分布式光纖測溫在地?zé)醿訜崃黧w運(yùn)移動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

摘要

地?zé)醿觾?nèi)部高溫流體的滲流路徑、流量動態(tài)變化、冷熱流體交匯行為，直接決定地?zé)峋L期產(chǎn)能穩(wěn)定性與地?zé)崽镎w開采壽命，傳統(tǒng)間斷式井筒靜態(tài)測溫?zé)o法捕捉儲層流體動態(tài)演化過程。本文提出預(yù)埋式分布式光纖組網(wǎng)監(jiān)測方案，將鎧裝測溫光纖延伸至地?zé)峋畠娱_采濾水管段，依靠光纖長時(shí)序連續(xù)溫度剖面數(shù)據(jù)變化特征，識別儲層內(nèi)部熱流體縱向滲流、橫向跨井運(yùn)移、抽水誘導(dǎo)流體擾動、冷熱流體換熱四類現(xiàn)象。以華北地?zé)崽飪煽谙噜忛_采地?zé)峋疄樵囼?yàn)對象，構(gòu)建跨井光纖測溫組網(wǎng)監(jiān)測體系，長時(shí)間監(jiān)測地?zé)峋樗_采作業(yè)對周邊鄰井儲層溫度場、流體運(yùn)移的擾動規(guī)律，為地?zé)崽锛s化可持續(xù)開采方案優(yōu)化提供動態(tài)實(shí)測數(shù)據(jù)支撐。本文同時(shí)針對儲層段光纖受高速流體沖刷磨損、長期溫度基線漂移、海量時(shí)序溫度數(shù)據(jù)冗余等工程難點(diǎn)，提出光纖硬質(zhì)防護(hù)固定工藝、溫度基線自適應(yīng)修正算法、時(shí)序數(shù)據(jù)分層降噪方案。現(xiàn)場為期一年的組網(wǎng)監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明，分布式光纖時(shí)序測溫體系可以精準(zhǔn)捕捉儲層流體微弱的動態(tài)運(yùn)移變化，地?zé)醿恿黧w動態(tài)長效監(jiān)測，為地?zé)崽镆?guī)模化科學(xué)開采提供全新技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：分布式光纖測溫；地?zé)醿樱粺崃黧w運(yùn)移；時(shí)序溫度剖面；地?zé)崽锛s化開采；跨井光纖組網(wǎng)

1 引言

地?zé)醿邮堑責(zé)豳Y源開采的核心載體，儲層巖體裂隙、孔隙構(gòu)成了地下高溫流體的儲存與滲流通道。地?zé)峋L期抽水開采作業(yè)會改變儲層內(nèi)部流體壓力場，促使高溫流體不斷向井筒匯集；同時(shí)大規(guī)模集群式地?zé)峋_采會造成區(qū)域儲層壓力衰減，引發(fā)流體跨井橫向運(yùn)移，甚至出現(xiàn)鄰井產(chǎn)熱能力相互干擾、儲層局部熱資源快速枯竭等問題。儲層熱流體的動態(tài)運(yùn)移規(guī)律是地?zé)崽镩_采方案設(shè)計(jì)、開采負(fù)荷調(diào)控、儲層長效保護(hù)的關(guān)鍵依據(jù)。

現(xiàn)階段地?zé)醿颖O(jiān)測大多采用階段性起下井下測溫設(shè)備、儲層流體取樣化驗(yàn)的間斷式監(jiān)測方式，僅能獲取某一時(shí)刻靜態(tài)儲層溫度與流體理化參數(shù)，無法觀測流體隨開采時(shí)長、抽水負(fù)荷變化的動態(tài)演化過程。儲層流體微小的滲流路徑改變不會造成井筒整體溫度大幅度變化，靜態(tài)測溫手段難以識別這類早期變化，等到儲層流體運(yùn)移路徑發(fā)生根本性改變、地?zé)峋a(chǎn)能出現(xiàn)斷崖式衰減時(shí)，已經(jīng)失去了開采方案優(yōu)化調(diào)整的最佳時(shí)機(jī)。除此之外，儲層濾水管段長期處于高速流體沖刷環(huán)境，電子傳感器極易被流體裹挾的砂石撞擊損毀，無法在儲層段實(shí)現(xiàn)長期在線監(jiān)測。

