1、收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 0基金项目:长城钻探工程有限公司课题 压裂远程智能砂液控制与监控系统开发(GWD C 2 0 2 2 0 1-1 3(0 1)作者简介:段建明(1 9 8 6-),男,山西省祁县人,工程师,大学本科,2 0 0 8年毕业于成都理工大学石油工程专业,现从事钻井设计和钻井监督工作。通讯作者:郭修成(1 9 8 6-),男,四川广安人,高级工程师,大学本科,2 0 0 9年毕业于西南石油大学应用化学专业,现从事钻井工程相关工作。分布式光纤压裂监测技术应用及效果分析段建明,郭修成,周 超(中石油 长城钻探工程技术研究院,辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0)摘要:分
2、布式光纤测量技术近年来逐步应用到油田开发中,通过全井筒的实时连续状态监测,实现研判产层压裂监测效果、产液量及流体性质,准确分析井筒生产状况,成为评价生产井生产动态的新方法新技术。分布式光纤利用下入井筒的光纤,以实时、全井段、长时间监测的方式,测量整个井筒温度场变化来监测井筒的动态生产状况,其实时监测的优势,远优于常规测井方式。在此介绍了分布式光纤测温原理和解释原理,研究了生产井的测温测量方法及解释流程。基于压力和温度数据,采用解释模型对压裂监测实测光纤数据进行处理评价,以及与油藏地质情况进行对比分析,试验结果验证了分布式光纤在产液剖面压裂监测方面的适用性和技术优势,试验中形成的苏里格地区一套分
3、布式光纤测温解释流程和方案,助力油田公司实时优化调整开发方案,实现增产上产。关键词:分布式光纤;压裂监测、产液剖面;测井技术中图分类号:T E 3 5 7.1+4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 8-0 0 8 1-0 51 引言气井生产井在生产过程中存在含水率上升快、地层出砂等问题,需要采用有效的动态监测技术对生产井生产状况进行准确判断,为开发方案调整和井筒治理提供支持。由于缺乏高质量井下剖面监测数据,无法准确对比分析单井各压裂层段产量贡献情况及储量动用程度,以及评价生产井各生产层位产气能力,最终无法实时优化排采制度,因此亟需进行井下数据的实时监
4、测与生产剖面分析。分布式光纤测温技术是近年来发展起来的一种伴随光纤通信技术发展而来的,以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号,用于实时测量空间温度场分布的新技术,我国从2 0世纪9 0年代后期首次利用分布式光纤监测技术测量温度以来,至今已有多个工程应用1。光纤测量技术指利用整根光纤作为分布式温度传感器,下入井筒后可感知井下温度变化,并通过光纤的传导,将与井下温度、位置点相关的光谱信号传输至地面进行解调和显示的井下测试作业技术。与传统的涡轮流量计测井方式相比,下入井筒的光纤本身既是测量传感器同时也是数据传输介质,具备实时、全井段、长时间进行温度监测的优势,此外分布式光纤也具有抗腐蚀、耐高温、
5、抗电磁干扰及体积小等特点2。分布式井温测井通过实时连续测量整个井筒空间内不同位置的温度场分布变化来监测油井的实际生产状况,在生产井的产出剖面动态监测方面得到推广应用3。2 分布式光纤温度测量原理2.1 测温基本原理分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种:基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前在工程上应用较多较成熟的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射(OT D R)原理和光纤的后向拉曼散射温度效应4。拉曼散射原理,入射光在进入光纤中传播时,受到光纤本体材料分布不均与、结构分布不规整等影响,传播方向具有很大随机性,出现光的散射现象,而分布
