水平井套內(nèi)分布式光纖產(chǎn)液剖面監(jiān)測試驗研究

李大建 劉廣勝 杜向前 楊文飛 張紅崗

(1.長慶油田分公司油氣工藝研究院 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室 3.長慶油田分公司第三采油廠 4.長慶油田分公司第九采油廠)

0 引 言

水平井產(chǎn)液剖面的準(zhǔn)確監(jiān)測，對于低滲透油田水平井壓裂改造參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、提升儲層改造效果，以及后期水平井開發(fā)過程中生產(chǎn)動態(tài)調(diào)整、措施實施具有重要的指導(dǎo)意義，在油田開發(fā)中是一項重要的測井內(nèi)容[1]。但對于低滲透油田，普遍表現(xiàn)出開發(fā)水平井井口液量低的現(xiàn)象。常規(guī)的集流傘式測井儀、陣列渦輪持率測井儀(MAPS)以及井筒流體掃描成像測井儀(FSI)測井易受井筒復(fù)雜井況、低流量的限制?，F(xiàn)場實踐表明，測試儀器遇卡遇阻現(xiàn)象普遍，且響應(yīng)信號微弱，無法實現(xiàn)水平井產(chǎn)液剖面的準(zhǔn)確測試[2-3]。

光纖作為一種集傳感器、信息傳輸介質(zhì)為一體的特殊材料，近年來在油氣井測井技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮出越來越重要的作用，是油氣井測井新的技術(shù)發(fā)展方向[4]。采用連續(xù)管布放光纖方式，已經(jīng)成功實現(xiàn)氣田水平井產(chǎn)氣剖面測試與解釋，例如：徐幫才[5]利用連續(xù)管光纖在涪陵頁巖氣井成功開展了產(chǎn)氣剖面測試試驗，清晰地找出了主力產(chǎn)層；胡艷芳[6]報道了中國石化集團公司實現(xiàn)了產(chǎn)氣剖面的光纖測試；楚華杰等[7]用光纖作為傳感器實現(xiàn)了水平井產(chǎn)層段溫度壓力的監(jiān)測。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在油田水平井的應(yīng)用案例相對較少，主要應(yīng)用于油井壓裂過程監(jiān)控，通過分布式光纖DAS、DTS監(jiān)測實現(xiàn)對壓裂過程中可視化連續(xù)監(jiān)測，用于指導(dǎo)壓裂改造參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及過程控制[8]。近年來分布式光纖監(jiān)測技術(shù)逐步應(yīng)用于油氣田測井[9]，其中產(chǎn)液剖面測試是一個重要的方向。但前期試驗研究主要用于高液量井產(chǎn)液剖面測試，低液量水平井產(chǎn)液剖面測試的成功案例相對較少，主要技術(shù)難點在于：①低液量水平井采用機械采油方式，油井生產(chǎn)過程中同步進行產(chǎn)液監(jiān)測，分布式光纖布放存在較大挑戰(zhàn)；②井口穿越難度大；③低液量條件下層段產(chǎn)出量小，溫度變化微弱，產(chǎn)出解釋難度大。

針對超低滲透油田開發(fā)水平井機采生產(chǎn)現(xiàn)狀，設(shè)計了套管內(nèi)普通油管外置分布式光纖產(chǎn)液剖面監(jiān)測工藝管柱，可滿足機采油井生產(chǎn)與測試同步要求；設(shè)計加工了光纜穿越井口的關(guān)鍵工具，解決了光纖穿越井口密封難題；研制專用油管外置光纜保護卡子，確保了工藝管柱起下鉆過程中光纜的保護以及成功布放。工藝配套后，在低滲透油田某口水平井上試驗成功，完成對產(chǎn)層段溫度剖面的實時連續(xù)監(jiān)測，并通過溫度剖面監(jiān)測產(chǎn)出解釋數(shù)學(xué)模型算法，定量反演解釋出各產(chǎn)層段產(chǎn)出特征，間接實現(xiàn)油井產(chǎn)液剖面的測試，可為低液量水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測提供新的技術(shù)手段。