預(yù)埋式分布式光纖測溫光纜可以跟隨地?zé)峋昃┕るA段直接布設(shè)至儲層濾水管段，光纖通過金屬卡扣、硬質(zhì)保護(hù)套管完成固定防護(hù)，抵御高速流體沖刷磨損；光纖無源結(jié)構(gòu)可以常年在儲層高溫環(huán)境下不間斷采集溫度時(shí)序數(shù)據(jù)，通過分析連續(xù)溫度剖面曲線隨時(shí)間的形變特征，反演儲層流體動態(tài)運(yùn)移行為。通過多口地?zé)峋饫w組網(wǎng)監(jiān)測，還能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)地?zé)崽飪恿黧w聯(lián)動監(jiān)測，分析集群開采帶來的儲層壓力與熱場擾動效應(yīng)。本文結(jié)合現(xiàn)場跨井組網(wǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究分布式光纖在儲層熱流體動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)體系。

2 儲層流體運(yùn)移的溫度響應(yīng)機(jī)理與光纖布設(shè)工藝

2.1 流體運(yùn)移對應(yīng)的溫度剖面變化特征

地?zé)醿訋r體在自然靜止?fàn)顟B(tài)下，井筒儲層段溫度處于平穩(wěn)基線狀態(tài)，光纖測溫曲線平直無明顯波動。當(dāng)井筒開啟抽水作業(yè)，井筒內(nèi)部流體壓力下降，儲層裂隙內(nèi)部高溫流體在壓力差作用下向井筒滲流，高速流動的熱流體與井筒管壁、井筒內(nèi)原有水體產(chǎn)生對流換熱，會造成對應(yīng)光纖段出現(xiàn)局部溫度抬升；若儲層存在橫向連通裂隙，鄰井抽水作業(yè)會造成本井儲層流體被動流動，光纖溫度曲線會出現(xiàn)緩慢的周期性小幅溫度波動；當(dāng)儲層深部低溫地下水順著裂隙侵入儲層，則會出現(xiàn)局部溫度斷崖式下降。運(yùn)維人員通過比對不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的時(shí)序溫度曲線，結(jié)合抽水啟停作業(yè)時(shí)序，即可區(qū)分自然滲流、抽水誘導(dǎo)滲流、鄰井流體擾動、冷流體入侵四類流體行為。

2.2 儲層段光纖預(yù)埋防護(hù)布設(shè)工藝

儲層濾水管段流體流速快、裹挾砂石雜質(zhì)，裸光纖極易被流體沖斷磨損，必須采用硬質(zhì)防護(hù)布設(shè)方案。施工階段選用外層加厚不銹鋼鎧裝的測溫光纖，在儲層濾水管外壁使用高強(qiáng)度耐腐蝕金屬卡扣將光纖緊貼管壁固定，外部套設(shè)鏤空式硬質(zhì)不銹鋼防護(hù)套管，既不阻礙流體與管壁換熱、保障測溫精度，又可以阻擋砂石流體對光纖的直接沖擊磨損；光纖井口端預(yù)留冗余線纜，規(guī)避井筒后期微量沉降帶來的光纖拉伸斷裂問題；光纖主機(jī)接入邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)溫度時(shí)序數(shù)據(jù)本地存儲與云端定時(shí)傳輸，保障網(wǎng)絡(luò)中斷情況下數(shù)據(jù)不丟失。

3 跨井地?zé)峋饫w組網(wǎng)監(jiān)測試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)分析

選取華北地?zé)崽锏乩砦恢孟噜彙㈤_采同一儲層的兩口地?zé)峋?/span>1號開采井、2號鄰井）開展為期12個(gè)月的跨井組網(wǎng)監(jiān)測試驗(yàn)，兩口井儲層段均預(yù)埋鎧裝測溫光纖，井口測溫主機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)接入統(tǒng)一監(jiān)測平臺。試驗(yàn)分為三個(gè)階段：第一階段兩口井全部停機(jī)靜置3個(gè)月，采集儲層自然狀態(tài)下的溫度基線時(shí)序曲線；第二階段單獨(dú)開啟1號井抽水開采6個(gè)月，觀測1號井儲層流體動態(tài)變化以及2號井儲層溫度場受擾動情況；第三階段兩口井同步開啟開采3個(gè)月，研究集群開采下儲層流體聯(lián)動運(yùn)移規(guī)律。

