分布式光纤监测技术在注水井窜漏监测中的应用

张兴彦

（大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453）

0 引 言

井筒完整性对于油田的安全高效生产具有重要的意义[1-3]，油套管泄漏监测或套管环空窜漏监测是注水井井筒完整性管理中的重要环节。大多数泄漏或窜漏开始时是少量的，随着时间推移泄露会越来越严重，注水井管柱窜漏使得注入水无法按要求到达目的层，影响注水效果，进而降低开采效率。管柱窜漏监测最常用的方法有井温频谱噪声测井、电磁探伤测井及放射性示踪测井等[4-5]。井温频谱噪声测井需要通过上下移动测井仪器来检测窜漏位置，这会改变原本井筒泄漏点的周缘特性，增加检测难度，特别在漏点位置未知的情况下，检测时间长且成功率低。电磁探伤测井获取的是油套管壁厚参数，当壁厚大面积变薄时，可定性推断出发生泄漏的位置，该方法主要针对大面积腐蚀或管柱错断等情况进行管柱窜漏监测，但是灵敏度和准确度无法保证。放射性示踪测井受环境因素影响，无法检测近地表处窜漏，该方法包括同位素测井、示踪相关测井及脉冲中子氧活化测井[6]。同位素测井受沾污（包括管壁沾污、接箍沾污）影响严重，使测井结果具有多解性；示踪相关测井中示踪剂难以长距离随注入水流到漏点；脉冲中子氧活化测井流量测量下限高（油管内为2 m3/d，环套内为7 m3/d），无法检测微小窜漏。近年来分布式光纤监测技术在油田监测中逐步开展应用，该技术可以同时监测井下温度和声波剖面，已经在气井找漏方面取得较好应用效果[7-8]。其优点是无需井下仪器，监测时只需一根光缆，无需上下移动光缆就可实现对温度、声波剖面的实时连续监测，节省监测时间，提高监测效率。

本文介绍了基于分布式光纤监测技术的管柱窜漏监测测量原理，并应用分布式光纤监测技术在注水井中对套管窜漏、油管窜漏和井底窜漏这3种情况进行了管柱窜漏监测。

1 基于分布式光纤监测技术的管柱窜漏监测测量原理

分布式光纤监测系统包含分布式光纤温度监测系统（Distributed Optical-fiber Temperature Sensing System）和分布式光纤声波监测系统（Distributed Optical-fiber Acoustic Sensing System）两部分，是一种分布式、连续的、功能型光纤传感系统。光由地面系统射入光缆中，在光缆中发生散射，散射光又经光缆返回到地面系统，通过监测后向散射光的强度、频率、相位等参数变化，得到井下各个深度点温度、声波数据[9]。

常见的注水井窜漏一般分为油管窜漏、套管窜漏以及层间的窜流等[10]。若注水井井下管柱存在窜漏，当正常注水时，注入水除通过在注水层射孔进入注水层外，在窜漏位置也会产生油管与套管间、套管与地层间以及地层与地层间流体的流动。流体的流动不仅会引起窜漏位置温度的异常，也会使得窜漏位置声源响应强度高于其他位置。窜漏位置温度经常表现为温度负异常或温度正异常两种，这与窜漏类型、窜漏位置原始温度和注入水温度相关。温度正异常指某一深度位置流体温度曲线的温度值远高于附近其他位置温度值，温度负异常指某一深度位置流体温度曲线的温度值远低于附近其他位置温度值。窜漏在声波能谱图上表现为声波强度值高于附近位置声波强度值。

2 现场应用情况

分布式光纤监测技术在大庆油田累计完成管柱窜漏监测现场试验7井次，成功监测到管柱窜漏6井次，其中套管漏失2井次，油管漏失1井次，井底套管窜槽3井次。根据监测结果，有2口井经过封堵措施后，其注入压力上升，解决了窜漏问题。同时对这些井进行电磁流量计和脉冲中子氧活化测井，证明分布式光纤监测技术的监测结果与电磁流量计测井和脉冲中子氧活化测井结果一致，且克服了脉冲中子氧活化测井仪测量下限高、因环保要求而无法在近地表测井的缺点。

