分布式光纤测温技术在油田开发中的发展潜力

朱世琰，李海涛，张建伟，唐 超，阳明君

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.中国石化华北分公司盐池采油厂，宁夏 盐池 751500；3.中国石油新疆油田公司陆梁油田作业区，新疆 克拉玛依 834000）

分布式光纤测温技术在油田开发中的发展潜力

朱世琰1，李海涛1，张建伟2，唐 超3，阳明君1

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.中国石化华北分公司盐池采油厂，宁夏 盐池 751500；3.中国石油新疆油田公司陆梁油田作业区，新疆 克拉玛依 834000）

分布式光纤测温技术（DTS）是一种实时连续较为准确测量温度剖面的新兴技术。从分布式光纤测温的基本原理和光纤安装方式、类型出发，介绍了分布式光纤测温技术在油田开发中的应用并说明了实施分布式光纤温度测试的选井标准，阐述了分布式光纤测温技术在监测油井动态生产信息方面与其它常规监测技术的优势并对其进行了经济评价。研究分析表明分布式光纤测温技术在油气井生产动态监测与优化和复杂油气藏的高效开发中具有巨大的潜力。

分布式光纤测温技术；温度剖面；生产动态监测；经济评价；发展潜力

在石油工业中，温度测井已被应用于确定产水、产气位置，确定套管漏失位置，评价固井质量及判断生产和注入层位等方面[1]。但是主要集中在定性分析，不能定量地研究流入温度与流入量的关系，而且采用常规生产测试设备也会面临难度大、耗时长、误差大、成本高以及不能进行长期的生产监测等诸多问题。近年来随着光纤测量技术的快速发展，出现了一些用于井下温度监测的新技术和新设备，比如近年来广泛采用的分布式光纤温度传感器（DTS），它可以探测微小的温度变化，实时提供准确而连续的温度数据，光纤测温技术的逐渐成熟和突出优点促进了各行业DTS技术应用和理论研究热潮。本文就分布式光纤测温技术的原理、光纤安装方式、在油田开发中的应用、优势、试验井选井标准、实例分析、经济评价等方面进行了阐述。

1 分布式光纤测温的基本原理

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。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程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（OTDR）原理和光纤的后向拉曼散射温度效应[2-3]。分布式光纤测温原理如图1所示。

图1 DTS测温原理Fig.1 DTS temperature measurement principle

1.1 光时域反射原理

当激光脉冲在光纤中传输时，光纤中的材料颗粒由于在折射率上具有微观不均匀性，则会发生散射。在入射光经过后向散射返回到光纤入射端的t时间内，激光脉冲在光纤中传输的距离为2L（，c为真空中的光速，n为光纤折射率），则在t时刻测量的光强就是距离光纤入射端L处的后向散射光信号。不同时刻的反射光波对应于不同距离点所产生的散射。因此，可以通过测量不同时间的反射光波对测量点进行定位。

1.2 拉曼散射温度效应

当激光脉冲在光纤内部传输时，由于光子与光纤材料内部分子的非弹性碰撞而发生能量交换，产生拉曼散射。拉曼散射会产生两种不同波长的散射光，即斯托克斯光（大于入射光波长）和反斯托克斯光（小于入射光波长），反斯托克斯光对温度极为敏感，而斯托克斯光与温度的相关性很小，所以通过检测反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值，就可实现光纤上各点温度的测量。

2 分布式光纤测温系统的光纤安装方式

2.1 光纤的安装方式

光纤的安装方式主要分为永久式、回收式、泵送式等，安装在由不锈钢或镍铬铁合金为材料制成的小直径密封毛细管中[4-9]。

1）永久式：光纤通常被固定于生产油管或套管外作为一种永久性安装方式，可保证光纤不受井下作业影响，随时对井下温度分布进行长期不间断的监测。该安装方式也可以应用到砾石充填防砂完井和智能完井中。

2）回收式：简单地将光纤置于毛细钢管内，类似于试井钢丝或绞缆系统。光纤可缠绕在滚筒上入井或者在水平井或大位移井中置于连续油管中，下井及起出的方法类似于钢丝绳作业，主要在油井增产作业中实施。

