分布式光纖產出剖面測試技術應用

鄒順良

(中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司,湖北武漢430000)

0 引 言

水平井產出剖面測試目前常使用陣列式產出剖面測試儀器,主要有斯倫貝謝公司的FSI陣列式儀器和Openfield公司的FAST陣列式儀器等[1-2]。通過連續油管上下拖動儀器,由陣列式分布的多組傳感器采集井筒截面不同區域的流速、相持率、溫度及壓力等數據,根據這些數據解釋流體產出情況。這種方法不能實現實時連續的測試,在低流量和井產量不穩定的情況下測試結果存在較大誤差。此外,由于測試儀器尺寸的限制,無法在小套管或下入生產油管的井中測試。

分布式光纖測試技術[3]由光纖通訊技術發展而來,其主要包括分布式溫度測試(Distributed Temperature Sensor,DTS)和分布式聲波測試(Distributed Acoustic Sensor,DAS),利用光纖完成溫度、振動等監測。隨著溫度產量解釋從早期定性流量分析到目前定量分析的理論日趨成熟[4],加上DAS對DTS的協調優化,近幾年利用分布式光纖進行產出剖面測試得到了快速發展。該技術不僅能提供實時連續的產出剖面信息,還可以靜止測試,對井生產干擾小、易入井,勝任小尺寸管柱,同時其成本也更低。目前使用該技術進行了較多現場應用,但對測試結果驗證少。本文通過分布式光纖在非常規水平氣井產出剖面測試的應用和驗證,證明了該技術具有較高的可信度,具有推廣應用潛力。

1 分布式光纖測試技術原理

分布式光纖測試技術是基于非彈性散射和光時域反射定位的原理[5]。發射光從光纖入射后,返回的散射光根據波長和光強有3種:瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。其中,拉曼散射光受溫度影響會產生部分拉曼反斯托克斯光,通過計算拉曼反斯托克光和拉曼斯托克光的比值,計算溫度分布。利用瑞利散射對聲音(振動)敏感的特性,當外界振動作用于傳感光纖上時,瑞利散射光強發生變化,通過光強變化計算振動頻率。光纖上每個點都會向后傳播散射光,散射光返回光纖端的延時即反映反射點在光纖總線上的位置,通過測試攜帶溫度信息的拉曼散射光和瑞利散射光即可獲得反射點的溫度和振動頻率。

2 分布式光纖產出剖面測試技術

2.1 測試系統

分布式光纖產出剖面測試系統主要由光纖、恒溫槽、光耦合器、分光器和光發射機等組成[6]。分布式光纖使用沿整個井筒的光纖作為溫度和振動頻率傳感器。光發射機從光纖尾部輸出光脈沖,經過光耦合器進入整個傳感光纖。當激光在光纖中發生散射后,后向散射光將返回到光耦合器,并耦合至分光器。分光器濾出斯托克光、反斯托克光和瑞利散射光,3種光信號經過接收機進行光/電轉換和放大,然后由數據采集單元進行數據采樣和模數轉換,最終經過對信號進一步處理,獲得溫度和振動頻率信息。

2.2 測試方式

測試方式可分為套管外永置式和光纖連續油管測試。后者首先將光纖傳入連續油管,再入井測試。永置式為光纖固定在套管外壁,隨套管下入,工藝復雜,費用較高。光纖連續油管可根據實際需求入井進行中短時間測試,工藝相對簡單,靈活方便,是目前應用最廣的測試方式。

3 分布式光纖產出剖面測試資料解釋方法

3.1 測試資料解釋原理

測試資料對于產出狀況的解釋以DTS數據解釋[7]為主,結合DAS數據解釋來進行。引起溫度變化的熱效應有熱傳導、熱對流、焦爾-湯姆遜效應等,其中焦爾-湯姆遜效應是流體壓力變化所引起的溫度變化現象,是一定量流體引起的流入溫度與等深度下地層溫度產生差異的主要原因。在純氣井中焦爾-湯姆遜效應的降溫效果非常明顯,通過分布式溫度剖面,根據焦爾-湯姆遜效應很容易得到流動剖面,識別產層。流體成分不同,溫度變化不同(見圖1)。地層產氣為降溫過程,其焦爾-湯姆遜效應取決于氣體組份、壓力及溫度,通常焦爾-湯姆遜系數為-2.4～-1.0 ℃/MPa;出水為升溫過程,其焦爾-湯姆遜系數為2.3 ℃/MPa[4]。通過振動頻率可半定量判定產出情況,通常產出越大,氣體流速越高,產生的振動頻率越高(見圖2)。根據P.A.Sookprasong等[8]的相關研究,井下產氣引起的頻率一般在8～20 Hz。

圖1 焦爾-湯姆遜效應示意圖

圖2 振動強度判斷產出示意圖

3.2 測試資料解釋過程

DTS數據解釋主要根據井口產量、完井方式、流體參數和地層導熱特性等數據,按照質量守恒定律和能量守恒定律,建立井筒流動模型和熱學模型,形成耦合模型并求解。質量平衡方程見式(1),能量平衡方程見式(2),耦合模型可簡單表示為式(3)。

Q2=Q1+Q3

(1)

Q3CP(T2-T3)=Q1CP(T2-T1)

T3=Tgeo+η

(2)

2πrwU(T3-Tgeo)+(βT2-1)Q3Δp

(3)

