孟祥海 顧啟林 孫玉豹 蘇毅 汪成 李大儉

摘要：海上稠油熱采工藝已逐漸由單一的吞吐熱采向注采一體化、蒸汽驅工藝發(fā)展，通過有效的監(jiān)測手段獲取井筒沿程及水平段的溫度數(shù)據(jù)，對于海上蒸汽驅注汽井尤為重要。分布式光纖監(jiān)測技術是近幾年來發(fā)展起來的一項井下測試新技術，與傳統(tǒng)測試技術相比，具有實時、穩(wěn)定、長效等特點，具有無可比擬的技術優(yōu)勢。但海上熱采井多為水平井且工藝管柱復雜，應用工況惡劣，安全要求高，監(jiān)測難度大。結合海上熱采井特點和蒸汽驅監(jiān)測工藝，開展了水平井蒸汽驅光纖監(jiān)測技術研究，并研制了關鍵配套工具，形成了一套水平井管內(nèi)外穿越轉換光纖監(jiān)測工藝。該項測監(jiān)工藝不僅能監(jiān)測油管環(huán)空溫度，了解注汽管柱隔熱效果，而且能監(jiān)測水平段的溫度，了解水平段吸汽情況?，F(xiàn)場應用結果表明，該監(jiān)測技術具有耐高溫、耐高壓、實時、長效的特點，能為海上稠油蒸汽驅以及規(guī)?；療岵砷_發(fā)提供科學依據(jù)，具有較好的應用前景。

關鍵詞：海上水平井；蒸汽驅；長效；光纖監(jiān)測；規(guī)?；療岵?/p>

中圖分類號：TE952? ?文獻標識碼：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

渤海油田擁有豐富的稠油資源，注蒸汽熱力采油是目前開采稠油最有效的方法之一，而井下監(jiān)測工藝則是整個熱采工藝的重要組成部分［1］。在注蒸汽過程中，準確、全面地測取井下各項參數(shù)，對安全、經(jīng)濟、高效地開采稠油油藏具有重要意義［2］。渤海油田自2008年開始，先后在南堡35-2油田、旅大27-2油田、旅大21-2油田開展吞吐式熱采技術應用，截止2022年5月已應用了40余井次，取得了較好的增產(chǎn)效果［3-5］。目前已逐步進入規(guī)模化熱采開發(fā)階段，且已開展注采一體化及蒸汽驅先導試驗。對于蒸汽驅井而言，了解長期高溫注熱工況下的井筒管柱隔熱效果、套管和固井水泥的溫度以及水平段均勻注汽效果尤為重要［6-8］，因此，有必要研究配套的監(jiān)測技術，獲取井下注汽參數(shù)，為海上蒸汽驅先導試驗提供技術支撐。

目前國內(nèi)外應用的水平井測溫方式主要包括傳統(tǒng)溫度計測溫、分布式光纖測溫、不銹鋼內(nèi)嵌熱電偶以及微差井溫測試等［9-10］ 。鄭金中等［11］基于光纖光柵傳感器，研究了一種了井下永久式光纖溫度-壓力測試技術，適應井下200 ℃高溫測試需求。梁棟等［12］研究了一種熱采水平井井溫剖面測試設備及解釋技術，可以分析熱采水平井水平段動用程度及產(chǎn)液情況。程國強等［13］介紹了一種高溫雙參數(shù)測試技術，該技術采用井下雙參數(shù)測試儀，可一次下井同時測出井下任意位置壓力、溫度雙參數(shù)。宮繼剛［14］提出了一種毛細管溫壓一體化監(jiān)測技術，采用雙層毛細管，內(nèi)管里穿有熱電偶電纜用于測溫，雙管環(huán)空內(nèi)填充氮氣，作為傳壓介質(zhì)，實現(xiàn)測壓。邵洪峰等［15］論述了國外光纖測井技術的發(fā)展概況，耐高溫光纖技術方案及國外開發(fā)耐高溫光纖的情況。

