光纤传感器在石油测井中的应用进展

光纤传感器在石油测井中的应用进展一、前言光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果，不少光纤传感系统已实用化，成为替代传统传感器的商品。在油田的开发过程中，人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料，这就要用到石油测井，其可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感器可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压（几十兆帕以上）以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步，全世界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企业都参加了研究、开发过程。为了开拓光纤传感器的应用领域，本文综述了光纤传感器在地球物理测井领域的研究与进展，希望其研究能够对进一步提高石油开发的水平作出贡献。二、光纤传感器在测井上的研究进展1、储层参数监测（1）压力监测由于开发方案的需要，对油藏压力的管理需要特别谨慎，这样做的目的是减少因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失，减少在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失。传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计，应变式压力计受温度影响和滞后影响，而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时，这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题。井下光纤传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点，而这些正是井下监测所必需的。美国CiDRA公司的在光纤压力监测研究方面处于前沿，他们的科研人员发现了布喇格光纤光栅传感器对压力的线性响应。已开发的传感器能够工作到175℃，200oC和稍高温度的产品正在开发，250℃是研发的下一个目标。不同温度和压力下的压力测量误差，在测试范围（0MPa~34.5MPa）内，均小于±6.89kPa，相当于电子测量系统的最好的水平。目前，CIDRA公司的光纤压力传感器的指标为：测程0~103MPa，过压极限129MPa，准确度±41.3kPa，分辨率2.06kPa，长期稳定性±34.5kPa/yr（连续保持150℃），工作温度范围25℃~175℃。1999年该公司在加利福尼亚的Baker油田进行了压力监测系统的试验，结果表明该系统具有非常高的精度，目前已经交付商业销售。2001年该公司的压力传感器在英国BP公司的几口井下安装，监测应力变化，结果表明其具有足够的可靠性。美国斯伦贝谢油田服务公司Doll研究中心的TsutomuYamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的研究，他们研制成一种对温度不敏感的侧孔布喇格光纤光栅传感器，最高工作温度为300℃，最高测量压力82MPa，在最高测量压力下，对温度的灵敏度极小，可以适用于井下的压力监测。（2）温度监测分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。因为井的温度剖面的变化可以与其它地面采集的资料（流量、含水、井口压力等）以及裸眼测井曲线对比，从而为操作者提供有关出现在井下的变化的定性和定量信息。传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度，要测试全范围的温度，点式传感器只能在井中来回移动才能实现，不可避免地对井内环境平衡造成影响。光纤分布式温度传感器的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动，能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内，因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。最广泛地应用于井下监测应用的光纤传感器之一就是喇曼反向散射分布式温度探测器，这种方法已经在测量井筒温度剖面（特别是在蒸汽驱井）中，得到了广泛的应用。分布式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减，遇到的问题和解决方法为：（1）光纤以及连接器对信号的衰减问题，解决的方法为尽量减少连接器的数目、采用布喇格光纤光栅传感器以及改进连接器的性能；一、前言光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果，不少光纤传感系统已实用化，成为替代传统传感器的商品。在油田的开发过程中，人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料，这就要用到石油测井，其可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感器可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压（几十兆帕以上）以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步，全世界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企业都参加了研究、开发过程。为了开拓光纤传感器的应用领域，本文综述了光纤传感器在地球物理测井领域的研究与进展，希望其研究能够对进一步提高石油开发的水平作出贡献。二、光纤传感器在测井上的研究进展1、储层参数监测（1）压力监测由于开发方案的需要，对油藏压力的管理需要特别谨慎，这样做的目的是减少因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失，减少在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失。