李 明,彭振洲,孫志偉,何昌邦,宋 聰,李 娜,董建國(guó)
(1.石油化工股份有限公司勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院,山東東營(yíng) 257000; 2.武漢光谷航天三江激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,武漢 430000)
油田開采過(guò)程中采用水井注水驅(qū)油,可有效提高油田產(chǎn)量。對(duì)注水剖面的監(jiān)測(cè)和水驅(qū)效果的評(píng)估一直是油田關(guān)注的重點(diǎn)之一。但目前對(duì)注水井的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)采用定期測(cè)調(diào)方式,周期通常為幾個(gè)月,在此時(shí)間跨度內(nèi),注水情況是未知的[1]。
為了測(cè)試注入剖面情況,油田常使用的幾種注入剖面測(cè)井方法,包括同位素示蹤注入剖面測(cè)井、流量計(jì)測(cè)井、脈沖中子氧活化測(cè)井。但目前這些測(cè)試方法對(duì)井下不同注水結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性不同,且測(cè)試施工難度較大,測(cè)試周期長(zhǎng),有些測(cè)試方法用到放射性元素,有一定污染和危險(xiǎn)性。
光纖傳感器具有體積小、抗電磁干擾、抗腐蝕、可實(shí)現(xiàn)分布式、實(shí)時(shí)在線、永久性監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)[2],近年來(lái)光纖傳感在油田逐漸開始應(yīng)用推廣[3]。光纖傳感分為點(diǎn)式傳感器和分布式傳感器兩大類,點(diǎn)式光纖傳感器種類繁多,能檢測(cè)各類物理量,測(cè)量精度高[4];分布式光纖傳感器利用光纖作為傳感元件,光纖上任何一點(diǎn)既是傳感單元又是信息傳輸通道,因而可獲得被測(cè)量沿此光纖在空間和時(shí)間上變化的分布信息[5]。
本文利用DTS和DAS在油田開展了水井注入剖面監(jiān)測(cè),為油田注入剖面監(jiān)測(cè)引入新的測(cè)試儀器和方法。采用分布式光纖傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)注入剖面,只需要下一根光纜到井下,施工簡(jiǎn)單快捷,無(wú)污染無(wú)危險(xiǎn)性,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù),其基本原理是光纖中的光向前傳輸時(shí)不斷發(fā)生后向散射[6],后向散射光傳播的距離與其所需的時(shí)間成正比。利用探測(cè)器檢測(cè)后向散射光在某時(shí)刻的光強(qiáng),并記錄激光器從出光到采集時(shí)刻的時(shí)間差,可得到光纖上各處的后向散射光強(qiáng)。采用OTDR技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖線路監(jiān)測(cè)問(wèn)題點(diǎn)的定位[7]。
光在光纖中傳播的同時(shí)產(chǎn)生的后向散射光分為瑞利散射、布里淵散射和喇曼散射三種[8]。后向散射光的分布情況,如圖1所示。
圖1 后向散射光分布圖
圖1中,喇曼散射包含斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)兩個(gè)部分,斯托克斯光的頻率比原始入射光大,反斯托克斯光的頻率比原始入射光的小。反斯托克斯光對(duì)溫度較敏感,當(dāng)光纖的溫度上升時(shí),反斯托克斯光的強(qiáng)度也增加。利用此特點(diǎn),可以測(cè)量光纖的溫度變化情況[9]。瑞利散射的波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同,當(dāng)光纖收到振動(dòng)時(shí),后向瑞利散射光的強(qiáng)度及相位會(huì)產(chǎn)生變化,利用此特點(diǎn),可以通過(guò)檢測(cè)后向瑞利散射光的相位和強(qiáng)度變化來(lái)探測(cè)光纖的擾動(dòng)情況[10]。
當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí),由于與光纖中的分子、雜質(zhì)及不均勻性物質(zhì)等相互作用發(fā)生散射。其中的喇曼散射是由于光纖中分子的熱振動(dòng)與光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生[11]。
光纖中輸入光的波長(zhǎng)為λ0,后向散射光中波長(zhǎng)為λs=λ0+Δλ的光為斯托克斯光,波長(zhǎng)為λa=λ0-Δλ的光為反斯托克斯光。由拉曼散射理論可知,反斯托克斯光的功率Pa(T)與斯托克斯光的功率Ps(T)之間的比值與溫度相關(guān)[12],計(jì)算方法如公式(1)所示:
(1)
式中:λs為斯托克斯光的波長(zhǎng),λa為反斯托克斯光的波長(zhǎng),Δγ為偏移波數(shù),h為普朗克常數(shù),T為絕對(duì)溫度,c為真空中的光速,k為波爾茲曼常數(shù)。