2.1 套管漏失井

井1为3级分层配注井，射孔井段为989.2 ～1 132.8 m，监测到注入压力降低，怀疑出现套管漏失。第1级配注段的保护封隔器位于986.0 m，应用电磁流量计测量870.5 m深度点以上油管内注入水流量为65 m3/d（见表1），由于没有测量通道，电磁流量计无法进行套管漏失监测。应用分布式光纤监测技术进行监测，分别进行了开井、关井两种工作状态下的温度、声波剖面监测，成功监测到封隔器不密封和套管漏失。图1为井口附近的温度梯度，在井口附近0 ～30.0 m深度段存在温度异常。开井温度梯度在0 ～30.0 m深度段变大，由于开井时流体温度主要受注入水温度影响，且注入水的温度高于同深度地层温度，因此，在0 ～30.0 m深度段开井流体温度梯度值高于正常梯度值。关井温度梯度在0 ～30.0 m处出现温度正异常，在23.2 m处达到温度最高值。关井时流体温度受地层原始温度影响，随着时间推移流体温度逐渐趋近原始地层温度。开井时注入水从漏点处进入地层，导致地层升温，停止注入后，注入水仍存在于地层中，该处温度值高于附近其他位置温度值，综合分析温度梯度曲线，认为此处套管存在漏点。

图1 井1温度梯度曲线

表1 电磁流量计测量结果表

图2为井1在0 ～200.0 m深度段开井声波能谱图，图2中颜色越偏红表示声波强度越大，即显示强声源。图2中在21.2 m深度点附近有持续强声源，开井时注入水在漏点处的流动使得该位置声波强度大于其他深度点声波强度，说明此处存在漏失。 图3 （b）为井1在900.0 ～1 150.0 m射孔段的声波能谱图，图3 （a）为与图3 （b）深度点对应的井下工具，箭头表示水流方向。1级、2级和4级封隔器对应深度均有强声源显示。说明这3处的封隔器不密封，注入水从封隔器处漏失至封隔段以外，引起该处声源强度高于附近其他位置。1级封隔器不密封，1级配水器注入的水从封隔器处流入上部油套空间，使得工具以上油套空间内存在向上水流，这一结果与电磁流量计870.5 m以下井段测量结果一致。

图2 井1开井声波能谱图

图3 井1射孔段声波能谱图及管柱结构图

综合温度梯度与声波能谱图监测结果可知，井1在23.2 m处存在套管漏失。由于漏失位置在井口以下23.0 m，遵循安全环保要求不具备氧活化测井条件。

2.2 油管漏失井

井2为2级分层配注井，射孔井段1 027.8 ～1 045.8 m。2022年3月19日至2023年5月7日，注入压力由12.0 MPa下降到5.7 MPa，注入量10 ～15 m3/d。图4为井2开井声波能谱图，图4显示在开井阶段井下520.0 ～600.0 m深度段有3处存在持续声源响应，声波强度大于附近其他位置，而这3处不是射孔层段，说明此段存在漏失。图5为温度梯度曲线，开井温度剖面在520 ～620 m存在低温异常段，关井温度剖面低温异常消失。分析认为，由于注入水温度低于地层温度，开井时注入水由520 ～620 m深度段从油管进入套管，引起此深度段温度降低；关井后注入水停止注入，此处温度恢复地层温度，异常段逐渐消失，说明此段存在油管漏失。

图4 井2开井声波能谱图

图5 温度梯度曲线

综合图4与图5分布式光纤监测结果进行解释，井2在520 ～600 m深度段存在漏失。图6为该井脉冲中子氧活化测井成果图，600 m处油套空间向上流量为60 m3/d，590 m处油套空间向上流量为0，表明在590 ～600 m处存在漏失，漏失量为60 m3/d。分布式光纤监测结果与脉冲中子氧活化测井结果相符。

图6 氧活化测井成果图

2.3 井底套管窜槽井

井3为笼统注水井，射孔井段922.50 ～1 031.60 m，注入量20 m3/d。2020年12月3日进行压裂，压裂后井口压力约为4 MPa。 图7为开井声波能谱图，在喇叭口（906.19 m处）下方和吸水层（922.50 ～945.00 m）位置均有声源显示，可以清晰显示出井下工具位置和吸水层吸水情况，在射孔层以下964.00 ～979.00 m深度段存在除产层和工具外的强声源。温度梯度曲线（见图8）显示在976.90 m附近存在低温异常点。脉冲中子氧活化测井测量下限高，在该井未监测到窜漏，综合分布式光纤温度监测系统与分布式光纤声波监测系统监测结果解释960.00 m以下存在微漏情况。

图7 开井声波能谱图

图8 温度梯度曲线

3 结 论

（1）分布式光纤监测技术在大庆油田注水井窜漏监测中成功应用，适用于常见的分层注水井和笼统注水井。该技术应用于油田管柱窜漏监测，可以定位窜漏位置，识别油管窜漏、套管窜漏、井底窜漏等不同窜漏情况，相对于其他常规技术，不受测量下限等因素的影响，测试效率高。（2）应用分布式光纤监测技术进行注水井管柱窜漏监测，有助于注水井管柱窜漏原因分析，为制定治理方案提供准确信息。