1 剖面監(jiān)測與反演解釋原理

光纖監(jiān)測的原理主要是向光纖內(nèi)打入高頻脈沖激光，激光沿光纖傳播過程中，因環(huán)境溫度、壓力、震動的微弱變化，干涉激光向前傳播，從而沿光纖反向產(chǎn)生不同類型的散射光波，如圖1所示。

圖1 分布式光纖溫度監(jiān)測原理圖示Fig.1 Schematic diagram for temperature monitoring principle of distributed optical fiber

散射光波主要分為拉曼散射、瑞利散射和布里淵散射。其中在拉曼散射中產(chǎn)生的斯托克斯、反斯托克斯光波對環(huán)境溫度影響敏感，通過對斯托克斯與反斯托克斯光波強度比值的解析，實現(xiàn)光纖展布空間內(nèi)不同位置環(huán)境溫度的連續(xù)監(jiān)測解釋，形成不同時間階段內(nèi)光纖展布空間上的溫度剖面，從而了解引起不同位置上溫度變化的事件及演變過程。

把光纖布放到油氣井井筒內(nèi)，就可以實現(xiàn)對整個井筒內(nèi)不同位置溫度時空域維度上的連續(xù)監(jiān)測，形成井筒在不同生產(chǎn)制度條件下的溫度剖面。針對具體某一口井，引起井筒溫度剖面變化的主要因素是產(chǎn)層產(chǎn)出、井筒流動、地溫梯度、井眼軌跡、油藏物性參數(shù)以及井筒內(nèi)、井筒與儲層間發(fā)生的熱交換(焦耳-湯姆孫效應(yīng))。從油藏滲流和井筒流動及熱力學(xué)機理出發(fā)，基于質(zhì)量、動量及能量守恒原理，考慮微熱效應(yīng)(熱膨脹、熱傳導(dǎo)、熱對流、黏性耗散等)和地層傷害的影響，描述油藏和井筒內(nèi)的傳熱過程，建立考慮地層和井筒溫度變化的多相流水平井溫度模型。通過求解該模型，分析流入流體類型、儲層滲透率、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、井眼軌跡及完井方式等因素對溫度分布的影響規(guī)律，從而解釋反演產(chǎn)層段產(chǎn)液剖面，定量反映各產(chǎn)層段產(chǎn)出能力和產(chǎn)出特征[10-12]。為了使解釋模型算法能夠滿足低滲透油田水平井產(chǎn)出剖面，在數(shù)值建模時重點考慮低滲透油藏裂縫-基質(zhì)雙重介質(zhì)非均質(zhì)性儲層滲流以及人造裂縫向井筒流動的規(guī)律特征，以區(qū)別常規(guī)光纖監(jiān)測產(chǎn)液剖面解釋模型算法。

2 工藝管柱設(shè)計與關(guān)鍵工具研發(fā)

2.1 分布式光纖監(jiān)測管柱

針對采用抽油機有桿泵方式生產(chǎn)的低液量水平井，為了實現(xiàn)在生產(chǎn)狀態(tài)下井筒光纖布放和連續(xù)溫度監(jiān)測，提出了套管內(nèi)采用普通油管外置分布式光纖的布放方式。在不影響油井正常生產(chǎn)的前提條件下，完成井筒內(nèi)不同時段溫度監(jiān)測解釋，設(shè)計形成了機采井套內(nèi)分布式光纖監(jiān)測工藝管柱(見圖2)。

圖2 光纖產(chǎn)液剖面測試工藝管柱Fig.2 Fluid producing profile test process string of optical fiber

2.2 關(guān)鍵工具研發(fā)

為了保障測試管柱能夠順利下到設(shè)定位置、增強測試管柱在復(fù)雜井眼內(nèi)的通過性，在?139.7 mm套管井筒內(nèi)，直井段設(shè)計為常用的?73.0 mm普通油管，并根據(jù)油井垂深情況，合理優(yōu)化油管鋼級(J55、P110類型油管)，以滿足油管抗拉強度；水平井段設(shè)計為?60.3 mm普通油管，從而減小油管外徑，增強水平井段的通過性能。另外，光纖采用鎧裝光纜、電纜的形式，提高了工藝管柱下井過程中的抗磨損和抗擠壓能力。

