劉建成,段銀鹿,溫柔,鄭小敏,裴陽(yáng),杜旭
(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心,陜西西安710077)
近年來(lái),以“三低”油氣藏著稱的長(zhǎng)慶氣田水平井?dāng)?shù)量逐年增加,常規(guī)水平井產(chǎn)氣剖面測(cè)井受井筒通徑、出砂、軌跡等因素制約,容易遇阻遇卡,特別是流量計(jì)容易出現(xiàn)啟動(dòng)困難和轉(zhuǎn)動(dòng)失效等現(xiàn)象。目前,利用光纖測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)產(chǎn)氣剖面是研究熱點(diǎn),董杰[1]通過(guò)一套基于分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(DAS)技術(shù)的水下聲波測(cè)量系統(tǒng),證實(shí)了DAS技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)快速地實(shí)現(xiàn)多個(gè)聲波信息的定量測(cè)量。張向林等[2]提出利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng),對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,分布式結(jié)構(gòu)使該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速多點(diǎn)測(cè)量。本文利用連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測(cè)井技術(shù),采用分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(DTS)和分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(DAS)模式,有效解決低滲透油田間歇產(chǎn)出對(duì)測(cè)井的影響,實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)層全覆蓋實(shí)時(shí)測(cè)量,對(duì)井筒內(nèi)流體溫度、壓力和流量分布連續(xù)記錄。采集的資料更加精準(zhǔn)詳實(shí)和全面,有利于下一步分析油氣藏和產(chǎn)層信息,優(yōu)化氣井生產(chǎn)工藝、指導(dǎo)采氣生產(chǎn)[3-5]。
連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測(cè)井將測(cè)井儀器連接在連續(xù)油管頂端,油管內(nèi)部穿有光纖,在上提或下放連續(xù)油管的同時(shí)帶動(dòng)儀器完成全井段測(cè)試。該儀器包括分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有儀器輸送動(dòng)力大、操作方便、成功率高等特點(diǎn)。
分布式光纖溫度傳感器基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象溫度特性,利用光時(shí)域反射測(cè)試技術(shù),通過(guò)光纖傳送較高功率窄帶光脈沖信號(hào),探測(cè)隨時(shí)間的變化返回的散射光強(qiáng),得出整個(gè)光纖長(zhǎng)度上的溫度剖面[5]。分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面計(jì)算機(jī)、DTS問(wèn)答機(jī)和高溫溫度監(jiān)測(cè)光纖構(gòu)成。入射端發(fā)出略低于真空光速的一束向前傳播的脈沖光,并向周圍發(fā)射散射光,散射光中的一部分沿光纖返回至入射端,反射回入射端的反射光中,有一種反射光為拉曼散射光。它具有2種頻率成分:斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光。其中斯托克斯光與溫度無(wú)關(guān),而反斯托克斯光的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的變化而變化。通過(guò)實(shí)測(cè)這2種光強(qiáng)度之比可計(jì)算出絕對(duì)溫度值。將1條光纖分為等間距的多個(gè)區(qū)域,對(duì)各個(gè)區(qū)域的拉曼散射光信號(hào)精細(xì)處理,可完成整個(gè)光纖等間距的分布式井溫測(cè)量。