3）泵送式：光纤通过泵送流体推入到预先安装的控制线内。

2.2 光纤的安装类型

光纤的安装类型分为单头安装和双头安装（图2）。光纤采用双头安装（即光纤两端都通过井口，绕U型接头返回地面），在测量时，激光器分别从两头发送脉冲激光到光纤内，则双头光纤安装具有更高的精确度和分辨率[10]，可自动对光损耗进行重新校准，特别适用如水平井这种需要分析温度变化很小的油井中。但是，双头安装难度比单头大。

3 分布式光纤测温在油田开发中的应用

利用分布式光纤测温技术可以实时获取井筒温度剖面，所以它在油田开发中得到了广泛的应用。

3.1 识别井筒中入流流体类型

定性地分析通过分布式光纤测温技术测得的温度剖面可以得到：产气时气体由于焦耳—汤姆逊效应，一般温度要降低；由于井温随井深增加而增加，当底水油藏底水突破时，水是从较深的区域流入水平井筒，温度要升高；如果油和水从同一深度产出，由于水的比热容比油大，产水时比产油时的温度要低一些。鉴于油、气、水流入井筒的温度不同，当有某相流体进入井筒时，水平井井筒温度曲线的斜率就会发生明显变化，因此，可识别出入流流体类型，从而及时发现水、气或注入流体的早期突破，继而通过智能井技术分离不需要的流体[11-13]。DTS温度分辨率越高，越有利于准确监测油井中（特别是水平井）水、气的突破位置和突破时间。

图2 光纤安装类型Fig.2 Installation types of fiber optic

3.2 定量评价产液剖面

评价产液剖面的理论基础是沿井筒分布的温度剖面受产液剖面的影响。由于温度剖面相对流量剖面要好测得多，基于油井热力学模型这样的正演模型，在给定的油藏基础参数下，可以迭代计算温度、压力和各相流量，采用反演算法，将分布式光纤测温技术得到的温度测量值与用油井热力学模型计算的温度预测值进行拟合，使其之差的平方达到最小，此时拟合好后计算出的各相流量即为反演后的各相流量。这就是通过测得的温度剖面解释产液剖面的反演过程，可以定量评价产液剖面，获得油井的多相流量[14-15]。

3.3 探测优势注入区域

通过分析油井中流体的加热（冷却）速度能够定性探测出优势注入区域[16]。油井关闭后，如水（蒸气）之类的注入流体将增加（降低）自身温度，直到达到与地温梯度相对应的温度为止。相对于其它区域来讲，吸收了较多水（蒸气）的注入区域将表现出相对较低的加热（冷却）速度。这需要测量沿井筒分布的温度剖面。

3.4 诊断和评估压裂酸化增产措施

DTS测试技术可用于诊断直井和水平井的压裂酸化增产措施，与传统的温度测井只能提供在压裂增产措施前后关井的一段时间内温度剖面的瞬态图相比，它可以持续实时监测增产作业过程中井筒的动态温度剖面，可用于确定水平井酸化过程中的流体分布，还可用于探测压裂后水平井裂缝位置、裂缝条数以便优化增产作业[17-19]。

3.5 监测气举过程中气举阀的工作状态

一般通过气举阀注入气体将导致井内流体温度下降，这是由于焦耳—汤姆逊效应，膨胀气体冷却的结果。因此，采用分布式光纤测温技术测量沿井筒的温度剖面，通过温度变化就能快速判断气举阀工作是否正常[20]。

3.6 监测固井过程

水泥凝固的特征是放热反应，将热量传递给井中流体。在水泥凝固的地方，井中流体温度增加，而在固井质量差的地方，则不出现温度的变化。因此，在固井过程中也需要进行温度剖面测量[16]。

