永久測壓系統在儲氣庫中的應用淺析

華東管道設計研究院 李效彪

一、前言

油氣藏壓力是油氣藏監測、動態分析最基礎的參數，能夠及時測定油氣藏壓力并實時分析所測數據對油氣藏的合理開發生產是非常重要的參照依據。

在儲氣庫的建設生產中，氣井井下壓力參數的實時獲取和分析是正確評價和指導儲氣庫的合理注采生產的重要參數之一。而針對儲氣庫氣井強注強采的生產模式，以及間斷非永久式測壓方法所反映出的壓力數據無法實時獲取、頻繁操作危險系數高、井下壓力計易損壞、自動化程度低等缺點，能夠實現長期實時壓力動態監測成為儲氣庫開發生產的趨勢，也以更高的自動化程度服務于油氣田的發展。

二、井下測壓技術分類

現有的對井下壓力的監測技術可概括為兩大類：一類是存儲式測壓，即根據生產需要，適時將井下壓力計通過鋼絲下井，壓力計置于井內可以存儲一段特定時間的壓力數據，測試完畢取出壓力計，將保存在壓力計內的壓力數據回放再進行相應的數據分析等，該方式常用的監測裝置有機械式井下壓力計、電子存儲式井下壓力計等。另一類是永久式測壓，即測壓裝置隨生產管柱下井，備有一定的保護器件，投入運行后可以實時測取井底壓力數據，并通過地面數據采集處理系統，連續不斷地采集井下壓力數據，可用來作長期可靠的連續監測，有效地減少了因傳統測量儀器故障檢測、停井測試等引起的作業時間，該方法常用的監測裝置有電子壓力傳感系統、光纖壓力傳感系統和毛細管壓力監測系統等。

圖1 電子壓力傳感系統示意圖

本文針對永久式測壓技術常見的井下永久式電子壓力傳感系統、光纖壓力溫度監測系統和毛細管監測系統的組成、原理、應用以及優缺點等做以總結。

三、永久測壓系統對比分析

1.系統組成

1)電子壓力傳感系統（見圖1）

該監測系統主要包括四大部分：

a）井下設備，包括永久電子壓力計、電纜頭、壓力計托筒；

b）電纜設備，包括井下電纜、電纜保護器、電纜連接頭；

c）井口電纜引出裝置；

d）地面數據采集系統。

2)光纖壓力溫度監測系統

a）光纖傳感器：安裝在測量現場，實時獲得井下溫度壓力數據；

b）信號傳輸光纜：包括井下光纜和地面光纜，是連接井下傳感器和地面解調設備的紐帶，光信號和傳感信號的傳輸路徑。

c）解調儀：包括溫度壓力解調儀和分布式溫度解調儀。系統的核心器件，內部集數據采集模塊、數據分析模塊、數據傳輸模塊于一體，置于控制室，實現井下溫度/壓力數據的讀取、分析和傳輸

d）數據采集控制系統：置于計算機，內部集成井下溫度壓力數據分析軟件，實現光纖溫度壓力解調儀（下位機）數據的讀取、顯示、存儲、打印和傳輸，可以控制多臺下位機。

3)毛細管監測系統

a）地面設備：包括氮氣源、氮氣增壓泵、空氣壓縮機、吹掃管匯、壓力變送器等；

b）井下部分：井口穿越器、環空封隔器、毛細鋼管、毛細鋼管保護器、傳壓筒；

c）井口引出裝置；

d）數據采集控制系統。

圖3 毛細管監測系統示意圖

2.工作原理

1)電子壓力傳感系統

電子壓力計置于壓力計托筒，監測到井筒環境下油氣壓力變化信號，轉化為電信號后通過電纜傳送到地面數據采集系統，將壓力數據實時顯示、存儲等。

圖4 工作原理示意圖

2)光纖壓力溫度監測系統

傳感器監測井筒環境下油氣壓力、溫度變化信號，將井底信號轉化為光信號，井下光纜和光纜連接器是連接傳感器與地面光電解調儀之間的信號傳輸紐帶，將光源發射光傳送給傳感器，并將傳感器反射的信號光輸送到地面接收器，光電解調儀是井下光纖傳感器的光源與數據處理設備，能夠發射并精確檢測傳感器反射的光波信號，通過顯示與存儲設備將井底溫度壓力測試數據反映出來（見圖5）。