分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用光纖對(duì)聲波(振動(dòng))敏感性特性,當(dāng)傳感光纖感應(yīng)到外界振動(dòng)時(shí),光纖的折射率、相位及長(zhǎng)度將會(huì)產(chǎn)生微小的變化,使光強(qiáng)產(chǎn)生變化,由此確定每米光纖上的聲波幅度,從而確定各層的產(chǎn)量。
單個(gè)脈沖周期內(nèi),參考光纖后向瑞利散射光一維脈沖響應(yīng)模型[6-8],假如有一束頻率為f的矩形脈沖入射光,脈沖寬為ω,同時(shí)假設(shè)該入射光相干時(shí)間與脈沖寬ω相比無(wú)限大。那么在時(shí)間t=0時(shí)將此光脈沖發(fā)射進(jìn)入光纖內(nèi),在光纖輸入端獲得后向瑞利散射光er(t),其振幅可表示為[9]
(1)
式中,ai和τi分別為第i個(gè)散射波振幅與時(shí)間的延遲,單位分別為dB和s;N為設(shè)定的散射個(gè)數(shù);當(dāng)[t-τi]/ω≤1時(shí),矩形函數(shù)rect[(t-τi)/ω]值為1,否則為0。時(shí)間延遲τi與從輸入端至第i個(gè)散射光纖長(zhǎng)度li(單位為m)的關(guān)系表示為τi=(2nfli)/c;c為真空光速,m/s;nf為光纖的折射率。任意時(shí)刻接收到的最終干涉光強(qiáng)為
(2)
式中,Δφij=4πfnf(li-lj)/c。干涉光強(qiáng)含有聲信號(hào)引起的相位差φij。只需要解調(diào)φij,就能夠定量且精準(zhǔn)地恢復(fù)聲源信號(hào)幅度、相位及頻率等信息。
本文使用一維熱力學(xué)模型模擬井筒生產(chǎn)段在穩(wěn)態(tài)下的溫度響應(yīng)。模型建立有2個(gè)基本假設(shè):生產(chǎn)流體為單相氣態(tài),溫度響應(yīng)為穩(wěn)態(tài),也就是模型中dT/dt項(xiàng)為0。
如考慮井筒熱力學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)格的1個(gè)格點(diǎn),設(shè)x為井筒軸向坐標(biāo),當(dāng)前格點(diǎn)的長(zhǎng)度為Δx的1個(gè)小量;設(shè)穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)井口總產(chǎn)量的流體速度為v,產(chǎn)量積累分布為R(x),即生產(chǎn)段從趾端起R為0,到跟端R為100%;則當(dāng)前格點(diǎn)流入的氣體速度為vR(x),氣體溫度為T(x);設(shè)當(dāng)前格點(diǎn)內(nèi)新增生產(chǎn)流速為vΔR,生產(chǎn)氣體溫度為Tp;設(shè)井筒周圍巖層/油藏溫度為Tf;對(duì)當(dāng)前格點(diǎn)建立穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)方程
(3)
式中,U為井壁熱傳導(dǎo)系數(shù),無(wú)單位;G為生產(chǎn)流體溫壓系數(shù),℃;dTJT為焦湯效應(yīng)溫差,℃;Tf為井筒周圍的儲(chǔ)層溫度,℃;T為穩(wěn)產(chǎn)中井內(nèi)溫度,℃。式(3)等號(hào)左邊為井筒內(nèi)流體在經(jīng)過(guò)這一格點(diǎn)后的溫度變化;右邊第1項(xiàng)為井筒熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的溫度變化,第2項(xiàng)為熱對(duì)流導(dǎo)致的溫度變化,包括:①格點(diǎn)范圍內(nèi)如有射孔簇生產(chǎn),則油藏中生產(chǎn)流體進(jìn)入井筒,流體速度增量為vΔR,這部分增量流體溫度在穩(wěn)態(tài)假設(shè)下與井筒周圍巖層/油藏溫度相同;②焦湯效應(yīng),生產(chǎn)氣體通過(guò)多孔介質(zhì)由油藏進(jìn)入井筒,壓力降低,產(chǎn)生冷卻效應(yīng),這對(duì)氣體生產(chǎn)一般較為顯著。式(3)等號(hào)右邊第3項(xiàng)代表生產(chǎn)流體溫壓關(guān)系,z為當(dāng)前地層深度,當(dāng)水平井水平段深度變化不大,且生產(chǎn)的是氣體時(shí),可以認(rèn)為這一項(xiàng)是小量。
產(chǎn)氣剖面解釋使用至少2個(gè)DTS的溫度測(cè)量結(jié)果,一個(gè)是井筒周圍的儲(chǔ)層溫度Tf,由關(guān)井一段時(shí)間后的基線測(cè)量代表;另一個(gè)是穩(wěn)產(chǎn)時(shí)的井內(nèi)溫度曲線T,即模型反演目標(biāo)曲線。水平井段模型通常由上千個(gè)或更多模型格點(diǎn)構(gòu)成,是一個(gè)非線性非常強(qiáng)的高維問(wèn)題,因此模型反演使用蒙特卡洛方法,隨機(jī)產(chǎn)生多個(gè)(該項(xiàng)工作使用了1 800個(gè))產(chǎn)氣剖面分布,迭代反演得到最優(yōu)化的產(chǎn)氣剖面解釋。在去除物理上不合理的解之后,仍會(huì)有上千個(gè)結(jié)果滿足優(yōu)化條件,因此,在之后的結(jié)果展示中,每簇生產(chǎn)貢獻(xiàn)會(huì)有1個(gè)統(tǒng)計(jì)上的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
