連續(xù)油管光纖測井技術(shù)在產(chǎn)氣剖面中的應(yīng)用

劉建成,段銀鹿,溫柔,鄭小敏,裴陽,杜旭

(中國石油集團測井有限公司生產(chǎn)測井中心,陜西西安710077)

0 引 言

近年來,以“三低”油氣藏著稱的長慶氣田水平井?dāng)?shù)量逐年增加,常規(guī)水平井產(chǎn)氣剖面測井受井筒通徑、出砂、軌跡等因素制約,容易遇阻遇卡,特別是流量計容易出現(xiàn)啟動困難和轉(zhuǎn)動失效等現(xiàn)象。目前,利用光纖測井技術(shù)評價產(chǎn)氣剖面是研究熱點,董杰[1]通過一套基于分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)(DAS)技術(shù)的水下聲波測量系統(tǒng),證實了DAS技術(shù)能夠?qū)崟r快速地實現(xiàn)多個聲波信息的定量測量。張向林等[2]提出利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng),對光纖所在的溫度場進行實時測量,分布式結(jié)構(gòu)使該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時快速多點測量。本文利用連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測井技術(shù),采用分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)(DTS)和分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)(DAS)模式,有效解決低滲透油田間歇產(chǎn)出對測井的影響,實現(xiàn)整個產(chǎn)層全覆蓋實時測量,對井筒內(nèi)流體溫度、壓力和流量分布連續(xù)記錄。采集的資料更加精準詳實和全面,有利于下一步分析油氣藏和產(chǎn)層信息,優(yōu)化氣井生產(chǎn)工藝、指導(dǎo)采氣生產(chǎn)[3-5]。

1 連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測井原理

連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測井將測井儀器連接在連續(xù)油管頂端,油管內(nèi)部穿有光纖,在上提或下放連續(xù)油管的同時帶動儀器完成全井段測試。該儀器包括分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)和分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng),具有儀器輸送動力大、操作方便、成功率高等特點。

1.1 分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖溫度傳感器基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象溫度特性,利用光時域反射測試技術(shù),通過光纖傳送較高功率窄帶光脈沖信號,探測隨時間的變化返回的散射光強,得出整個光纖長度上的溫度剖面[5]。分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)由地面計算機、DTS問答機和高溫溫度監(jiān)測光纖構(gòu)成。入射端發(fā)出略低于真空光速的一束向前傳播的脈沖光,并向周圍發(fā)射散射光,散射光中的一部分沿光纖返回至入射端,反射回入射端的反射光中,有一種反射光為拉曼散射光。它具有2種頻率成分:斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光。其中斯托克斯光與溫度無關(guān),而反斯托克斯光的強度會隨著溫度的變化而變化。通過實測這2種光強度之比可計算出絕對溫度值。將1條光纖分為等間距的多個區(qū)域,對各個區(qū)域的拉曼散射光信號精細處理,可完成整個光纖等間距的分布式井溫測量。

1.2 分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)

分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)利用光纖對聲波(振動)敏感性特性,當(dāng)傳感光纖感應(yīng)到外界振動時,光纖的折射率、相位及長度將會產(chǎn)生微小的變化,使光強產(chǎn)生變化,由此確定每米光纖上的聲波幅度,從而確定各層的產(chǎn)量。

單個脈沖周期內(nèi),參考光纖后向瑞利散射光一維脈沖響應(yīng)模型[6-8],假如有一束頻率為f的矩形脈沖入射光,脈沖寬為ω,同時假設(shè)該入射光相干時間與脈沖寬ω相比無限大。那么在時間t=0時將此光脈沖發(fā)射進入光纖內(nèi),在光纖輸入端獲得后向瑞利散射光er(t),其振幅可表示為[9]

(1)