目前海上熱采監(jiān)測技術還處于探索、試驗階段，缺乏成熟、可靠的配套監(jiān)測技術［16］。隨著海上稠油規(guī)?；療岵砷_發(fā)，熱采測試技術的作用將更加凸顯。高溫光纖監(jiān)測技術能夠實時連續(xù)準確監(jiān)測井下溫度，是一種先進的測溫技術。為此，根據(jù)海上熱采井特點，開展了蒸汽驅長效光纖監(jiān)測技術研究，實現(xiàn)水平井注汽期間全井段多點溫度參數(shù)的實時錄?。?7］，為井筒安全評估、注采方案優(yōu)化和效果評價提供指導和依據(jù)。

1 高溫光纖監(jiān)測技術簡介

1.1 測試管柱及工藝特點

1.1.1 管柱組成

高溫光纖監(jiān)測技術利用光纖作為信號傳輸介質(zhì)，實時、長期、穩(wěn)定監(jiān)測井下溫度［18］。測試時將光纜下入井內(nèi)，光纜在井口與地面解調(diào)設備相連。海上熱采井多為水平井，耐高溫光纖光纜采用油管攜帶的方式下入，盡可能地保護測試光纖光纜，采用光纜在油管內(nèi)外穿越轉換，同時在油管內(nèi)底部固定的管柱方案。監(jiān)測工藝管柱主要由耐高溫光纜、穿越式熱采封隔器、光纜穿越器、光纜底部錨定器以及光纜扶正器等工具組成，如圖1所示。

1.1.2 工藝特點

1） 光纜在穿越熱采封隔器時不截斷，完成穿越密封后，將光纜在封隔器兩端連接油管進行纏繞，當注汽管柱受溫度變化伸縮時可調(diào)整光纜伸縮量，以防止光纜受損。

2） 光纜進入水平段之前，在熱敏封隔器上部油套環(huán)空通過光纜穿越器進入油管內(nèi)部，不僅能監(jiān)測水平段的溫度，了解水平吸汽效果，同時能監(jiān)測油管環(huán)空及套管的溫度，間接監(jiān)測了解隔熱油管的隔熱效果，為熱采井安全評估和效果評價提供指導和依據(jù)。

3） 光纜通過光管底部錨定器錨定于管柱底端，實現(xiàn)光纖定位的同時，避免光纜跳動影響測試精度。

1.2 技術原理

1） 分布式光纖傳感原理。

分布式光纖傳感系統(tǒng)原理為利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)，采用先進的OTDR技術，實現(xiàn)分布式測量。光纖本身即為傳感器，光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。如圖2所示，光纖傳感系統(tǒng)主要由光源、耦合器、傳感光纖、探測器以及處理器組成。

2） 分布式光纖測溫原理。

光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，在光纖中傳輸?shù)耐瑫r持續(xù)產(chǎn)生后向散射光波，如瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射等［19］。其中，拉曼散射受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經(jīng)波分復用、檢測解調(diào)后，經(jīng)過解調(diào)處理系統(tǒng)便可將溫度信號以圖形或表格形式實時顯示出來。通過對光纖系統(tǒng)進行溫度標定，即可根據(jù)式（1）計算出環(huán)境的實際溫度。

式中：T為測量點環(huán)境溫度，K；T0為恒溫槽溫度，K；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23 J/K；h為普朗克常數(shù)，h=6.63×1034 J·K；c為真空中的光速，c=3×108 m/s；Δγ為偏移系數(shù)，cm-1；R（T）為反斯托克斯光強度與斯托克斯光強度比值。

