基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展

李晓蓉 刘旭丰 张毅 郭放 王鑫栋 冯永存

李晓蓉,刘旭丰,张毅,郭放,王鑫栋,冯永存. 基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):1-13
引用本文: 李晓蓉,刘旭丰,张毅,郭放,王鑫栋,冯永存. 基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):1-13
LI Xiaorong, LIU Xufeng, ZHANG Yi, GUO Fang, WANG Xindong, FENG Yongcun. Application and progress of oil and gas well monitoring techniques based on distributed optical fiber sensing[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 1-13
Citation: LI Xiaorong, LIU Xufeng, ZHANG Yi, GUO Fang, WANG Xindong, FENG Yongcun. Application and progress of oil and gas well monitoring techniques based on distributed optical fiber sensing[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 1-13

基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展

基金项目: 青年科学基金项目“分布式光纤声传感(DAS)监测水泥环完整性研究”(编号:52004298)
详细信息
    作者简介:

    李晓蓉(1988-),2018年毕业于美国德州大学奥斯汀分校岩土工程专业,博士。现从事石油工程岩石力学相关研究工作,副教授,硕士生导师。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院。E-mail:xiaorongli@cup.edu.cn

  • 中图分类号: TE38

Application and progress of oil and gas well monitoring techniques based on distributed optical fiber sensing

  • 摘要: 为保障油气井全生命周期全井段实时监测,引入了分布式光纤传感技术。根据分布式光纤传感技术基本原理将其分为分布式光纤温传感(DTS)技术和分布式光纤声传感 (DAS)技术,并对二者进行了对比,指出DAS技术具有高精度、长距离监测、高信号强度等优点。介绍了分布式光纤声传感技术的监测原理、光纤结构和安装方式,调研了DAS技术在石油领域——地震、油气井生产和注入、水力压裂、生产出砂、管柱泄露、井筒完整性等领域的研究和应用,提出DAS技术将有望成为一种可实时监测油气井全生命周期的经济型监测技术。该研究可为油田工作者制定合理的开采方案、提高作业的安全性、降低油气田开发成本提供借鉴。
  • 图  1  分布式传感光纤监测原理示意图

    Figure  1.  Schematic principle of distributed optical fiber-based monitoring

    图  2  DAS光纤信号接收原理图[1]

    Figure  2.  Schematic diagram of signal receiving in DAS[1]

    图  3  入射光在单模光纤和多模光纤中的传输[45]

    Figure  3.  Transmission of incident light via single- and multi- mode optical fibers [45]

    图  4  井下光纤安装方式[47]

    Figure  4.  Downhole installation of optical fibers [47]

    图  5  可控震源激发DAS采集记录与常规检波器Z分量采集记录[64]

    Figure  5.  Vibroseis-excited DAS acquired records (a) and Z-component acquired records of the conventional geophone (b)[64]

    图  6  挪威近海域G井声强与隧井深的变化函数[66]

    Figure  6.  Sound intensity as a function of depth, Well G offshore Norway [66]

    图  7  有4个射孔簇的水平井DAS测量结果[44]

    Figure  7.  DAS measurements of a well with four perforation clusters [44]

    表  1  分布式光纤温传感技术与分布式光纤声传感技术对比

    Table  1.   Comparison between DTS and DAS

    项目分布式光纤温传感DTS分布式光纤声传感DAS
    拉曼散射-DTS布里渊散射-DTS
    光纤结构 多模光纤 单模光纤 单模光纤(相比多模光纤损耗小,长距离测量性能更好)
    散射原理 非弹性拉曼散射 非弹性布里渊散射 弹性瑞利散射
    (散射过程中无能量损耗)
    敏感信号 温度 温度/应变 声波
    $ \nabla A=K_{\mathrm{T}} \nabla T^{[37]}$ $ \nabla v_{\mathrm{B}}=K_1 \nabla \varepsilon+K_2 \nabla T^{[37]}$ $\nabla \emptyset=K_{\mathrm{F}} e_{\mathrm{Z}}\;^{[1]}\\K_{\mathrm{F}}=\left[n k_0-\dfrac{1}{2} n^2 k_0\left[P_{12}(1-v)-P_{11}\right] L\right]^{[1]} $
    数据解释 式中,$\nabla A $为拉曼散射振幅变化;KT为拉曼散射振幅温度变化系数;$\nabla T $为温度变化 式中,$\nabla v_{\mathrm{B}} $为布里渊散射中心频移;K1为应变系数;K2为温度变化系数;$\nabla \varepsilon $为应变变化;$ \nabla T$为温度变化 式中,$\nabla \emptyset $为瑞利散射相位变化;KF为瑞利散射应变系数;eZ为光纤轴向应变;n为光纤折射率;k0为光在真空中的波数;P11P12为光纤弹性系数;v为光纤泊松比;L为传播距离
    影响散射
    光类型
    振幅随温度变化,反斯托克斯光信号振幅变化更显著 布里渊背向散射光相对于入射光表现出中心频移 相位发生变化,而波长和频率保持不变(散射光的强度比拉曼散射和布里渊散射都高)
    监测结果 温度-时间-距离的光瀑图,可以观察到任意时刻任意位置的温度状况[38] 应力-时间-距离的光瀑图,可以观察到任意时刻任意位置的应力状况[36] 光强-时间-距离的光瀑图,可以观察到任意时刻任意位置的应力变化,或者观察任意时间的震动源的位置与强度[33]
    精度 相比DTS,DAS光纤可发送和采集更多的信号数据,结果更精确。例如,DTS沿光纤每4 s发送1个读数,而DAS每秒可以发送10 000个读数[43]
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    表  2  国内外分布式光纤声传感技术对比

