分布式光纖傳感器在油田水井注入剖面監測中的應用

李 明，彭振洲，孫志偉，何昌邦，宋 聰，李 娜，董建國

(1.石油化工股份有限公司勝利油田分公司 石油工程技術研究院，山東東營 257000； 2.武漢光谷航天三江激光產業技術研究院有限公司，武漢 430000)

油田開采過程中采用水井注水驅油，可有效提高油田產量。對注水剖面的監測和水驅效果的評估一直是油田關注的重點之一。但目前對注水井的監測和調節采用定期測調方式,周期通常為幾個月,在此時間跨度內，注水情況是未知的[1]。

為了測試注入剖面情況，油田常使用的幾種注入剖面測井方法，包括同位素示蹤注入剖面測井、流量計測井、脈沖中子氧活化測井。但目前這些測試方法對井下不同注水結構的適應性不同，且測試施工難度較大，測試周期長，有些測試方法用到放射性元素，有一定污染和危險性。

光纖傳感器具有體積小、抗電磁干擾、抗腐蝕、可實現分布式、實時在線、永久性監測等特點[2]，近年來光纖傳感在油田逐漸開始應用推廣[3]。光纖傳感分為點式傳感器和分布式傳感器兩大類，點式光纖傳感器種類繁多，能檢測各類物理量，測量精度高[4]；分布式光纖傳感器利用光纖作為傳感元件，光纖上任何一點既是傳感單元又是信息傳輸通道，因而可獲得被測量沿此光纖在空間和時間上變化的分布信息[5]。

本文利用DTS和DAS在油田開展了水井注入剖面監測,為油田注入剖面監測引入新的測試儀器和方法。采用分布式光纖傳感系統監測注入剖面，只需要下一根光纜到井下，施工簡單快捷，無污染無危險性，可實現實時動態監測。

1 分布式光纖傳感原理

光時域反射(OTDR)技術是實現分布式光纖傳感的關鍵技術，其基本原理是光纖中的光向前傳輸時不斷發生后向散射[6]，后向散射光傳播的距離與其所需的時間成正比。利用探測器檢測后向散射光在某時刻的光強，并記錄激光器從出光到采集時刻的時間差，可得到光纖上各處的后向散射光強。采用OTDR技術，可實現對沿光纖線路監測問題點的定位[7]。

光在光纖中傳播的同時產生的后向散射光分為瑞利散射、布里淵散射和喇曼散射三種[8]。后向散射光的分布情況，如圖1所示。

圖1 后向散射光分布圖

圖1中，喇曼散射包含斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)兩個部分，斯托克斯光的頻率比原始入射光大，反斯托克斯光的頻率比原始入射光的小。反斯托克斯光對溫度較敏感，當光纖的溫度上升時，反斯托克斯光的強度也增加。利用此特點，可以測量光纖的溫度變化情況[9]。瑞利散射的波長與入射光波長相同，當光纖收到振動時，后向瑞利散射光的強度及相位會產生變化，利用此特點，可以通過檢測后向瑞利散射光的相位和強度變化來探測光纖的擾動情況[10]。

1.1 分布式光纖測溫原理

當光在光纖中傳輸時，由于與光纖中的分子、雜質及不均勻性物質等相互作用發生散射。其中的喇曼散射是由于光纖中分子的熱振動與光子相互作用發生能量交換而產生[11]。

光纖中輸入光的波長為λ0，后向散射光中波長為λs=λ0+Δλ的光為斯托克斯光,波長為λa=λ0-Δλ的光為反斯托克斯光。由拉曼散射理論可知，反斯托克斯光的功率Pa(T)與斯托克斯光的功率Ps(T)之間的比值與溫度相關[12]，計算方法如公式(1)所示:

(1)

式中：λs為斯托克斯光的波長，λa為反斯托克斯光的波長，Δγ為偏移波數，h為普朗克常數,T為絕對溫度，c為真空中的光速，k為波爾茲曼常數。

式(1)的意義是，在光的波長一定的情況下，R(T)的值只與后向散射光產生處的絕對溫度T和某些物理常數相關，所以可以用R(T)測量光纖上的溫度。通過探測光纖上各處后向斯托克斯光和反斯托克斯光的光強度，通過兩個光強的比值計算光纖各處的溫度，實現溫度測量[13]。

1.2 分布式聲波/振動傳感原理

當光纖收到振動影響時，光纖中的后向瑞利散射光強度和相位發生變化。采用光強度探測時，設光纖上某點為Z，該處距光纖入射端長度為x，此處光功率如公式(2)所示[14]:

(2)

式中：p0為初始光功率，a0(x)為前向衰減系數。

Z處后向散射光傳輸回入射端，被探測到的功率如公式(3)所示：

(3)

式中：kr為器件損耗乘積因子，kr≈0.5；S(x)為光纖在Z處的后向散射系數；ab(x)為光纖后向散射的衰減系數。

當Z處有振動發生時，S(x)會隨振動的變化發生變化，記為S(x,t)。后向散射光傳輸回光纖入射端的強度也產生變化。將式(2)代入式(3)得到公式(4)：

(4)

根據公式(4),在光纖入射端測量后向散射光隨時間的變化的情況，可以獲得光纖上各點隨時間變化的振動情況[15]。

2 注水剖面監測情況及分析

2.1 光纖傳感注水剖面監測的理論模型及實施情況

利用DTS監測注入剖面的理論模型是：在注水過程中觀察井溫變化情況，通過井溫變化的斜率評估井筒內的水流速度，以此評估輸入地層的水流量。利用DAS測注入剖面的理論模型是：對于籠統注水井，水通過射孔流入地層的速度越快，產生的振動聲音越大，反映到DAS監測界面上的振動信號就越強，地層越厚，DAS監測界面上的振動區間就越寬。通過對振動強度和范圍的綜合分析，可評估各層段的注入量。對于分層配注井，各層段均裝有配水器，水流過配水器的流量越大，產生的振動越強烈，反映到DAS監測界面上的振動信號越強。通過各層段注水振動強度關系，結合總注入量，分析各層實際輸入量。