試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示：1號井單獨(dú)抽水開采后，自身儲層段光纖溫度出現(xiàn)規(guī)律性周期性波動，對應(yīng)儲層流體持續(xù)性向井筒滲流；距離1號井320米的2號井儲層溫度基線出現(xiàn)緩慢小幅下降，溫度曲線伴隨1號井抽水啟停呈現(xiàn)同步周期性波動，直觀證明兩口井儲層通過地下裂隙橫向連通，單井長期開采會對鄰井儲層流體造成持續(xù)性擾動。兩口井同步開采階段，區(qū)域儲層整體溫度下降速率明顯加快，流體橫向運(yùn)移強(qiáng)度顯著提升，說明集群高強(qiáng)度開采會加速區(qū)域儲層壓力衰減，增大地?zé)豳Y源短期枯竭風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)光纖時(shí)序監(jiān)測得出的流體運(yùn)移規(guī)律，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)優(yōu)化兩口井開采方案，采用錯(cuò)峰間歇式開采模式，交替啟停兩口地?zé)峋?，降低儲層流體持續(xù)性橫向擾動，經(jīng)過三個(gè)月錯(cuò)峰開采后，區(qū)域儲層溫度場逐步趨于穩(wěn)定，兩口地?zé)峋L期產(chǎn)熱能力都得到有效保留。

4 光纖儲層監(jiān)測工程難點(diǎn)與優(yōu)化方案

4.1 流體沖刷光纖損毀問題

采用鏤空硬質(zhì)套管+卡扣緊貼管壁的雙重防護(hù)方案，規(guī)避高速砂石流體直接沖擊光纖鎧裝外層，現(xiàn)場全年運(yùn)行光纖無磨損斷裂情況，相比無防護(hù)裸光纖使用壽命提升十倍以上。

4.2 長期溫度基線漂移問題

受光纖長期高溫老化、光纖微小形變影響，長時(shí)間運(yùn)行光纖溫度基線會出現(xiàn)微弱漂移，系統(tǒng)搭載溫度基線自適應(yīng)修正算法，以地?zé)峋C(jī)靜置階段的平穩(wěn)溫度曲線為基準(zhǔn)，周期性自動修正溫度基線，保障長期測溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.3 海量時(shí)序溫度數(shù)據(jù)冗余問題

全年不間斷監(jiān)測會產(chǎn)生海量秒級溫度時(shí)序數(shù)據(jù)，大量冗余數(shù)據(jù)會占用云端存儲資源、降低數(shù)據(jù)分析效率。系統(tǒng)采用分層降噪存儲策略：平穩(wěn)基線階段存儲小時(shí)級平均溫度數(shù)據(jù)；溫度出現(xiàn)異常波動時(shí)自動切換為秒級高頻采樣存儲，兼顧長期數(shù)據(jù)存儲成本與異常細(xì)節(jié)捕捉能力。

5 結(jié)論與展望

預(yù)埋式分布式光纖測溫系統(tǒng)依托長時(shí)序連續(xù)溫度剖面數(shù)據(jù)，能夠精準(zhǔn)反演地?zé)醿觾?nèi)部高溫流體縱向滲流、橫向跨井運(yùn)移等動態(tài)演化行為，配合跨井光纖組網(wǎng)監(jiān)測體系，可以掌握地?zé)崽锛洪_采作業(yè)對區(qū)域儲層溫度場、流體壓力場的整體擾動規(guī)律，為地?zé)崽镥e(cuò)峰間歇式集約化開采方案提供扎實(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)支撐，有效延緩儲層熱資源枯竭速度，延長地?zé)崽镎w開采壽命。通過硬質(zhì)防護(hù)布設(shè)工藝、基線自適應(yīng)算法、分層數(shù)據(jù)存儲方案，解決了儲層段光纖沖刷損毀、溫度漂移、海量數(shù)據(jù)冗余三大工程難題，具備現(xiàn)場落地可行性。

后續(xù)研究可以結(jié)合流體動力學(xué)仿真軟件，將光纖實(shí)測溫度時(shí)序數(shù)據(jù)代入儲層流體仿真模型，實(shí)現(xiàn)儲層流體運(yùn)移行為的數(shù)值仿真預(yù)判；同時(shí)構(gòu)建地?zé)崽锶蚬饫w傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，搭配云端AI大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)整個(gè)地?zé)崽飪恿黧w狀態(tài)全自動智能調(diào)控，推動地?zé)崽镩_發(fā)由經(jīng)驗(yàn)式開采向數(shù)據(jù)化智能開采轉(zhuǎn)型。分布式光纖儲層動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，將成為地?zé)崽镩L效可持續(xù)開發(fā)的核心技術(shù)手段。

