分布式光纖溫度傳感器在稠油開采中的應用

于緊昌，胡傳龍

(中國電子科技集團公司 第八研究所，安徽 合肥230051)

0 引 言

溫度在稠油熱采過程中起著非常重要的作用，通過監測稠油井井筒的連續溫度變化，分析注采效果，設置相關注汽參數，對高效安全開采稠油資源有著重要意義。目前稠油開采主要方式為注蒸汽開采［1］。注蒸汽開采技術是利用稠油特殊的粘—溫關系，向油層中注入高溫度的蒸汽，降低原油的粘度，從而提高原油的流動能力，起到開采稠油和增產的作用。傳統的稠油油井溫度監測儀器只能在某一時間測量某個位置點的溫度，無法一次性完整測量整個井筒的連續溫度變化信息，要實現整個井筒的測量需要安裝多個點式溫度傳感器，安裝復雜，調試困難。

分布式光纖溫度傳感器技術是稠油熱采井下溫度測量的新技術，是利用拉曼散射原理和光時域反射技術研制而成，只需在蒸汽井內敷設一根高溫光纖就可提供整個井筒的連續溫度變化，具有耐高溫、防爆、施工簡單、安全性高等特點，突破了傳統溫度傳感器熱平衡時間長、響應速度慢、無法在高溫、高壓環境下對井下的溫度場分布進行長期監測等缺點，長達幾千米的測量范圍可輕易監測整個井筒長度內的井下溫度變化，無需移動測溫設備。分布式光纖溫度傳感器技術可為油井溫度監測和安全生產提供科學依據，為分析油層加熱面積、加熱平均溫度、合理的燜井時間及燜井結束后加熱半徑等提供重要的溫度信息。

本文設計了一種分布式光纖溫度傳感器系統，并在稠油開采應用中取得了良好的效果。

1 系統結構

分布式光纖溫度傳感器系統主要包括兩部分:系統主機(含信號采集和處理部分)和傳感光纖，結構如圖1 所示。

主機由以下幾個部分組成:

圖1 系統硬件結構圖Fig 1 Configuration of system bardware

1)光源模塊:由脈沖激光器和激光器驅動電源組成。

2)波分復用系統:由雙向1×2 光纖耦合器和光纖波分復用器組成。

3)光電接收與放大模塊:由兩個光雪崩二極管(APD)和放大器組成，主要用來放大和接收光信號，并將其轉換成電信號。

4)信號采集與處理系統:由高速信號采集卡和計算機軟件組成。

分布式光纖溫度傳感器的工作過程可簡單地表述為:半導體脈沖激光器產生的激光經1×2 光纖雙向耦合器耦合后輸入傳感光纖，在傳感光纖中產生拉曼散射效應，從而產生背向的斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光，背向的斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光經1×2 光纖雙向耦合器進入到波分復用器，由波分復用器將背向自發拉曼散射光分成兩路:一路背向反斯托克斯散射光，經過反斯托克斯散射光濾波器濾波后進入第一光雪崩二極管，轉換成電信號，并進行放大;另一路背向斯托克斯散射光，經過斯托克斯散射光濾波器濾波后進入第二光雪崩二極管，光信號被轉換成電信號，并進行放大。信號采集卡將兩路放大后的電信號采集累加平均，然后計算機軟件對采集到的數據按照解調原理進行解調，最后通過計算得到空間溫度分布曲線。

2 稠油熱采測溫光纜布設

稠油［2，3］開采過程中，采用蒸汽吞吐技術，即向油層注入高溫高壓蒸汽，使得近井地帶一定距離內的地層溫度升高，將油層和原油加熱。注入油層的蒸汽優先進入高滲透帶，由于蒸汽的密度很小，在重力作用下，蒸汽將向油層頂部超覆，油層加熱并不均勻，但由于熱對流和熱傳導作用，注入蒸汽量足夠多時，加熱范圍逐漸擴展，蒸汽帶的溫度仍保持井底蒸汽溫度(250～350 ℃)。加熱帶中的原油粘度將由幾千到幾萬個毫帕秒降低至幾個毫帕秒。這樣，原油流向井底的阻力大大減小，流動系數(10－3μm2·m/mPa·s)呈幾十倍的增加，油井產量必然增加許多倍。在此過程中，需要實時監測井筒周邊環境溫度，確保注入稠油井的蒸汽量在一個合理的范圍內，蒸汽量太少會使加熱不充分，太多又會造成生產成本的增加。分布式光纖溫度傳感器具有實時長距離測量溫度的特點，非常適合稠油開采過程中的溫度監測。

對油井井下的溫度場分布進行長期溫度監測時，傳感光纜的布設方式主要分為兩種:移動方式和固定方式。移動方式與常規的電纜測井方法類似，即將光纖放入井中，所不同的是無須掛接測量儀器，主要用于注蒸汽井注水井的注入剖面、自噴井產出剖面、套管井的井況測試。固定方式將外披鋼絲光纖與生產管柱捆綁后下入井下，直到下一次作業時起出，傳感光纖在較長的一段時間內固定于井下，這種工作方式主要用于對重要的油氣井的井下溫度分布進行長期不間斷的監測，尤其是在注蒸汽熱采井中，通常使用固定式，可用于深井泵、螺桿泵、采油井、高凝油井、稠油井的生產動態剖面測試。本系統測溫光纜的布設方式采用固定方式，傳感光纜布設示意圖如圖2 所示。

