新系統助你實時監測油環動態

永久式光纖井筒液位監測系統提高對儲層的理解，縮短生產延期，減少運營支出，降低HSE風險。

來自 | E&P

編譯 | 大安 白小明

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為了有效地開發介於氣、水層之間油環，避開其上的氣頂或其下的含水層，監測油環的位置是非常重要的。在高度裂縫性的碳酸鹽岩儲層（例如阿曼的一些地區）中，油環可能很薄且處於高度的動態變化之中。因此，能夠監測油環的相關數據對於採用智能採油方法顯得尤其重要，智能採油方法是指作業公司在整個油藏打很多井後，選擇特定的生產速率和時間表，並確定是否在油藏上、下方注水和氣以控制油環的位置。

石油圈原創，石油圈公眾號：oilsns

背景

監測油環動態變化的常規方法是在觀察井中周期性地進行磁力勘查，即下入一系列電纜測井儀器測量井筒中流體的液位和成分。在高滲透性或高度裂縫性儲層，地層和射孔後的觀察井之間的流體具有良好的連通性，因此井筒中的流體液位給操作人員提供了有關儲層內油環的足夠信息，以便採用智能油井生產方法。

雖然利用磁力勘查數據進行生產優化非常有用，但它確實存在一些缺點。整個測量過程中每次都需要有電纜設備和人員在場進行油井干預作業：開井、測量過程中的壓力控制、關井。這使得整個過程成本較高，並且在開井狀態時帶來HSE相關風險。因此，採用磁力勘測方法的頻率很低，可能每年只在一些關鍵的觀察井進行一次或兩次測量。

從最近的作業中發現，正是由於測量油環位置的頻率太低，導致沒能識別到由生產作業引起的油環數據的動態變化，最終失去了許多優化產量的機會。許多作業案例已經證實，缺乏及時的磁力勘查數據導致失去了對油環的控制和嚴重的生產延期。

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開發和試驗

早在21世紀初，殼牌位於Rijswijk的井筒技術團隊就認識到，可以在井筒內不同流體中部署一系列永久壓力表來測量相鄰壓力表之間介質的密度，從而可以精確地計算出不同密度介質間的界面。如圖1所示，這種方法所得的結果與周期性磁力勘查的結果相同（例如，井筒中夾在上部氣層和下部含水層之間的油環的位置和厚度）。

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圖1 - 使用分散式壓力計計算實時流體界面的方法。

雖然壓力感測器已被行業使用了數十年，然而這些電子儀錶並不適用於本文所描述的應用場景，因其在井筒的高溫條件下使用壽命相對較短，而且在單井中部署含多個電子儀錶的工具串存在後勤保障難度和高成本問題。相反，可以考慮用於測量壓力的光纖布拉格光柵（FBG）。FBG技術有能力提供用於流體界面監測所需的永久性分散式壓力和溫度感測（DPTS），該儀錶不需要井下電子設備，因而能夠在井下高溫條件下長時間工作；這種技術具備長期穩定地監測由較小的液位變化引起的細微壓力變化的能力；而且可以將數十個FBG壓力計串聯在一條光纜上，連接到單個地面採集單元（SAU）。

2003年，殼牌開始與英國智能纖維公司（Smart Fibres）合作開發膜片式壓力計，它能夠提供永久性的井下DPTS功能。感測器（圖2）將其周圍流體靜壓力的變化轉換成壓力敏感型膜片的形變，然後轉換成附著在膜片上的光纖的應變。該應變可以通過SAU利用所謂的布拉格方程從FBG反射的波長來測量。

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圖2 - 基於FBG技術的膜片式壓力感測器示意圖。首先，帶有光柵PFBG的光纖1連接到壓敏膜片2上進行壓力測量。接下來，帶有光柵TFBG的光纖3連接到熱膨脹試件4以進行溫度測量和補償。

在一個合作開發項目中，智能光纖公司負責設計用於長期穩定測量的井下測量儀和地面詢問機，而殼牌負責測量數據的部署方法，以及將數據整合到其運營單位的信息技術基礎設施中，以將油環位置數據實時傳輸到桌面計算機。2010年在碳酸鹽岩儲層進行了第一次試驗，將9個井下儀錶部署在3-1/2in的油管上，再通過井下光纜連接到太陽能驅動的SAU。分散式壓力和溫度數據由SAU通過遠程遙測單元傳輸，然後使用預定的演算法處理成流體接觸面位置數據。

首次試驗對於開發商業化的DPTS系統具有里程碑式的意義。2012年和2014年，又進行了2次試驗，以證明該解決方案的可重複性，並驗證了對系統的改進。此外，在2次商業化應用中還開發和驗證了一種新的部署方法，將井下壓力/溫度計陣列在運輸到現場前預先組裝並進行了工廠驗收測試。這種離線部署方法可縮短現場安裝時間，從而降低部署成本和HSE風險。

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結果

3次試驗獲得的數據精確度和系統的可靠性不斷提高，特別是來自井下光學測量儀所測得的壓力數據穩定性非常高，這對於避免誤判流體界面變化至關重要。圖3顯示了來自一口相對穩定的井中14個儀錶的數據，這些數據可以相互印證，除了一個儀錶被認為處於油相到氣相的過渡帶，顯示壓力減小。為了給出刻度指示，氣相中壓力表之間的壓差大約為1kPa（0.15psi），這證明了各個壓力表測量值的穩定性。

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圖3 - 系統安裝時的示例數據。左邊顯示的是來自14個壓力表的高度穩定的壓力數據，除了1個壓力表處於油氣過渡帶；右邊顯示了6個月時間內，測得的油環消失了2次。

作業公司的工程師使用這套可視化工具，能夠查看實時和歷史的壓力、溫度和液位數據，這些數據將改變他們的生產優化方案。圖3顯示了一個實例數據集，我們可以看到觀測井中的油層在6個月內消失了兩次。有了這種對油環動態行為的實時認識，工程師就可以採取預防性措施來維持油環的厚度和位置。

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系統價值

由於產量和其他作業統計數據的保密性，無法對系統價值進行定量分析。但系統提供價值的方式還是可以總結如下：

（1）提高對儲層的理解。首先，從不確定的對觀察井進行周期性磁力勘查，向實時監測轉變，本身就是一種必然趨勢和要求；而且在不考慮與注氣壓縮機的限制和正常運行時間相關的額外收益的情況下，就可獲得大量的生產優化預期效益。

（2）縮短生產延期。使用實時監測技術可以防止老問題的重複發生，如磁力勘查可能未監測到油環變薄和位置下降，最終導致整個油田的產量下降。

（3）減少運營支出。將部署單個DPTS系統與重複採用磁力勘查的成本進行比較時，長期來看，可以看到成本的降低。

（4）降低HSE風險。DPTS系統在完井期間只需要一次油井干預作業，而重複的磁力勘查則需要多次干預，並使現場工作人員處於HSE風險中。

（5）系統可擴展能力。DPTS系統中使用的光纖也可用於分散式聲波感測、垂直地震剖面分布或分散式溫度感測，可以很輕鬆地加入其他監測系統。

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