式(1)的意義是,在光的波長(zhǎng)一定的情況下,R(T)的值只與后向散射光產(chǎn)生處的絕對(duì)溫度T和某些物理常數(shù)相關(guān),所以可以用R(T)測(cè)量光纖上的溫度。通過(guò)探測(cè)光纖上各處后向斯托克斯光和反斯托克斯光的光強(qiáng)度,通過(guò)兩個(gè)光強(qiáng)的比值計(jì)算光纖各處的溫度,實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量[13]。
當(dāng)光纖收到振動(dòng)影響時(shí),光纖中的后向瑞利散射光強(qiáng)度和相位發(fā)生變化。采用光強(qiáng)度探測(cè)時(shí),設(shè)光纖上某點(diǎn)為Z,該處距光纖入射端長(zhǎng)度為x,此處光功率如公式(2)所示[14]:
(2)
式中:p0為初始光功率,a0(x)為前向衰減系數(shù)。
Z處后向散射光傳輸回入射端,被探測(cè)到的功率如公式(3)所示:
(3)
式中:kr為器件損耗乘積因子,kr≈0.5;S(x)為光纖在Z處的后向散射系數(shù);ab(x)為光纖后向散射的衰減系數(shù)。
當(dāng)Z處有振動(dòng)發(fā)生時(shí),S(x)會(huì)隨振動(dòng)的變化發(fā)生變化,記為S(x,t)。后向散射光傳輸回光纖入射端的強(qiáng)度也產(chǎn)生變化。將式(2)代入式(3)得到公式(4):
(4)
根據(jù)公式(4),在光纖入射端測(cè)量后向散射光隨時(shí)間的變化的情況,可以獲得光纖上各點(diǎn)隨時(shí)間變化的振動(dòng)情況[15]。
利用DTS監(jiān)測(cè)注入剖面的理論模型是:在注水過(guò)程中觀察井溫變化情況,通過(guò)井溫變化的斜率評(píng)估井筒內(nèi)的水流速度,以此評(píng)估輸入地層的水流量。利用DAS測(cè)注入剖面的理論模型是:對(duì)于籠統(tǒng)注水井,水通過(guò)射孔流入地層的速度越快,產(chǎn)生的振動(dòng)聲音越大,反映到DAS監(jiān)測(cè)界面上的振動(dòng)信號(hào)就越強(qiáng),地層越厚,DAS監(jiān)測(cè)界面上的振動(dòng)區(qū)間就越寬。通過(guò)對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度和范圍的綜合分析,可評(píng)估各層段的注入量。對(duì)于分層配注井,各層段均裝有配水器,水流過(guò)配水器的流量越大,產(chǎn)生的振動(dòng)越強(qiáng)烈,反映到DAS監(jiān)測(cè)界面上的振動(dòng)信號(hào)越強(qiáng)。通過(guò)各層段注水振動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系,結(jié)合總注入量,分析各層實(shí)際輸入量。
運(yùn)用DTS和DAS在大慶油田XXX井開展中高壓注入井注入剖面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。該井日注入量約300 m3,井下1 000 m~1 180 m有6個(gè)注入層,光纜懸掛配重從油管內(nèi)下井,監(jiān)測(cè)過(guò)程如下:
1)光纜下井深度1 182 m;
2)0 min啟動(dòng)設(shè)備,采集開井前的數(shù)據(jù)
3)50 min開始注水,注水量約300 m3/d;
4)130 min減小注水量至約250 m3/d;
5)150 min減小注水量至約200 m3/d;
6)160 min減小注水量至約100 m3/d;
7)180 min停止注水,開啟井口溢流;
8)300 min小流量注水。
DTS測(cè)試所得井溫情況如圖2、圖3所示。
圖2 測(cè)試井溫二維圖
圖3 測(cè)試井溫三維圖
由圖2、圖3可見(jiàn),0~50 min時(shí)間段內(nèi),在關(guān)井狀態(tài)下,井下0~1 000 m溫度逐漸上升,溫度曲線接近地溫梯度,井下1 000 m以后因存在注入層,受地層溫度影響,1 000 m以下不同層段的溫度呈現(xiàn)高低變化。
50 min時(shí)刻,開始注水,可清晰的看到0~500 m井段的低溫水迅速向井底流動(dòng),同時(shí)在流動(dòng)過(guò)程中逐漸升溫,溫度變化在深度和時(shí)間方向上形成一條顯著的斜線。900~1 000 m井段內(nèi)的高溫水向井底流動(dòng),溫度變化在深度和時(shí)間方向形成一條微微彎曲的斜線,其斜率小于冷水溫度的斜率,且深度越深斜率越低,1 100 m以后斜率顯著降低。說(shuō)明1 000 m以下的井筒內(nèi)水流速度逐漸減小,其原因是井筒內(nèi)的水注入各個(gè)地層,導(dǎo)致井筒內(nèi)水流量減少,注入地層的水越多,該地層后續(xù)井段內(nèi)的水流速就越低,因此溫度變化斜率就越低。
180 min停止注水,開啟井口溢流后高溫地層液進(jìn)入井內(nèi),井下溫度迅速上升,1 000 m以下井段溫度在深度方向上形成數(shù)條橫線,橫線位置與井下地址位置基本對(duì)應(yīng),說(shuō)明各地層溫度不同。