1.3 主要技術指標

測溫量程? ? ? 0～400 ℃

測溫精度? ? ? ±0.2 ℃

測溫分辨率? ? ?0.1 ℃

溫度漂移? ? ? ≤0.1 ℃/a

定位精度? ? ? ±0.5 m

空間分辨率? ? ?≤0.5 m

最大測量距離? ? ≥3 km

2 關鍵技術及配套工具研制

2.1 關鍵技術分析

在海上油田蒸汽驅水平井進行光纖監(jiān)測，既要解決光纜在水平井中應用面臨的長期耐高溫問題，又要解決光纜與井下安全控制工具同時應用面臨的技術問題。

1） 全井筒測溫。采樣間隔≤1 m、耐高溫高壓（350 ℃、21 MPa），光纖的選型以及光纜結構優(yōu)化。

2） 水平井應用。光纜的保護、固定，油管內(nèi)外轉換，油管內(nèi)底部的固定以及解錨。

3） 井下安全控制。熱采封隔器具備穿越通道，實現(xiàn)在不截斷光纜的情況下穿越封隔器，且不影響密封性能。

4） 井口及地面安全控制。具備高溫高壓井口穿越密封功能，防止井下光纜損壞時高溫流體沿光纜內(nèi)部上返至地面造成安全風險。

2.2 耐高溫復合光纜

1） 光纖封裝于毛細管中，采用雙層毛細管結構設計，保障光纜的強度、密封性以及耐腐蝕性能：外管采用6.35 mm 、625合金管，內(nèi)管采用4.0 mm、316L不銹鋼管。

2） 內(nèi)置光纖類型。進口純硅芯光纖（2芯、多模、1用1備）。

3） 主要性能指標。耐溫≥350 ℃、耐壓≥21 MPa、抗拉強度≥20 kN、拉伸強度≥18 kN、屈服強度≥800 MPa。

2.3 關鍵配套工具

2.3.1 穿越式熱采封隔器

1） 功能。穿越式熱采封隔器主要用于在應急狀態(tài)下快速關斷油套環(huán)空通道，防止井下流體上返，避免井噴、環(huán)境污染等事故的發(fā)生，保障熱采井安全注汽及生產(chǎn)。同時，該封隔器安裝有高溫排氣閥，具有地面控制的環(huán)空注氮及洗壓井通道，可從油套管環(huán)空補充注入氮氣隔熱、增能，同時在后期修井作業(yè)中也可以提供洗壓井通道。具備穿越通道，實現(xiàn)液控管線及光纜在封隔器內(nèi)部的穿越［20］。

2） 結構。穿越式熱采封隔器主要由封隔器本體和高溫排氣閥組成，如圖3所示，封隔器本體由坐封機構、鎖緊機構、密封件、錨定機構、解封機構等部分組成。

4） 主要技術特點。

①采用液壓控制管線坐封，具備多次補壓機構。

②采用隔熱結構設計，具備隔熱功能。

③具備熱力自補償功能，可補償注熱管柱的伸縮。

④采用組合密封，常溫～350 ℃溫度下均具有良好的密封性能。

⑤具備注氮氣/洗壓井通道，可實現(xiàn)過封隔器注入氮氣、洗壓井作業(yè)。

⑥具備穿越通道，可實現(xiàn)過封隔測試以及化學藥劑注入。

2.3.2 光纜穿越器

1） 功能。將光纜由油管外捆綁形式轉換至油管內(nèi)下入，進入水平段之前通過光纜穿越器將光纜轉入油管內(nèi)部，保護測試光纜。

2） 結構。光纜穿越器主要由有上接頭、卡扣、壓帽、承壓環(huán)、穿越接頭、密封組件以及下接頭組成，如圖4所示。

3） 主要技術參數(shù)（如表2）。

2.3.3 光纜底部錨定器

1） 功能。實現(xiàn)光纜在油管內(nèi)底部固定，防止光纜由于自身的彈性或者注汽沖擊發(fā)生跳動。

2） 結構。光纜底部錨定器主要由沖擊螺母、殼體、滑動桿、彈簧、固定扣、定位軸、錨定器、導向器等部分組成，如圖5所示。

3） 主要技術參數(shù)（如表3）。

2.3.4 光纜扶正器

1） 功能。使油管居中，保護測試光纜，防止下入管柱期間接箍處的光纜與套管內(nèi)壁發(fā)生擠壓、摩擦而造成損壞，即，保護測試光纜。

2） 結構。光纜扶正器主要由主體、副體、圓柱螺栓、螺母以及墊圈組成，如圖6所示。

3） 主要技術參數(shù)（如表4）。

2.2.5 地面光纖密封器

1） 功能。防止井下光纜損壞時高溫流體通過光纜上返至地面造成安全風險，當井下光纜出現(xiàn)泄漏時，壓力表會有壓力顯示，通過關閉球閥來切斷地面與井下的流體通道。

