2. 中石油长庆油田第六采油厂;
3. 中石油长庆油田第十一采油厂
2. No.6 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company;
3. No. 11 Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company
0 引言
水泥环密封性受到诸多因素的影响，固井注水泥作业过程中，如果水泥浆顶替泥浆流动不是全面的平行推进，会导致水泥环中出现空隙、裂缝或通道[1]。固井作业过程中或结束后，温度和压力变化可能导致水泥环中出现微环[2]。即使在水泥浆凝固后，钻井、完井、增产和生产作业过程中复杂的井下环境因素都有可能引起水泥环开裂。一旦这些裂缝和空隙连接起来，就为不同层位的油气运移和流通提供了通道。因此，评价水泥胶结质量和检测水泥环密封性极为重要。目前，评价水泥环质量的技术如声波和超声波测井[3]只能提供水泥环状态的“快照”，不能提供连续的检测能力。另外，声波和超声波测井由钻杆或电缆输送测井工具完成，需要一次甚至多次起下作业，钻机干预和停产需要额外的时间和成本，井控风险高。
为了实现水泥环密封性的连续检测，缩短时间，降低成本和风险，Neubrex有限公司提出采用光纤传感系统检测水泥环中不必要的油气运移和流通。光纤传感系统由分布式温度及应变传感(DTSS)数据采集装置和最新设计的能够检测水泥环中油气的光纤传感电缆组成[4]。研究证实，光纤传感系统能够通过检测水泥环中不必要的油气确认水泥环密封性是否失效，研究结果为其进一步研究和现场应用奠定了基础。为了推动检测水泥环密封性的光纤传感技术的发展，笔者对Neubrex有限公司的研究情况进行了介绍。
1 DTSS数据采集装置Neubrex有限公司最新研发的DTSS数据采集装置型号为NBX-7020，核心技术为脉冲预泵浦布里渊光时域分析(Pulse-Pre-Pump Brillouin Optical Time-Domain Analysis，以下简称PPP-BOTDA)和波长可调谐相干光时域反射(Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry，以下简称TW-COTDR)技术[4]。
1.1 PPP-BOTDA原理PPP-BOTDA以受激布里渊背向散射为基础。当光在透明介质(如光纤)中传输时，与热激励或应变引起的声热子相互作用发生布里渊背向散射[5]。布里渊散射属于无弹性散射，产生的斯托克斯光显示了相对于入射光的频移，称为布里渊频移。在单模光纤中，布里渊频移与应变[6]和温度变化成比例。布里渊频移(ΔvB)、应变变化(Δε)和温度变化(ΔT)之间的关系为：
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(1) |
式中：C11是应变系数，C12是温度系数。
BOTDA技术由2个激光源组成，需要闭环(双端)光纤接入，如图 1a所示。第1个激光源是一个发出入射光信号的泵激光器，第2个激光源是一个在与入射光相反方向上发送连续波的探针激光器。当泵激光器和探针激光器之间的频差与布里渊频移相等时，可激发布里渊背向散射并由接收器进行检测[6]。如图 1b所示，DTSS装置对沿着光纤的应变或温度变化导致的布里渊频移进行检测[7]。常规BOTDA装置只能实现1 m的空间分辨率，而PPP-BOTDA技术使空间分辨率提高至2 cm。
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| 图 1 BOTDA技术原理及应变引起的频移 Fig.1 BOTDA technical principle and the frequency shift caused by strain |
1.2 TW-COTDR原理
TW-COTDR以瑞利背向散射为基础，属于弹性散射。当光通过光纤时，由于光纤玻璃心折射率的微小变化，发生瑞利背向散射[8]。沿着光纤随机的折射率波动可作为一个踪迹，表现为TW-COTDR中能谱的随机分布[8]。TW-COTDR仅需要访问光纤的一个单端。通过对比测量值与参考值，得到瑞利频差。应变变化或温度变化引起的瑞利频移(ΔvR)可由下式表示：
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(2) |
式中：C21是应变系数，C22是温度系数。