300 min小流量注水,井口的冷水下行,900 m以下的熱水下行,其溫度變化斜率與50 min時(shí)刻基本相同。
DAS測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示,分別截取了各測(cè)試時(shí)間段內(nèi)5 min的數(shù)據(jù),繪制二維圖,X軸為從井口到井底的深度,Y軸為時(shí)間。圖中藍(lán)色為底色,當(dāng)在某個(gè)深度某個(gè)時(shí)刻發(fā)生振動(dòng)時(shí),該處出現(xiàn)淺色亮點(diǎn),亮點(diǎn)越多越密集說(shuō)明該處振動(dòng)越強(qiáng)烈。
圖4 測(cè)試過(guò)程DAS圖像
根據(jù)圖4測(cè)試數(shù)據(jù)可知,在關(guān)井狀態(tài)下,井下基本無(wú)振動(dòng)。當(dāng)開始注水時(shí),因注入量大,井下產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。特別在井下1 000 m之后因安裝有多個(gè)配水器,水經(jīng)過(guò)配水器后產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。當(dāng)調(diào)低注入量后,井下振動(dòng)情況隨之減小。
截取井下1 000~1 200 m的數(shù)據(jù),進(jìn)行頻域和時(shí)域分析如圖5所示。振動(dòng)時(shí)域圖中X軸為深度,Y軸為時(shí)間,顏色從藍(lán)到紅為振動(dòng)強(qiáng)度逐漸升高。振動(dòng)頻域圖中X軸為深度,Y軸為頻率,顏色從藍(lán)到紅為振動(dòng)強(qiáng)度逐漸升高。
圖5 注水時(shí)井下1 000~1 200 m的振動(dòng)圖像
由圖5可見(jiàn)井下1 000 m后有多處井段持續(xù)振動(dòng),但也存在部分井段偶發(fā)性振動(dòng)。其中1 100 m之后的井段有三處振動(dòng)較強(qiáng),且振動(dòng)頻率集中在低頻部分,而1 100 m之前的井段有多處振動(dòng)較弱,且頻率集中在100~200 Hz,頻率比1 100 m之后的井段高。與油田技術(shù)人員核實(shí)1 000~1 100 m有3個(gè)配水器,設(shè)置流量較小。1 100 m之后有3個(gè)配水器,設(shè)置流量較大。結(jié)合圖5可得,配水器設(shè)置流量小時(shí),產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度較弱,但振動(dòng)頻率較高;配水器設(shè)置流量大時(shí),產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度大,但頻率較低。
為了更清晰的辨別振動(dòng)持續(xù)產(chǎn)生的井段,濾除偶發(fā)性振動(dòng),采用振動(dòng)能量分析,綜合考慮振動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)頻率,得到圖6。圖中X軸為深度,Y軸為振動(dòng)能量。
圖6 根據(jù)振動(dòng)分析出的配水器位置及相對(duì)注入量
由圖6可得1 020 m、1 050 m、1 070 m、1 130 m、1 150 m、1 180 m處共6處振動(dòng)強(qiáng)烈的井段,該6處與實(shí)際配水器位置對(duì)應(yīng)。其中1 130 m、1 150 m、1 180 m這 3個(gè)注入層段振動(dòng)強(qiáng)烈,判斷該3層為高注入層。假設(shè)實(shí)際注入量與振動(dòng)能量呈線性相關(guān),根據(jù)圖6各處振動(dòng)能量峰值相對(duì)高度,其比值約為2.5∶4.2∶2∶10∶21∶12,結(jié)合300 m3/d的總注入量,計(jì)算各層注入量分別為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層段的注入量與設(shè)計(jì)資料相差較大,其余各層注入量計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)資料上相差20%以內(nèi)。因該井暫未采取其他測(cè)試手段進(jìn)行對(duì)比,暫時(shí)無(wú)法對(duì)注入量的定量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。但實(shí)測(cè)各層段的振動(dòng)能量與配水器的流量設(shè)置成正相關(guān),其用于注水剖面的快速定性監(jiān)測(cè)具有實(shí)用價(jià)值。
在注水井注入剖面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中,利用DTS和DAS聯(lián)合監(jiān)測(cè),快速監(jiān)測(cè)和估算各地層的注入量,使油田方更清晰的了解個(gè)井下注水的實(shí)際情況,有利于更加合理、精確的配置注水參數(shù),使注水效果更優(yōu)。