    Table  2.   Comparison between the DAS techniques in China and other countries

    公司机构产品名称实际应用优点缺点应用领域
    国外 英国Optasense ODH-DAS系统 加拿大Quest油井[29] 适应性强、成本低、灵敏性高、经济协同性好且操作简便 井下电缆定位难度高 海底脐带监测和
    地震采集剖析
    英国
    Silixa
    iDASTM系统 挪威国家石油公司[52] 适应性强、成本低、灵敏性高、不影响生产 噪声信号处理效果差 改善速度剖面、
    监测油藏4D地震
    美国
    Halliburton
    DAS监测和数据分析系统 低速率油井[53] 配合DTS技术提供完整、实时、可视化的井底情况且不影响生产 诊断分析存在误差 井下地震监测、生产注入监测、井筒泄露监测
    美国
    Schlumberger
    hDVS监测系统 法国Rousse-1 井[55] 采集效率高、
    操作简便
    噪声信号处理精度低 井下地震监测
    国内 东方地球物理公司和电子科技大学 uDAS 暂无应用记录 降低了信噪比 垂直井段中固定难度大 井下地震监测
    中国地质科学院与北京大学 True-phase DAS监测系统 暂无应用记录 提高系统采样率与有效传感距离 没有现场应用案例 井下地震监测、
    生产注入监测
    哈尔滨工业大学 分布式光纤应变监测仪 暂无应用记录 高空间分辨率、超长距离测量、高精度布里渊信号处理 没有现场应用案例 大型基础设施、地质灾害等远程实时安全监测
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    表  3  油气工程DAS传感技术应用

    Table  3.   Application of DAS to petroleum engineering

    应用领域实验研究现场应用
    最早应用应用效果局限性最早应用应用效果局限性
    地震监测2013年可密集、高效、低成本采集地震信息[51]精度不高,受光纤布设方式、解调技术、噪声因素影响较大2009年精度可接受,成本低,
    监测范围广
    易受噪声信号影响
    水力压裂监测2009年实时监测压裂液和
    支持剂所处位置[44]
    监测受光纤布设
    位置限制
    2009年可对井下压裂
    过程监控诊断
    只能提供定性评估,空间分辨率低
    出砂监测2016年分析出砂规律与监测
    信号间联系[74]
    只能定性关联,
    无法定量关联
    2017年补充出砂诊断方法基于DAS预测出砂机理不明
    管道泄漏监测2014年成功监测实验室
    管道泄露点[78]
    缺乏不同泄漏类型
    DAS信号表征
    2018年能监测大的管道扰动无法直接判断泄露,需要结合DTS技术
    井筒完整性监测2014年监测固井界面
    裂缝变化[83]
    监测指标单一、
    缺乏说服力
    2019年没有监测到预想现象
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出版历程
  • 修回日期:  2022-04-15
  • 网络出版日期:  2022-09-22

基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展

    基金项目:  青年科学基金项目“分布式光纤声传感(DAS)监测水泥环完整性研究”(编号:52004298)
    作者简介:

    李晓蓉(1988-),2018年毕业于美国德州大学奥斯汀分校岩土工程专业,博士。现从事石油工程岩石力学相关研究工作,副教授,硕士生导师。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院。E-mail:xiaorongli@cup.edu.cn

  • 中图分类号: TE38

摘要: 为保障油气井全生命周期全井段实时监测,引入了分布式光纤传感技术。根据分布式光纤传感技术基本原理将其分为分布式光纤温传感(DTS)技术和分布式光纤声传感 (DAS)技术,并对二者进行了对比,指出DAS技术具有高精度、长距离监测、高信号强度等优点。介绍了分布式光纤声传感技术的监测原理、光纤结构和安装方式,调研了DAS技术在石油领域——地震、油气井生产和注入、水力压裂、生产出砂、管柱泄露、井筒完整性等领域的研究和应用,提出DAS技术将有望成为一种可实时监测油气井全生命周期的经济型监测技术。该研究可为油田工作者制定合理的开采方案、提高作业的安全性、降低油气田开发成本提供借鉴。