式中,ai和τi分別為第i個散射波振幅與時間的延遲,單位分別為dB和s;N為設(shè)定的散射個數(shù);當(dāng)[t-τi]/ω≤1時,矩形函數(shù)rect[(t-τi)/ω]值為1,否則為0。時間延遲τi與從輸入端至第i個散射光纖長度li(單位為m)的關(guān)系表示為τi=(2nfli)/c;c為真空光速,m/s;nf為光纖的折射率。任意時刻接收到的最終干涉光強為

(2)

式中,Δφij=4πfnf(li-lj)/c。干涉光強含有聲信號引起的相位差φij。只需要解調(diào)φij,就能夠定量且精準地恢復(fù)聲源信號幅度、相位及頻率等信息。

2 模型建立及流量求取

2.1 穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模型及蒙特卡洛法非線性反演

本文使用一維熱力學(xué)模型模擬井筒生產(chǎn)段在穩(wěn)態(tài)下的溫度響應(yīng)。模型建立有2個基本假設(shè):生產(chǎn)流體為單相氣態(tài),溫度響應(yīng)為穩(wěn)態(tài),也就是模型中dT/dt項為0。

如考慮井筒熱力學(xué)模型計算網(wǎng)格的1個格點,設(shè)x為井筒軸向坐標,當(dāng)前格點的長度為Δx的1個小量;設(shè)穩(wěn)定生產(chǎn)時井口總產(chǎn)量的流體速度為v,產(chǎn)量積累分布為R(x),即生產(chǎn)段從趾端起R為0,到跟端R為100%;則當(dāng)前格點流入的氣體速度為vR(x),氣體溫度為T(x);設(shè)當(dāng)前格點內(nèi)新增生產(chǎn)流速為vΔR,生產(chǎn)氣體溫度為Tp;設(shè)井筒周圍巖層/油藏溫度為Tf;對當(dāng)前格點建立穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)方程

(3)

式中,U為井壁熱傳導(dǎo)系數(shù),無單位;G為生產(chǎn)流體溫壓系數(shù),℃;dTJT為焦湯效應(yīng)溫差,℃;Tf為井筒周圍的儲層溫度,℃;T為穩(wěn)產(chǎn)中井內(nèi)溫度,℃。式(3)等號左邊為井筒內(nèi)流體在經(jīng)過這一格點后的溫度變化;右邊第1項為井筒熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的溫度變化,第2項為熱對流導(dǎo)致的溫度變化,包括:①格點范圍內(nèi)如有射孔簇生產(chǎn),則油藏中生產(chǎn)流體進入井筒,流體速度增量為vΔR,這部分增量流體溫度在穩(wěn)態(tài)假設(shè)下與井筒周圍巖層/油藏溫度相同;②焦湯效應(yīng),生產(chǎn)氣體通過多孔介質(zhì)由油藏進入井筒,壓力降低,產(chǎn)生冷卻效應(yīng),這對氣體生產(chǎn)一般較為顯著。式(3)等號右邊第3項代表生產(chǎn)流體溫壓關(guān)系,z為當(dāng)前地層深度,當(dāng)水平井水平段深度變化不大,且生產(chǎn)的是氣體時,可以認為這一項是小量。

產(chǎn)氣剖面解釋使用至少2個DTS的溫度測量結(jié)果,一個是井筒周圍的儲層溫度Tf,由關(guān)井一段時間后的基線測量代表;另一個是穩(wěn)產(chǎn)時的井內(nèi)溫度曲線T,即模型反演目標曲線。水平井段模型通常由上千個或更多模型格點構(gòu)成,是一個非線性非常強的高維問題,因此模型反演使用蒙特卡洛方法,隨機產(chǎn)生多個(該項工作使用了1 800個)產(chǎn)氣剖面分布,迭代反演得到最優(yōu)化的產(chǎn)氣剖面解釋。在去除物理上不合理的解之后,仍會有上千個結(jié)果滿足優(yōu)化條件,因此,在之后的結(jié)果展示中,每簇生產(chǎn)貢獻會有1個統(tǒng)計上的均值和標準差。