運用DTS和DAS在大慶油田XXX井開展中高壓注入井注入剖面監測試驗。該井日注入量約300 m3，井下1 000 m～1 180 m有6個注入層，光纜懸掛配重從油管內下井，監測過程如下：

1)光纜下井深度1 182 m；

2)0 min啟動設備，采集開井前的數據

3)50 min開始注水，注水量約300 m3/d；

4)130 min減小注水量至約250 m3/d；

5)150 min減小注水量至約200 m3/d；

6)160 min減小注水量至約100 m3/d；

7)180 min停止注水，開啟井口溢流；

8)300 min小流量注水。

2.2 數據處理及分析

DTS測試所得井溫情況如圖2、圖3所示。

圖2 測試井溫二維圖

圖3 測試井溫三維圖

由圖2、圖3可見，0～50 min時間段內，在關井狀態下，井下0～1 000 m溫度逐漸上升，溫度曲線接近地溫梯度，井下1 000 m以后因存在注入層，受地層溫度影響，1 000 m以下不同層段的溫度呈現高低變化。

50 min時刻，開始注水，可清晰的看到0～500 m井段的低溫水迅速向井底流動，同時在流動過程中逐漸升溫，溫度變化在深度和時間方向上形成一條顯著的斜線。900～1 000 m井段內的高溫水向井底流動，溫度變化在深度和時間方向形成一條微微彎曲的斜線，其斜率小于冷水溫度的斜率，且深度越深斜率越低，1 100 m以后斜率顯著降低。說明1 000 m以下的井筒內水流速度逐漸減小，其原因是井筒內的水注入各個地層，導致井筒內水流量減少，注入地層的水越多，該地層后續井段內的水流速就越低，因此溫度變化斜率就越低。

180 min停止注水，開啟井口溢流后高溫地層液進入井內，井下溫度迅速上升，1 000 m以下井段溫度在深度方向上形成數條橫線，橫線位置與井下地址位置基本對應，說明各地層溫度不同。

300 min小流量注水，井口的冷水下行，900 m以下的熱水下行，其溫度變化斜率與50 min時刻基本相同。

DAS測試數據如圖4所示，分別截取了各測試時間段內5 min的數據，繪制二維圖，X軸為從井口到井底的深度，Y軸為時間。圖中藍色為底色，當在某個深度某個時刻發生振動時，該處出現淺色亮點，亮點越多越密集說明該處振動越強烈。

圖4 測試過程DAS圖像

根據圖4測試數據可知，在關井狀態下，井下基本無振動。當開始注水時，因注入量大，井下產生強烈振動。特別在井下1 000 m之后因安裝有多個配水器，水經過配水器后產生劇烈振動。當調低注入量后，井下振動情況隨之減小。

截取井下1 000～1 200 m的數據，進行頻域和時域分析如圖5所示。振動時域圖中X軸為深度，Y軸為時間，顏色從藍到紅為振動強度逐漸升高。振動頻域圖中X軸為深度，Y軸為頻率，顏色從藍到紅為振動強度逐漸升高。

圖5 注水時井下1 000～1 200 m的振動圖像

由圖5可見井下1 000 m后有多處井段持續振動，但也存在部分井段偶發性振動。其中1 100 m之后的井段有三處振動較強，且振動頻率集中在低頻部分，而1 100 m之前的井段有多處振動較弱，且頻率集中在100～200 Hz，頻率比1 100 m之后的井段高。與油田技術人員核實1 000～1 100 m有3個配水器，設置流量較小。1 100 m之后有3個配水器，設置流量較大。結合圖5可得，配水器設置流量小時，產生的振動強度較弱，但振動頻率較高；配水器設置流量大時，產生的振動強度大，但頻率較低。

為了更清晰的辨別振動持續產生的井段，濾除偶發性振動，采用振動能量分析，綜合考慮振動強度與振動頻率，得到圖6。圖中X軸為深度，Y軸為振動能量。

圖6 根據振動分析出的配水器位置及相對注入量

由圖6可得1 020 m、1 050 m、1 070 m、1 130 m、1 150 m、1 180 m處共6處振動強烈的井段，該6處與實際配水器位置對應。其中1 130 m、1 150 m、1 180 m這 3個注入層段振動強烈，判斷該3層為高注入層。假設實際注入量與振動能量呈線性相關，根據圖6各處振動能量峰值相對高度，其比值約為2.5∶4.2∶2∶10∶21∶12，結合300 m3/d的總注入量，計算各層注入量分別為14.5 m3/d，24.4 m3/d，11.6 m3/d，58 m3/d，121.9 m3/d，69.6 m3/d。其中1 070 m和1 150 m層段的注入量與設計資料相差較大，其余各層注入量計算結果與設計資料上相差20%以內。因該井暫未采取其他測試手段進行對比，暫時無法對注入量的定量計算結果進行驗證。但實測各層段的振動能量與配水器的流量設置成正相關，其用于注水剖面的快速定性監測具有實用價值。

3 結論

在注水井注入剖面監測試驗中，利用DTS和DAS聯合監測，快速監測和估算各地層的注入量，使油田方更清晰的了解個井下注水的實際情況，有利于更加合理、精確的配置注水參數，使注水效果更優。