永久式光纤监测技术在海上首口二氧化碳回注井的应用

邓成辉 曹波波 党黎锋 宣涛 张玺亮

1. 中海石油（中国）有限公司深圳分公司 深圳 518067

2. 中海油能源发展股份有限公司 天津 300452

南海东部油田启动国内首个海上CO2捕集和封存绿色低碳示范项目。作为我国自主设计实施的第一口海上二氧化碳回注井，利用海上平台的优势，将伴生的二氧化碳捕集并且封存在地下，是一种可靠且经济的手段。该技术要求监测盖层和井筒的完整性，防止在注入过程中，二氧化碳通过水泥环或套管漏点外溢。

分布式光纤传感技术在井筒完整性监测和二氧化碳注入剖面监测上有不可替代的技术优势，可以称得上是“井下听诊器”，整根光缆就是传感器，无任何电子元件，安全可靠。将光纤固定在油管外，安装至目的层，通过地面激光解调仪发射激光，可以采集0.01～50000Hz频率范围的井下声音和整个井筒的分布式温度，温度分辨率可高达0.01℃[1]，通过解释软件，可以准确的得到二氧化碳在井下的分布情况、注入管柱和盖层的完整性。

1 分布式光纤监测原理

分布式光纤传感系统原理为利用光纤作为传感敏感原件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，实现分布式测量。光纤本身即为传感器，光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。光纤传感系统主要由光源、耦合器、传感光纤、探测器以及处理器组成[1，8]。

光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，在光纤中传输的同时持续产生后向散射光波，如瑞丽散射、布里渊散射和拉曼散射等[1]。其中，拉曼散射受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，经过解调处理系统便可将温度信号以图形或表格形式实时显示出来[2]。通过对光纤系统进行温度标定，即可根据下面公式计算出环境的实际温度[3，6]。

式中：T为测量点环境温度，K；T0为恒温槽温度，K；k=1.38×10-23J/K；h为普朗克常数，h=6.63×1034J.K；c为真空中的光速，c=3 x 108m/s；△γ为偏移系数，cm-1；R（T）为反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度比值。

2 二氧化碳回注井温度压力监测系统

为实现二氧化碳注入剖面、井筒完整性、管外窜流、注入压力监测等目的，保证施工安全、长期监测可靠性、系统备用性以及井下的安全性，设计注入管柱下入永久式光纤。

二氧化碳回注井永久式光纤监测系统主要包括井下光缆、井下光纤压力计[7]、地面数据处理及分析系统等见图1 。该技术将井下光缆固定在注入油管下入[4，5]，设计滚轮式光缆接箍保护器降低管柱下入磨阻，安全下至目标深度，实现了全井筒温度剖面及井底压力的实时动态监测。

图1 注入管柱示意

2.1 井下铠装光缆

该井注入二氧化碳极限温度147℃，注入压力约11MPa，选择耐高温高压抗腐蚀井下光缆，纤芯表面具有耐高温碳涂层，耐温等级300℃，1/4″A825镍基合金保护管封装，承压70MPa，具有良好的防腐性能，外铠双层钢丝缠绕，具有高抗拉、抗磨损性能。

2.2 光纤压力计

高精度光纤压力计（温压传感器）实时监测注入层压力变化。通过实时采集该点压力和温度信号，通过井下光纤、地面光纤传输至地面压力解调仪。温压传感器，材质：718，温度等级：150℃，压力等级：15000psi，分辨率：0.4Psi、0.1℃；精度：±5psi、±1℃；金属封装，单端出纤；配套专用压力计托筒。

2.3 光纤续接器

光纤割断穿越后进行续接，达到密封承压要求；材质：718，压力等级：10000psi，温度等级：150℃。

2.4 井口穿越装置

连接井下和地面光缆；材质：13Cr，扣型：1/2"NPT P，压力等级：10000psi，温度等级：150℃。

2.5 DTS 激光器

4通道，温度分辨率：0.01℃，采集分辨率：1m，采集频率：30s。

3 现场施工

根据注入管柱结构见图1，依次连接工具入井，具体步骤为：1）连接斜口引鞋，2）连接压力计托筒总成，光缆续接，3）连接球座、7”生产封隔器总成，光缆穿越续接，4）连接4”油管、安全阀，5）连接油管挂和采气树，光缆割断进行穿越出井口，6）井下和地面光缆续接、地面光缆铺设至中控室，7）连接DTS激光器和压力计解调仪，读取全井筒温度剖面曲线、压力计压力和温度数据正常。

4 监测结果

4.1 安装结束信号监测

EP15-1-XXX碳回注井于2023年5月19号开始下入上部完井管柱，2 2 号下至3 1 9 2 m 目标深度。2只光纤压力计安装在托筒上，间距0.758m，1#光纤压力计深度3160.578米，2#光纤压力计深度3161.336m。1#压力计：压力1172.63psi、温度52.63℃；2#压力计：压力1174.3psi、温度52.82℃。该井垂深894m，压力梯度132.1psi/100m，地温梯度4.38℃/100m，与监测数据基本吻合，见表1。

表1 光纤压力计读取井下压力温度数据

DTS激光器实时监测全井筒温度剖面曲线。井下光缆下入深度3161m，地面光缆长度约216m，216m后为井筒内温度剖面曲线，3161m处监测的温度约53℃，见图2，与2只压力计监测温度吻合。

图2 DTS激光器读取全井筒温度剖面数据

4.2 试注二氧化碳信号监测

5月23号10：30，开始小排量试注气，排量3000m3/h，井口压力1034psi，井口温度70℃。2只光纤压力计检测到压力升高，分别为1209psi和1207psi，温度分别为52.9℃和52.3℃，采样频率：1组数据/1s，见表1。

在注入期间，二氧化碳加压后温度为70℃，曲线216m处的温度显示突变，此处为采气树位置。压缩后的高温二氧化碳进入井筒内，压力快速扩散降温，在88m海水深度段快速冷却，然后进入泥层，在地温梯度作用下缓慢上涨，到井筒稳斜段后温度趋于稳定，采样频率：1组数据/30s，见图2。

4.3 正式回注二氧化碳信号监测

5月24号6：00，提高到正常日注气排量，5300m3/h，井口压力1082psi，井口温度87℃。2只光纤压力计检测到压力升高，分别为1209psi和1207psi，温度分别为52.9℃和52.3℃，见表1。

在注入期间，二氧化碳加压后温度为87℃，此时井筒周边已被加热，进入井筒后气体温度成缓慢下降趋势，在深度3192m处温度为56.049℃，与完井管柱核对为生产封隔器位置，见图2，二氧化碳回注及永久式光纤监测正式投入生产。

综上所述，永久式光纤温度压力监测系统可实现井筒温度分布及井底压力的实时精准监测，降低了作业风险，减小了对回注井正常生产的影响；根据光纤数据监测的分布解释结果可反演二氧化碳回注剖面，从而指导注气参数动态调整。

5 结束语

（1）光纤监测技术在二氧化碳回注井的首次应用，DTS温度激光器成功实时测取注气过程中全井筒的温度剖面曲线、光纤压力计实时测取注入层压力。

（2）通过全井筒温度剖面数据，因井筒完整性及管外窜流引起局部温度突变可及时被发现，注入期间圈闭盖层的问题引起的压力波动可以被及时发现。

（3）国内首个海上二氧化碳捕集和封存绿色低碳示范项目的成功实施，为后面同类型井提供了宝贵的技术支持。