6、式光纤传18 2 0 2 3年第8期内蒙古石油化工感测量,正是在此现象的基础上,通过感应技术,实现温度信号的精准反馈。相对于传统测温方法往往只能进行单点测量的不足,分布式光纤测温系统充分利用了拉曼散射原理,无论在距离长度、监测范围、精确定位等方面均有极大提升,并且将光信号作为传输信号,克服了传统测温在易燃易爆、强电磁千扰等环境下无法正常工作的缺点。因此,基于拉曼散射原理的分布式光纤测温系统在世界上具备一定先进性与有效性。瑞利散射是光与物质发生的弹性散射,其波长、频率不发生变化,对温度不敏感。拉曼散射光中的斯托克斯光对温度不敏感,反斯托克斯光的强度则随温度变化。分布式光纤测温系统由地面计算机、测
7、温光端机和高温测温光纤构成(见图1)。地面测温光端机是整个测温系统的核心部分。光端机发出脉冲激光、接收后向拉曼散射信号并进行信号处理。分布式光纤温度测量是利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应和光时域反射技术实现的5,测温原理见图1。从传感光纤背向散射的信号光再次经过波分复用模块WF,隔离瑞利散射光,透过温度敏感的反斯托克斯信号光和温度不敏感的斯托克斯参考光,并且由探测器接收,根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OT D R技术,可确定散射信号所对应的光纤位置。当激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生散射。在时域里,入射光背向散射返回到光纤端所需
8、时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2 L。其中V为光在光纤中的传播速度、C为真空中的光速,N为光纤折射率。在测得时间t的同时,即可求得距光源L处的距离1。由于光在光纤中以已知的速度传输于是将反向散射光分解成分别代表光纤长度中某一长度段的反向散射光组,可据此求解整个光纤长度的温度分布值。测试的精度和温度解析能力主要取决于光纤的长度、采集时间、理想的空间分辨率,只要接收端的频率高、采样时间间隔小,就可高精度采集整根光纤每一位置的信号值,实现对分布式温度精确测量的目的。通过采用适宜的工艺方法可以满足油藏动态监测中温度测井的要求。2.2 光纤测量方式及用途分布式光纤测量方式包括单次监测、半永久式
9、监测和永久式监测三种,通过钢丝作业或者连续油管作业下入实现单次监测,光纤通过三通接头下入泵以下目的层段实现半永久式监测,光纤可永久式安装在套管或者油管外下入井筒实现永久式监测。目前连续油管测井工艺具有入井工艺简单、安全性高的特点,在光纤单井监测产出剖面应用方面较多。此外,分布式光纤体积小、测试成功率高,一次下井能够对多个生产制度下井筒环境温度进行连续监测,且分布式光纤井温测井为静止测量,对生产井筒流体流动干扰小、测量精度高,能够满足产出剖面测井对安全性、测量精度、评价精度的要求。图1 分布式光纤测量原理示意图 下入井筒的光纤本身既是测量传感器同时也是数据传输介质,可对全井段任意位置进行温度监测
10、。按照其功能特点可实现多种用途监测:分布式温度/声音测井;增产效果射孔簇有效性;动态生产剖面监测;动态注入剖面监测;漏点检测;井间沟通;实时转向压裂技术指导1。2.3 光纤测井测量流程分布式光纤整体测量流程(见图2)为:施工准备,包括井况认识与分析,施工设备工作准备,连续油管力学茉莉分析,井筒准备;测井施工,包括设备摆放安装及试压,下入光纤连续管,不同工作制度数据采集,设备拆迁恢复生产;数据解释,包括数据质量评价,数据处理,数据分析解释,结论与建议。图2 分布式光纤测量流程图 分布式光纤入井测量生产井井温的流程为:28 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 将测温光纤排放在光纤起下装置的滚筒上
11、面,光纤下井端密封,接好导向头;将光纤导向头及光纤引入环空内,启动光纤起下装置滚筒,下放测试光纤。光纤下至井底后,将地面端接至光纤测试控制系统,读取分布式光纤温度测试数据5。3 分布式光纤温度数据解释方法分布式光纤测量地层温度,理论依据为地层不同深度处存在温度差异,生产井筒任意深度处的温度大小是地层、流体性质、流量大小及时间的综合反映。当流体从井内产出时,井筒温度会偏离地层温度,生产井中生产层上部的流体温度要高于地层温度。井筒的温度是动态变化的,变化快慢取决于流量、完井方式、流体和地层导热特性等。当地层产出单相流体或者产出不同流量、不同含水率的多相流体时,井筒将呈现不同的温度响应特征。当地层中
