基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的地下流体组分原位测量系统及测量方法。

背景技术

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

井下光纤传感系统可以用于井下进行压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。目前有多种井下铠装光缆的布设方法，比如安放在井下控制管线内、投放到连续油管内、直接集成到复合材料制成的连续油管管壁中、捆绑固定在连续油管外侧、投放在套管内和捆绑在套管外侧并用固井水泥进行永久性固定等布设方法。

在套管内外布放或在连续油管外侧捆绑铠装光缆进行全井段分布式温度(DTS)测量已经在油气资源开发中得到了广泛的应用。我们可以根据井下油气产出井段(射孔井段)测量到的温度变化或根据注水井注入井段(射孔井段)测量到的温度变化推算井液产出量或注水量。但是由于普通DTS调制解调仪器的空间分辨率和温度测量灵敏度有限，使得用DTS方法测量的井温变化量和准确位置有一定的误差，导致仅仅根据井温变化推算出的射孔段的井液产出量或注水量误差较大，而且无法仅仅根据井温的变化准确地推算出射孔段产出的油、气和水各是多少。

在套管内外布放或在连续油管外侧捆绑铠装光缆进行全井段分布式声波传感(DAS)测量已经在油气资源开发中得到了广泛的应用，但是目前主要以DAS-VSP数据采集、微地震监测和被动地震数据采集为主。行业内刚开始利用DAS技术采集井下噪音数据，利用噪音数据推测井下射孔井段油、气、水的产出情况。仅仅依靠井下噪音数据推测井下射孔井段油、气、水的产出情况基本上属于定性或半定量解释，误差是比较大的。

拉曼光谱法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射，散射光与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系的分析方法。与红外光谱类似，拉曼光谱是一种振动光谱技术。所不同的是，前者与分子振动时偶极矩变化相关，而拉曼效应则是分子极化率改变的结果，被测量的是非弹性的散射辐。

一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子，引起分子相应能级的跃迁，产生分子吸收光谱。引起分子电子能级跃迁的光谱称电子吸收光谱，其波长位于紫外～可见光区，故称紫外－可见光谱。电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱，振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。拉曼散射光谱是分子的振动－转动光谱。用远红外光波照射分子时，只会引起分子中转动能级的跃迁，得到纯转动光谱。

拉曼光谱的优点在于它的快速，准确，测量时通常不破坏样品(固体，半固体，液体或气体)，样品制备简单甚至不需样品制备。谱带信号通常处在可见或近红外光范围，可以有效地和光纤联用。这也意味着谱带信号可以从包封在任何对激光透明的介质，如玻璃，塑料内，或将样品溶于水中获得。现代拉曼光谱仪使用简单，分析速度快(几秒到几分钟)，性能可靠。因此，拉曼光谱与其他分析技术联用比其他光谱联用技术从某种意义上说更加简便(可以使用单变量和多变量方法以及校准)。

拉曼谱带的强度与待测物浓度的关系遵守比尔定律：IV＝KLCI0其中IV是给定波长处的峰强，K代表仪器和样品的参数，L是光路长度，C是样品中特定组分的摩尔浓度，I0是激光强度。实际工作中，光路长度被更准确的描述为样品体积，这是一种描述激光聚焦和采集光学的仪器变量。上述等式是拉曼定量应用的基础。

拉曼光谱仪的应用非常广泛，在物理、化学、材料等很多领域均有应用。随着拉曼技术的不断发展，相信以后的应用会更加普遍。拉曼光谱仪的原理非常简单，当光打到样品上时候，样品分子会使入射光发生散射。大部分散射的光频率没变，我们这种散射称为瑞利散射，部分散射光的频率变了，称为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差称为拉曼位移。激光拉曼光谱仪主要就是通过拉曼位移来确定物质的分子结构，针对固体、液体、气体、有机物、高分子等样品均可以进行定量定性分析。

目前对地下深处地层内的各种流体的组分测量一般依赖于在新钻的钻孔内下放特种测井仪器并用仪器内特制的取样容器贴壁抽取井壁周围的各种流体(油、气、水)，保压密封后提出井口，送到实验室进行井下流体的组分分析。这类仪器采样的效率极低，每次下井作业只能采集最多12个井下地层的流体样品，无法对地层中的流体组分进行实时原位分析。

发明内容

为了在新钻的钻孔内实时原位快速测量分析地下地层中的各种流体(油、气、水)的组分和各种流体的比例或饱和度，同时也为了能在油气井的生产过程中实时监测每个储层或每个射孔段的各种流体(油、气、水)的动态变化情况，本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定起来，就构建了一个可以实时原位快速测量分析地下地层中的各种流体(油、气、水)的组分和各种流体的比例或饱和度，以及对油气生产井的产液剖面进行长期动态监测的井下传感单元。把井口地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与井下套管外铠装光缆在井口附近相连接，就组成了一个基于分布式光纤传感的井下流体组分实时原位测量分析以及油气生产储层内各种流体比例动态变化的监测系统，为油气藏精准评价、优化开发方案、科学管理和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