當(dāng)流體從井內(nèi)產(chǎn)出時(shí),井筒溫度與地層溫度會(huì)產(chǎn)生偏差,此時(shí)上部產(chǎn)層流體溫度高于原始地層溫度。假設(shè)相態(tài)不受深度的微小改變而變化,根據(jù)能量守恒原理,液體損失的熱量與傳送至套管的熱量大致相等,通過(guò)地層周圍向套管傳遞的熱傳導(dǎo)速度及地層溫度線隨深度改變的線性關(guān)系,最終得到流體溫度隨著時(shí)間t和計(jì)算點(diǎn)離流體入口點(diǎn)距離Z的表達(dá)式為
(4)
式中,T1為油管內(nèi)流體溫度,℃;Z為計(jì)算點(diǎn)離流體入口點(diǎn)的距離,m;TGe為流體入口點(diǎn)地層溫度,℃;gG為地層溫度梯度,℃/m;A為弛豫距離,m;Tef為流體在井筒內(nèi)的溫度,℃;TeG為計(jì)算點(diǎn)的地層溫度,℃。
根據(jù)井筒內(nèi)流體溫度的特征,在較為穩(wěn)定的生產(chǎn)層曲線上,以固定深度間隔讀取若干組Z、T1(Z,t)值,以指數(shù)的形式對(duì)讀取的數(shù)值進(jìn)行最小二乘曲線擬合,得到弛豫距離A。具體方法如下。
首先,從某一個(gè)深度點(diǎn)開(kāi)始,在流體入口點(diǎn)以上某段井溫剖面曲線以及相應(yīng)的地溫梯度線上,以一定深度間隔讀取若干組Z、T1(Z,t)值,一直讀取到較為穩(wěn)定的深度為止。由式(4)和最小二乘法擬合1條最佳井溫曲線,該曲線對(duì)應(yīng)的馳豫距離A值更具有代表性。求得流量
(5)
式中,Q為某深度點(diǎn)的流量,m3/s;k為井筒中某點(diǎn)流量與地層的熱導(dǎo)率,W/(m·℃);ρf為流體密度,kg/m3;c井內(nèi)流體比熱,J/(kg· ℃);r2為套管外徑,m;α為地層熱擴(kuò)散率,cm2/s;t為總生產(chǎn)時(shí)間,s。該方法要求產(chǎn)層間距離足夠大,漸近線擬合可靠,地層參數(shù)和井內(nèi)流體參數(shù)已知,穩(wěn)產(chǎn)下生產(chǎn)足夠的時(shí)間測(cè)得。
靖XX井為1口采氣井,為了解該井壓裂后各壓裂段產(chǎn)出狀況,采用連續(xù)油管輸送工藝,將光纜下入下入目的層;采用分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DTS進(jìn)行全井段連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量,并用分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DAS進(jìn)行測(cè)量約束,確定各產(chǎn)層的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水位置。
圖1為求解產(chǎn)氣剖面使用的2個(gè)不同階段下(關(guān)井/穩(wěn)產(chǎn))的全井段DTS溫度瀑布圖。2個(gè)階段各自進(jìn)行了6 h數(shù)據(jù)采集,每20 min采集1條全井溫度曲線。
圖1 全井段DTS溫度瀑布圖
圖2 DTS溫度曲線:關(guān)井-穩(wěn)產(chǎn)
DTS測(cè)量在地面設(shè)有恒溫箱模塊,用于校準(zhǔn)溫度測(cè)量曲線,主要校準(zhǔn)參數(shù)為反斯托克斯、斯托克斯雙光路衰減系數(shù)差和測(cè)量偏移值。圖2是進(jìn)行溫度校準(zhǔn)后的溫度曲線,青線為關(guān)井溫度基線,即壓裂完井一段時(shí)間后關(guān)井測(cè)量的井筒水平段穩(wěn)定溫度分布,近似于井筒周圍的儲(chǔ)層溫度;藍(lán)線為對(duì)關(guān)井溫度基線做空間平滑去噪后得到的曲線;棕線為穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度測(cè)量曲線,為開(kāi)井后生產(chǎn)一段時(shí)間產(chǎn)量穩(wěn)定時(shí)測(cè)量的溫度分布;深棕線為對(duì)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度做空間平滑去噪后得到的曲線。由于連續(xù)油管只下到約4 200 m,可觀測(cè)到的各射孔簇深度位置用紅色十字在圖2中標(biāo)出。