3)毛細管監測系統

該裝置的工作原理：毛細鋼管和傳壓筒中均充滿氮氣，氮氣氣源由在井口的普通工業氮氣瓶提供，必要時使用高壓氮氣壓縮機將氮氣吹掃至毛細鋼管及井下傳壓筒中。傳壓筒底端開孔與井筒液體連通，其內容積比毛細管內容積大幾十倍，為系統提供驅動容積，使之在井下壓力變化時，保持傳壓筒內壓力基本穩定。

當井下測壓點處的壓力作用在傳壓筒內的氣柱上，由氣體傳遞壓力至井口，由壓力變送器測得地面一端毛細鋼管內的氮氣壓力后，將信號傳送到數據采集器，數據采集器將壓力數據顯示并儲存起來。記錄下來的井口實測壓力數據由計算機回放后處理，根據測壓深度和井筒溫度完成由井口壓力向井下壓力的計算。

圖5 光學壓力溫度監測系統工作原理示意圖

四、毛細管監測系統

1.應用廣泛

a）勝利油田已成功應用近百套，效果良好。

b）大港、遼河、長慶油田都進行過應用。

c）北京儲氣庫進行應用，得到用戶的好評。

2.現場實例

以勝利油田渤深6-6井下入毛細管測壓系統為例，用以進行試井及恢復測試，了解地層參數及邊界情況，并進行干擾測試。通過毛細管測壓系統得到井下實時壓力數據，分析確定井間連通性、儲層裂縫發育方向性、斷層密封性、確定儲層物性等。

渤深6-6井位于渤深區塊，層位奧陶系，測試深度4331m，油層深度4363～4906m，井底溫度170℃，采用的完井管柱(自上而下)為：油管+毛細鋼管+井下傳壓筒+扶正器+喇叭口。

完井時保證整個毛細管測壓系統內部充滿氮氣，必須進行徹底的氮氣吹掃過程。吹掃時數據采集間隔1s。由曲線顯示可知：吹掃2次，時間共35min，吹掃時最高壓力達到46MPa，壓力恢復顯示正常，效果良好。

圖6 完井時吹掃壓力曲線圖

試井時，數據采集間隔為20s。由曲線顯示可知：該段時間井內壓力處于上升趨勢。毛細管測壓系統數據采集準確，生成曲線平滑。

圖7 試井時壓力恢復曲線圖

3.技術優勢

1)DTS溫度剖面監測

可結合分布式光纖測溫技術實現井下溫度的實時監測以及壓力計算方法的溫度補償，提高井底壓力計算精度。

最初測壓技術在計算壓力時溫度取平均溫度，溫度補償則是在計算壓力時充分考慮溫度的實時變化，不再是一個單一平均值，而將溫度的動態變化影響因素考慮在內。這就需要溫度的實時監測，而分布式光纖溫度傳感器(DTS)是一種時興的可用于實時測量空間溫度場分布的傳感器。

DTS的工作原理：光纖既是傳輸媒質也是傳感媒質，利用光纖向喇曼散射的溫度效應，可以對光纖所在的溫度場進行實時的測量。利用光時域反射技術可以對測量點進行準確定位，分布式的結構使得該系統能夠實現實時快速多點測量。可以很高的精度和分辨率（每1m一個采樣點，精度0.1℃，耐溫280℃）獲得井下溫度分布Ti。采用實時溫度分布對測壓點壓力進行溫度補償，有效補償溫度影響，提高測壓精度。而毛細管測壓技術與分布式光纖溫度傳感器的結合使用也是這兩項技術結合之首創。

圖8 壓力計算方法的溫度補償

2)集群式毛細管監測系統

效果示意如圖9所示。可實現多井同時檢測，共用一套地面設備和數據采集控制系統，形成集群式毛細管監測系統，節省成本的同時利于管理。目前最高紀錄該系統可同時監測32口井的壓力。效果示意如圖9所示：