English Abstract

李晓蓉,刘旭丰,张毅,郭放,王鑫栋,冯永存. 基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):1-13
引用本文: 李晓蓉,刘旭丰,张毅,郭放,王鑫栋,冯永存. 基于分布式光纤声传感的油气井工程监测技术应用与进展[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):1-13
LI Xiaorong, LIU Xufeng, ZHANG Yi, GUO Fang, WANG Xindong, FENG Yongcun. Application and progress of oil and gas well monitoring techniques based on distributed optical fiber sensing[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 1-13
Citation: LI Xiaorong, LIU Xufeng, ZHANG Yi, GUO Fang, WANG Xindong, FENG Yongcun. Application and progress of oil and gas well monitoring techniques based on distributed optical fiber sensing[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 1-13
    • 分布式光纤既可以作为信号传输介质、又可以作为传感器。当外部环境发生变化时,光纤产生局部应变和光学性质的变化,导致光纤中的背向散射光信号发生变化,通过相关数据处理技术对这部分背向散射光的变化进行处理与计算,就可以监测到外部环境的变化[1]。早在20世纪70年代,分布式光纤传感技术开始发展,但初期受成本及技术问题限制,发展缓慢。直到20世纪90年代,随着光导纤维及光纤通信技术的发展,光纤传感技术得到了快速发展。分布式光纤传感技术因其具有全分布式传感、灵敏度高、抗电磁干扰、隐蔽性好、定位精度高等优势,在国防、航天、建筑、电力、医学与石油等领域得到了广泛应用[2-5]

      自20世纪90年代分布式光纤传感技术首次引入油气行业以来,全世界至少有4000多口井安装了分布式光纤传感器[6]。2019年分布式光纤传感器在我国油气行业应用占比高达45%[6],其应用领域涉及地震监测、水力压裂、油气生产和注入、生产出砂、管道泄漏、井筒完整性等。地震监测[7-8]是通过人为制造地震,并利用检波器收集返回的地震波,然后对地震波进行分析处理,得到地层信息,传统检波器监测存在成本高、覆盖范围小且无法实时监测的缺点,有必要引入一种连续、实时的地震监测手段。水力压裂[9-12]主要是通过在低渗储层形成缝网,改善储层渗透率,进而提高产量,水力压裂的传统监测方法为微地震监测与生产测井,两者所需的监测仪器昂贵,监测成本高,且微地震监测是远场监测,易受外界因素(如温度等)影响。随着油气生产和注入工作的进行[13-14],油水井套管损坏问题愈发严重,传统的监测手段主要是流量计配合伞式集流器进行测量,由于伞式集流器漏失量较大,导致其误差较大,尤其是在低产油井中更为严重,且仪器成本较高。生产出砂[15-19]是油气开采过程中不可避免的问题,传统的出砂监测方法为超声波法、电阻法以及称重法等,主要是对井口位置进行监测,虽然可以得到全井的出砂状况,但是难以确定单个生产井段的出砂状况,实时性较差,且准确性较低。油气管道泄露[20-24]主要原因有管道腐蚀、地层运动以及人为因素,油气管道泄漏将导致严重的经济损失与环境污染,传统的管道监测技术包括人工监测、负压波法、流量监测法,人工监测效率低而负压波法与流量监测法仪器价格昂贵,成本高,与可同时监测温度、应变与震动的分布式光纤传感技术相比存在监测对象单一的缺点。井筒完整性[25-28]对油气井封隔地层流体、防止地层流体泄漏至关重要,是保障油气井寿命和环境安全的关键。井筒完整性一旦失效,来自于产层或非产层的油气很可能造成环空压力异常,常表现为环空带压。据美国矿产管理服务机构统计,在墨西哥湾约15500口井中有6692口井(43%)至少一层套管会发生环空带压现象,共有10153个不同层位的环空带压。井筒完整性失效还可能造成套管损坏,甚至引发井涌、井喷等事故,最为典型的案例就是2010年墨西哥湾“深水地平线”钻井平台井喷爆炸事件。传统的井筒完整性监测技术为声波测井,随后又发展为声波变密度测井,其缺点与地震监测相似,主要是检波器成本高与精度低问题。

      综上所述,目前在油田生产各个阶段,缺少一种成本低、高灵敏度、准确性高、操作简单、效率高的全井段全生命周期实时监测手段,而分布式光纤可实现全井段、全生命周期的实时监测,同时,其监测标距长度更短,信噪比更高,通道间距可达8 m,触发精度可达25 μs,通过对信号进行解调后灵敏度可达-142±2 dB,可以满足目前油井生产需要[29-30]。另外,相较于传统监测手段,分布式光纤传感技术除了拥有上述优点外,通过进行光纤封装可以进一步加强光纤的耐腐蚀性与适应性以及监测对象的多样性,达到在复杂环境中对多项参数同时进行长时间有效监测的目的。未来的油气井监测将会因光纤技术的进步发生重大改变。在油气井全生命周期内,针对所有关键钻采环节,利用分布式光纤传感技术可实现沿井筒的实时、连续、永久性监测。