光纜保護卡子：設(shè)計了鎧裝光纜專用保護固定卡子，外徑100 mm，長度230 mm，卡子端部進行倒角處理，內(nèi)設(shè)光纜、電纜卡槽。在每一根油管接箍處進行固定保護，確保光纜、電纜固定牢靠，防止井筒彎曲變形遇阻，如圖3所示。

圖3 光纜固定卡子及穿越井口實物照片F(xiàn)ig.3 Photos of fixing clip and crossing wellhead of optical cable

穿越井口：依據(jù)井口法蘭盤尺寸要求，研發(fā)了專用光纜、電纜穿越井口，端部采用多道密封圈設(shè)計，在滿足井口光纜、電纜穿越的同時，有效保障了密封。

3 產(chǎn)液剖面解釋模型算法建立

3.1 產(chǎn)液剖面解釋機理

井筒溫度受到生產(chǎn)壓差的影響而發(fā)生變化，即焦耳-湯姆孫效應(yīng)。壓力與溫度間存在函數(shù)關(guān)系，溫度異常值的大小與壓降值呈正比例關(guān)系，氣相表現(xiàn)為降溫效應(yīng)，液相表現(xiàn)為升溫效應(yīng)。井底溫壓條件下有多相產(chǎn)出時，由于不同相流體熱物理性質(zhì)存在較大差異，導(dǎo)致不同相流體的焦耳-湯姆孫系數(shù)存在較大差別，從而引起產(chǎn)層段不同比例多相流體產(chǎn)出、流動時，在井筒內(nèi)呈現(xiàn)不同的溫度響應(yīng)特征；多相流體的比熱容、熱傳導(dǎo)率及密度等屬性決定了井筒溫度響應(yīng)特征變化與影響程度大小。綜上所述，建立井筒能量守恒偏微分方程，通過方程求解，依據(jù)產(chǎn)層段的溫度差異解析產(chǎn)出類型與產(chǎn)出能力。

3.2 解釋模型算法建立

建立考慮井筒與油藏間熱量守恒的單井井筒熱物理模型，以質(zhì)量守恒、熱焓守恒、DFA測量溫度、井筒壓力及井筒流型變化為限制條件，采用全微分迭代算法求解得到單井生產(chǎn)剖面的分布，明確產(chǎn)層段不同相流體的產(chǎn)出速率及產(chǎn)出強度，從而解決產(chǎn)液剖面解釋問題。

創(chuàng)新建立基于裂縫-基質(zhì)的雙重介質(zhì)油藏、井筒耦合的能量守恒偏微分方程，相對于常規(guī)分布式光纖溫度監(jiān)測解釋模型算法，滿足了低滲透多段壓裂水平井產(chǎn)液剖面解釋要求。

油藏-井筒耦合能量守恒偏微分方程：

(1)

式中：z為井深，m；T為井筒溫度，℃；TR為地溫梯度，℃/m；p為井筒壓力，MPa；pR為油藏壓力，MPa；g為重力加速度常數(shù)，9.8 m/s2；θ為井斜角，(°)；U為井筒與地層間有效熱傳導(dǎo)率，W/(m·℃)；i為相態(tài)；Qi為第i相流量，m3/d；Qpi為pi相的流量，m3/d；QrG為井筒自由氣流量，m3/d；ρG為井筒自由氣密度，kg/m3；QprG為地層自由氣流量，m3/d；ρi為相密度，kg/m3；Cpi為相比熱容，J/(kg·℃)；ηi為相焦耳-湯姆孫系數(shù)，℃/MPa；HvG為汽化潛熱系數(shù)，J/(kg·m)；vi為相流速，m/s。