4 DTS的优势

油田现场一般通过常规生产测井技术手段获得油井动静态生产信息。但是，由于目前具有很长生产层段的油井越来越多，而且很多是大斜度井甚至是水平井，井眼轨迹波状起伏造成产液剖面异常复杂，这给通过常规生产测井技术手段来评价油井产液剖面带来很大困难，难以解决流体在整个水平井段内的流动分布问题、油气水的入流点以及各水平段对总流量的贡献率等一系列问题[21]，即使采用现有的先进技术和工具也不能保证油气水各相流量测量的准确性。比如目前国内油田采用Schlumberger公司先进的产液剖面技术的结果表明，由于国内水平井产液量普遍较低（大多在50～100 m3/d），井筒不规则，导致测试仪器下入困难，测试结果不准确，且动态产液剖面测试费用太高，油田难以承受。

而分布式光纤测温技术可以探测微小的温度变化，实时提供准确而连续的温度数据，这就为监测油井的生产状况提供了一条新途径。它可以实现大范围、长距离的实时快速多点测量空间温度场分布，通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来监测油气田开发动态，具有耐高温、无迟滞、长期使用稳定、安全、抗电磁干扰、精确度高等传统温度传感器不可比拟的优点。DTS系统一般不会受流动情况的干扰，在测量温度时光纤不需要来回地移动，可以保证井下温度的平衡状态不受到影响。分布式光纤测温系统既可长时间置于井中进行温度剖面的连续监测，也可如同生产测井、放射性示踪测井一样作为短期监测手段[22]，表1中列出了在监测产出/注入剖面方面DTS技术与其它监测手段的一系列内外在因素的对比情况。

5 实施分布式光纤温度测试的选井标准

1）油井力学状态的限制。光纤能否从地面顺利下入温度测试区域要受油井力学状态的影响，要采用合理的方法尽早地将光纤下入井中。

2）光缆长度的限制。DTS一般每隔1 m进行测量，允许最大的测量距离为12 km，较长的光纤长度可达到30 km。

3）井下温度的影响。如果要保证DTS温度测试结果较为准确，井下温度一般要低于300℃。

4）油井产量和深度的影响。实施分布式光纤温度测试技术最好要保证油井产量大于60 m3/d，油井深度＜3 000 m。

6 DTS实例应用

表1 监测流动剖面的各种监测技术对比Table 1 Comparison of monitoring technologies for monitoring flow profile

英国石油公司Wytch Farm油田M-17油井，自1999年该井投产以来，采用分布式光纤测温技术测量温度，光纤的安装方式为在下入完井管柱后，将光纤泵送入井。图3为2000年4月通过DTS技术监测到的该井所在整个储层的温度剖面。从图3中可以看出从井段底部到井筒上部有明显的温度降低，表示有冷海水从附近的注水井突破。2000年4月30日关井，温度剖面发生明显变化，关井后温度上升，表明井段底部向中部射孔层段存在窜流，该中部射孔层段确认为主力生产层段[23-24]。该实例充分说明了分布式光纤测温技术在监测油井生产动态方面起到了重要作用。

图3 通过DTS技术测量的Wytch Farm油田M-17油井温度剖面Fig.3 Temperature profile of well M-17 in Wytch Farm field by DTS

7 DTS作业井的经济评价

7.1 生产井的经济评价

对实施分布式光纤温度测试技术（DTS）的生产井进行经济评价时考虑了以下情况：

1）采用DTS技术对井下温度进行测量，能实时监控井的生产动态，可以及时采取补救措施抑制井中不希望出现的状况，从而提高油井产量，增加经济效益。本例中考虑生产井产量增加10%。

2）生产时间为22个月，对比未实施DTS技术和实施DTS技术的生产井的收益和净现值，如图4～6所示。实施DTS技术的生产井中要考虑DTS的成本支出。

图4 未实施DTS的生产井收益Fig.4 Net present value of production well without DTS

图5 实施DTS的生产井收益Fig.5 Net present value of production well with DTS

图6 未实施和实施DTS的生产井收益净现值对比Fig.6 Net present value comparison of production well with and without DTS