中深層水源熱泵、換熱井光纖監(jiān)測全套分類關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)主體行業(yè)關(guān)鍵詞（場景基底）

中深層水源熱泵、閉式井下?lián)Q熱井、同軸套管式換熱井、地?zé)岵晒嗑?、地?zé)峄毓嗑⑸罹畵Q熱系統(tǒng)、地埋式中深層換熱器、地?zé)峋?、儲層熱平衡、地層熱失衡、地?zé)峋矡崞拭?、含水層換熱通道、地?zé)衢L周期運(yùn)維、地?zé)崛虮O(jiān)測、井筒套管結(jié)構(gòu)、地?zé)峁┡到y(tǒng)

二、光纖主流技術(shù)品類（核心技術(shù)）

1.分布式光纖系列

分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）、分布式光纖聲波振動監(jiān)測（DAS）、分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測（BOTDA布里淵）、DFOS分布式光纖傳感系統(tǒng)、全井筒分布式光纖測溫、拉曼散射測溫、布里淵散射傳感、瑞利散射光纖監(jiān)測、長距離光纖剖面測溫、連續(xù)式光纖地溫監(jiān)測

2.光纖光柵系列（FBG）

FBG光纖光柵傳感器、準(zhǔn)分布式光纖光柵測溫、光纖光柵溫度壓力一體化探頭、布拉格光柵波長解調(diào)、光纖光柵串列傳感、耐高溫光纖光柵陣列、光纖光柵應(yīng)變傳感、光纖光柵多點(diǎn)同步監(jiān)測、光柵波長漂移校準(zhǔn)

3.其他光纖類型

熒光光纖測溫、單點(diǎn)式耐高溫光纖探頭、干涉型光纖傳感器、單模鎧裝光纖、多模傳感光纖、特種耐腐傳感光纜

三、光纖硬件設(shè)備關(guān)鍵詞（硬件組成）

鎧裝耐高溫傳感光纜、不銹鋼無縫鎧裝光纖、四氟防腐涂層光纖、井下耐高溫光纜、井筒預(yù)置式光纜、光纜扶正器、光纖解調(diào)儀、高速光纖解調(diào)主機(jī)、光纖分路器、光纖集線盒、地面光纖采集終端、光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、光纖信號中繼器、光纖防水接頭、井下光纖固定卡扣、注漿式光纖敷設(shè)套件、光纖井筒下放絞車、光纖校準(zhǔn)標(biāo)定裝置、光纖冗余備用纜線

四、光纖核心性能技術(shù)參數(shù)

全井段溫度剖面、空間分辨率、測溫精度、光纖測溫響應(yīng)速率、光纖耐溫等級（120℃/150℃/200℃/300℃）、光纜抗拉強(qiáng)度、光纖傳輸損耗、長距離傳感量程（1000m~7000m深井適配）、抗電磁干擾、耐腐蝕特性、光纖長期穩(wěn)定性、波長解調(diào)精度、分布式采樣間隔、井下耐壓性能、地層耦合測溫準(zhǔn)確度、光纖溫漂補(bǔ)償算法、光纖斷點(diǎn)檢測、光纜疲勞壽命、高溫光纜熱防護(hù)性能

五、光纖井下施工敷設(shè)工藝關(guān)鍵詞

光纜隨管柱預(yù)置敷設(shè)、套管外壁貼壁敷設(shè)、井筒注漿耦合光纖、換熱管捆綁式光纖、分段式光纖布設(shè)、換熱井成井同步預(yù)埋光纖、后期井下光纜下入工藝、光纖全程下放阻力監(jiān)測、井筒光纖密封防水工藝、光纖井口防爆密封、多井光纖組網(wǎng)敷設(shè)、地層層位光纖定位、光纖后期檢修工藝、光纜防磨損防護(hù)方案、井筒回填光纖保護(hù)工藝