    • 地面脉冲激光器以一定脉冲宽度(发射光脉冲持续时间)向光纤发射光脉冲,由于光纤自身的微小缺陷或密度变化等局部不均匀性,引起入射光在光纤中传播的光学路径发生变化,从而向各个方向发生散射。其中,小部分散射光沿光纤路径返回并被接收器记录,即为背向散射光。在这一过程中,一旦温度或应变等外界事件扰动光纤使其产生局部变形,将进一步改变背向散射光的光学路径,作为传感原件的光纤本身将携带被扰动和未被扰动的背向散射光返回地面信号接收器,从而实现分布式传感监测[31-34]。据此,可通过背向散射光返回信号接收器的时间来判断事件发生的位置,通过背向散射光强度或振幅的变化量来量化事件发生的严重程度。

      根据入射光与光纤自身非均匀点的碰撞特征,光的背向散射可分为弹性背向散射和非弹性背向散射两大类。光的弹性背向散射是由光纤光学性质(折射率)的微小变化引起的,特点是散射前后能量保持不变,即入射光与散射光的频率和波长保持一致,而相位发生变化,如瑞利散射。光的非弹性背向散射是指光纤分子运动或热运动导致的散射,特点是散射粒子内部结构或能量发生变化,具有一定的频移量,如布里渊散射和拉曼散射。目前,在油气行业应用最为成熟的是分布式光纤温传感(DTS)技术,而最近几年,分布式光纤声传感(DAS)技术得到了越来越多的重视与发展。

      分布式光纤温传感(DTS)技术分为基于拉曼散射的DTS技术和基于布里渊散射的B-DTS技术[35-36]。对于基于拉曼散射的DTS技术,当光信号通过光缆传输时,事件发生引起的温度变化会造成拉曼背向散射光强度发生变化,其光强与温度呈线性关系(表1),通过实验可得到光强与温度的关系系数KT[37]。其中,频率小于入射光频率的斯托克斯光分量(图1右侧)不随温度发生明显变化,而频率大于入射光频率的反斯托克斯光分量(图1左侧)随温度发生显著变化[38]。因此,基于拉曼散射的DTS监测技术可通过光纤传感记录的斯托克斯和反斯托克斯光强的比值来判断事件温度的变化。基于布里渊散射的B-DTS监测技术同样基于非弹性背向散射,但与拉曼散射不同的是,布里渊背向散射光与事件发生引起的温度和应变都有关系。布里渊背向散射光相对于入射光表现出中心频移,其频移与温度和应变均呈线性关系(表1),其线性关系系数(K1K2)可以通过实验室控制变量方法测出[37]。由于布里渊散射对事件温度和应变都敏感,所以利用B-DTS监测事件温度变化时,需要避免因光纤安装等因素引起的光纤应变对监测结果的干扰,如把光纤安置在金属管内,避免其变形产生额外光信号[38-40]。此外,为了消除这种变形产生的额外光信号,也可以通过联合使用基于布里渊散射和瑞利散射的光时域反射法,分析应力与温度的变化,在降低成本的同时,进一步提高监测精度[37,41-42]