12、产出流体进入井筒后,流体在流动过程中将遵守质量守恒、热焓守恒,因而可建立井筒与油藏间热焓守恒的井筒热物理模型,以分布式测量温度、压力及流体流型变化为基础限制条件,采用全局最优化算法模拟计算得到产层的流量和含水率大小及产出剖面分布。解释流程为分布式光纤温度正演模型建立、反演模型建立和最优化迭代计算。产液剖面解释的模型使用一维热力学模型来模拟井筒生产段在稳态下的温度响应。模型建立有几个基本假设:一是生产流体为单相气态;二是温度响应为稳态。井筒模型计算出的压力、温度会影响油藏模型的计算,而油藏模型计算出的产液量又会影响井筒模型计算出的压力和温度。因而两个模型计算需要进行耦合求解。井筒油藏模型控制方程
13、为:(1)能量方程w1(d Hmd z-g s i n J gc+vJ gcd vd z)-w2d Hmd z=-Q(油层)(1)d Hmd z-g s i n J gc+vJ gcd vd z=-Qw(非油层)(2)(2)动量方程d pd z=(d pd z)g+(d pd z)f+(d pd z)(3)正算模型,即在假设某产量(剖面)后,结合已知的地层信息,计算得到一条沿井筒变化的温度曲线;反演模型,即实现通过对比计算温度曲线与实测温度曲线得到一新的产量(剖面)。以正演温度结果与分布式温度结果构建评价函数,以最优化算法为核心,通过不断的反演迭代计算,当实际测量温度、压力与其理论数值的残差最
14、小时,就可获得整个井筒的产出剖面。产液剖面解释流程(见图3)为:首先数据准备,包括井基础数据,D T S数据输入,D T S数据校深、校正,其次建立油藏模型,对模型进行正演计算和反演计算,相互对比拟合最优得到产液剖面结果。图3 产液剖面解释流程4 实际应用分析X X井是苏里格地区的一口水平井气井,为油水两相流动,构造属鄂尔多斯盆地伊陕斜坡。完钻井深46 2 5 m,完钻层位石盒子组;采用桥塞分段压裂工艺改造1 1个井段。压裂1 1段2 4簇:(1)45 8 045 8 3 m;(2)44 8 544 8 7 m;(3)43 8 243 8 4 m;(4)43 1 143 1 2 m、42 4
15、542 4 6 m;(5)40 5 440 5 6 m;(6)39 7 039 7 1 m、39 1 039 1 1 m;(7)38 0 838 1 0 m;(8)37 5 337 5 4 m、37 0 037 0 1 m;(9)36 3 936 4 0 m、35 9 035 9 1 m;(1 0)33 8 633 8 8 m;(1 1)33 3 033 3 1 m、32 8 632 8 7 m。根 据 气 体 取 样 分 析,该 井 产 气 天 然 气9 3.2 1 3%,空气1.3 2 9%;不含二氧化碳,硫化氢气体。目前正常投产,日产量9万方/天;在配产下进行产气剖面测井施工。基于连续油
16、管分布式温度传感测量的生产剖面给出两个主要生产贡献区:第14段和第6段第2簇。这两个区域的生产贡献总和接近全井产量的7 0%,其余所有段/簇的生产贡献总和仅占全井产量的3 0%左右。生产剖面解释与储层情况相吻合;压裂过程中的压力曲线表现可用于定性评估压裂情况,生产剖面解释也与压裂情况分析相吻合(见图4、图5、图6)。38 2 0 2 3年第8期段建明等 分布式光纤压裂监测技术应用及效果分析图4 基于D T S测量的生产剖面解释结果 图4是对基于D T S温度测量的生产剖面模型结果的一个展示。上图中,青线为校准后水平段D T S测量的闭井基准线(经过时间域平滑处理);黑线为校准后水平段D T S