7.2 注水井的经济评价

对实施分布式光纤温度测试技术（DTS）和放射性示踪测井（RTS）的注水井进行经济评价时考虑了以下情况：

1）本例中同样考虑生产井A井产量增加10%。

2）刚开始注水时，注水井B井就实施DTS测试，B井的DTS测试成本为840.970美元，注水井C井在半年后实施DTS测试，由于C井可共用B井的DTS监测系统的地面装置，即可节约成本，C井的DTS测试成本为346.262美元，同时考虑注水成本。

3）注水井B井和C井在评价注水剖面时也采用RTS测试，同时考虑注水井B井、C井的RTS测试成本和注水成本。

4）生产时间为22个月，对比采用RTS测试和DTS技术的试验井的收益和净现值，如图7～9所示。

图7 采用RTS测试采油—注水收入和成本支出Fig.7 Production and injection revenues and cost with RTS

图8 采用DTS测试采油—注水收入和成本支出Fig.8 Production and injection revenues and cost with DTS

图9 采用RTS和DTS测试的注水井收益净现值对比Fig.9 Net present value comparison of injection well with RTS and DTS

从图6和图9生产井和注水井的收益净现值对比图中可以看出，生产22个月后，对于生产井，采用DTS测试的收益净现值比未采用DTS测试的收益净现值要高，说明DTS起到了监测油井生产动态的作用，带来了一定的经济效益；对于注水井，采用RTS测试的收益净现值比采用DTS的收益净现值要高，说明DTS的测试成本过高，该技术在注水过程中获得测试数据信息不是最为经济的，但是它的测试精确度较高，对油井生产干扰时间短，可以实时获取数据信息，这些优点可以促进分布式光纤测温技术在优化二次采油作业中的应用。

8 结论

1）分布式光纤测温的基本原理是基于光纤的光时域反射（OTDR）原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。光纤的安装方式可分为永久式、回收式和泵送式，安装类型又分为单头安装和双头安装，可以进行短期或长期的实时生产监测。

2）介绍了分布式光纤测温技术（DTS）在油田开发中的应用，分析了DTS与其它监测技术手段在油水井生产动态监测方面的一系列内外在因素对比情况，阐述了DTS的优势所在，它可以不受流动情况的干扰，实现大范围、长距离的实时快速多点测量空间温度场分布，能保证井内的温度平衡状态不受影响。

3）提出了实施分布式光纤温度测试的选井标准，能否采用DTS技术要受油井力学状态、光缆长度、井下温度、油井产量和深度等因素的影响。

4）对实施DTS测试的生产井和注水井进行了经济评价，说明DTS起到了监测油水井生产动态的作用，带来了一定的经济效益，但DTS的测试成本过高，该技术在注水过程中获得测试数据信息可能不是最为经济的，但是相较常规监测技术的优点可以促进分布式光纤测温技术在油田开发中的广泛应用。

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（编辑 杨友胜）

Potential of fiber optic distributed temperature sensing technology for oilfield development

Zhu Shiyan1,Li Haitao1,Zhang Jianwei2,Tang chao3and Yang Mingjun1
(1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China; 2.Yanchi Oil Production Plant of Huabei Branch,SINOPEC,Yanchi,Ningxia 751500,China; 3.Luliang Field Operation District,RetroChina Xinjiang Oilfield Company,Karamay,Xinjiang 834000,China)

The fiber optic distributed temperature sensing(DTS)technology is a newly developed technology of obtaining continuous and accurate temperature profile in real time.From the fundamental principle of fiber optic distributed temperature sensing,installation forms of fiber optic cables and monitoring types of DTS measurement system,DTS applications in oilfield development and selection criteria for DTS candidate wells are introduced,meanwhile,the advantages of DTS compared to other conventional monitoring technologies in the aspect of monitoring well performance are expounded,and the economic evaluation of those monitoring technologies is conducted.The research and analysis show that fiber optic distributed temperature sensing technology has great potential for well performance monitoring,optimization and high efficient development of complex reservoirs.

fiber optic distributed temperature sensing technology,temperature profile,well performance monitoring,economic evaluation,development potential

TE33

：A

2015-04-15。

朱世琰（1987—），女，在读博士研究生，油气田开发。

十二五国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05002-006-004HZ）。