      表 1  分布式光纤温传感技术与分布式光纤声传感技术对比

      Table 1.  Comparison between DTS and DAS

      项目分布式光纤温传感DTS分布式光纤声传感DAS
      拉曼散射-DTS布里渊散射-DTS
      光纤结构 多模光纤 单模光纤 单模光纤(相比多模光纤损耗小,长距离测量性能更好)
      散射原理 非弹性拉曼散射 非弹性布里渊散射 弹性瑞利散射
      (散射过程中无能量损耗)
      敏感信号 温度 温度/应变 声波
      $ \nabla A=K_{\mathrm{T}} \nabla T^{[37]}$ $ \nabla v_{\mathrm{B}}=K_1 \nabla \varepsilon+K_2 \nabla T^{[37]}$ $\nabla \emptyset=K_{\mathrm{F}} e_{\mathrm{Z}}\;^{[1]}\\K_{\mathrm{F}}=\left[n k_0-\dfrac{1}{2} n^2 k_0\left[P_{12}(1-v)-P_{11}\right] L\right]^{[1]} $
      数据解释 式中,$\nabla A $为拉曼散射振幅变化;KT为拉曼散射振幅温度变化系数;$\nabla T $为温度变化 式中,$\nabla v_{\mathrm{B}} $为布里渊散射中心频移;K1为应变系数;K2为温度变化系数;$\nabla \varepsilon $为应变变化;$ \nabla T$为温度变化 式中,$\nabla \emptyset $为瑞利散射相位变化;KF为瑞利散射应变系数;eZ为光纤轴向应变;n为光纤折射率;k0为光在真空中的波数;P11P12为光纤弹性系数;v为光纤泊松比;L为传播距离
      影响散射
      光类型
      振幅随温度变化,反斯托克斯光信号振幅变化更显著 布里渊背向散射光相对于入射光表现出中心频移 相位发生变化,而波长和频率保持不变(散射光的强度比拉曼散射和布里渊散射都高)
      监测结果 温度-时间-距离的光瀑图,可以观察到任意时刻任意位置的温度状况[38] 应力-时间-距离的光瀑图,可以观察到任意时刻任意位置的应力状况[36] 光强-时间-距离的光瀑图,可以观察到任意时刻任意位置的应力变化,或者观察任意时间的震动源的位置与强度[33]
      精度 相比DTS,DAS光纤可发送和采集更多的信号数据,结果更精确。例如,DTS沿光纤每4 s发送1个读数,而DAS每秒可以发送10 000个读数[43]

      图  1  分布式传感光纤监测原理示意图

      Figure 1.  Schematic principle of distributed optical fiber-based monitoring

      分布式光纤声传感(DAS)技术原理如图1所示。受外部事件声信号影响,背向散射光的相位发生变化,而波长和频率保持不变[44],光相位变化与振源作用力所引起的光纤轴向应变成正比,其线性关系系数KF与光纤的折射率和泊松比等性质有关(表1)[1]。瑞利散射光强度比拉曼散射光和布里渊散射光强度都高[33],因此,可通过记录瑞利背向散射光强度和相位来反映光纤时-空应变状态,从而揭示事件发生的时间、位置及程度。以DAS监测地震为例,测得的地震强度与相位差成正比[1]。Liu分析和总结了一系列用于确定这些动态相位差的光学结构[32]。监测过程中,光纤本身作为若干个传感单元,地震波在光纤某截面上施加一个力,导致光纤局部发生应变(轴向拉伸应变或轴向压缩应变),由于光纤空间采样间隔小,避免了在测量范围内因同时监测到拉伸或压缩应变而出现的相互抵消的假频,从而得到相对精确的相位差[1](图2)。DAS系统本质是监测脉冲宽度内所有背向散射信号的叠加,即脉冲宽度越大,在光纤中传播长度越长,分辨率也越高[39]

      图  2  DAS光纤信号接收原理图[1]

      Figure 2.  Schematic diagram of signal receiving in DAS[1]

    • 作为传输和传感元件的光纤以不同的形式嵌入在光缆中,根据嵌入光纤数目,光缆可分为单模光缆和多模光缆[45],如图3所示。多模光缆可通过多个光纤组合传输多种模式的光,多模光缆的玻璃芯直径通常为50~62.5 μm。单模光缆只传输一种与光纤平行的光信号(图3),单模光缆的玻璃芯直径一般为8~10 μm。单模光缆损耗要比多模光缆小很多[46],在长距离应用上表现出更好的性能。基于拉曼散射的DTS监测技术,由于数据采集需要更多的光功率,通常采用多模光纤。而基于瑞利散射的DAS监测技术通常采用Ø9 μm的单模光纤[30],光的传输方式是平行于光纤自身,消除了多模光纤多模式光的高色散,可提供更高精度的数据。

      图  3  入射光在单模光纤和多模光纤中的传输[45]

      Figure 3.  Transmission of incident light via single- and multi- mode optical fibers [45]

      分布式光纤声传感可以永久地、半永久地、插入式安置于油气井内[47],如图4所示。永久安装是将光纤固定在套管表面,并用水泥浆永久封固。该方法的优点是在修井过程中不存在干扰,电缆的耦合性强,因此获得的数据质量高。典型的半永久安装是在生产油管表面捆扎光缆,分为光缆平行捆扎和光缆缠绕捆扎,该方法不仅安装灵活方便,同时也可以与其他监测光缆同时捆扎在油管表面。插入式安置是将光缆置于生产油管内部。针对不同的监测需求以及工况环境,如安装复杂性、可重复使用性及数据精确度等选择合适的井下光缆安装方式。其中,由于永久安装既提供了连续实时监测信息,同时又免受修井等井下作业干扰,而被广泛关注。

      图  4  井下光纤安装方式[47]

      Figure 4.  Downhole installation of optical fibers [47]