圖9 集群式毛細管監測系統示意圖

該集群式毛細管測壓系統目前應用極為廣泛，舉例如下：

a）中海油天津分公司

用于該油田大斜度井和水平井，單套地面系統同時控制多井，安裝深度約2000米，溫度約90度。

b）冀東灘海油田

用于該油田高產自噴探井和試采井，安裝深度約4000米，溫度約150度。

c）新疆油田

用于該油田注蒸汽熱采井，深度1000～5000米，蒸汽溫度約400度。

五、永久式壓力監測橫向對比

1.裝置特點

1)電子壓力傳感系統

該技術已經非常成熟。具有以下特點：

a）測量范圍大，測量精度高，可滿足油氣井不停產進行測試的要求。

b）測量速度快，可實時獲得井底壓力、溫度等數據。

c）組成電子元件繁多，結構復雜，抗干擾能力較弱，使用壽命短。地下設備過多的組成元件，難以適應井下相對復雜惡劣的環境，使用壽命短并且電子傳感器的價格昂貴，極易損壞。這極大地限制了它在油田的應用和發展。

2)光纖式壓力溫度監測系統

該技術為目前發展最為迅速的監測方式，具有以下特點：

a）以光作為傳輸信號，基本不受電磁場的干擾，長期漂移小。

b）光纖傳感器通過鎧裝特殊材料工藝處理，井下無電子設備，適用極高溫度環境。

c）光纖傳感器橫截面小，縱截面低，方便井下安置。

d）光纖和光纖接頭在井中易損壞，光纖傳感器與流體接觸極易改變特性，傳感器性能的穩定性有待提高。

e）光在光纖中傳播會有一定損耗，尤其在接頭和接觸點處的損耗較大，影響測量精確度。

f）光纖傳感器具有易碎的特點，一部分光纖傳感器在井下安裝不久就不能正常工作。光纖傳感器和光纖的堅固耐用性能，有待提高。

3)毛細管監測系統

該技術已相對成熟，國際國內產品頗多，成熟的技術可確保產品的不斷優化，對于監測系統運行過程中出現的故障問題等具有較強的解決處理能力，具有以下特點：

a）測試精度高，其分辨率達到0.001MPa，適用于直井、斜井、稠油熱采井的單層測試和分層測試，可在不停產條件下進行測試。

b）井下部分結構簡單，無電器元件，無密封膠圈，不易損壞，耐高溫，使用壽命長，工作性能可靠。

c）壓力傳感器及其它電子元件置于地面，不受井下惡劣環境的影響，并可以隨時在地面進行校驗或維修。

d）可實現多井同時檢測，共用一套地面設備和數據采集控制系統，形成集群式毛細管監測系統，節省成本的同時利于管理。

e）可結合分布式光纖測溫技術實現井下溫度的實時監測以及壓力計算方法的溫度補償，提高井底壓力計算精度。

2.成本投入

整套電子式裝置價格一般在20萬左右，毛細管式測壓系統國外引進費用在70萬元左右，而國產裝置性能也很完善，像勝利油田采油研究院的PS-60毛細管監測系統，目前的應用極為廣泛，與國外同類產品相比，質量相同，價格較低，而且具有方便、良好的售后服務。若可實現集群式毛細管監測系統，共用地面設備則可更節省成本。光纖式壓力溫度監測系統的成本過高，單套裝置目前文96儲氣庫所采用的weatherford公司的產品為197萬元，從其工具清單，可看出目前關鍵技術和部件均為國外生產

表1 weatherford光學壓力溫度監測系統部件產地清單

3.失效情況

失效情況即監測系統隨生產管柱入井后，可能會喪失工作能力無法正常使用的一些情況。表2是對這三種測壓技術失效情況總結：

4.使用經驗

電子式始于20世紀六七十年代，毛細管測壓技術是上世紀80年代由美國Pruett公司首創，國內產品的首次研制投運是在1998年勝利油田，該裝置投運后一直運行良好。世界上第一口光纖式智能測井僅在2002年挪威海游投運，而國內技術的首次實施始于2008年底山東科學院與勝利油田的合作，雖打破了國際壟斷，但技術存在諸多問題，進一步性能提高還需努力。

表2 三大監測系統失效情況對比表

5.目前最長運行時間

查閱相關資料統計顯示，這三大監測技術均有相應的應用歷史，統計各系統目前最長的運行時間如下表：

表3 三大監測系統目前最長運行時間對比

六、總結與建議

表4 三大系統綜合對比效果表

實時的井下壓力溫度監測是確保儲氣庫安全運行的有力保障，根據生產實際配備合適的裝置是必不可少的。結合裝置的性能指標、成本投入、適應經驗、失效情況、運行時間等的綜合考慮，綜合對比各永久式監測技術的優缺點，由表4所示，建議在儲氣庫永久測壓時予以考慮使用性價比高、維護優越、使用經驗豐富等優勢較高的毛細管監測系統。

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