2.2 生產(chǎn)井井筒熱傳遞模型分析及流量求取

當(dāng)流體從井內(nèi)產(chǎn)出時,井筒溫度與地層溫度會產(chǎn)生偏差,此時上部產(chǎn)層流體溫度高于原始地層溫度。假設(shè)相態(tài)不受深度的微小改變而變化,根據(jù)能量守恒原理,液體損失的熱量與傳送至套管的熱量大致相等,通過地層周圍向套管傳遞的熱傳導(dǎo)速度及地層溫度線隨深度改變的線性關(guān)系,最終得到流體溫度隨著時間t和計算點離流體入口點距離Z的表達式為

(4)

式中,T1為油管內(nèi)流體溫度,℃;Z為計算點離流體入口點的距離,m;TGe為流體入口點地層溫度,℃;gG為地層溫度梯度,℃/m;A為弛豫距離,m;Tef為流體在井筒內(nèi)的溫度,℃;TeG為計算點的地層溫度,℃。

根據(jù)井筒內(nèi)流體溫度的特征,在較為穩(wěn)定的生產(chǎn)層曲線上,以固定深度間隔讀取若干組Z、T1(Z,t)值,以指數(shù)的形式對讀取的數(shù)值進行最小二乘曲線擬合,得到弛豫距離A。具體方法如下。

首先,從某一個深度點開始,在流體入口點以上某段井溫剖面曲線以及相應(yīng)的地溫梯度線上,以一定深度間隔讀取若干組Z、T1(Z,t)值,一直讀取到較為穩(wěn)定的深度為止。由式(4)和最小二乘法擬合1條最佳井溫曲線,該曲線對應(yīng)的馳豫距離A值更具有代表性。求得流量

(5)

式中,Q為某深度點的流量,m3/s;k為井筒中某點流量與地層的熱導(dǎo)率,W/(m·℃);ρf為流體密度,kg/m3;c井內(nèi)流體比熱,J/(kg· ℃);r2為套管外徑,m;α為地層熱擴散率,cm2/s;t為總生產(chǎn)時間,s。該方法要求產(chǎn)層間距離足夠大,漸近線擬合可靠,地層參數(shù)和井內(nèi)流體參數(shù)已知,穩(wěn)產(chǎn)下生產(chǎn)足夠的時間測得。

3 連續(xù)油管光纖測井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

靖XX井為1口采氣井,為了解該井壓裂后各壓裂段產(chǎn)出狀況,采用連續(xù)油管輸送工藝,將光纜下入下入目的層;采用分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)DTS進行全井段連續(xù)實時測量,并用分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)DAS進行測量約束,確定各產(chǎn)層的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水位置。

3.1 基于DTS測量的產(chǎn)氣剖面解釋

圖1為求解產(chǎn)氣剖面使用的2個不同階段下(關(guān)井/穩(wěn)產(chǎn))的全井段DTS溫度瀑布圖。2個階段各自進行了6 h數(shù)據(jù)采集,每20 min采集1條全井溫度曲線。

圖1 全井段DTS溫度瀑布圖

圖2 DTS溫度曲線:關(guān)井-穩(wěn)產(chǎn)

DTS測量在地面設(shè)有恒溫箱模塊,用于校準溫度測量曲線,主要校準參數(shù)為反斯托克斯、斯托克斯雙光路衰減系數(shù)差和測量偏移值。圖2是進行溫度校準后的溫度曲線,青線為關(guān)井溫度基線,即壓裂完井一段時間后關(guān)井測量的井筒水平段穩(wěn)定溫度分布,近似于井筒周圍的儲層溫度;藍線為對關(guān)井溫度基線做空間平滑去噪后得到的曲線;棕線為穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度測量曲線,為開井后生產(chǎn)一段時間產(chǎn)量穩(wěn)定時測量的溫度分布;深棕線為對穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度做空間平滑去噪后得到的曲線。由于連續(xù)油管只下到約4 200 m,可觀測到的各射孔簇深度位置用紅色十字在圖2中標出。