2） 結構。主要由球閥、卡套三通、針閥、光纖密封器以及壓力表組成，如圖7所示。

3） 主要技術參數(shù)（如表5）。

3 現(xiàn)場應用

3.1 測試井概況

X1井為渤海某油田一口熱采水平井，完鉆井深1 752 m。該井自2011年開始，先后開展過3個輪次多元熱流體吞吐作業(yè)。隨著吞吐輪次增加，該井所在井區(qū)油藏壓力逐漸降低，繼續(xù)吞吐的潛力及經(jīng)濟效益差，亟待尋找替代技術來保障稠油的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，以達到進一步提高采收率的目的。為進一步提高該油田熱采采收率，以X1井為注汽井，開展大井距水平井蒸汽驅先導試驗。為保障長期安全高效注汽，該井采用“井下安全控制+井筒高效隔熱+水平段均勻注熱+高溫光纖監(jiān)測”的注汽管柱組合。該井于2020-06開始濕蒸汽驅，2021-03轉入過熱蒸汽驅，最高注汽溫度348.5 ℃、最高注汽壓力12.2 MPa、最大注汽速度300 t/h，注汽期間環(huán)空間歇補充氮氣隔熱。

3.2 測試結果及分析

注汽期間通過高溫光纖監(jiān)測，獲取了該井油套環(huán)空的溫度數(shù)據(jù)及變化趨勢，如圖8所示。從圖8中可以看出，除了高溫井下安全閥、熱采封隔器處的溫度較高（＜250 ℃），隔熱油管外壁平均溫度約142 ℃，遠低于管內(nèi)注汽溫度，說明該井采用的“氣凝膠隔熱油管+隔熱型接箍+熱敏封隔器+環(huán)空充氮氣”全井筒高效隔熱工藝，取得了良好的隔熱效果，有效地降低了井筒沿程熱損失，提高了注汽效果。但歷經(jīng)長期注熱、多次冷熱交變，隔熱油管外壁溫度逐漸升高并逐漸趨于穩(wěn)定，隔熱效果逐漸衰減，分析認為主要原因為長期高溫，多次冷熱交變、熱脹冷縮以及接箍隔熱性能低于本體，存在局部散熱點。截至2022-03，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行21個月，實時監(jiān)測顯示井筒溫度數(shù)據(jù)，長效性得到了有效驗證。

注汽期間通過高溫光纖監(jiān)測獲取了該井全水平段的溫度數(shù)據(jù)，如圖9所示。從圖9可以看出，該井水平段溫度差異較小，吸汽相對均勻，說明該井采用的水平段均勻注汽工藝取得了較好的效果。

4 結論

1） 采用管內(nèi)外穿越分布式光纖監(jiān)測技術，可實時測取熱采水平井全井筒的溫度數(shù)據(jù)，以及水平段的吸汽數(shù)據(jù)，為注汽井隔熱效果分析、安全評估、效果評價以及注采工藝優(yōu)化提供科學依據(jù)，對海上蒸汽驅以及稠油熱采開發(fā)具有重要的指導意義。

2） 采用“氣凝膠隔熱油管+隔熱型接箍+高溫環(huán)空封隔器+熱敏封隔器”井筒高效隔熱工藝管柱，具有良好的隔熱效果，能夠有效防止環(huán)空高溫流體上返，保障井筒安全、提高注汽質(zhì)量。隨著注熱時間的增加，隔熱油管隔熱性能逐漸衰減，有必要進一步優(yōu)化隔熱油管結構及制造工藝。

3） 現(xiàn)場應用表明，高溫光纖監(jiān)測技術測試數(shù)據(jù)準確、靈敏度高，現(xiàn)場實施便捷，安全可靠、長效，具有傳統(tǒng)井溫監(jiān)測技術難以比擬的優(yōu)勢，值得在海上稠油油田推廣應用。

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