六、光纖監(jiān)測監(jiān)測物理量（監(jiān)測參數(shù)）

井筒縱向連續(xù)溫度場、地層徑向溫度梯度、換熱器進(jìn)出口水溫變化、換熱管管壁溫度、井筒環(huán)空溫度變化、地層儲層溫度衰減曲線、井筒流體流速剖面、含水層滲漏振動信號、套管形變應(yīng)變、井筒管壁腐蝕振動特征、井下壓力動態(tài)變化、換熱單元熱交換效率、地?zé)峋竟?jié)性溫變規(guī)律、熱突破效應(yīng)監(jiān)測、回灌水滲流路徑識別、氣堵振動特征識別、井筒結(jié)垢振動監(jiān)測

七、配套軟件系統(tǒng)與算法關(guān)鍵詞

光纖溫度剖面成像軟件、DTS光纖大數(shù)據(jù)解析平臺、光纖時(shí)序溫度曲線擬合、地層熱平衡智能算法、光纖溫場三維建模、光纖多井集群聯(lián)動分析、光纖數(shù)據(jù)云端傳輸、光纖故障自動診斷、光纖溫度基線比對算法、熱失衡預(yù)警模型、光纖數(shù)據(jù)NB物聯(lián)網(wǎng)傳輸、光纖監(jiān)測臺賬歸檔系統(tǒng)、換熱效能智能優(yōu)化算法、光纖溫度歷史回溯分析、光纖井筒異常振動識別算法、光纖監(jiān)測可視化組態(tài)平臺

八、光纖應(yīng)用功能與業(yè)務(wù)價(jià)值關(guān)鍵詞

全井筒換熱效能診斷、地層長期熱演化監(jiān)測、預(yù)判土壤熱失衡、地?zé)岵晒鄤討B(tài)優(yōu)化、回灌通道堵塞早期預(yù)警、套管結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、井筒滲漏精準(zhǔn)定位、地?zé)醿訐Q熱性能評估、老舊換熱井換熱衰減監(jiān)測、地?zé)峋芷诒O(jiān)測、規(guī)避區(qū)域性地層沉降、換熱系統(tǒng)節(jié)能調(diào)控、地?zé)崽紲p排數(shù)據(jù)佐證、地?zé)犴?xiàng)目長期運(yùn)維數(shù)字化、井筒高溫故障預(yù)警、洗井前后換熱效果光纖對比驗(yàn)證、地?zé)峋隀z光纖檢測方案、地?zé)嶙匀毁Y源監(jiān)管光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

九、工況環(huán)境適配關(guān)鍵詞

中深層高溫高壓井筒、高礦化度地?zé)崃黧w、強(qiáng)腐蝕井下環(huán)境、深井高溫長時(shí)服役、季節(jié)性供暖變溫工況、裂隙型地?zé)醿?、孔隙型含水層、多井集群換熱區(qū)塊、北方高寒地?zé)峁┡?xiàng)目、存量老舊換熱井光纖改造、新建換熱井預(yù)埋光纖、同軸閉式換熱井光纖監(jiān)測系統(tǒng)、地?zé)峒訅夯毓嗑饫w監(jiān)測、地?zé)衢g歇式運(yùn)行工況

十、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、對標(biāo)與競品關(guān)鍵詞

光纖地?zé)岜O(jiān)測地方規(guī)范、井下分布式光纖測溫技術(shù)規(guī)程、光纖光柵深井測溫校準(zhǔn)規(guī)范、光纖測溫與傳統(tǒng)熱電偶測溫對比、光纖長期監(jiān)測穩(wěn)定性對標(biāo)、鎧裝光纜井下驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、地源熱泵光纖監(jiān)測國標(biāo)規(guī)范、光纖監(jiān)測系統(tǒng)第三方標(biāo)定、地?zé)峋饫w監(jiān)測施工驗(yàn)收規(guī)范、光纖監(jiān)測計(jì)量溯源校準(zhǔn)

十一、英文專業(yè)縮寫關(guān)鍵詞（論文、設(shè)備采購常用）

DTS（分布式溫度傳感）、DAS（分布式聲學(xué)傳感）、FBG（光纖布拉格光柵）、DFOS（分布式光纖傳感系統(tǒng)）、BOTDA（布里淵光時(shí)域分析）、OTDR（光時(shí)域反射儀）、FWHM（光柵半高寬）、Raman Scattering拉曼散射、Brillouin Scattering布里淵散射