光纤技术在油气田开发中的应用及发展前景.pdf

9 8 钻 采 工 艺 DRI L L I NG ＆ PR0DUC T1 0N I ECHNOL 0GY 2 0 0 9年 1月 J a n．2 o o 9 光纤技术在油气 田开发中的应用及发展前景 杨克礼，熊继有，曹新予， 蒲克勇， 李 涛 西南石油大学 杨克礼等．光纤技术在油气田开发中的应用及发展前景． 钻采工艺 ， 2 0 o 9 ， 3 2 1 9 8 1 0 0 摘要人类进入 2 l 世 纪， 油气田开发难度越 来越 大 ， 如 何利 用当今 科技发展 的成果 ， 最 大效益地 开发 老油 气藏， 实现对边远、 复杂油气藏的管理， 成为摆在我们面前的重大课题。光纤是现代通讯传感领域中最具有发展潜 力的技术， 其性能优良， 可靠性高， 适应性强， 传输数据输率快； 还可以用作高精度， 灵敏度好的传感器件。它能实 现地面网络化， 井下可视化的油气田高速率数据传输与实时连续监控 ， 在油气田开发中起着越来越重要的作用。 为此 ， 阐述 了引领油 气田开发智能化 的光纤技术应用及发展。 关键词 油气田开发 ；光纤技 术；传输传感 ； 应用 ； 发展前景 中图分 类号 T E 3 2 3 文献标识码 B 文章编 号l 0 o 67 6 8 x 2 0 0 9 叭 一 o o 9 8 0 3 人类跨进 2 1世纪， 世界石油天然气工业 即将步人 中年 时期。根据在用的储量定义， 石油天然气开采量很快就会达 到目前世界探明储量的 1 ／ 2 。中东以外地区大型油气田的开 发会越来越少。石油天然气工业的环境在不断变化 ， 油气田 开发过程 中面 临着 系列挑 战。过 去 1 0年 ， 世界 范 围内平均 产油速度下降了接近两倍。同时， 油气藏变得越来越复杂， 油气藏更小， 更致密， 储藏更深。结果， 油气藏采收率不到 3 5 ％。要最大化地开采油气藏， 提高采收率， 基于数字化、 信 息化的油气田开发新技术已成为油气田技术进步的发展趋 势 。 一 、油气 田开发智能化的发展 回顾 第一代的智能完井技术由一系列集成的电或电一水力 系统组成， 具有传感和控制能力。这种系统很复杂、 昂贵 ， 而 且在早期运用时以失败居多， 导致了第二代产品的开发 关 注全水力方案来减缓风险； 在海底油气井中采用简单的开／ 关式控制来避免井下干预。第三代产品， 使用永久性安装的 井下电子装置 ， 提供来 自部署在砂层的测量计的压力和温度 测量。但油田环境， 特别是井下温度对电子设备提出根本的 挑战。温度每增加 1 O ℃这些电子设备失效速度会加倍 。 由于它们的可靠性低， 这些设备运行效果不很理想。另外， 介入式的测井技术间期性地测量各种参数， 包括压力、 温度、 和流量。尽管它提供了有价值的信息， 但存在内在的高昂代 价和井下介入操作的风险。所以一般情况下不常测井。这 种缺乏及时的数据经常令优化产能大打折扣。对这些局限 性的认知导致了光纤传输传感系统的运用。光纤技术不仅 克服了这项缺陷， 而且扩展了传输、 测量性能和有效的测量 类型。1 9 9 3年在荷兰的陆上采油井中安装第一个井内压力 和温度测量仪 。这个系统成功地运行了 5年多的时间。 通过服务公司和传感系统开发商的大力投资， 更广泛的商业 光纤传感产品和服务已经进入油气市场。 二 、 光纤在 油气 田开发 中的应用 1 ． 光纤测量地面监测系统 随着光纤技术的发展， 基于光纤非线性效应的全分布式 光纤传感系统已经市场化。在赖曼散射分布式传感系统已 经得到广泛应用的基础上， 基于布里渊时域反射 B 0 T D R 的传感系统正在快速发展。它采用标准的通讯单模光纤作 为传感元件， 能同时提供温度和应力的探测能力； 而相位调 制光纤传感器由于采用干涉技术而具有很高的检测灵敏度， 对温度为 1 0 6 m d ／ m ℃ ， 对 压力为 1 0 一 r a c L ／ m P a ， 对应 变 轴向 为 l 1 ． 4 r a d ／ m m。相当于每米光纤的检测灵敏度 对温度为 1 0 ℃ ， 对压力为 1 0 。P a ， 对应变为 1 0 ～ m⋯“ 。 这些传感系统在油罐、 油管、 油库的压力、 温度、 流量、 设备安 全状况的监测方面性能卓越。 2 ． 光网络地面信息传输系统 油田地面信息通过中心站的高速同步光网 S 0 N E T 连 接到油田基地。中心站直接连接到中央数据处理中心。