圖2 高溫光纜布設示意圖Fig 2 Layout diagram of high temperature optical fiber

3 傳感光纖特性

分布式光纖溫度傳感器測溫范圍不受測溫原理限制，主要由傳感光纖涂敷層材料的熱特性［4］所決定。光纖纖芯和包層的材料是二氧化硅，它能承受很高的溫度;涂敷層材料為硅樹脂、尼龍或紫外線硬化丙烯基樹脂，這些材料通常的工作溫度在－60～100 ℃，短時間可以達到120 ℃。要拓寬系統的溫度測量范圍必須采用特殊材料的涂敷層，如鍍金、鍍鈦或涂炭纖維等材料。采用特殊涂敷材料的傳感光纖其溫度測量范圍可高達600 ℃，或者更高。

本系統采用的是聚酰亞胺涂層耐高溫光纖，光纖類型HTG 62.5/125，模 場 直 徑(62.5±3)μm，包 層 直 徑(125±2)μm，涂層直徑(155±5)μm，1 300 nm 波長衰減不大于1.5 dB/km，耐高溫光纖工作溫度長期為－65～300 ℃，短期可達350 ℃，符合稠油開采過程中對耐高溫光纖的要求。

4 測溫試驗

系統溫度不確定度試驗，將傳感光纖260 ～290 m，1 970～2 000 m分2 次放入恒溫箱中，用標準溫度計(分辨率0.1 ℃)測出的溫度值作為標準溫度值，因為系統的空間分辨率為1 m，因此，間隔1 m 設置一個溫度點，測量點數前端20 個后端20 個，其余部分放在恒溫箱外。恒溫箱溫度設置為20，60，100，150，200，230，250，300，350 ℃共9 個溫度點，溫度穩定后，記錄信號處理部分信號輸出。20 個溫度點的平均溫度值與標準溫度值對比，測試分布式光纖溫度傳感器在高溫下工作時的溫度不確定度。實驗結果為:在260～290 m 處，20，60，100，150，200，230，250，300，350℃的溫度不確定度(只取正值)為0.2，0.4，0.7，0.3，0.4，0.6，0.1，0.3，0.4 ℃(如圖3);在1 970～2 000 m 處，20，60，100，150，200，230，250，300，350 ℃的溫度不確定度為0.3，0.6，0.9，0.6，0.7，0.0，0.2，0.5，0.7 ℃(如圖4)。

圖3 高溫光纖在260～290 m 處的溫度不確定度Fig 3 Temperature uncertainty of high temperature fiber at 260～290 m

圖4 高溫光纖在1 970～2 000 m 處的溫度不確定度Fig 4 Temperature uncertainty of high temperature fiber at 1 970～2000 m

由試驗結果可知，在溫度范圍為0～350 ℃，測溫光纖長0～2 000 m，光纖測溫距離分辨率達1 m，精度達到±1 ℃，各項指標均達到了設計要求。

5 現場應用

分布式光纖測溫系統在中油遼河油田公司一生產井上進行了現場測試試驗。一次測量出整個井筒的溫度剖面測試結果見圖5。光纖測溫系統達到油井全井段1 m 間隔的分布式溫度測量，精度達到±1 ℃，最高溫度可達350 ℃。測量過程中，整套測量設備操作安全可靠，測量精度達到了設計指標要求。

圖5 分布式光纖溫度傳感器監測曲線圖Fig 5 Monitoring curves of distributed optical fiber temperature sensor

6 結束語

分布式光纖溫度傳感器為油井油田特別對于稠油開采過程溫度監測［5，6］提供了一種全新的監測手段，分布式光纖溫度傳感器可以在一根光纖上同時監測多點的溫度，并可以對溫度場進行空間定位，可以通過沿整個油井深度連續采集溫度信息來監測油氣田開發動態。分布式光纖溫度傳感器具有抗電磁干擾、防雷擊、耐高溫和耐腐蝕等特點，是具有廣泛應用前景的新型溫度傳感技術。

實驗結果顯示:分布式光纖溫度傳感器單次測量時間小于15 s，溫度范圍為0～350 ℃，測溫光纖長度為2 km，精度為±1 ℃，空間分辨率為1 m，為油井井下溫度測量提供了科學依據。

［1］ 劉 媛，雷 濤，張 勇，等.油井分布式光纖測溫及高溫標定實驗［J］.山東科學，2008，21(6):40－44.

［2］ 張向林，陶 果，劉新茹，等.光纖傳感器在油田開發測井中的應用［J］.測井技術，2006，30(3):267－269.

［3］ 張義強，杜永欣，吳國偉，等.油井分布式光纖測溫系統研究與應用［J］.石油機械，2003，31(6):6－8.

［4］ Wang Jianfeng.Distributed optical fiber temperature sensor applied in underground coal gasification system［C］∥Communications and Photonics Conference and Exhibition(ACP)，Shanghai，China，2010:302－303.

［5］ 張 威.錦45 塊Ⅱ類稠油蒸汽驅先導試驗區光纖測溫技術的應用［J］.內蒙古石油化工，2011(7):177－179.

［6］ 馬 坤，郭 強.分布式光纖測井技術在稠油開采中的應用［J］.石油礦場機械，2012，41(2):45－48.