油稠油田开发中热采水平井光纤栏检测技术大学毕设论文.docx
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油稠油田开发中热采水平井光纤栏检测技术大学毕设论文
本科毕业论文（设计）
题目：
稠油油田开发中热采水平井光纤栏检测技术
姓名：
学号：
院（系）：
中国石油大学专业：
石油工程
指导教师：
职称：
教授
2016年4月
本科生毕业论文（设计）原创性声明
本人以信誉声明：
所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业论文作者（签字）：
签字日期：
2016年4月8日
摘要
随着我国经济的高速发展，油气开采是石油行业的重大课题。
随着对石油能源需求的增加，复杂的油田地质情况对油气开采的影响，成为了石油行业一直在研究的问题。
由于我国油藏地质情况复杂，其有效开采技术也存在差异。
本文论述了针对在稠油热采水平井光纤栏检测技术，介绍和分析了对油田开发效果的影响。
较为经济合理的开采和科学合理的利用开发好稠油油气层是一个石油工业的热点。
水平井开发中，产液或注水时得到的数据对可靠性和准确性是至关重要的。
对于了解水平井的温度场分布，确定水平段注气情况，延长水平井的生产周期十分有效。
关键词：
稠油特性；热采;光纤栏检测技术
Abstract
Withthehigh-speeddevelopmentofeconomicinourcountry,theexploitationofoilandgasbecomethemajortaskinpetroleumindustry.Withtheincreaseofdemandforoilenergy,complexgeologicalconditionsinfluenceoftheexploitationofoilandgas,itbecomeoftheoilindustry'sstudyproblem.Becauseofthecomplexgeologicalconditionsinourcountry,theeffectiveminingtechnologyalsoexistsdifference.Thisarticleisaimtodiscussesinheavyoilthermalrecoveryhorizontalwellfiberbardetectiontechnology,introducesandanalyzestheeffectofoil-fielddevelopment.Themorereasonableeconomicexploitationandscientifictouseofandgooddevelopmentofheavyoilreservoirisahotspotinpetroleumindustry.
Inthedevelopmentofhorizontalwell,thereliabilityandaccuracyofdatawhichisobtaininproductionfluidorwaterinjectionisthemostimportant.Itiseffectiveforsomeonetoknowthedistributiontemperaturefieldinhorizontalwells,determinethehorizontalsectionofhorizontalwellgasinjection,toextendtheproductioncycle.
Keywords:
Characteristicsofheavyoil
Thermalproduction
Opticalfiberbartestingtechnology
目录
序言.......................................................1
第1章稠油特性.............................................2
第2章稠油的分布和开发技术趋势.............................2
第3章热采水平井光纤栏检测技术.............................4
3.1光纤传感测试系统...................................4
3.2光纤传感器在测井上的研究进展.......................6
3.2.1压力监测........................................6
3.2.2温度............................................7
3.2.3多相流..........................................8
3.2.4声波............................................10
3.2.5激光光纤核传感器................................11
3.3光纤栏检测技术....................................11
3.3.1井下永久传感器技术的开拓与现状..................11
3.3.2光纤栏检测技术的现场应用情况....................12
3.3.2.1室内测试......................................12
3.3.2.2应用效果......................................13
第4章结束语...............................................14
参考文献
致谢
序言
（正文部分）
针对于稠油热采开发技术，现在稠油热采越来越倾向于水平井和复合井技术的应用。
我国国民经济发展对石油需求量的增长速度比以往任何时候都大；各主力油田均已进入高含水或特高含水开采期，开采难度增大，产量递减幅度加大，而且后备储量严重不足，石油的供求矛盾日益突出。
稠油油藏储集层多以粗碎屑岩为主，岩性疏松，泥质含量偏高。
与国外几个重质油田相比，原油中胶质含量高，含硫量低，重金属钒含量低。
大量的剩余油有待于进一步开采，同时对实时动态监测技术也提出了新的需求,各大油田公司能够充分利用这些有利的信息，实现和维持油田的最优化生产，从而使油藏达到最高的采收率。
水平井开发中，产液或注水时得到的数据对可靠性和准确性是至关重要的。
在稠油热采水平井光纤栏检测技术发挥的作用。
对于了解水平井的温度场分布，确定水平段注气情况，延长水平井的生产周期十分有效。
水平井开发中，产液或注水时得到的数据对可靠性和准确性是至关重要的。
在水平井和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。
第1章稠油及其特点
稠油是指在油层中的黏度高，流动阻力大。
通常把地面密度大于0.943、地下粘度大于50厘泊的原油叫稠油。
稠油还可分为普通稠油（ConventinalHeavyOil）、特稠油（ExtraHeavyOil）和超特稠油（SuparHeavyOil）。
我国稠油特点：
1.油藏埋藏较深
2.轻质馏分少，大多在5%左右，胶质沥青质含量很高。
3.稠油黏度随密度增加而增加，但是并不是呈线性关系。
4.含硫量低。
5.石蜡含量较低。
6.对温度的敏感性很大。
我国第一个年产上百万吨的稠油油田是辽宁省高升油田.