分布式光纤传感技术是对井下地层中的各种流体组分进行原位分析和永久式监测的最佳选择，是实现真正的油气田生产信息化、智能化的基础。分布式井下光纤传感的优势有：

1)能提供油气田开发全生命周期的实时、高密度、多参量的参数，为精细油气藏描述提高决策的科学水平与效率；

2)无需中断生产进行井下作业，无产量损失，无作业成本，无人员风险，无环境污染风险；

3)可替代并超越常规测井，不仅提供更实时、高质量的数据，而且性价比高，一次投入终身受益；

4)无需专门装备，可方便应用于大斜度、水平井等，而且不影响油管内作业。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统，包括金属套管，金属套管外侧固定有铠装光缆，铠装光缆内有复合光纤，复合光纤包括耐高温高灵敏度的单模光纤、多模光纤，或者包括有特种光纤。

所述的铠装光缆包括下行的铠装光缆和上行的铠装光缆以及位于井底的U字形弯曲段铠装光缆，下行铠装光缆上等间距开设有地下流体测量窗口，还包括放置于井口附近的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器；

激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与复合光纤相连接。

所述的铠装光缆内包括耐高温高灵敏度的单模光纤、多模光纤，或者包括有特种光纤，所述的耐高温高灵敏度单模光纤、多模光纤或特种光纤外有连续金属细管对其进行封装。

所述的下行的铠装光缆上等间距开设的地下流体测量窗口，两个地下流体测量窗口之间的间距可为1米、2米、5米或10米中的任一种。

所述的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统，还包括环形金属卡子，所述的环形金属卡子安装固定在金属套管靴处，保护并固定铠装光缆。

所述的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器包括激光光源、单色器、光电检测器、记录仪和计算机；所述的激光光源可为Ar离子激光器，Kr离子激光器，He-Ne激光器，Nd-YAG激光器，或二极管激光器等。拉曼激光光源波长为325nm(UV)，488nm(蓝绿)，514nm(绿)，633nm(红)，785nm(红)，1064nm(IR)。

所述的单色器可为单光栅、双光栅或三光栅，一般使用平面全息光栅干涉器，与FTIR上使用的相同，为多层镀硅的CaF

所述的检测器可采用光电倍增管，目前多采用CCD探测器，FTRaman常用的检测器为Ge或InGaAs检测器。

所述的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)、把金属套管和铠装光缆同步缓慢的下入完钻的井孔里；

(2)、在井口把所述的环形金属卡子安装在两根金属套管的连接处，固定并保护铠装光缆在下套管过程中不会移动和/或被损坏；

(3)、用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管、铠装光缆和地层岩石永久性的固定在一起；

(4)、在井口处把铠装光缆内的复合光纤连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器的激光源信号输出端和输入端；

(5)、利用井下射孔枪内置的声源发射器在金属套管内连续发射声源信号，铠装光缆和地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器检测到的声源信号，对全井段金属套管外安置的铠装光缆进行定向和定位。

(6)根据测量到的全井段金属套管外安置的铠装光缆的位置和方位，调整射孔枪内射孔弹的方位和位置，通过定向射孔作业避免在射孔时将金属套管外安置的铠装光缆射断。

(7)、等待水泥凝固固井作业完成后，地下地层里面的各种流体(水、天然气、原油)在地层压力的驱动下，穿过水泥环渗透到铠装光缆周围并进入铠装光缆上等间距开设的地下流体测量窗口内，在地面启动激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器并向铠装光缆内的复合光纤中发射激发的光源信号，光源信号在通过每个地下流体测量窗口时直接照射进入测量窗口内的各种流体(水、天然气、原油)，地面上的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器通过测量到的拉曼位移来确定每个地下流体测量窗口内的各种流体(水、天然气、原油)的分子结构，对其进行定性定量分析。根据对不同地层位置的流体组分的分析结果，可以定量确定地下储层的含油饱和度、含气饱和度和含水饱和度，针对高含油饱和度和高含气饱和度储层位置制定优化的开发方案，进行精准射孔，大幅度降低开发成本。

(8)、在油气生产期间，通过放置在井口旁边的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器连续监测和测量进入地下流体测量窗口内的各种流体(水、天然气、原油)的拉曼位移，实时测量每个射孔位置处进入井筒的流体组分的变化，从而实时了解每个油气产层所产出的油、气和水量的动态变化，便于现场油藏工程师及时对油气井的生产动态进行优化调整管理，提高油气井的产量。