圖2中的2條測量曲線有壓裂作業(yè)后水平井溫度的典型特征:①井筒水平段的實際地層垂深變化很小,可以認為深度變化造成的地層溫度梯度變化可以忽略,因此,2條溫度曲線在水平段的大走勢不像垂直段一樣呈現(xiàn)明顯上升趨勢;②關(guān)井溫度基線上顯示明顯的局部溫度低點,這些低點的位置與壓裂射孔簇位置重合,形成原因是壓裂過程中在射孔附近造縫并注入較冷的壓裂液,造成局部冷卻;③開井穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)一段時間后,如棕線所示,井筒內(nèi)的氣體流動造成的熱對流抹平了大部分青線上的局部溫度低點;然而在3 900 m左右生產(chǎn)溫度曲線有1個驟降。

圖3是對基于DTS測量的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果。圖3中青線為校準后水平段DTS測量的關(guān)井基準線(經(jīng)過時間域平滑處理);黑線為校準后水平段DTS測量的穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線(經(jīng)過時間域平滑處理);各簇射孔位置由藍色十字標出;紅色虛線為熱力學(xué)產(chǎn)氣剖面解釋模型反演得到最優(yōu)化解的預(yù)測穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線。各射孔簇的生產(chǎn)貢獻百分比由柱狀圖給出,這是如前所述蒙特卡羅反演方法的一個特點,結(jié)果由千余個滿足優(yōu)化條件的模型解空間給出,柱狀圖表示給出當(dāng)前簇貢獻百分比的均值,黑色實線標出標準差的誤差線。

3.2 DAS約束下的DTS產(chǎn)氣剖面解釋

分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)DAS利用相干光時域反射測量的基本原理,將相干短脈沖激光信號注入光纖中,當(dāng)外界聲波傳播至光纖時,纖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生微小地改變,導(dǎo)致背向瑞利散射信號的改變,從而改變接收到的反射光強度,通過檢測井下瑞利散射光信號事件前后的強度變化,經(jīng)信號處理后,超低頻的DAS信號可用來觀測微小的溫度變化,以此探測并精準定位監(jiān)測井井下流體事件。

圖3 基于DTS測量的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果

圖4 關(guān)井至開井循環(huán)中由DAS超低頻信號求解出熱段塞流速度

在執(zhí)行關(guān)井至開井的操作序列時,井筒內(nèi)的生產(chǎn)氣體流動會與流經(jīng)的井筒進行熱交換,產(chǎn)生1個以局部氣體流速前進的溫變信號,即1個熱段塞流。通過穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模型及實驗表明,超低頻DAS信號瀑布圖上可以觀測到熱段塞流信號(見圖4中黑色虛線標出的紅色段)。通過測量瀑布圖上熱段塞流的斜率可以得到局部的氣體流速v。

3次關(guān)井至開井序列中,4 100、4 011和3 845 m附近的熱段塞流速度在3～11 cm/s各不相同,但每次觀測中這三者之間的比例基本保持不變;在4 000 m以下的熱段塞流速度與3 845 m附近的熱段塞流速度相差較大,后者約為前者的1.7倍,這與使用DTS測量得出的產(chǎn)氣剖面結(jié)果中,3 900 m左右的6段2簇是1個主要的生產(chǎn)貢獻簇的結(jié)論相符合。

假設(shè)穩(wěn)產(chǎn)與關(guān)井至開井序列的測量中,各生產(chǎn)簇的貢獻比例保持不變(基于油藏儲層的線性響應(yīng)假設(shè)),那么超低頻DAS測量得出的各熱段塞流速度之比可以作為基于DTS測量的產(chǎn)氣剖面模型的有效約束。