      DAS光纤监测只对沿光纤方向的应变和振动敏感,具有方向性,所以光纤螺旋缠绕的角度直接影响其监测效果。通常会将井下光纤和其他电线以特定角度缠绕成复合缆线,用来增加光纤的空间监测角度,提高空间分辨率。由此国内外学者展开了对光纤螺旋缠绕方案和多分量DAS数据信息解读技术的研究。壳牌公司实现了对光纤应变及振动全方位监测,增加监测灵敏性[48]。加拿大卡尔加里大学曾在地质模型上进行双螺旋复合光缆试验,提高了试验结果精度[49-50]。壳牌公司研究发现当光纤缠绕角度为30°时,光纤监测具有各向同性的灵敏度[4]

      通过DTS和DAS技术对比,发现DAS技术具有数据精度高、监测性能好、散射光强高等优点,因此,DAS技术在油气井全生命周期的应用具有重要意义。

    • 近年来,国内外学者相继研制了DAS监测系统(表2)。Optasense公司研发了ODH-DAS系统,在加拿大Quest油井进行了应用,相较于传统监测手段,光纤传感技术适应性强、成本低、灵敏性高、协同性好且操作简便,但仍存在几个较为明显的缺点:下入电缆成本高,布设方式的选择和井下电缆的定位难度高[29]。Silixa公司研发的iDAS系统通过监测后向散射光来达到获取声信号的目的,在挪威国家石油公司的多口油井应用后发现,其主要优点是适用性广,可用于陆地与海上油井监测,并且灵敏度高、成本低、可在生产的同时对油井进行监测,缺点则是噪声信号处理难度较大[51-52]。Halliburton公司研发的DAS监测和数据分析系统,通过将井筒模型和近井筒模型耦合,给定初始与边界条件对DAS监测数据进行处理[53-54]。斯伦贝谢公司的hDVS监测系统通过将光纤夹持于套管上进行监测,并验证了其可操作性及高效性,但仍存在噪声信号处理效果差的问题[55]

      表 2  国内外分布式光纤声传感技术对比

      Table 2.  Comparison between the DAS techniques in China and other countries

      公司机构产品名称实际应用优点缺点应用领域
      国外 英国Optasense ODH-DAS系统 加拿大Quest油井[29] 适应性强、成本低、灵敏性高、经济协同性好且操作简便 井下电缆定位难度高 海底脐带监测和
      地震采集剖析
      英国
      Silixa
      iDASTM系统 挪威国家石油公司[52] 适应性强、成本低、灵敏性高、不影响生产 噪声信号处理效果差 改善速度剖面、
      监测油藏4D地震
      美国
      Halliburton
      DAS监测和数据分析系统 低速率油井[53] 配合DTS技术提供完整、实时、可视化的井底情况且不影响生产 诊断分析存在误差 井下地震监测、生产注入监测、井筒泄露监测
      美国
      Schlumberger
      hDVS监测系统 法国Rousse-1 井[55] 采集效率高、
      操作简便
      噪声信号处理精度低 井下地震监测
      国内 东方地球物理公司和电子科技大学 uDAS 暂无应用记录 降低了信噪比 垂直井段中固定难度大 井下地震监测
      中国地质科学院与北京大学 True-phase DAS监测系统 暂无应用记录 提高系统采样率与有效传感距离 没有现场应用案例 井下地震监测、
      生产注入监测
      哈尔滨工业大学 分布式光纤应变监测仪 暂无应用记录 高空间分辨率、超长距离测量、高精度布里渊信号处理 没有现场应用案例 大型基础设施、地质灾害等远程实时安全监测

      国内公司和学者也成功研发了一些高灵敏度的DAS监测系统,如东方地球物理公司和电子科技大学联合研制的uDAS,该系统采用具有连续纵向微结构的光纤,并利用相干光时域反射技术(C-OTDR)和差分传感机制对光纤信号进行处理,经过处理后的光纤信号具有更好的信噪比,其主要缺点为在垂直井段中固定难度大[56]。本项目使用的是由中国地质科学院和北京大学自主研发的True-phase DAS监测系统,该系统主要是通过结合多波长技术与外差解调技术,提高了系统的采样率与传感距离,并通过实验验证了该系统的噪声信号的稳定性[57-58]。国内学者对光纤信号的处理进行了研究,刘均荣等用滤波器除去噪声信号后,再对声瀑图中同一时间段的声强与最小声强所围成的面积进行计算,最后通过分析各段的面积方差和面积比,得出相应的监测结果[59-60]。2019年电子科技大学韩青云针对地震信号的噪声处理提出了基于低秩稀疏和基于加权张量稀疏编码的DAS数据处理方法,不仅将传统二维降噪推进至三维降噪处理,且通过理论模型和工区试验,验证了三维降噪的优越性[61]

    • DAS监测系统的发展推动了其在油气行业多个领域的应用,主要包括地震监测[4,62-65]、油气井生产和注入监测[66-69]、水力压裂监测[9,43-44,70-73]、出砂监测[19,60,74-75]、管柱泄漏监测[76-81]和井筒完整性监测[82-83]等方面。

