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

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（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，流入點的參考地?zé)釡囟瓤赡軙l(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

圖1顯示了一個典型的例子，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。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)崽荻认嗥ヅ洌驗樵搮^(qū)域沒有生產(chǎn)。在這個代表性的例子中，流體于流入點1進(jìn)入井眼，其溫度對應(yīng)于當(dāng)?shù)氐牡責(zé)釡囟?。?dāng)流體向井口上升時，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)測可以識別烴類化合物進(jìn)入井眼的流入點。

二、注水監(jiān)測

鉆完生產(chǎn)井后，烴類化合物從儲層流向地表，儲層的原始壓力通常足以將烴類化合物向上推。然而，隨著儲層的產(chǎn)生，原始壓力逐漸降低，這需要向儲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)移到儲層的區(qū)域。

通過回溫方法監(jiān)測注入井的性能，可用基于拉曼散射的DTS技術(shù)記錄的井下溫度測量值。在這種方法中，注水之后關(guān)井，可觀測到井的溫度恢復(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，巖石的溫度就會隨著時間的推移逐漸恢復(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?。可以使用溫度測量將總注入水量分配到每個儲層。因此，DTS還可用于識別區(qū)域外注入——多余的地質(zhì)層被加壓而非產(chǎn)油層。這對于正確執(zhí)行注入策略非常重要。此外，注入井的部分難點是壓力增加可能會導(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)測一些關(guān)鍵井以避免這種潛在問題對環(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），其中將蒸汽注入儲層以降低重油的粘度。SAGD井通常包括一對井，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，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)井會將蒸汽/冷凝水而非烴類化合物泵送到井口。將兩個井之間的溫差調(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。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SAGD過程的另一個挑戰(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)的時間間隔內(nèi)記錄的。除了底部區(qū)域，儲層最初溫度很低。隨著時間的推移，儲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

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)管道運輸石油（a）或天然氣（b）時使用光纖 DTS 進(jìn)行管道泄漏監(jiān)測

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)心對用于防止腐蝕的管道涂層的損壞以及對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，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。周圍土壤的近場溫度受到內(nèi)部流體流動的埋地管道的影響。監(jiān)測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。

這被認(rèn)為是使用DTS系統(tǒng)進(jìn)行泄漏監(jiān)測的最壞情況，因為泄漏的產(chǎn)品可能不會直接接觸光纖。因此，DTS系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測能力需要現(xiàn)場校準(zhǔn)。此外，為了降低泄漏監(jiān)測的誤報率，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顯著波動。

審核編輯：劉清