经 授权的用户可以通过密码访问永久性的存储信息 ， 中央处理 中心和现场数据。电信人员具体策划通过宽带的互联网络 连接。在当前的试验设备中， 服务器可以使用点对点网络设 备对测试现场的数据进行必要的连接和检索。在测试现场， 数据处理服务器负责收集各种传感器的信息 ， 通信服务器负 责接收远程联络和传输数据 ⋯。 收稿 日期 2 0 0 81 01 5 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 编号 9 o 6 1 0 o l 3 部分研究成果 。 作者简介 杨克礼 1 9 7 3一 ， 西南石油大学石油工程专业 2 o o 6级研究生 ， 研究方 向为光纤传输 传感 在油气 田开发 中的应 用研 究。地 址 6 1 O 5 o o 成都市新都区 ， 电话 1 3 6 8 3 4 O 2 3 0 5， E ma i l y a “ g k e l i _ 2 0 o 8 h o t m a i I _ c o m 第 3 2卷 Vo I ． 3 2 第 1 期 N 0 ． 1 钻 采 工 艺 D R I L L I N G＆P R O D U C T 1 0 N T E C H N 0 L OG Y 9 9 3 ． 井下压 力和温 度测量 在2 0世纪 8 0年代晚期引入光纤通信系统的同时， 也正 在探索使光能够被操 纵的技术来 提供物 理和化学 的测 量 j ， _ 8 j 。在航空和航海系统中对设备安全监控的应力和温 度测量系统是光纤传感技术的发展促进因素。在 2 0 世纪 8 0 年代中期就看到了基于相干仪的基础传感技术的发展。以 后， 布拉格光栅成了井内光压力和传感系统安装的最主要技 术 。 光学压力传感器 P r S 在测量性能上与当前的电子石 英压力计相当。然而， 这种简单的、 整体结构的光学压力传 感器在压力测量结构中排除了任何异质的材料或管线， 适合 稳定性的要求。在 1 9 9 9年 6月国外实验证实了在 1 5 O ℃和 3 4 ． 5 MP a 的条件下传感器的稳定性。通过 6年的试验 ， 压力 传感器没有发生性能变化。而典型的石英测量仪每年产生 1 3 ． 7 8 k P a的测量误差 J 。 4 ． 分布式温度系统 D T S D T s 使用光纤作为温度传感元件 l l J 。激光器发射光 脉冲到光纤中。当光通过光纤时， 会产生赖曼散射。赖曼散 射在波长上比入射光波长有所改变 ， 大于或小于入射光波 长。赖曼光有两种成分 斯托克斯光和反斯托克斯光。后向 的反斯托克斯光的强度比前向的斯托克斯光对温度更敏感。 通过测量脉冲时间差， 斯托克斯和反斯托克斯光强度， D T S 仪器能够测量沿整个光纤长度上的温度分布 大约以每米为 距 。用 D rr s 仪器测得的温度分辨率在 0 ． 1 ℃， 准确率在 0 ． 1 ℃。可以得到 1 m的空间分辨率， 最大可用光纤长度是 6 00 o m。 D T s监控是第一个在油气市场提供的成功的商业光纤 监控服务。像斯伦贝谢的传感器高速公路公司和哈里伯顿 的普鲁特公司提供了光纤沿着完井管串安装的技术。2 o 0 1 年 ， 威德福德永久性的井下光缆布置成功， 在一根光缆上能 支持多个光学系统的能力意味着对光纤监控系统增加 D T s 不需要额外的井下设备 。与多线电子系统比较， 这种公用 的光缆设备节约了操作时间和产品花费。 5 ． 单相和多相流量计 单相和多相光纤井内流量计具有与电子流量系统的同 一 个价值命题提供生产区域实时的层段流体和相分数 测量。井内光纤流量计基于声纳技术， 在流体中不需要任何 传感器和传感窗 口。流量计完全是非侵入式的。单相流量 计装备有直接测量流速的传感器。多相流量计装备有流速 传感器和测量混合流体声速的传感器。声速是油、 水、 气体 积分数的很好的评价指标。流量计的测量部分由分布于整 个管道上的多个传感器组成。 传感器沿着一根连续的光纤被多路复用并被地面安装 的仪器访问， 然后对信息进行处理。运用声纳阵列处理领域 和其它应用领域中开发的技术， 把声速和流速提取出来。光 纤 P ／ T测量仪通常与流量仪连接在一起。这种联合的测量 仪对压力、 温度 、 体积速度和声速作出测量。 流量计的精度和可重复使用性在实验和现场测试中已 经得到证实。单相精度在 1 ％之内 9 5 ％的置信区间 。并 且已经校准到 0 ． 2 5 ％； 在多相流中， 实验测试， 在油、 水、 气 体积分数的整个范围内， 流速误差不到 5 ％。 