    • DAS地震监测是通过DAS光纤监测获得光瀑图(相位-时间-位置)后,通过机器学习算法,如外差解调算法[55],将光信号转换为地震振动信号,然后对信号进行降噪处理(如反褶积等),最后通过Landmark等软件对该地震数据进行解释,获得目的层段岩石类型等信息。2009年壳牌公司首次使用DAS地震监测系统获取了垂直地震剖面图,论证了DAS在地震监测领域的可行性[62]。2013年Mateeva将DAS监测系统应用在墨西哥湾,得到了高质量的垂直地震剖面图[63]。2015—2017年斯伦贝谢公司将外差分布式振动传感系统应用于巴西、比利时以及卡塔尔海地震监测中,发现DAS技术较传统监测技术具有效率高、准确性高以及成本低的优点,但仍然存在信噪比低的问题[4]。2018年李彦鹏等在华北油田进行DAS地震监测,并与检波器监测结果进行了对比(图5),验证了DAS地震监测的可行性以及成本优势,同时指出光缆布设及其与井壁和地层耦合的问题[64]。2019年中国地质大学(北京)郑伋、从分布式光纤接收信号极性振幅响应及数值模拟的角度验证了DAS监测系统代替地震检波器的可行性及趋势,虽然DAS监测具有监测范围广与成本低的优点,但是监测信号具有方向性且易受噪声信号的影响[65]

      图  5  可控震源激发DAS采集记录与常规检波器Z分量采集记录[64]

      Figure 5.  Vibroseis-excited DAS acquired records (a) and Z-component acquired records of the conventional geophone (b)[64]

    • 2012年将DAS监测系统应用在挪威大陆架7口海上油气井中[66](图6),获得了井筒流体流动的光纤信号,利用相干相位数据处理技术对该信号进行了处理,证实了DAS监测井筒内流体类型以及流速等参数的可行性。随后,Vander等利用DAS系统对北美致密砂岩气水平井生产动态进行了监测,通过流体流动形态与光纤信号频带间的敏感性关系确定了流体组成与流速等参数,最终获得了天然气产量和流动状态[67]。Carpenter等报道了DAS系统用于监测文莱注采井井筒实时流动状态的应用实例[68]。浙江油田公司在四川盆地南部A井进行了产气剖面测井解释与评价,验证了分布式光纤声传感技术用于监测页岩气生产井的可行性[69]

      图  6  挪威近海域G井声强与隧井深的变化函数[66]

      Figure 6.  Sound intensity as a function of depth, Well G offshore Norway [66]

    • 依据水力压裂各阶段所引起的光纤信号的不同,对水力压裂进程与作业效果进行监测,其数据处理方法有FiberView软件与面积法等。早在2009年,壳牌石油公司在致密气井完井过程中首次应用DAS传感技术开展了水力压裂监测(图7)[44],利用DAS传感系统记录了桥塞安装、射孔以及压裂增产等井下作业过程。结果表明,通过DAS传感系统可对井下作业进行实时监测和诊断,为优化压裂增产措施提供了有效指导。2013年,Peter等基于DAS传感技术提出了微地震分布式光纤声传感监测方法[43]。随后,壳牌石油公司使用DAS和DTS技术监测水力压裂增产过程,论证了DAS技术在该领域应用的可行性[70]。哈里伯顿公司采用DTS、DAS与DSS技术对油井进行动态监测,并通过FiberView软件进行数据处理[71]。近几年DAS技术快速发展,2019年Richter等在井下安装永久式分布式光纤获得了高质量的水力压裂监测数据[72]。2009年宋红伟等通过在某两相流井中应用DTS传感系统确定了产层与产量[73]。刘均荣等通过面积法处理DAS监测得到的水力压裂数据,以确定压裂层段、压后产液层段及支撑剂分布[9]

      图  7  有4个射孔簇的水平井DAS测量结果[44]

      Figure 7.  DAS measurements of a well with four perforation clusters [44]

    • DAS监测系统可对油气井出砂进行实时监测,通过识别砂砾撞击管道壁的频率对油气井出砂情况(如出砂层段、出砂量等)进行监测。2016年,BP石油公司开展了一系列DAS监测油气井出砂室内模拟实验,分析了出砂规律和监测信号之间的关系,为DAS监测出砂现场应用提供了理论依据[74]。2017年,BP石油公司对阿塞拜疆Azeri-Chirag-Gunashli油田30多口油气井成功实施了DAS出砂监测试验[75]。刘均荣等用面积法对DAS出砂监测数据进行处理,判断出砂层位与出砂程度,并建立了实验装置进行验证[1960]