水平井產(chǎn)層段溫度剖面受到儲層物性影響明顯：儲層導(dǎo)熱系數(shù)越大，井筒溫度剖面越高；隨著儲層導(dǎo)熱系數(shù)增大、巖石傳熱效率提高，傳導(dǎo)和傳遞的熱量增加，引起溫度剖面持續(xù)升高；儲層導(dǎo)流能力增加，溫度剖面整體降低，但變化相對較小。

產(chǎn)層段產(chǎn)水時，根據(jù)層段產(chǎn)水類型不同引起井筒溫度剖面發(fā)生變化：產(chǎn)層段產(chǎn)地層水時主要表現(xiàn)為溫升，產(chǎn)層段產(chǎn)注入水時表現(xiàn)為溫降；產(chǎn)層段產(chǎn)水量增加引起井筒壓降增加，加劇焦耳-湯姆孫效應(yīng)與摩擦生熱效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)水層段位置溫度降低；產(chǎn)水量越大，產(chǎn)水層段位置的溫度降低越明顯，據(jù)此，可實現(xiàn)對產(chǎn)水層段位置的初步確定。

以上方程求解計算步驟多、過程復(fù)雜、工作量大，主要采用編程微分計算求解方式進行解釋分析，在此省略求解過程。

4 礦場試驗與產(chǎn)剖解釋

4.1 試驗井概況

木平*井為鄂爾多斯盆地馬嶺油田三疊系長8油藏中的一口水平井，具體參數(shù)如表1所示。

表1 木平*井參數(shù)Table 1 Parameters of Well Muping *

油藏構(gòu)造形態(tài)為西傾單斜，地層傾角為0.5°～0.7°，局部存在微弱鼻狀構(gòu)造，對油氣富集起到一定的控制作用。長8儲層屬于淺水三角洲前緣亞相沉積環(huán)境，儲層巖性為灰綠色、褐灰色中-細(xì)粒巖屑質(zhì)長石砂巖。木平*井采用水力噴射環(huán)空加砂分段多簇壓裂工藝技術(shù)，完成10段20個噴點壓裂改造。2019年1月投產(chǎn)，初期日產(chǎn)液13.5 m3左右，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在24%～30%間波動；2021年2月，單井含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速上升至68%左右，后期躍至92%左右。累計產(chǎn)油0.61×104t，累計產(chǎn)液1.39×104m3。為了確定該井各層產(chǎn)能、判識出水層段，開展了套管內(nèi)油管外置分布式光纖產(chǎn)液剖面測試技術(shù)試驗。

4.2 溫度剖面監(jiān)測

2021年8月8日，完成油管外置分布式光纖在井筒內(nèi)的布放后，首先進行了關(guān)井階段井筒溫度監(jiān)測，有效監(jiān)測數(shù)據(jù)錄取時長為64 h；后開井生產(chǎn)，在開井階段內(nèi)采集井筒分布式溫度，同時對井口取樣并化驗礦化度、產(chǎn)液含水情況，開井階段井筒溫度、壓力數(shù)據(jù)連續(xù)采集時長236 h。在關(guān)井、開井2個階段內(nèi)，連續(xù)監(jiān)測錄取了沿井眼軌跡上不同位置溫度數(shù)據(jù)，形成水平井段連續(xù)三維溫度剖面，如圖4所示。

圖4 關(guān)井、開井階段穩(wěn)定條件下井筒溫度剖面Fig.4 Temperature profile of wellbore under stable conditions during shut-in and start-up stages

圖5為溫度剖面監(jiān)測曲線。開井生產(chǎn)后由于地層流體向井筒內(nèi)流動，井筒溫度相對關(guān)井地層溫度呈現(xiàn)一定的溫度異常特征，并逐漸穩(wěn)定在73.9～74.6 ℃ 區(qū)間；2 990 m以下水平段流動溫度相對地層溫度呈現(xiàn)溫度正偏移特征；2 990 m以上水平段流動溫度低于地層溫度；2 631 m以上造斜段與直井段受底部熱流體加熱作用，井筒溫度呈現(xiàn)正偏移特征；生產(chǎn)剖面使水平段產(chǎn)生最大0.1 ℃左右的溫度正偏移及0.12 ℃左右的溫度負(fù)偏移。