第一次光纤流量计的油田安装是 2 O 0 o年 1 O月在墨西 哥湾壳牌公司的 S h e u Ma r s A一1 8井上安装的 。这套 8 9 mm的流量计安装在水下8 9 6 m， 总深度为6 4 4 3 m的大位 移井段。安装照计划进行没有耽搁钻井时间。在开钻时流 量计提供了很有价值的压力、 温度、 体积流速的信息， 测量结 果与地面测试分离仪基准测量结果高度一致。流量计性能 也在说明范围之内 J I 。 6 ． 地震传 感 光纤地震仪使用干涉仪技术 卜 。它有两个地震反射 波长分选镜及光纤布拉格光栅 B G 。从地面仪器的光源中 发出的光直接进人光纤， 当光到达第一个布拉格光栅时， 一 部分光被反射回来， 然而大部分光继续传播 ， 通过光纤传感 器到达第二个 B G。这个过程反复进行， ～部分光反射回第 ～ 个布拉格光栅， 大部分光通过第二个 B G继续传播。光以 反射光波长的形式最终到达地面并被地面设备监控。当传 感光纤受到应力作用时， 从第一个 B G到第二个 B G的反射 光之间的相位差便产生了干涉信号， 这种信号代表着应力 量。借助于光纤的长度， 干涉型的传感器能够监测很小的应 力变化。 T N 0与 T uD e m， K MMI 和 A s T R 0 N公司合作， 在荷兰 运用超高速光纤网络连接到世界上最强大的计算机， I B M B 1 u e G e n e ／ L系统上， 安装 了地震监控网络。数据能以将近 2 1 0 ” b i t s ／ s 的速度传输。 7 ． 高能激光射 孔 自从 1 9 9 7年来 ， 气体技术研究所 G T I 和其研究伙伴进 行了高能激光井下射孔和完井的应用研究 ” 。从 2 o 0 3 年开始 ， G T I 使用一套 5 ． 3 4 k w 的敷钇， 多包层的光纤激光 器。它的发射波长是 1 ． 0 7 m。在研究中， 对各种各样输出 能量从 1一 l 2 0 o k w 的激光 C 0 2 ， N d Y A G， c 0 I L ， MI R A c L ， 光纤激光 进行了射孔应用评价。光纤激光技术因其先进性 成为射孔和井下应用的首选。其尺寸小 ， 只有 0 ． 5 m ， 不需 要维护 ， 容易通过光缆传到井下， 而且效率高。在井下情况 下， 光纤激光对岩石射孔效率的提高证实了它是对传统射孔 技术非常有前途的替代技术。 8 ． 运用光纤传导能量的激光机械钻头 因为有了光纤， 使得传输光能量到井下进行激光钻井成 为可能。激光机械钻头” 工作的原理是使用激光束对岩石 进行裂化。已经证 明激光产生的温度效应降低了岩石的强 度。这是由于在高温下微裂纹的发展、 矿物脱水和汽化导致 了岩石颗粒间隙的增加。当与没有激光作用的部分比较时 发现， 各种岩石模量， 像杨氏模量， 剪切模量， 体积模量和总 的模量均减少了。然后 ， 通过当前正在使用的机械钻头技术 对强度降低的岩石钻井 ， 实验以更快的速率获得了成功。激 光参数能靠地面测井信息进行调整以适合地层特性。激光 机械钻头具有以下优点 更快的钻进速率 R 0 P ； 更少的钻 头磨损和更长的钻头寿命；起下钻时间减少； 能运用在所有 类型的钻井作业中 水平／ 垂直／ 定向井 ；同一个激光设备 l 00 钻 采 工 艺 DRI L L I NG ＆ P R0DUC TI ON T ECHN0L OGY 2 0 H D 9年 1 月 J a n ．2 0 0 9 能被多次使用。 9 ． 光纤激光屏蔽暂堵 运用单根或多根光纤将高能激光传输到井下密闭腔室 中的激光头中。在井下， 运用掺铒光纤放大器将光能增强， 利用波分技术将激光分配到多个光纤微束连接的激光头中， 对井壁进行激光扫描， 利用激光对岩石的热熔作用 ， 将岩石 熔化， 熔融状的岩石流冷却凝 固后将充分堵塞井壁孔隙， 形 成一层致密的薄岩饼， 以取代 目前普及的钻井液屏蔽暂堵。 在机理上可行， 而且应比滤饼封堵效果更为理想。目前国内 外还没有从事这项实验研究， 但已经有人提出了这种观点。 l 0 ． 光 纤陀螺钻井地质导 向 众所周知， 陀螺仪指示的方向具有一经设定就不随周围 状况而改变的性质。目前的旋转地质导向系统使用的是机 械陀螺仪。机械陀螺仪用予钻井地质导向时， 缺点很明显 ①为使重的旋转体高速旋转 ， 必需井下马达作动力， 而且还 需要启动时间； ②读取陀螺的指示必须有大型装置； ③转子 与轴承问的摩擦将会产生较大的导向误差。