传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计，应变式压力计受温度影响和滞后影响，而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时，这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题。井下光纤传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点，而这些正是井下监测所必需的。美国CiDRA公司的在光纤压力监测研究方面处于前沿，他们的科研人员发现了布喇格光纤光栅传感器对压力的线性响应。已开发的传感器能够工作到175℃，200oC和稍高温度的产品正在开发，250℃是研发的下一个目标。不同温度和压力下的压力测量误差，在测试范围（0MPa~34.5MPa）内，均小于±6.89kPa，相当于电子测量系统的最好的水平。目前，CIDRA公司的光纤压力传感器的指标为：测程0~103MPa，过压极限129MPa，准确度±41.3kPa，分辨率2.06kPa，长期稳定性±34.5kPa/yr（连续保持150℃），工作温度范围25℃~175℃。1999年该公司在加利福尼亚的Baker油田进行了压力监测系统的试验，结果表明该系统具有非常高的精度，目前已经交付商业销售。2001年该公司的压力传感器在英国BP公司的几口井下安装，监测应力变化，结果表明其具有足够的可靠性。美国斯伦贝谢油田服务公司Doll研究中心的TsutomuYamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的研究，他们研制成一种对温度不敏感的侧孔布喇格光纤光栅传感器，最高工作温度为300℃，最高测量压力82MPa，在最高测量压力下，对温度的灵敏度极小，可以适用于井下的压力监测。（2）温度监测分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。因为井的温度剖面的变化可以与其它地面采集的资料（流量、含水、井口压力等）以及裸眼测井曲线对比，从而为操作者提供有关出现在井下的变化的定性和定量信息。传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度，要测试全范围的温度，点式传感器只能在井中来回移动才能实现，不可避免地对井内环境平衡造成影响。光纤分布式温度传感器的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动，能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内，因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。最广泛地应用于井下监测应用的光纤传感器之一就是喇曼反向散射分布式温度探测器，这种方法已经在测量井筒温度剖面（特别是在蒸汽驱井）中，得到了广泛的应用。分布式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减，遇到的问题和解决方法为：（1）光纤以及连接器对信号的衰减问题，解决的方法为尽量减少连接器的数目、采用布喇格光纤光栅传感器以及改进连接器的性能；（2）井下安装时容易损坏，解决的方法为配备熟练工人、光纤传感器需要外部保护层、减小应力（包括射孔和温度引起的应力）。对于光纤分布式温度传感器系统，英国Sensa公司一直处于技术领先地位，有一系列产品问世，而且与各大石油公司合作，积极探索光纤分布式温度传感器在石油井下的应用。CiDRA公司也一直在研究光纤温度传感器，目前该公司的温度传感器技术指标为：测量范围0℃~175℃，准确度±1℃，分辨率0.1℃，长期稳定性±1℃/yr（150℃下连续使用）。目前的光纤温度、压力传感器的最主要的缺点之一就是温度压力交叉敏感特性，如何消除或者利用这种交叉敏感特性是研究的热点。（3）多相流监测为了做好油藏监控和油田管理，最关键的环节是获得生产井和注水井稳定可信的总流量剖面和各相流体的持率。然而，大多数油井分层开采，每层含水量不同，而且有时流速较大，给利用常规生产测井设备测量和分析油井的生产状况带来了巨大的困难。液体在油管中的摩阻和从油藏中向井筒内的喷射使得压差密度仪器无法准确测量，电子探头更是无法探测到液体中的小油气泡。光纤测量多相流有两种方法，第一种是美国斯伦贝谢公司的持气率光纤传感仪，该仪器能直接测量多相流中持气率。其四个光纤探头均匀地分布在井筒的横剖面中，其空间取向方位可用一个集成化的相对方位传感器准确测量，在气液混合物中，通过探头反射的光信号来确定持气率和泡沫数量（这二者与气体流量相关联）。此外，利用每个探头的测量值来建立一种井中气体流动的图像，这些图像资料特别适用于斜井和水平井，可以更好地了解多相流流型以及解释在倾斜条件下这些流型固有的相分离。最近，这种仪器已在世界各地成功地进行了测井实验。它提供的资料能直接测定和量化多相混合物中气体和液体，能准确诊断井眼问题，并有助于生产调整。仪器通过了三口井的现场测试。第二种是通过测量声速来确定两相混合流的相组分，因为混合流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性，而这个相关性普遍存在于两相气/液和液/液混合流体系统中，同时也适用于多相混合流系统。根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数，就是测量流过流量计的各单相体积分数（即持率测量）。某一流体相持率是否等于该相流动体积分数，取决于该相相对于其它相是否存在严重的滑脱现象。对于不存在严重滑脱的油水两相混合流系统，可以用均匀流动模型进行分析；对于存在严重滑脱现象的流动状态，则必须应用更完善的滑脱模型来解释流量计测量的数据，才能准确地确定各相的流量。经流动循环实验表明：对于油水混合流体，流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数（即持率），而不受流动非均质性（如层状流动）的影响。CiDRA公司挖掘了光纤传感器内在的优势，开发了井下光相多相流传感器。目前的样品只局限在测量准均匀流体：如油、水两相或油、水、气三相（气相体积份数小于20%）。为了考察这种新型的光纤多相流传感器在生产井中测量油/水/气三相的性能，CiDRA最近在一口测试井进行了实验。在测试井中混合了油、水和气体，混合物包括粘度为32API的油、7%矿化度的水和矿厂天然气（甲烷），测试温度100oF，压力<2.75MPa。在0%~100%含水率范围内，仪器测量误差小于±5%，精度满足要求。该流量计能够确定原油和盐水混合物中的持水率，在持水率全量程中其误差为±5%以内，满足生产要求。而且除了能够测量持水率之外，该