永久式光纖監測技術在海上首口二氧化碳回注井的應用

鄧成輝 曹波波 黨黎鋒 宣濤 張璽亮

1. 中海石油（中國）有限公司深圳分公司 深圳 518067

2. 中海油能源發展股份有限公司 天津 300452

南海東部油田啟動國內首個海上CO2捕集和封存綠色低碳示范項目。作為我國自主設計實施的第一口海上二氧化碳回注井，利用海上平臺的優勢，將伴生的二氧化碳捕集并且封存在地下，是一種可靠且經濟的手段。該技術要求監測蓋層和井筒的完整性，防止在注入過程中，二氧化碳通過水泥環或套管漏點外溢。

分布式光纖傳感技術在井筒完整性監測和二氧化碳注入剖面監測上有不可替代的技術優勢，可以稱得上是“井下聽診器”，整根光纜就是傳感器，無任何電子元件，安全可靠。將光纖固定在油管外，安裝至目的層，通過地面激光解調儀發射激光，可以采集0.01～50000Hz頻率范圍的井下聲音和整個井筒的分布式溫度，溫度分辨率可高達0.01℃[1]，通過解釋軟件，可以準確的得到二氧化碳在井下的分布情況、注入管柱和蓋層的完整性。

1 分布式光纖監測原理

分布式光纖傳感系統原理為利用光纖作為傳感敏感原件和傳輸信號介質，采用先進的OTDR技術，實現分布式測量。光纖本身即為傳感器，光纖傳感器是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。光纖傳感系統主要由光源、耦合器、傳感光纖、探測器以及處理器組成[1，8]。

光在光纖中傳輸能夠產生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，在光纖中傳輸的同時持續產生后向散射光波，如瑞麗散射、布里淵散射和拉曼散射等[1]。其中，拉曼散射受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經波分復用、檢測解調后，經過解調處理系統便可將溫度信號以圖形或表格形式實時顯示出來[2]。通過對光纖系統進行溫度標定，即可根據下面公式計算出環境的實際溫度[3，6]。

式中：T為測量點環境溫度，K；T0為恒溫槽溫度，K；k=1.38×10-23J/K；h為普朗克常數，h=6.63×1034J.K；c為真空中的光速，c=3 x 108m/s；△γ為偏移系數，cm-1；R（T）為反斯托克斯光強度與斯托克斯光強度比值。

2 二氧化碳回注井溫度壓力監測系統

為實現二氧化碳注入剖面、井筒完整性、管外竄流、注入壓力監測等目的，保證施工安全、長期監測可靠性、系統備用性以及井下的安全性，設計注入管柱下入永久式光纖。

二氧化碳回注井永久式光纖監測系統主要包括井下光纜、井下光纖壓力計[7]、地面數據處理及分析系統等見圖1 。該技術將井下光纜固定在注入油管下入[4，5]，設計滾輪式光纜接箍保護器降低管柱下入磨阻，安全下至目標深度，實現了全井筒溫度剖面及井底壓力的實時動態監測。

圖1 注入管柱示意

2.1 井下鎧裝光纜

該井注入二氧化碳極限溫度147℃，注入壓力約11MPa，選擇耐高溫高壓抗腐蝕井下光纜，纖芯表面具有耐高溫碳涂層，耐溫等級300℃，1/4″A825鎳基合金保護管封裝，承壓70MPa，具有良好的防腐性能，外鎧雙層鋼絲纏繞，具有高抗拉、抗磨損性能。

2.2 光纖壓力計

高精度光纖壓力計（溫壓傳感器）實時監測注入層壓力變化。通過實時采集該點壓力和溫度信號，通過井下光纖、地面光纖傳輸至地面壓力解調儀。溫壓傳感器，材質：718，溫度等級：150℃，壓力等級：15000psi，分辨率：0.4Psi、0.1℃；精度：±5psi、±1℃；金屬封裝，單端出纖；配套專用壓力計托筒。