随着基于保偏 光纤， 运用赛格纳克原理的干涉型光纤陀螺仪的问世， 它与 半导体激光器结合使用将极大改变地质导向的精准度问题， 克服机械导向陀螺仪的弊端。小型化， 高灵敏度 ， 性能可靠， 价格相对低廉的光纤陀螺仪是今后旋转地质导向的理想替 代产品。在地面条件下， 光纤陀螺仪灵敏度最佳的实验检测 极限已达 1 O r ／ s _ 1 ， 现在需要进一步现场验证的是在苛 刻的井下运行时其性能的稳定和可靠性。 三、 结论 1 随着油气田开发的形势越来越严峻， 使用高新技术 的油气田是 2 1 世纪的发展方向。 2 光纤在油气田应用中包括地面监控； 高速率数据传 输 ； 地下压力、 温度、 单相和多相流量监测； 光纤激光射孔 ； 光 纤传输的激光辅助机械钻头破岩； 以及有望在将来可能实现 的激光屏蔽暂堵技术和光纤陀螺仪地质导向技术。 3 光纤的高性能， 良好的适应性， 与环境兼容， 能够进 行连续实时监控与高速率数据传输 ， 成为引领油气田开发的 高端技术。 参考文献 [ 1 ] 李玲， 黄永清． 光纤通讯基础[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 孙圣和， 王廷云， 徐影． 光纤测量与传感技术[ M] _ 哈尔 滨 哈尔滨工业大学出版社 ， 2 O 0 0 ． [ 3 ] 徐荣 ， 龚倩． 高速宽带光互联网技术[ M] ． 北京 人民邮 电出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] c l a n t o n R w， H a n e y J A， P me t t R， wa h l c L ，l i f lf 0 n J J ，Gu a l t i e r i D． R e a l t i me mo n i t o r i n g o f a c i d s t i mu l a t i 0 n u s i n g a f i b e r 一 0 p t i c D T s s y s t e m [ J ] ．s P E 1 0 0 6 1 7 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] D r a k e l e y B K， J 0 h a n s e n E s ， z i s k E J ， B 0 s t i c k F x I I I ． I n w e Ⅱ o p t i c a l s e n s i n g - s t a t e o t h e Ar t印 p l i c a t i o n s a n d f lu t u r e d i r e c t i o n f b r i n c r e a s i n g v a 1 u e i n p md u c t i o n 0 p t i mi z a t i o n s y s t e m s 『 J _ ．S P E 9 9 6 9 6 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] K r a g a s T o r K， B 0 s t i c k I I I F x，M a y e u c h r i s t o p h e r ，G _y s 一 1 i n g Da n i e l L，v a n d e r S p e k A l e x M ． d 0 wn h o l e f i b e r o p t i c n 0 wme t e r d e s i g n ， o p e 1 ．a t i n g p r i n c i p l e，t e s t i n g ，a n d e l d i n s t a l l a t i 0 n s [ J ] ．S P E 8 7 0 8 6 ， 2 0 O 3 ． [ 7 ] A r t s R， B r o u w e r J ，H o f s t e e c， K o o i j m a n J ， D r i j k 0 n i n g e n G ． c o n t i n u o u s 4 D m o n i t 0 r i n g i s n o w r e a 1 i t y [ J ] ． s P E 9 9 92 7．2 0 0 6． 