17、测量的稳态生产温度曲线(经过时间域平滑处理);各簇射孔位置由蓝色十字标出;红色虚线为热力学生产剖面解释模型反演得到最优化解的预测稳态生产温度曲线。下图中,各射孔簇的生产贡献百分比由柱状图给出,柱状图表示给出当前簇贡献百分比的均值,黑色实线标出标准差的误差线。图中最值得注意的特 征,就是39 0 0 m左右的稳态生产曲线上观察到的显著突然的温度下降,对应于第6段第2簇模型预测做出了超过总产量3 0%的生产贡献;这正是由于从物理上来讲,生产状态下突然的温度下降只能由局部大量气体生产的焦汤效应(冷却效应)来解释。图5 基于D T S测量的产气剖面图 图5给出水平井段井身结构与对应深度产气剖面图。表1
18、总结了基于D T S测量的生产剖面解释结果。各射孔簇的生产贡献以百分比表示。9 5%置信区间表示1到4段的生产贡献为一个模型反演的估48 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 算值,估计占总产量的3 0%。第6段第2簇贡献了总产量的3 2%4 0%左右,其余的所有簇贡献总和仅为3 0%左右。第6段在压裂报告上显示压裂液流量稳定时有较大压降,可能由于局部地质构造造成。表1 生产剖面各簇贡献百分比簇名S 1S 4S 5 C 1S 6 C 1S 6 C 2S 7 C 1S 8 C 1S 8 C 2S 9 C 1S 9 C 2S 1 0 C 1S 1 1 C 1S 1 1 C 2生产贡献(%)3 00
19、.5 26.8 83 6.0 26.1 00.0 00.9 54.1 85.1 53.9 93.5 92.6 29 5%置信区间(%)-1.2 51.7 24.1 40.8 3-0.7 20.4 50.3 93.2 72.2 50.8 0 生 产 剖 面 解 释 得 到,S 6段 生 产 贡 献 较 大(2 7%),S 14段总生产贡献较大,但由于连续油管未探底测量无法得到各段产量。由图6.8可见,在全井压裂过程中,S 3,S 6,S 9三段在压裂液流量稳定时观测到较大压降(1 5 MP a),可能由于局部地质构造造成压裂液进入了天然裂缝。这可能是S 6段生产贡献较大的原因;同时S 3段可能是
20、1到4段中的主要贡献产出段。相比之下,S 9段的压裂曲线虽然也有类似的压降反应,但可以注意到在加砂不到1/3的时候压力迅速回升,表明可能发生了砂堵;暂堵之后压力仍维持在较高水平,说明砂堵问题未完全解决,这可能是S 9段生产表现劣于S 6与S 3的原因。以图6中S 2段与S 8段为例,全井除3、6、9段以外的压裂段均未观察到较大压降。图6 压裂泵注曲线与生产剖面相对照5 结论(1)分布式光纤多点连续实时、全井段、长时间测量的优势,更有利于掌握产气层位的详细情况,且不抗腐蚀、耐高温、抗电磁干扰及体积小,在油气田应用中有助于实时优化调整开发方案,保障生产任务。(2)利用“井筒-油藏”耦合作用模型,通
21、过正反演数据模拟计算,综合考虑温度、压力、产液量的影响,能够对比出最优产液剖面拟合解释结果。(3)该井生产剖面有两个主要生产贡献区:第14段和第6段第2簇。这两个区域的生产贡献总和接近全井产量的7 0%,其余所有段/簇的生产贡献总和仅占全井产量的3 0%左右,生产剖面解释与储层情况、压裂情况相吻合。(4)通过对苏里格单井测井资料解释分析,结合地质油藏资料研判总结,形成苏里格分布式光纤测量实施方案,为后续产液剖面精确评价生产井各生产层位产气能力,实现实时优化排采制度,具有借鉴指导意义。参考文献1 贾振甲,孙达,李方宇,等.致密油储层试油分布式 光 纤 传 感 监 测 技 术 J.油 气 井 测
22、试,2 0 1 8,2 7(3):5 8-6 5.2 史晓锋,蔡志权,李铮.分布式光纤测温系统及其在 石 油 测 井 中 的 应 用 J.石 油 仪 器,2 0 0 2,1 6(2):2 0-2 3.3 王成荣,刘春辉,张超谟,等.分布式光纤产气剖面测井技术研究应用J.地球科学前言,2 0 1 9,9(1 0):1 0 0 6-1 0 1 5.4 徐帮才.连续油管光纤产气剖面测试技术应用试J.江汉石油职工大学学报,2 0 1 6,2 9(1):2 6-2 9.5 宋红伟,郭海敏,戴家才,等.分布式光纤井温法产液 剖 面 解 释 方 法 研 究 J.测 井 技 术,2 0 0 9,3 3(0 4):3 8 4-3 8 7.58 2 0 2 3年第8期段建明等 分布式光纤压裂监测技术应用及效果分析