    • 分布式光纤声传感监测技术是一种重要的管道泄漏监测技术。2014年Siebenaler等利用DAS技术监测管道泄漏,发现管道局部微小变形都会引起光纤信号的改变,指出DAS系统在监测管道泄漏方面潜力巨大[76-77]。为保证废弃井内外无流体上窜通道,完全封隔渗透性地层,2014年Boone等[78]通过DAS系统监测到废弃井流体运移产生的微小形变,论证了DAS系统监测废弃井泄漏的可行性,同时指出需要建立信息数据库以便对不同类型的泄漏提供更好的建议。2019年冯新等利用时-空大数据分析办法对管道监测数据进行处理,并验证了该算法的可行性[79]。2020年杨明儒等建立了CNN-BiLSTM时空信号处理模型,在不影响空间分辨率的同时还可以进一步提高信噪比[80]。吴倩,冉曾令提出了基于时分复用技术的分布式声波传感宽屏响应系统,该系统较传统的光时域反射技术具有更高的灵敏性与信噪比[81]

    • 水泥环完整性是油气资源安全高效开发的重要保障,引入DAS系统可对水泥环缺陷(如界面开裂、窜槽等)中流体或气体流动进行监测,从而确定水泥环界面开裂的位置及程度[1]。DAS技术在水泥环完整性监测领域的应用刚刚起步,尚处于探索阶段,2019年Raab等尝试利用DAS技术对冰岛一口地热井水泥环完整性进行监测[82],2014年周伟勇等通过实验验证了分布式光纤声传感监测固井界面强度的可行性[83]。对井筒完整性进行监测时需要将分布式光纤声传感系统永久式固定于井中,便于全井全生命周期DAS监测,目前油井全生命周期监测技术壁垒是在射孔阶段光纤的保护与噪声处理问题。表3表明分布式光纤声传感技术凭借实时、多点监测等特点可用于石油工业多个领域,但都存在一定的局限性,对井筒完整性失效的类型、位置、时间、程度等因素对DAS光纤瑞利散射信号的影响规律以及降低噪声影响、提高空间分辨精度还有待深入研究。

      表 3  油气工程DAS传感技术应用

      Table 3.  Application of DAS to petroleum engineering

      应用领域实验研究现场应用
      最早应用应用效果局限性最早应用应用效果局限性
      地震监测2013年可密集、高效、低成本采集地震信息[51]精度不高,受光纤布设方式、解调技术、噪声因素影响较大2009年精度可接受,成本低,
      监测范围广
      易受噪声信号影响
      水力压裂监测2009年实时监测压裂液和
      支持剂所处位置[44]
      监测受光纤布设
      位置限制
      2009年可对井下压裂
      过程监控诊断
      只能提供定性评估,空间分辨率低
      出砂监测2016年分析出砂规律与监测
      信号间联系[74]
      只能定性关联,
      无法定量关联
      2017年补充出砂诊断方法基于DAS预测出砂机理不明
      管道泄漏监测2014年成功监测实验室
      管道泄露点[78]
      缺乏不同泄漏类型
      DAS信号表征
      2018年能监测大的管道扰动无法直接判断泄露,需要结合DTS技术
      井筒完整性监测2014年监测固井界面
      裂缝变化[83]
      监测指标单一、
      缺乏说服力
      2019年没有监测到预想现象
    • (1)与传统监测技术相比,使用光纤作为传感装置,减少了传感器租借费用,降低了成本,还可以进行全井段全生命周期监测;由于其标距长度较小,其信噪比更高,准确性更高;光信号较声信号传播速率高,探测效率高,其监测精度可达25 μs,灵敏度达到145±2 dB。因此,分布式光纤声传感监测技术为实时、全井段、全生命周期油气井监测提供了一种颇具前景的新方法。在国外分布式光纤声传感监测技术已经进入初步应用阶段,挪威、加拿大等国家已经将其用于地震监测、水力压裂、油气生产和管道泄漏等油气工程领域。国内起步较晚,还处于模型试验向实际应用转换阶段,目前虽已研究出多种DAS光纤监测系统与数据处理方法,但在石油领域应用较少。

      (2)尽管分布式光纤声传感技术在石油工程监测中的可行性与优异性得到了验证,但全面应用尚需时日。首先,目前针对噪声信号的处理主要采用经验法,依靠地面模拟实验确定信号范围,但井下环境复杂,仅通过地面实验无法完全模拟井下环境;其次,光纤安装问题,目前光纤初期安装成本高、难度大,尤其在井斜角较大层段,光纤安装与固定问题更是难上加难;第三,光纤在射孔阶段的定位问题,如何避免光纤在射孔时不被破坏是保证光纤可以进行全井段、全生命周期监测的另一重要问题;第四,光纤对轴向应变较为敏感,在光纤安装时要选择合理的部署方式与位置,以获得更符合实际的光信号。

参考文献 (83)

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