圖5是受到超低頻DAS熱段塞流速度約束的基于DTS測量得到的產(chǎn)氣剖面模型結(jié)果。圖5中青線為校準后水平段DTS測量的關(guān)井基準線(經(jīng)過時間域平滑處理);黑線為校準后水平段DTS測量的穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線(經(jīng)過時間域平滑處理);各簇射孔位置由藍色十字標出;紅色虛線為熱力學(xué)產(chǎn)氣剖面解釋模型反演得到最優(yōu)化解的預(yù)測穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)溫度曲線。

圖5 受到超低頻DAS熱段塞流速度約束的基于DTS測量的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果

表1對比了使用和不使用DAS約束的2種產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果。各射孔簇的生產(chǎn)貢獻以百分比表示。95%置信區(qū)間表示在使用蒙特卡洛方法反演的超過1 000個模型優(yōu)化結(jié)果中,當(dāng)前簇的生產(chǎn)貢獻有95%的可能落在這個區(qū)間內(nèi)。由于連續(xù)油管僅下到井深4 200 m,沒有對S1～S4段溫度的直接觀測,因此,S1～S4段的生產(chǎn)貢獻為1個模型反演的估算值,估計占總產(chǎn)量的30%。第6段第2簇貢獻了總產(chǎn)量的32%～40%左右,其余的所有簇貢獻總和僅為30%左右。

表1 靖XX井有無使用DAS約束的產(chǎn)氣剖面解釋結(jié)果對比表

從模型結(jié)果中可知:①在超低頻DAS熱段塞流速度的約束下,連續(xù)油管底部DTS未觀測到的4段生產(chǎn)總量估算由30%上升至45%,說明趾端方向前4段各簇生產(chǎn)量較預(yù)想更大;②除去S1～S4段以外,S6C2簇的生產(chǎn)貢獻占總百分比的的23%～25%,與初步結(jié)果雖有出入,但S6C2簇是連續(xù)油管觀測到的主要生產(chǎn)簇這一結(jié)論不變;③從置信區(qū)間看,使用DAS約束的結(jié)果收斂情況要明顯低于未約束的初步結(jié)果(誤差線變窄)。

4 測試結(jié)果可靠性分析

產(chǎn)氣剖面解釋得到,S6段生產(chǎn)貢獻較大(24%),S1～S4段總生產(chǎn)貢獻較大(45%),但由于連續(xù)油管未探底測量無法得到各段產(chǎn)量。由圖6可見,S3、S6、S9這3段在壓裂過程中破裂壓力顯示明顯(油壓壓差>15 MPa),其余壓裂段均未觀察到較大壓降,說明這3段壓裂裂縫規(guī)模較大;其中S3段可能是S1～S4段中的主要貢獻產(chǎn)出段,S6段壓裂施工曲線與該段生產(chǎn)貢獻吻合,相比之下,S9段的壓裂曲線雖然也有類似的壓降反應(yīng),但可以注意到在加砂不到1/3的時候壓力迅速回升,表明可能發(fā)生了砂堵;解堵之后壓力仍維持在較高水平,說明砂堵問題未完全解決,這可能是S9段生產(chǎn)表現(xiàn)劣于S6段與S3段的原因。

圖6 壓裂泵注曲線與產(chǎn)氣剖面相對照

5 結(jié) 論

(1)使用分布式聲波監(jiān)測系統(tǒng)DAS的超低頻信號觀測關(guān)井至開井序列,可觀察到明顯的區(qū)域熱段塞流信號;用熱段塞流速度比例對基于分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)DTS測量的產(chǎn)氣剖面模型進行約束,可以更準確地估算連續(xù)油管下端未觀測到的S1～S4段的總生產(chǎn)貢獻,并改善模型收斂情況。

(2)連續(xù)油管光纖產(chǎn)氣剖面測試能得到各射孔簇產(chǎn)氣貢獻量,通過與壓裂施工曲線進行對比,產(chǎn)氣剖面解釋與壓裂情況分析相吻合,測試精度高,解釋成果可靠,能夠有效評價各級壓裂效果。