海上热采监测技术还处于探索、试验阶段，缺乏成熟、可靠的配套监测技术［16］。随着海上稠油规模化热采开发，热采测试技术的作用将更加凸显。高温光纤监测技术能够实时连续准确监测井下温度，是一种先进的测温技术。为此，根据海上热采井特点，开展了蒸汽驱长效光纤监测技术研究，实现水平井注汽期间全井段多点温度参数的实时录取［17］，为井筒安全评估、注采方案优化和效果评价提供指导和依据。

1 高温光纤监测技术简介

1.1 测试管柱及工艺特点

1.1.1 管柱组成

高温光纤监测技术利用光纤作为信号传输介质，实时、长期、稳定监测井下温度［18］。测试时将光缆下入井内，光缆在井口与地面解调设备相连。海上热采井多为水平井，耐高温光纤光缆采用油管携带的方式下入，尽可能地保护测试光纤光缆，采用光缆在油管内外穿越转换，同时在油管内底部固定的管柱方案。监测工艺管柱主要由耐高温光缆、穿越式热采封隔器、光缆穿越器、光缆底部锚定器以及光缆扶正器等工具组成，如图1所示。

1.1.2 工艺特点

1）光纜在穿越热采封隔器时不截断，完成穿越密封后，将光缆在封隔器两端连接油管进行缠绕，当注汽管柱受温度变化伸缩时可调整光缆伸缩量，以防止光缆受损。

2）光缆进入水平段之前，在热敏封隔器上部油套环空通过光缆穿越器进入油管内部，不仅能监测水平段的温度，了解水平吸汽效果，同时能监测油管环空及套管的温度，间接监测了解隔热油管的隔热效果，为热采井安全评估和效果评价提供指导和依据。

3）光缆通过光管底部锚定器锚定于管柱底端，实现光纤定位的同时，避免光缆跳动影响测试精度。

1.2 技术原理

1）分布式光纤传感原理。

分布式光纤传感系统原理为利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，实现分布式测量。光纤本身即为传感器，光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。如图2所示，光纤传感系统主要由光源、耦合器、传感光纤、探测器以及处理器组成。

2）分布式光纤测温原理。

光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，在光纤中传输的同时持续产生后向散射光波，如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等［19］。其中，拉曼散射受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，经过解调处理系统便可将温度信号以图形或表格形式实时显示出来。通过对光纤系统进行温度标定，即可根据式（1）计算出环境的实际温度。

式中：T为测量点环境温度，K；T0为恒温槽温度，K；k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23 J/K；h为普朗克常数，h=6.63×1034 J·K；c为真空中的光速，c=3×108 m/s；Δγ为偏移系数，cm-1；R（T）为反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度比值。

1.3 主要技术指标

测温量程 0～400 ℃

测温精度 ±0.2 ℃

测温分辨率 0.1 ℃

温度漂移 ≤0.1 ℃/a

定位精度 ±0.5 m

空间分辨率 ≤0.5 m

最大测量距离 ≥3 km

2 关键技术及配套工具研制

2.1 关键技术分析

在海上油田蒸汽驱水平井进行光纤监测，既要解决光缆在水平井中应用面临的长期耐高温问题，又要解决光缆与井下安全控制工具同时应用面临的技术问题。

1）全井筒测温。采样间隔≤1 m、耐高温高压（350 ℃、21 MPa），光纤的选型以及光缆结构优化。

2）水平井应用。光缆的保护、固定，油管内外转换，油管内底部的固定以及解锚。

3）井下安全控制。热采封隔器具备穿越通道，实现在不截断光缆的情况下穿越封隔器，且不影响密封性能。

4）井口及地面安全控制。具备高温高压井口穿越密封功能，防止井下光缆损坏时高温流体沿光缆内部上返至地面造成安全风险。

2.2 耐高温复合光缆

1）光纤封装于毛细管中，采用双层毛细管结构设计，保障光缆的强度、密封性以及耐腐蚀性能：外管采用6.35 mm 、625合金管，内管采用4.0 mm、316L不锈钢管。

2）内置光纤类型。进口纯硅芯光纤（2芯、多模、1用1备）。

3）主要性能指标。耐温≥350 ℃、耐压≥21 MPa、抗拉强度≥20 kN、拉伸强度≥18 kN、屈服强度≥800 MPa。

2.3 关键配套工具

2.3.1 穿越式热采封隔器

1）功能。穿越式热采封隔器主要用于在应急状态下快速关断油套环空通道，防止井下流体上返，避免井喷、环境污染等事故的发生，保障热采井安全注汽及生产。同时，该封隔器安装有高温排气阀，具有地面控制的环空注氮及洗压井通道，可从油套管环空补充注入氮气隔热、增能，同时在后期修井作业中也可以提供洗压井通道。具备穿越通道，实现液控管线及光缆在封隔器内部的穿越［20］。