稠油油藏在其形成过程中，由于生物降解及其破坏作用，天然气及轻质组分的散失，使其原油中轻质馏分含量低，含气量低，200℃馏分一般小于10%，原油气油比一般小于10m3/t，有的则小于5m3/t，油藏饱和压力低，天然能量小。
稠油的粘度对温度极为敏感，随温度升高，原油粘度急剧下降，粘度与温度关系曲线在ASTM坐标纸上呈直线变化，温度每升高十摄氏度左右，粘度往往降低一倍。
此外，稠油中也可以溶解有天然气，这也可以使其粘度大
大降低。
稠油与轻质油在组分上的差别在于稠油中胶质、沥青质含量高、油质含量小。
稠油中胶质、沥青质含量一般大于30%～50%，烷烃、芳烃含量则小于60%～50%。
在化学组分中的重大差别之一在于稠油含氢量低、碳氢比大。
含氢量一般小于12%，碳氢比一般大于7.0。
第2章稠油的分布和开发技术趋势
我国陆上稠油油藏多数为新生代陆相沉积，油层非均匀性严重，地层构造的断层多，而且油藏类型多，埋藏深，埋藏深度大于800m的其储量占已探明储量的80%以上，其中一半油藏埋藏深度在1300~1700m。
稠油油藏储集层多以粗碎屑岩为主，岩性疏松，泥质含量偏高。
储层非均质较严重，纵向层间渗透率级差往往大于20~30倍。
大部分稠油油藏具有边底水，多层状稠油油藏，含油井段长达150~300m，可分为数个油层组，发育20~30个小层，具有多套油水系统，油水关系较复杂。
稠油组分中胶质含量一般高于30%~40%。
与国外几个重质油田相比，原油中胶质含量高，含硫量低，重金属钒含量低。
稠油热采开发技术趋势：
现在稠油热采越来越倾向于水平井和复合井技术的应用。
接下来就关于水平井开发中，产液或注水时得到的数据对可靠性和准确性是至关重要的。
我们就针对在稠油热采水平井光纤栏检测技术发挥的作用做一下分析介绍。
第3章热采水平井光纤栏检测技术
3.1光纤传感测试系统
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[2~11]。
光纤传感测试系统具有良好的温度性能，在不影响原始温度场、压力场
分布及油田正常生产的情况下，可以实现实时多点温度、压力或连续的
温度分布快速测量。
尤其是光纤永久测量技术以其独特的安装方式，可以对水平井进行实时监测，解决以往水平井测量难的问题，从而实现直井、大斜度井、水平井的实时测试。
光纤传感技术是以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号的新型传感技术。
光纤光栅传感解调系统，如图（1.4-1）所示，
该系统能够及时得到注采的注水压力和温度，从而判断压力是否超标，从而预防由于压力超标导致的套管损坏，这是一个全新的领域，国内外关于此方面尚未有报道和介绍。
到目前为止，全世界各大石油生产和服务公司都投入了巨资来研究和开发光纤传感器在储层评价中的应用，还有相当多的光纤传感器研发机构也致力于这一新兴领域的工作。
可以设想，下一代光纤传感器在克服自身的缺点和劣势以后，将大面积推广，能更有效地帮助实时了解油气开采动态的水平。
各大油田公司能够充分利用这些有利的信息，实现和维持油田的最优化生产，从而使油藏达到最高的采收率。
同时，由于因特网的飞速发展，光纤监测的井况参数可以及时传递，这使得石油行业相关的生产和服务公司能够更有效地分析和评价全世界的资产。
光纤传感器正是由于这些独特的优点，使得光纤传感器已成为目前最具发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。
3.2光纤传感器在测井上的研究进展
3.2.1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175oC，200oC和稍高温度的产品正在开发，250oC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150oC），工作温度范围25oC~175oC。
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300oC，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。
3.2.2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：
a.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；
b.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