本发明提供的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统及其测量方法，为低成本、高精度、高可靠性的地下储层内的流体组分测量方法及其分布动态变化综合监测的方法和技术。本发明提出了把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，构建了一个对实时原位快速测量分析地下地层中的各种流体(油、气、水)的组分和各种流体的比例或饱和度，以及对油气生产井的产液剖面进行长期动态监测的井下传感单元。把井口地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与井下套管外的铠装光缆在井口附近相连接，就组成了一个基于分布式光纤传感的井下流体组分实时原位测量分析以及油气生产储层内各种流体比例动态变化的监测系统，为油气藏精准评价、科学管理、优化开发和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

附图说明

图1是本发明的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统结构和井下布设示意图。

图2是本发明的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的一种基于分布式光纤传感的井下流体组分测量和分布动态监测系统的具体实施方式，如下所示：

如图1所示，基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统，包括金属套管1，金属套管1外侧固定有铠装光缆2，铠装光缆2内有复合光纤3，复合光纤3包括耐高温高灵敏度单模或多模或特种光纤，所述的复合光纤3外有连续金属细管对其进行封装。

所述的铠装光缆2包括下行的铠装光缆和上行的铠装光缆以及位于井底的U字形弯曲段铠装光缆。下行的铠装光缆上等间距开设有地下流体测量窗口4，还包括放置于井口附近的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5；

所述的下行的铠装光缆2上等间距开设的地下流体测量窗口4，两个地下流体测量窗口4之间的间距可为1米、2米、5米或10米中的任一种。

所述的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统，还包括环形金属卡子9，所述的环形金属卡子9安装固定在金属套管1靴处，保护并固定铠装光缆2。

如图2所示，所述的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合仪器5包括激光光源(6)、单色器7、光电检测器8、记录仪和计算机；激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5与复合光纤3相连接。

所述的激光光源6可为Ar离子激光器，Kr离子激光器，He-Ne激光器，Nd-YAG激光器，或二极管激光器等。拉曼激光光源波长为325nm(UV)，488nm(蓝绿)，514nm(绿)，633nm(红)，785nm(红)，1064nm(IR)。

所述的单色器7可为单光栅、双光栅或三光栅，一般使用平面全息光栅干涉器，与FTIR上使用的相同，为多层镀硅的CaF

所述的检测器8可采用光电倍增管，目前多采用CCD探测器，FTRaman常用的检测器为Ge或InGaAs检测器。

所述的基于分布式光纤传感的地下流体组分测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、把金属套管1和铠装光缆2同步缓慢的下入完钻的井孔里；

(b)、在井口把所述的环形金属卡子9安装在两根金属套管1的连接处，固定并保护铠装光缆2在下套管过程中不会移动和/或被损坏；

(c)、用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管1外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管1、铠装光缆2和地层岩石永久性的固定在一起；

(d)、在井口处把复合光纤3连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5的激光源信号输出端和输入端；

(e)、利用井下射孔枪内置的声源发射器在金属套管1内连续发射声源信号，铠装光缆2和地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5检测到的声源信号，对全井段的金属套管1外安置的铠装光缆2进行定向和定位。

(f)根据测量到的全井段的金属套管1外安置的铠装光缆2的位置和方位，调整射孔枪内射孔弹的方位和位置，通过定向射孔作业避免在射孔时将金属套管1外安置的铠装光缆2射断。

(g)、等待水泥凝固固井作业完成后，地下地层里面的各种流体(水、天然气、原油)在地层压力的驱动下，穿过水泥环渗透到铠装光缆2周围并进入铠装光缆2上等间距开设的地下流体测量窗口4内，在地面启动激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5并向铠装光缆2内的复合光纤3中发射激发的光源信号，光源信号在通过每个铠装光缆2上等间距开设的地下流体测量窗口4时直接照射进入测量窗口内的各种流体(水、天然气、原油)，地面上的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5通过测量到的拉曼位移来确定每个地下流体测量窗口4内的各种流体(水、天然气、原油)的分子结构，对其进行定性定量分析。根据对不同地层位置的流体组分的分析结果，可以定量确定地下储层的含油饱和度、含气饱和度和含水饱和度，针对高含油饱和度和高含气饱和度储层位置制定优化的开发方案，进行精准射孔，大幅度降低开发成本。

(h)、在油气生产期间，通过放置在井口旁边的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器5连续监测和测量进入金属套管1外侧铠装光缆2上等间距开设的地下流体测量窗口4内的各种流体(水、天然气、原油)的拉曼位移，实时测量每个射孔位置处进入井筒的流体组分的变化，从而实时了解每个油气产层所产出的油、气和水量的动态变化，便于现场油藏工程师及时对油气井的生产动态进行优化调整管理，提高油气井的产量。