『 81 Bfd r k v e d 0 I ． ，K o mme d a l J H ，T h o ms e n 1 ．Th e r o l e o f mu l t i - c o mp 0 n e n t s e i s mi c d a t a i n d e v e l o p i n g t h e Va l h a l l e l d 『 J ] ． N o n v a y ． 6 6 t h E A G E c o n f e r e n c e P a r i s ， F r a n c e ．Ex t e n d e d a b s t r a c t s E O 4 0．2 O O 4 ． [ 9 ] B a r k v e d 0 I，K r i s t i a n s e n T ． s e i s m i c t i me l a p s e e f f c t s a n d s t r e s s c h a n g e s E x a mp l e s 0 m a c o mp a c t i n g r e 8 e r 、 r o i T [ J ] ． s E G， T h e I J e a d i n g E d g e ，2 0 0 5 ， 2 4 1 2 ． [ 1 0 ]P h i I l i p M， Ha l l e c k c， 0 z g e n K a r a c a n ， I n n o v a f i o n i n w e l 1 一 b o r e p e I f 0 r a t i o n u s i n g h i g h p o w e r l a s e r [ J ] ． s P E ． T h e I C 1 O9 81．2 00 5． [ 1 1 ]B a t a r s e h s I， G a h a n B c， s h a r m a B c ．E v a 1 u a t i o n o f h i g h p o w e r y t t e r h i u m f i b e r 1 a s e r s f 0 r r 0 c k c u t t i n g a n d r e m o v a l _d p p l i c a t i 0 n s[ J ] ． I c A L E 0 l 4 0 2 ， 2 0 o 4 ． [ 1 2 ]G a h a n B c ，B a t a r s e h s I ． ，s h a m 1 a B c， A n a l y s i s 0 f e m c i e n t h i g h p 0 w e r f i b e r l a s e r s f 0 r w e U p e I f 0 r a t i 0 n， 『 J ] ．S P E 9 0 6 6 1 ， 2 0 4 ． [ 1 3 ]B a t a r s e h s I ． ， G a h a n B c， s h a ma B c ． D e e p h 0 l e p e n e t r a t i 0 n 0 f r o c k f 0 r o i l p md u c t i o n u s i n g y t t e r b i u m b e r l a s e r『 J ] ．S P E 5 4 4 8 _ 9 8 ， 2 o o 4 ． [ 1 4]s h a h v i r P o o n i w a 1 a ，L a s e r s t h e n t b i t [ J ] ． s P E， 1 O 42 23．2 o0 6． [ 1 5 ]孙长库 ， 叶声华． 激光测量技术 [ M] ． 天津大学出版社， 2 0 01 ． 编辑 黄晓川 ’’ ’ ’ ’ ’ ’’ ’ ’’’ 。 ’’ ’’ ’ 。 ’ ； 祝 贺 “ 期 刊 编 校 无 差 错 承 诺 活 动 ’’ 测 评 揭 晓 钻 采 工 艺 首 批 合 格 ． ．． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．， ． ．． ． ． ． ．．．．．． ．． ． ． ● l l ● ● ◆ ◆ ◆● ●l ●l ◆ ◆ l ●【 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆● ◆’ ⋯● ● ◆ ◆ ●I◆ ◆● ◆ ● ◆◆ ●● ◆ ●