圖5 不同階段水平井段穩(wěn)定溫度剖面曲線對比Fig.5 Comparison of stable temperature profile curves of horizontal section at different stages

結(jié)合開井測試階段井筒溫度響應(yīng)特征，測試井第一壓裂段至第三壓裂段，流動溫度相對地層溫度呈現(xiàn)溫度正偏移特征，存在原地層溫度的流體向井筒的流動。從溫度正偏移的相對量值分析，第一壓裂段產(chǎn)出流體的量相對更大。

4.3 產(chǎn)液剖面解釋分析

不同階段井筒溫度剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，關(guān)井階段與生產(chǎn)階段水平段產(chǎn)生最大0.10 ℃左右的溫度正偏移及0.12 ℃左右的溫度負(fù)偏移；在開井條件下井底流壓穩(wěn)定在16.86 MPa，水平井段2 281.8 m處監(jiān)測壓力為15.33 MPa，均高于泡點壓力(10.06 MPa)，所以測試階段水平段為油水兩相流動。根據(jù)關(guān)井、開井階段水平井段溫度剖面變化特征及偏移幅度建立解釋模型算法，以質(zhì)量守恒、熱焓守恒、測量溫度、井筒壓力及井筒流型變化為限制條件，采用全局最優(yōu)化算法求解得到生產(chǎn)剖面，明確不同層段油水兩相流體的產(chǎn)出狀況，結(jié)果如圖6所示。

木平*井開井穩(wěn)定生產(chǎn)后，井口日產(chǎn)液20.6 m3，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)97.2%。根據(jù)產(chǎn)液剖面解釋結(jié)果，第一壓裂段至第三壓裂段，流動溫度相對地層溫度呈現(xiàn)溫度正偏移特征，存在原地層溫度的流體向井筒的流動；從溫度正偏移的相對量值分析，第一壓裂段產(chǎn)出流體的量相對更大，第四壓裂段至第十壓裂段流動溫度相對地層溫度呈現(xiàn)溫度負(fù)異常特征，存在低于原地層溫度的流體向地層的產(chǎn)出；分析井筒溫度負(fù)偏移的相對量值，第七壓裂段產(chǎn)出的特征相對更顯著，第四壓裂段與第九壓裂段也存在相對明顯的產(chǎn)出。

定量分析認(rèn)為：開井測試階段，產(chǎn)油段主要分布在水平段趾部及中部位置，其中第一壓裂段第1簇、第二壓裂段第1簇及第六壓裂段第1簇產(chǎn)油量最大，日產(chǎn)油占比分別為38.1%、12.7%及11.2%；產(chǎn)水段主要分布在水平段中部及水平段靠向跟端位置，第七壓裂段第2簇、第七壓裂段第1簇、第四壓裂段第2簇及第九壓裂段第2簇產(chǎn)水量最大，壓裂段簇日產(chǎn)水占比分別為33.8%、26.5%、11.3%及8.9%。

5 結(jié) 論

(1)針對低滲透油田水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測技術(shù)難題，提出了采用套管內(nèi)分布式光纖對水平井段溫度剖面連續(xù)監(jiān)測，基于雙重介質(zhì)油藏井筒耦合產(chǎn)出解釋模型算法的產(chǎn)液剖面測試思路，設(shè)計形成了機采油井油管外置分布式光纖監(jiān)測工藝管柱。

(2)通過研發(fā)配套的關(guān)鍵工具，實現(xiàn)了低滲透油田水平井分布式光纖產(chǎn)層段連續(xù)溫度剖面監(jiān)測，并利用數(shù)學(xué)模型算法實現(xiàn)了產(chǎn)層段產(chǎn)出特征產(chǎn)出類型的刻畫。

(3)礦場試驗結(jié)果表明，對于套管完井水平井，油管外置分布式光纖井筒溫度剖面監(jiān)測解釋產(chǎn)液剖面的方法可行，為低液量水平井產(chǎn)液剖面測試提供了一種新的技術(shù)手段，有望成為油井產(chǎn)液剖面測試技術(shù)新方向。