圖2中的2條測(cè)量曲線有壓裂作業(yè)后水平井溫度的典型特征:①井筒水平段的實(shí)際地層垂深變化很小,可以認(rèn)為深度變化造成的地層溫度梯度變化可以忽略,因此,2條溫度曲線在水平段的大走勢(shì)不像垂直段一樣呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì);②關(guān)井溫度基線上顯示明顯的局部溫度低點(diǎn),這些低點(diǎn)的位置與壓裂射孔簇位置重合,形成原因是壓裂過(guò)程中在射孔附近造縫并注入較冷的壓裂液,造成局部冷卻;③開(kāi)井穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)一段時(shí)間后,如棕線所示,井筒內(nèi)的氣體流動(dòng)造成的熱對(duì)流抹平了大部分青線上的局部溫度低點(diǎn);然而在3 900 m左右生產(chǎn)溫度曲線有1個(gè)驟降。
圖3是對(duì)基于DTS測(cè)量的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果。圖3中青線為校準(zhǔn)后水平段DTS測(cè)量的關(guān)井基準(zhǔn)線(經(jīng)過(guò)時(shí)間域平滑處理);黑線為校準(zhǔn)后水平段DTS測(cè)量的穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線(經(jīng)過(guò)時(shí)間域平滑處理);各簇射孔位置由藍(lán)色十字標(biāo)出;紅色虛線為熱力學(xué)產(chǎn)氣剖面解釋模型反演得到最優(yōu)化解的預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線。各射孔簇的生產(chǎn)貢獻(xiàn)百分比由柱狀圖給出,這是如前所述蒙特卡羅反演方法的一個(gè)特點(diǎn),結(jié)果由千余個(gè)滿足優(yōu)化條件的模型解空間給出,柱狀圖表示給出當(dāng)前簇貢獻(xiàn)百分比的均值,黑色實(shí)線標(biāo)出標(biāo)準(zhǔn)差的誤差線。
分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DAS利用相干光時(shí)域反射測(cè)量的基本原理,將相干短脈沖激光信號(hào)注入光纖中,當(dāng)外界聲波傳播至光纖時(shí),纖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生微小地改變,導(dǎo)致背向瑞利散射信號(hào)的改變,從而改變接收到的反射光強(qiáng)度,通過(guò)檢測(cè)井下瑞利散射光信號(hào)事件前后的強(qiáng)度變化,經(jīng)信號(hào)處理后,超低頻的DAS信號(hào)可用來(lái)觀測(cè)微小的溫度變化,以此探測(cè)并精準(zhǔn)定位監(jiān)測(cè)井井下流體事件。
圖3 基于DTS測(cè)量的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果
圖4 關(guān)井至開(kāi)井循環(huán)中由DAS超低頻信號(hào)求解出熱段塞流速度
在執(zhí)行關(guān)井至開(kāi)井的操作序列時(shí),井筒內(nèi)的生產(chǎn)氣體流動(dòng)會(huì)與流經(jīng)的井筒進(jìn)行熱交換,產(chǎn)生1個(gè)以局部氣體流速前進(jìn)的溫變信號(hào),即1個(gè)熱段塞流。通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模型及實(shí)驗(yàn)表明,超低頻DAS信號(hào)瀑布圖上可以觀測(cè)到熱段塞流信號(hào)(見(jiàn)圖4中黑色虛線標(biāo)出的紅色段)。通過(guò)測(cè)量瀑布圖上熱段塞流的斜率可以得到局部的氣體流速v。
3次關(guān)井至開(kāi)井序列中,4 100、4 011和3 845 m附近的熱段塞流速度在3~11 cm/s各不相同,但每次觀測(cè)中這三者之間的比例基本保持不變;在4 000 m以下的熱段塞流速度與3 845 m附近的熱段塞流速度相差較大,后者約為前者的1.7倍,這與使用DTS測(cè)量得出的產(chǎn)氣剖面結(jié)果中,3 900 m左右的6段2簇是1個(gè)主要的生產(chǎn)貢獻(xiàn)簇的結(jié)論相符合。
假設(shè)穩(wěn)產(chǎn)與關(guān)井至開(kāi)井序列的測(cè)量中,各生產(chǎn)簇的貢獻(xiàn)比例保持不變(基于油藏儲(chǔ)層的線性響應(yīng)假設(shè)),那么超低頻DAS測(cè)量得出的各熱段塞流速度之比可以作為基于DTS測(cè)量的產(chǎn)氣剖面模型的有效約束。
