基于拉曼散射的分布式光纤测温在油气井动态监测中的机理与应用研究

最新推荐文章于 2025-11-30 18:15:47 发布

原创最新推荐文章于 2025-11-30 18:15:47 发布 · 364 阅读

4 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#分布式 #物联网

DTS系统在测井领域的应用是一个将光纤传感技术成功应用于石油天然气工业的典范，极大地推动了油气藏的动态监测和开发管理水平的提升。

一、什么是分布式光纤DTS系统？
首先，我们需要理解两个核心概念：
1.分布式光纤传感
与传统“点式”传感器（只在特定位置测量）不同，分布式光纤传感将整根光纤本身作为传感元件和传输介质。它可以沿着光纤的每一个点，持续、实时地测量物理量（如温度、声波、应变等）。这意味着，只需要铺设一根光纤，就能获得一条数公里甚至数十公里长的连续“测量线”。
2.DTS系统
全称分布式温度传感系统，其原理基于拉曼散射效应。当激光脉冲在光纤中传输时，会与光纤分子发生相互作用，产生拉曼散射光。其中，斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比值与光纤所处位置的温度存在精确的线性关系。通过测量激光发射与信号接收的时间差，系统可以精确计算出温度事件发生的位置。
简单来说，DTS系统就是利用一根特殊的光纤，实时测量并定位整口井从井口到井底的、连续的温度剖面。

二、 DTS在测井领域的核心应用
在测井领域，DTS技术主要用于生产测井和注入监测，为油气藏的动态管理提供前所未有的数据支持。

产液剖面解释
这是DTS最经典和重要的应用之一。传统生产测井需要下入复杂的多参数仪器串，作业成本高、有风险，且是“快照”式测量。而DTS可以永久安装，提供连续、实时的数据。
工作原理：当油气流体从储层流入井筒时，会因焦耳-汤姆逊效应而发生温度变化。气体膨胀吸热会导致流入点温度降低，形成“低温异常”；液体摩擦生热通常会导致流入点温度轻微升高。
应用方式：通过分析井筒温度剖面的异常点（温度突变点），可以精确判断哪个层段是主要产层，以及每个层段的贡献比例；在关井后恢复和开井生产的过程中连续监测温度变化，可以更清晰地识别出流体流入点。
注水/注汽剖面监测
在二次采油（如注水）和稠油热采（如注蒸汽）中，了解注入流体的去向至关重要。
注水井监测：注入的水通常与地层温度不同。DTS可以清晰地显示哪些层段吸收了更多的注入水，从而评估注水效果，避免“指进”和“水窜”，提高波及效率。

注蒸汽井监测（尤其在稠油开采中）：这是DTS的“杀手锏”应用。蒸汽的温度远高于地层温度。DTS可以实时描绘出蒸汽腔的发育情况和蒸汽前缘的推进位置，直接指示哪些层段正在被有效加热。这对于优化蒸汽注入参数（压力、温度、干度、流量）至关重要。

井筒完整性诊断
套管外窜漏诊断：如果层间封隔失效，流体会在套管外发生窜流。这种窜流会带来温度异常，DTS可以探测到这种异常，并定位窜漏点。
水泥胶结质量评估：水泥胶结不良的区域，其热传导特性会发生变化，可能在温度曲线上有所反映，作为辅助判断依据。
管线泄漏检测：可以监测井下安全阀、封隔器等设备的泄漏情况。
压裂监测与效果评估
在非常规油气（页岩气、致密油）的水平井多级压裂中，DTS也发挥着重要作用。
工作原理：压裂时，注入的压裂液温度与地层温度存在差异。
应用方式：在压裂施工期间和停泵后，通过监测各段簇的温度恢复情况，可以判断哪些射孔簇真正吸收了压裂液，评估压裂的均匀性和有效性。虽然分布式声波传感（DAS）在压裂监测中更常用于判断裂缝起裂和扩展，但DTS可以提供互补的温度信息，综合判断压裂效果。如ZITN的“DTS+DAS”系统，经过多年的技术研发、现场实施和远程服务，至今已参与了超过90个光纤测井项目和26个长效监测项目。

三、 DTS技术的主要优势
全分布式测量：提供连续、完整的井筒温度剖面，无测量盲点。
实时性与连续性： 7x24小时不间断监测，能够捕捉瞬态温度事件和长期变化趋势。
永久安装：光纤通常与完井管柱一同下入，一次性投资，长期受益，无需频繁进行昂贵的生产测井作业。
耐恶劣环境：光纤本身由石英制成，耐高温、高压、腐蚀，适用于复杂的井下环境。
无电子器件：井下部分为无源器件，可靠性高，寿命长。
安全防爆：本质安全，非常适合易燃易爆的油气井环境。

四、挑战与局限性
解释的多解性：温度变化可能由多种因素引起（如流体流入、窜流、地温梯度变化等），需要结合地质、工程和其他生产数据（如流量、压力）进行综合解释，对解释人员要求高。
空间分辨率与测温精度：空间分辨率（通常为1米左右）和绝对测温精度之间存在权衡。对于非常薄的产层，可能难以精确分辨。
依赖温度差异：其有效性依赖于流入/注入流体与地层背景温度之间存在足够的温差。如果温差很小，解释将变得困难。
初始投资成本：光纤完井系统的初始投入成本相对较高，需要进行经济效益评估。

总结
分布式光纤DTS系统已经彻底改变了传统生产测井的面貌。它将井筒从一系列离散的“测量点”变成了一条透明的“测量线”，为工程师提供了前所未有的、关于井下流体动态的视觉能力。
通过实现长期、实时、连续的温度监测，DTS在产液剖面分析、注入剖面优化、井完整性保障和压裂效果评估等方面发挥着不可替代的作用，是实现油气藏智能化、精细化管理和提高最终采收率的关键技术之一。随着光纤技术和数据分析算法的不断进步，其应用前景将更加广阔。