基于拉曼散射的DTS技术在石油与天然气工业中的应用

测量井下环境和管道沿线的分布式光纤温度传感有许多应用。本文重点介绍基于拉曼散射的DTS技术在石油和天然气行业的重要应用。

一、井量监测

在井中开始生产之前，关闭温度曲线表示地热温度，前提是没有由于活动（例如泥浆循环、流体注入和水力压裂）而导致的温度变化。一旦开始生产，由于烃类化合物流入井筒，流入点的参考地热温度可能会发生显著变化。

图1使用基于拉曼散射光纤DTS定位井筒中的流入点

图1显示了一个典型的例子，使用由基于拉曼散射的DTS技术产生的温度曲线定位井筒中的流入点。地热温度（红线）随着深度不断增加。关注井筒温度剖面（绿线），其温度与井筒底部的地热梯度相匹配，因为该区域没有生产。在这个代表性的例子中，流体于流入点1进入井眼，其温度对应于当地的地热温度。当流体向井口上升时，热量在流体和井筒之间传递，因此流体失去一些热量并加热井筒。在流入点2处，流体以新的局部地热温度再次进入井筒，由于流体混合导致井筒温度下降。相反，如果气体进入井筒，则会因绝热膨胀而产生冷却效果。因此，使用基于拉曼散射的DTS技术进行井下热监测可以识别烃类化合物进入井眼的流入点。

二、注水监测

钻完生产井后，烃类化合物从储层流向地表，储层的原始压力通常足以将烃类化合物向上推。然而，随着储层的产生，原始压力逐渐降低，这需要向储层注入水以增加其压力（图2(a)）。注水过程改变了井下烃类化合物的温度。注入过程成功的关键因素之一是确定注入水转移到储层的区域。

通过回温方法监测注入井的性能，可用基于拉曼散射的DTS技术记录的井下温度测量值。在这种方法中，注水之后关井，可观测到井的温度恢复到了地热梯度。考虑图2(b)中的代表性示例。其中冷水注入改变了井周围和储层中所有围岩的温度（紫线）。一旦停止注入并关井，岩石的温度就会随着时间的推移逐渐恢复到地热梯度（绿线）。吸收了更多水量的区域的温度以较慢的速度返回地热梯度。可以使用温度测量将总注入水量分配到每个储层。因此，DTS还可用于识别区域外注入——多余的地质层被加压而非产油层。这对于正确执行注入策略非常重要。此外，注入井的部分难点是压力增加可能会导致过载的管道零件完整性受到挑战。

图2 (a)注液示意图；(b)注水井中的回暖测量

这些井还可能导致完整性问题，其潜在后果是将流体泄漏到浅层含水层中。因此，监测一些关键井以避免这种潜在问题对环境至关重要。

三、蒸汽辅助重力排水（SAGD）优化

提高石油采收率的一种技术是蒸汽辅助重力排水（SAGD），其中将蒸汽注入储层以降低重油的粘度。SAGD井通常包括一对井，使水平生产井位于另一口水平蒸汽注入井下方约5m处（图3(a)）。蒸汽最初通过注入井和生产井注入储层，直到形成足够的蒸汽室，然后生产井进入生产阶段。由于重力作用，加热的重油落向生产井并开始流向地表。同时，注入井继续注汽过程，以补偿生产过程中发生的热损失。

图3 (a)使用注入-生产井针对的SAGD操作；(b)三维温度曲线在SAGD过程中使用光纤DTS系统记录

基于拉曼散射的DTS技术提供的温度曲线对于优化SAGD过程至关重要。例如，注入井和生产井之间的温差是应该监测的关键参数之一。如果生产井的温度与注入井的温度相匹配，则表明蒸汽突破到生产井中。因此，生产井会将蒸汽/冷凝水而非烃类化合物泵送到井口。将两个井之间的温差调整到最佳值可以改进SAGD过程。此外，决定稠油粘度的注采区温度被认为是控制稠油流入生产井的主要参数。本次讨论强调了使用光纤DTS改进SAGD工艺的优点。然而蒸汽注入的温度通常远高于200°C。由于高温和恶劣的井下环境条件，光纤光缆可能会因氢化变黑等原因而老化。此外，适当的光纤部署是监测SAGD过程的另一个挑战。

使用光纤DTS系统，图3(b)显示了位于加拿大阿尔伯塔省乔斯林油田的SAGD井的温度剖面测量示例。数据是在2004年10月1日至12月31日SAGD井生产的时间间隔内记录的。除了底部区域，储层最初温度很低。随着时间的推移，储层从底部开始逐渐升温，直到12月31日底部的三分之二才热起来。

四、管道泄漏监测

管道中的轻微泄漏可能发展成重大灾害。通过压降或质量平衡监测管道泄漏在定位泄漏方面既困难又不精确。基于拉曼散射的光纤DTS技术可以捕获管道表面温度变化，这意味着DTS可以立即监测到泄漏，甚至可以更轻松地找到泄漏的位置。光纤光缆可以直接连接到管道表面，也可以埋在管道旁边。在某些情况下，用于长距离通信的光纤光缆与管道可一起铺设。

图4 当管道运输石油（a）或天然气（b）时使用光纤 DTS 进行管道泄漏监测

由于电信光纤光缆通常包含未使用的备用光纤（暗光纤），因此暗光纤可用于监测管道沿线的泄漏，且成本最低。如果管道正在输送液体或气体，则光纤光缆铺设在管道表面的下方或上方（图4）。图4(a)和(b)显示了通过管道泄漏的石油和天然气的代表性示例，这些管道分别在泄漏部位升高和降低光纤光缆的温度。

有人担心对用于防止腐蚀的管道涂层的损坏以及对管道附近工作人员的健康和安全限制。因此，在可能的情况下，例如在埋地管道时，建议避免将光纤光缆直接连接到管道表面，而是将光纤铺设在输送液体或气体的管道下方或上方。例如，DTS系统的产品文献表明，光纤可以铺设在输送液体的管道下方10.2厘米至15.2厘米处。周围土壤的近场温度受到内部流体流动的埋地管道的影响。监测出小型泄漏的可能性不仅取决于DTS系统的规格，还取决于土壤的特性。例如，在发生小型泄漏的情况下，从管道中通过高含水量土壤释放的石油产品很有可能像分散的手指一样移动。

这被认为是使用DTS系统进行泄漏监测的最坏情况，因为泄漏的产品可能不会直接接触光纤。因此，DTS系统的泄漏监测能力需要现场校准。此外，为了降低泄漏监测的误报率，重要的是DTS系统的校准，以便在DTS解析期间背景土壤温度不会显着波动。

审核编辑：刘清