式中,Q1、Q2為井筒內流量,kg/h;Q3為地層到井筒流量,kg/h;T1、T2、T3為井筒溫度, ℃;cP為流體比熱容,J/kg· ℃;Tgeo為關井實測地溫, ℃;η為流體焦爾-湯姆遜系數, ℃/MPa;rw為井筒半徑,cm;ρ為流體密度,g/cm3;z為運動距離,m;t為時間,h;Δp為節流壓力變化,MPa;U為熱傳導系數,W/m2· ℃;β為等壓熱膨脹系數,無量綱。式(3)左邊表示能量變化,右邊第1及第2項表示熱對流效應,第3項表示熱傳導效應,第4項表示焦爾-湯姆遜效應。

將流動模型和熱學模型構成的耦合模型作為正演模型,計算溫度和壓力剖面,然后將DTS測得的溫度數據與正演模型模擬的溫度預測數據進行擬合,使溫度擬合誤差達到設定最小,定量解釋產出剖面,獲得水平井的多相流量。DAS數據解釋主要是通過振動頻率反演計算流體速度,結合天然氣狀態方程、井口產量迭代求解井下各段產量,但更多情況是使用其強度大小作為產量大小的定性判斷。DTS數據和DAS數據解釋均可計算產出情況,通常以DTS解釋結果為主,同時輔以DAS解釋結果的協調優化,從而得到最優結果。

4 現場應用

4.1 A井實例

A井是位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復向斜的一口致密氣水平井,井深2 157 m,水平段長900 m,分3段壓裂,后期采用2in(1)非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同油管生產,產氣量6×104m3/d,產水量182 m3/d。為找出主要出水位置,需進行產出剖面測試。由于采用油管生產,傳統儀器測試無法過油管作業,因此,采用光纖連續油管進行DTS測試。該井先后在生產條件(產氣量6×104m3/d、水產量182 m3/d)和關井條件下測試,并獲取流動溫度和地溫剖面(見圖3)。

圖3 A井DTS數據“瀑布圖”

提取生產時的流動溫度曲線和關井時的地溫曲線進行產出解釋。解釋結果的模擬溫度曲線與實測生產溫度曲線擬合很好(見圖4),誤差值<10%。DTS解釋結果顯示:A井第3段產氣貢獻率為70.93%,產水貢獻率為22.83%,是主要產氣段;第2段產水貢獻率為72.28%,產氣貢獻率為6.70%,是主要產水段;第1段產氣貢獻率為22.37%,產水貢獻率為4.87%。

圖4 A井DTS解釋成果圖

后期通過橋塞封堵第3段以下井段后,該井氣產量變為4.56×104m3/d,出水量大幅減少,降為36 m3/d,比封堵前產水降低80.22%。該井通過堵水措施驗證分布式光纖產出剖面測試結果的可靠性。

4.2 B井實例

B井是位于四川盆地川東高陡褶皺帶萬縣復向斜的一口頁巖氣水平井,井深5 160 m,水平段長1 182 m,分15段壓裂。井口壓力23 MPa,氣產量16×104m3/d。該井采用光纖連續油管進行DTS和DAS測試,在產氣量16×104m3/d的生產制度下測試24 h,在關井條件下測試12 h,分別獲取生產流動溫度剖面、地溫剖面(見圖5)以及振動頻率圖。

圖5 B井DTS數據“瀑布圖”

將地面生產數據與DTS溫度數據代入分析軟件,建立生產制度下的生產模型,得到反向建模模擬曲線,不斷迭代計算將正演模型結果進行對比修正,同時結合DAS監測結果(見圖6),進一步優化,剔除多解性,獲取滿足質量控制要求的結果。

圖6 B井DTS解釋結果與DAS解釋結果對比圖

模擬溫度曲線與實測溫度曲線得到很好擬合,誤差值<10%。DTS解釋結果顯示主要高產段為第15、14、13段,次要高產段為第8、7、6、5段。同時DAS監測結果顯示高頻振動段與DTS解釋高產段一致。該井隨后在同樣產量制度下使用FSI陣列式儀器進行了對比測試,測試結果見圖7。

圖7 B井FSI陣列式儀器產出剖面測試結果

分布式光纖產出剖面測試儀器和FSI陣列式儀器其測試方式對井筒的干擾不同,陣列式儀器受井眼軌跡影響嚴重,在低氣量下精度有限,分布式光纖產出剖面測試多相流解釋模型還不完善?；诖岁嚵惺絻x器測試成果與分布式光纖產出剖面測試成果存在一些差異,但總體趨勢一致,主要產氣段一致,高產段集中在第15、14、13、10、8段(見表1)。

表1 B井分布式光纖產出剖面測試與FSI陣列式儀器產出剖面測試結果對比表

5 結 論

(1)分布式光纖產出剖面測試可以準確獲取全井筒實時溫度與振動頻率剖面,根據熱力學等原理,能夠解釋得出各壓裂段簇氣水產出貢獻的大小。

(2)采用堵水措施驗證了分布式光纖產出剖面測試的結果,同時通過陣列式儀器與分布式光纖的對比測試也表明分布式光纖產出剖面測試結果具有很高的可信度。

(3)相對于傳統儀器產出剖面測試,分布式光纖產出剖面測試技術能提供實時連續的測試,無機械運動部件,在靜止狀態下進行監測,施工更加安全,滿足小尺寸管柱內作業需求,同時費用較低,具有較好的應用潛力。