3.2.3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，该仪器还测试了三相中气体的体积含量，只是测试中油水的比例已知。
结果表明，该仪器能够求出以泡沫流流出型出现的液体中的气体体积百分数。
3.2.4声波监测
与过去相比，勘探开发公司如今面临更大的风险和更复杂的钻井环境，因此获得准确的地层构造图和油藏机理具有重要意义。
目前使用的地震测量方法，如拖曳等浮电缆检波器组、临时海底布放地震检波器和井下电缆布放地震检波器等，能提供目的产油区域的测量，但这些方法具有相对高的作业费用，不能下入井内或受环境条件的限制等，而且提供的图像不全面、不连续，分辨率不是很高，因此难于实现连续实时油藏动态监测。
基于光纤的井下地震检波器系统能够解决这些问题，它能提供整个油井寿命期间永久高分辨率四维油藏图像，极大方便了油藏管理。
这种井下地震加速度检波器能接收地震波，并将其处理成地层和流体前缘图像。
永久井下光纤3分量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，在某些情况下测量范围能达数千英尺。
它在油井的整个寿命期间运行，能经受恶劣的环境条件（温度达175℃，压力达100MPa），且没有可移动部件和井下电子器件，被封装在直径2.5cm的保护外壳中，能经受强的冲击和振动，可安装到复杂的完井管柱及小的空间内。
此外，该系统还具有动态范围大和信号频带宽的特点，其信号频带宽度为3Hz～800Hz，能记录从极低到极高频率的等效响应。
3.2.5激光光纤核传感器
激光技术和光纤技术可以用于研制井下传感器，用于在充有原油和泥浆等非透明流体的井中进行测井。
对于激光光纤核传感器的研究在国外比较盛行，美国、德国、俄罗斯和比利时等国均有大量的有关研究论文。
激光光纤核传感器是在光纤通信和光纤传感器的基础上产生的，它利用了光致损耗和光致发光等物理效应，比常规核探测器具有更多的优越性，是典型的学科交叉。
光纤核测井技术，实际上就是在特定的环境下的核探测技术，其典型的优点为：
（1）可以针对不同的核探测的能级范围，研制在该范围的敏感探头。
（2）因为应用了光致发光效应，可使探头位于千米的井下，而光电倍增管由传输光缆相连置于井上，远离了恶劣的井下环境（高温高压），从而延长其的使用寿命。
（3）光纤具有高速率、大容量传输能力，还能搭载其他井下仪器信号。
然而，激光光纤核探测器也有缺点，主要表现在耐高温和承受高压的保护涂层、传输光缆的机械强度以及耐辐射的传输光缆低衰减损耗。
3.3光纤栏检测技术
3.3.1井下永久传感器技术的开拓与现状
目前，油田已进入中后期开发阶段，面临油层参数变化大，油层含水率高，早期的测井资料不能满足开发方案调整需要等突出矛盾，大量的剩余油有待于进一步开采，同时对实时动态监测技术也提出了新的需求。
井下永久传感器技术是将传感器长时间的放置在井中，实时监测地层性质的变化，可以为油气田开发提供动态实时的地层信息，从而为油气资源的管理和提高油气采收率提供了一种新的技术手段。
3.3.2光纤栏检测技术的现场应用情况
3.3.2.1室内测试
通过对传感器的实验室内测试，模拟环境下的测试后，进行了多口油井温度压力测试试验，同时进行了分布式测温。
某井为汽驱油田未射孔观察井，井内压力为液柱压力。
由于周围有注蒸汽井存在，从测试曲线上可以看出在960～980m间为一注汽层，层内温度最高达237℃，将传感器测试和分式测试结果比较，可得测试越高分布式测量结果出现温飘移越严重，因此如果采用光纤分布式测温技术，必须对分布测温数据进行温度校正。
在胜利油区某井进行了3点温度、压力的现场实验，测量分12次进行，时间间隔为3d，压力、温度传感器封装在一起形成温度、压力传感器对。
传感器对所处深度分别为：
1号传感器对固定在井内1635m处；2号传感器对固定在井内1642m处；3号传感器对固定在井内1655m处。
1号传感器温度测量值变化范围为135.4℃～136.1℃，波动范围0.7℃；2号传感器测量值变化范围141.7℃～141.8℃，波动范围为0.1℃；3号传感器温度测量值变化范围132.0℃～132.5℃，波动范围为0.5℃。
1号传感器压力测量值变化范围为11.45MPa～11.44Mpa，波动范围为0.01Mpa；2号传感器测量值变化范围11.51MPa～11.53Mpa，波动范围为0.02Mpa；3号传感器压力测量值变化范围为11.63MPa～11.66Mpa，波动范围为0.03Mpa。
3.3.2.2应用效果
光纤传感器因其抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀等特征，成为国内外研
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