2）结构。穿越式热采封隔器主要由封隔器本体和高温排气阀组成，如图3所示，封隔器本体由坐封机构、锁紧机构、密封件、锚定机构、解封机构等部分组成。

4）主要技术特点。

①采用液压控制管线坐封，具备多次补压机构。

②采用隔热结构设计，具备隔热功能。

③具备热力自补偿功能，可补偿注热管柱的伸缩。

④采用组合密封，常温～350 ℃温度下均具有良好的密封性能。

⑤具备注氮气/洗压井通道，可实现过封隔器注入氮气、洗压井作业。

⑥具备穿越通道，可实现过封隔测试以及化学药剂注入。

2.3.2 光缆穿越器

1）功能。将光缆由油管外捆绑形式转换至油管内下入，进入水平段之前通过光缆穿越器将光缆转入油管内部，保护测试光缆。

2）结构。光缆穿越器主要由有上接头、卡扣、压帽、承压环、穿越接头、密封组件以及下接头组成，如图4所示。

3）主要技术参数（如表2）。

2.3.3 光缆底部锚定器

1）功能。实现光缆在油管内底部固定，防止光缆由于自身的弹性或者注汽冲击发生跳动。

2）结构。光缆底部锚定器主要由冲击螺母、壳体、滑动杆、弹簧、固定扣、定位轴、锚定器、导向器等部分组成，如图5所示。

3）主要技术参数（如表3）。

2.3.4 光缆扶正器

1）功能。使油管居中，保护测试光缆，防止下入管柱期间接箍处的光缆与套管内壁发生挤压、摩擦而造成损坏，即，保护测试光缆。

2）结构。光缆扶正器主要由主体、副体、圆柱螺栓、螺母以及垫圈组成，如图6所示。

3）主要技术参数（如表4）。

2.2.5 地面光纤密封器

1）功能。防止井下光缆损坏时高温流体通过光缆上返至地面造成安全风险，当井下光缆出现泄漏时，压力表会有压力显示，通过关闭球阀来切断地面与井下的流体通道。

2）结构。主要由球阀、卡套三通、针阀、光纤密封器以及压力表组成，如图7所示。

3）主要技术参数（如表5）。

3 现场应用

3.1 测试井概况

X1井为渤海某油田一口热采水平井，完鉆井深1 752 m。该井自2011年开始，先后开展过3个轮次多元热流体吞吐作业。随着吞吐轮次增加，该井所在井区油藏压力逐渐降低，继续吞吐的潜力及经济效益差，亟待寻找替代技术来保障稠油的稳产增产，以达到进一步提高采收率的目的。为进一步提高该油田热采采收率，以X1井为注汽井，开展大井距水平井蒸汽驱先导试验。为保障长期安全高效注汽，该井采用“井下安全控制+井筒高效隔热+水平段均匀注热+高温光纤监测”的注汽管柱组合。该井于2020-06开始湿蒸汽驱，2021-03转入过热蒸汽驱，最高注汽温度348.5 ℃、最高注汽压力12.2 MPa、最大注汽速度300 t/h，注汽期间环空间歇补充氮气隔热。

3.2 测试结果及分析

注汽期间通过高温光纤监测，获取了该井油套环空的温度数据及变化趋势，如图8所示。从图8中可以看出，除了高温井下安全阀、热采封隔器处的温度较高（＜250 ℃），隔热油管外壁平均温度约142 ℃，远低于管内注汽温度，说明该井采用的“气凝胶隔热油管+隔热型接箍+热敏封隔器+环空充氮气”全井筒高效隔热工艺，取得了良好的隔热效果，有效地降低了井筒沿程热损失，提高了注汽效果。但历经长期注热、多次冷热交变，隔热油管外壁温度逐渐升高并逐渐趋于稳定，隔热效果逐渐衰减，分析认为主要原因为长期高温，多次冷热交变、热胀冷缩以及接箍隔热性能低于本体，存在局部散热点。截至2022-03，分布式光纤监测系统稳定运行21个月，实时监测显示井筒温度数据，长效性得到了有效验证。

注汽期间通过高温光纤监测获取了该井全水平段的温度数据，如图9所示。从图9可以看出，该井水平段温度差异较小，吸汽相对均匀，说明该井采用的水平段均匀注汽工艺取得了较好的效果。

4 结论

1）采用管内外穿越分布式光纤监测技术，可实时测取热采水平井全井筒的温度数据，以及水平段的吸汽数据，为注汽井隔热效果分析、安全评估、效果评价以及注采工艺优化提供科学依据，对海上蒸汽驱以及稠油热采开发具有重要的指导意义。

2）采用“气凝胶隔热油管+隔热型接箍+高温环空封隔器+热敏封隔器”井筒高效隔热工艺管柱，具有良好的隔热效果，能够有效防止环空高温流体上返，保障井筒安全、提高注汽质量。随着注热时间的增加，隔热油管隔热性能逐渐衰减，有必要进一步优化隔热油管结构及制造工艺。

3）现场应用表明，高温光纤监测技术测试数据准确、灵敏度高，现场实施便捷，安全可靠、长效，具有传统井温监测技术难以比拟的优势，值得在海上稠油油田推广应用。

参考文献：

［1］郭太现，苏彦春. 渤海油田稠油油藏开发现状和技术发展方向［J］. 中国海上油气， 2013， 25（4）： 26-30.

［2］王荣艳，王红兵.孤东油田稠油热采测试技术应用［J］.油气井测试，2007，16（4）：46-47.

［3］唐晓旭，马跃，孙永涛.海上稠油多元热流体吞吐工艺研究及现场试验［J］.中国海上油气，2011，23（3）：185-188.

［4］黄颖辉，刘东，罗义科. 海上多元热流体吞吐先导试验井生产规律研究［J］. 特种油气藏， 2013， 20（2）： 84-86.

［5］林涛，孙永涛，马增华，等.多元热流体热采技術在海上探井测试中适应性研究［J］. 海洋石油， 2012， 32（2）：51-53.

［6］韩晓冬，邹剑，唐晓旭，等.海上热采井高效注汽及监测工艺研究与应用［J］.特种油气藏，2020，27（2）：169-174.