试析光纤传感器技术对改善油气井监测的作用

赵轶等

油气井监测就是在油气井开采过程中，对相关生产参数进行测量，得出油、水、气的动态分布，分析井下实际生产情况。传统的测井技术仪器需要在高温环境下工作，极易发生故障。容易导致测量次数增加，测量成本上升。光纤传感技术具有频带宽、响应快、动态范围大、耐高温高压等一系列特点，在测井技术中具有十分广阔的应用前景。

一、光纤传感技术的现状和概念

光纤传感器应用在油气井监测中，主要是集中在井下监测油气开采的过程。在油气井的监测工作中，主要使用的技术有温度分布式传感器、声波分布式传感器以及应力分布式传感器等光纤传感技术。在这些技术之中，温度分布式传感器的起源最早，发展最为成熟，实际应用也已经超过十年。而其他集中传感技术才刚开始研究或刚投入运用。

光纤传感器从广义来讲就是光纤传感系统，主要包括了光纤传感器、光纤询问器以及光缆。分布式的传感器就是把光纤本身转变成了基于实际目的的传感器，比如测量应力、声波、温度等参数的传感器。光纤询问器通过在光缆中发出脉冲激光，对发射散光的类型和数量进行记录，再通过专门的软件和算法，将其转化为测量数据。

二、光纤传感技术对改善油气井监测的作用

光纤传感技术对改善油气井监测具有多个方面的作用，不仅可以使监测方法以及监测设备上得到大幅优化，更可以有效提升监测工作质量和效率。

2.1流体的测量

流体的测量主要包括了流体的密度、流量、温度、压力以及持率。

目前，井下流体流量的测量仪器主要有示踪流量计、超声流量计、涡轮流量计、电磁流量计等。在测量现场中，使用最多的就是涡轮流量计，其次就是示踪流量计和电磁流量计。涡轮流量计的基本原理就是在流体的流动下推动涡轮转动，通过分析涡轮转速得出流体的流量。虽然涡轮流量计的使用范围最广，但是其也存在不少缺点。流体性质会对涡轮流量计的测量精度造成影响，油气井中存在的砂砾或其他异物，可能会进入涡轮引起涡轮卡死，导致测量失效。需要注意的是，涡轮的启动排量较大不适宜小流量测量，而当流体流量很大时，会造成涡轮流量计出现信号丢失，无法获取测量结果。基于光纤传感技术的各种光纤流量计，就可以有效解决传统流量计存在的各种问题。比如光纤涡轮流量计就具有抗干扰、高重复性以及线性设计等优点；光纤小流量传感器就可以对小流量流体进行测量，弥补了传统方法的缺陷。

油气井温度和压力测量主要是通过电子压力温度传感器进行的，但是在高温环境中，这种传感器在长时间工作后会产生漂移问题，可靠性出现下降。目前，油气井温度测量的主要仪器由于电阻式温度仪、石英晶体温度传感器以及热电偶温度仪。电阻式温度仪的基本原理就是电阻值随温度变化而变化，通过阻值的变化程度来反映井下温度情况。这些常规的井下温度测量仪器普遍存在几个缺点：一是测量速度较慢，测速一般低于600m/h。二是测温传感器移动会对井下温度场分布造成一定影响。三是稳定下差，无法在高压高温环境下长期作业。压力测量的主要仪器有应变压力计和石英压力计。其在测量中存在的缺点和测温计基本一样。基于光纤传感技术的FBG光纤温压传感器、EFPI光纤温压传感器等，安装简易，抗扰能力强，工作稳定性好，非常适宜于井下温压测量。

2.2伽马射线测量

伽马射线是一种油气井监测中最基本的测量方法之一，其将地层自然放射作为测井基础，利用伽马射线对井下进行测量。地层之中的伽马射线是处在动态变化的状态中的，在油气井被不断开发的过程中，地層中的发射物质也在不断被运出，造成油气井下出现发射性异常。传统的测量方法是以NaI晶体为主的传感器，其零部件配置十分昂贵，而且会受到诸多外部因素的影响，致使测量结果出现误差，测井效果无法达到期望水平。而且，由于井下环境恶劣，该仪器中的光电倍增管寿命较短，无形之中加大了测井成本。

基于光纤传感技术的激光光纤核传感器是一种新颖的测井技术，它综合了光纤传感器和光纤传输，利用光致发光以及光致损耗等基本原理，达到测井目的。跟传统的测井仪器相比，激光光纤传感器具有更加明显的优势，比如数据容量大、传输速度快；稳定性良好，不会受到其他仪器发出的信号干扰；能够有效延长光电倍增管的使用寿命，降低测井成本；可以改变传感头的布置方式，实现多点探测。

三、实际应用

光纤传感器技术在油气井监测中具有十分重要的作用，其应用也十分广泛。

第一，可以利用DTS数据监测二氧化碳和水的交替注入。对趋于枯竭的碳酸盐储层使用二氧化碳和水交替注入，可以提高生产量。在刚开始进行注入的时候，出水率能够达到97%。在经过一段时间后，油气井上部温度产生变化，引起出油量大幅上升。但是如果油气井上部温度没有发生变化，则说明水和二氧化碳注入并没有涉及到这些层段。所以，在每层的产量开始下跌之前，可以对油气井上部层段进行封闭，调整油气井下部层段压力，维持井下作业稳定。

第二，监测井下注入水突破。一口新井一般是从下部和上部两个层段同时进行产油，通过光纤传感器，可以清楚监测到油气井下部层段出现了明显的温度下降。下部层段出现温度骤降的原因是钻井液侵入或注入水突破，导致产出液的含水率成为100%，即说明井下产油作业没能产油。通过监测就可以及时发现这一问题，并且制定相应的措施。

第三，监测井下酸化压裂。一般来说，一口油气井的上部层段枯竭后，下部层段基本还基本处于原始油藏压力。对砂岩层段进行酸化压裂设计，通过DTS系统对相关作业进行监测，对处理部位进行实时显示，以便对压裂顺序、压裂规模以及泵的排量进行及时调整。同时对调整结果进行监测，确定调整方案的效果以便进行二次优化。

结束语

光纤传感器最大的优点就是工作稳定、抗干扰能力出众，能够在较为恶劣的环境下进行工作。可以对油气井下温度、流体、压力等多个方面的内容进行监测，可以促进油气井开发相关工作，具有非常广阔的发展空间。

（作者单位：1、中国石油新疆油田公司风城油田作业区夏子街采油站，2、中国石油新疆油田公司风城油田作业区乌尔禾采油站，3、中国石油新疆油田公司风城油田作业区SAGD采油一站。）

作者简介

赵轶，1985年4月生，男，籍贯：河南省柘城县；工作单位：中国石油新疆油田公司风城油田作业区夏子街采油站；夏子街采油站地质组组长，助理工程师；文学学位，工学学位；研究方向：油藏地质。