圖5是受到超低頻DAS熱段塞流速度約束的基于DTS測(cè)量得到的產(chǎn)氣剖面模型結(jié)果。圖5中青線為校準(zhǔn)后水平段DTS測(cè)量的關(guān)井基準(zhǔn)線(經(jīng)過(guò)時(shí)間域平滑處理);黑線為校準(zhǔn)后水平段DTS測(cè)量的穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線(經(jīng)過(guò)時(shí)間域平滑處理);各簇射孔位置由藍(lán)色十字標(biāo)出;紅色虛線為熱力學(xué)產(chǎn)氣剖面解釋模型反演得到最優(yōu)化解的預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線。
圖5 受到超低頻DAS熱段塞流速度約束的基于DTS測(cè)量的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果
表1對(duì)比了使用和不使用DAS約束的2種產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果。各射孔簇的生產(chǎn)貢獻(xiàn)以百分比表示。95%置信區(qū)間表示在使用蒙特卡洛方法反演的超過(guò)1 000個(gè)模型優(yōu)化結(jié)果中,當(dāng)前簇的生產(chǎn)貢獻(xiàn)有95%的可能落在這個(gè)區(qū)間內(nèi)。由于連續(xù)油管僅下到井深4 200 m,沒(méi)有對(duì)S1~S4段溫度的直接觀測(cè),因此,S1~S4段的生產(chǎn)貢獻(xiàn)為1個(gè)模型反演的估算值,估計(jì)占總產(chǎn)量的30%。第6段第2簇貢獻(xiàn)了總產(chǎn)量的32%~40%左右,其余的所有簇貢獻(xiàn)總和僅為30%左右。
表1 靖XX井有無(wú)使用DAS約束的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果對(duì)比表
從模型結(jié)果中可知:①在超低頻DAS熱段塞流速度的約束下,連續(xù)油管底部DTS未觀測(cè)到的4段生產(chǎn)總量估算由30%上升至45%,說(shuō)明趾端方向前4段各簇生產(chǎn)量較預(yù)想更大;②除去S1~S4段以外,S6C2簇的生產(chǎn)貢獻(xiàn)占總百分比的的23%~25%,與初步結(jié)果雖有出入,但S6C2簇是連續(xù)油管觀測(cè)到的主要生產(chǎn)簇這一結(jié)論不變;③從置信區(qū)間看,使用DAS約束的結(jié)果收斂情況要明顯低于未約束的初步結(jié)果(誤差線變窄)。
產(chǎn)氣剖面解釋得到,S6段生產(chǎn)貢獻(xiàn)較大(24%),S1~S4段總生產(chǎn)貢獻(xiàn)較大(45%),但由于連續(xù)油管未探底測(cè)量無(wú)法得到各段產(chǎn)量。由圖6可見(jiàn),S3、S6、S9這3段在壓裂過(guò)程中破裂壓力顯示明顯(油壓壓差>15 MPa),其余壓裂段均未觀察到較大壓降,說(shuō)明這3段壓裂裂縫規(guī)模較大;其中S3段可能是S1~S4段中的主要貢獻(xiàn)產(chǎn)出段,S6段壓裂施工曲線與該段生產(chǎn)貢獻(xiàn)吻合,相比之下,S9段的壓裂曲線雖然也有類似的壓降反應(yīng),但可以注意到在加砂不到1/3的時(shí)候壓力迅速回升,表明可能發(fā)生了砂堵;解堵之后壓力仍維持在較高水平,說(shuō)明砂堵問(wèn)題未完全解決,這可能是S9段生產(chǎn)表現(xiàn)劣于S6段與S3段的原因。
圖6 壓裂泵注曲線與產(chǎn)氣剖面相對(duì)照
(1)使用分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DAS的超低頻信號(hào)觀測(cè)關(guān)井至開(kāi)井序列,可觀察到明顯的區(qū)域熱段塞流信號(hào);用熱段塞流速度比例對(duì)基于分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DTS測(cè)量的產(chǎn)氣剖面模型進(jìn)行約束,可以更準(zhǔn)確地估算連續(xù)油管下端未觀測(cè)到的S1~S4段的總生產(chǎn)貢獻(xiàn),并改善模型收斂情況。
(2)連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測(cè)試能得到各射孔簇產(chǎn)氣貢獻(xiàn)量,通過(guò)與壓裂施工曲線進(jìn)行對(duì)比,產(chǎn)氣剖面解釋與壓裂情況分析相吻合,測(cè)試精度高,解釋成果可靠,能夠有效評(píng)價(jià)各級(jí)壓裂效果。