2.3 光纖續接器

光纖割斷穿越后進行續接，達到密封承壓要求；材質：718，壓力等級：10000psi，溫度等級：150℃。

2.4 井口穿越裝置

連接井下和地面光纜；材質：13Cr，扣型：1/2"NPT P，壓力等級：10000psi，溫度等級：150℃。

2.5 DTS 激光器

4通道，溫度分辨率：0.01℃，采集分辨率：1m，采集頻率：30s。

3 現場施工

根據注入管柱結構見圖1，依次連接工具入井，具體步驟為：1）連接斜口引鞋，2）連接壓力計托筒總成，光纜續接，3）連接球座、7”生產封隔器總成，光纜穿越續接，4）連接4”油管、安全閥，5）連接油管掛和采氣樹，光纜割斷進行穿越出井口，6）井下和地面光纜續接、地面光纜鋪設至中控室，7）連接DTS激光器和壓力計解調儀，讀取全井筒溫度剖面曲線、壓力計壓力和溫度數據正常。

4 監測結果

4.1 安裝結束信號監測

EP15-1-XXX碳回注井于2023年5月19號開始下入上部完井管柱，2 2 號下至3 1 9 2 m 目標深度。2只光纖壓力計安裝在托筒上，間距0.758m，1#光纖壓力計深度3160.578米，2#光纖壓力計深度3161.336m。1#壓力計：壓力1172.63psi、溫度52.63℃；2#壓力計：壓力1174.3psi、溫度52.82℃。該井垂深894m，壓力梯度132.1psi/100m，地溫梯度4.38℃/100m，與監測數據基本吻合，見表1。

表1 光纖壓力計讀取井下壓力溫度數據

DTS激光器實時監測全井筒溫度剖面曲線。井下光纜下入深度3161m，地面光纜長度約216m，216m后為井筒內溫度剖面曲線，3161m處監測的溫度約53℃，見圖2，與2只壓力計監測溫度吻合。

圖2 DTS激光器讀取全井筒溫度剖面數據

4.2 試注二氧化碳信號監測

5月23號10：30，開始小排量試注氣，排量3000m3/h，井口壓力1034psi，井口溫度70℃。2只光纖壓力計檢測到壓力升高，分別為1209psi和1207psi，溫度分別為52.9℃和52.3℃，采樣頻率：1組數據/1s，見表1。

在注入期間，二氧化碳加壓后溫度為70℃，曲線216m處的溫度顯示突變，此處為采氣樹位置。壓縮后的高溫二氧化碳進入井筒內，壓力快速擴散降溫，在88m海水深度段快速冷卻，然后進入泥層，在地溫梯度作用下緩慢上漲，到井筒穩斜段后溫度趨于穩定，采樣頻率：1組數據/30s，見圖2。

4.3 正式回注二氧化碳信號監測

5月24號6：00，提高到正常日注氣排量，5300m3/h，井口壓力1082psi，井口溫度87℃。2只光纖壓力計檢測到壓力升高，分別為1209psi和1207psi，溫度分別為52.9℃和52.3℃，見表1。

在注入期間，二氧化碳加壓后溫度為87℃，此時井筒周邊已被加熱，進入井筒后氣體溫度成緩慢下降趨勢，在深度3192m處溫度為56.049℃，與完井管柱核對為生產封隔器位置，見圖2，二氧化碳回注及永久式光纖監測正式投入生產。

綜上所述，永久式光纖溫度壓力監測系統可實現井筒溫度分布及井底壓力的實時精準監測，降低了作業風險，減小了對回注井正常生產的影響；根據光纖數據監測的分布解釋結果可反演二氧化碳回注剖面，從而指導注氣參數動態調整。

5 結束語

（1）光纖監測技術在二氧化碳回注井的首次應用，DTS溫度激光器成功實時測取注氣過程中全井筒的溫度剖面曲線、光纖壓力計實時測取注入層壓力。

（2）通過全井筒溫度剖面數據，因井筒完整性及管外竄流引起局部溫度突變可及時被發現，注入期間圈閉蓋層的問題引起的壓力波動可以被及時發現。

（3）國內首個海上二氧化碳捕集和封存綠色低碳示范項目的成功實施，為后面同類型井提供了寶貴的技術支持。