1.3 技术优势众所周知，光纤光栅(FBG)系统已成功应用于油气行业。FBG是一个准分布式系统，沿着光纤分布的每一个光栅代表一个单独的传感器。FBG传感器在光纤上的分布位置预先确定，单根光纤中的光栅数量极为有限[9]。DTSS是一个全分布式传感装置，不需要在光纤上写入光栅。任何标准电信单模光纤不做特别修改就与该装置完全兼容。当光传播到光纤时会发生散射，在特定位置温度或应变发生变化时，可对散射信号进行调制[5]。通过测量光的飞行时间，可精确确定温度或应变变化的位置。因此，沿着光纤每一个点可作为一个传感器，从而提供长距离范围内更为精确和可靠的测量值。PPP-BOTDA能够提供快速而稳健的测量，而TW-COTDR具有与FBG系统相同的灵敏度，特别适用于检测微小的温度或应变变化。
2 材料准备 2.1 光纤传感电缆研究中所用的检测油气的光纤传感电缆(见图 2)包括单模光纤、油气敏感聚合物、钢杆和芳纶线。钢杆(外径6.35 mm)用于加固电缆，涂有油气敏感聚合物薄层。使用芳纶线纵向连接光纤与加固杆。虽然芳纶线为螺旋缠绕，但与芳纶线连接的重物确保了光纤上的均匀初始应变。在两端使用环氧树脂连接芳纶线与加固杆。拉紧的芳纶线确保油气敏感聚合物中的任何膨胀能够转化成光纤上的应变。虽然瑞利(TW-COTDR)子系统只需要单端接入，但光纤两端都与DTSS装置相连，形成一个布里渊(PPP-BOTDA)子系统测量所要求的闭合回路。需要注意的是：该结构代表了早期的概念验证，在现场应用之前需要进一步改进和优化[4]。
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| 图 2 光纤传感电缆示意图 Fig.2 Schematic diagram of fiber optic sensing cable |
2.2 测试液体
理想情况下，专门设计的光纤传感电缆应该能够检测油气，而不对盐水、合成基钻井液、矿物油基钻井液或隔离液等其他井下流体做出响应。在该试验中，满足ASTM 1-K标准的煤油用来代表储藏烃类流体。煤油的主要组分是支链烷烃、直链烷烃和环烷烃，因此可作为一个代表轻质易挥发原油的模型系统。矿物油、合成油和合成基钻井液由钻井液供应商提供。按照表 1中的配方配备了盐水质量浓度。隔离液组分由服务公司提供并在实验室配备[4]。
| 组分 | NaCl | Na2SO4 | KCl | NaHCO3 |
| 质量浓度 | 25.0 | 4.0 | 2.0 | 1.5 |
2.3 水泥石样品
试验中选用基于API分级的H级水泥，按照API标准10-B配制了水泥浆。试验之前固化24 h。为了模拟隔离失效和油气可能出现在水泥环空隙或通道中的情形，根据光纤传感电缆在水泥中的不同嵌入方式，准备了2种水泥石样品。在第1种样品中，光纤传感电缆放置在2.5 cm×2.5 cm×50.0 cm的水泥石中，其中25.0 cm长的电缆嵌入在水泥石中，余下的25.0 cm未胶结(见图 3a)。在第2种样品中，将光纤传感电缆嵌入在2.5 cm ×2.5 cm×50.0 cm的水泥石中，并构建一个模子产生了0.5 cm宽的通道(图 3b)[4]。
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| 图 3 水泥石样品示意图 Fig.3 Schematic diagram of cement stone sample |
3 试验方法 3.1 光纤校准
DTSS装置中的应变系数(C11和C21)和温度系数(C12和C22)缺省值是针对裸光纤而言的，而用于保护脆弱玻璃纤维的不同光纤涂层能够影响光纤的传感特性，因此系数需要试验确定。为了测定应变系数C11和C21(C12和C22不做讨论)，设计了如图 4所示的试验装置。光纤的两端连接至DTSS装置。沿着光纤长度，一点连接至固定块，另一点使用环氧树脂固定在可调节的夹具上。通过旋转夹具上的螺杆，光纤经受了不同级别的轴向应变。在每一步为了计算光纤上的加载应变，使用刻度盘式应变仪测量位移。对于50~300的微应变，步长为50，对于300~1 550的微应变，步长为250，对于1 550~5 050的微应变，步长为500。利用DTSS装置测量并记录布里渊和瑞利频移[4]。
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| 图 4 光纤校准试验装置示意图 Fig.4 Schematic diagram of fiber calibration test device |
3.2 油气检测
为了减少人员与煤油产生的有害浓烟的接触，油气检测试验在通风橱中恒定的温度(23 ℃)下进行。测试液体样品放置在5.0 cm×12.5 cm×61.0 cm的容器中，容器顶部使用保鲜膜密封。在每一端为光纤提供了小孔。在两端用FC/APC连接器连接光纤至插线电缆，插线电缆与DTSS装置上的泵激光器和探针激光器相连。首先，为了评价图 2所示的光纤传感电缆的传感能力，将电缆淹没在各种测试液体中18 h，然后用DTSS装置进行响应监测。其次，将图 3所示的水泥石样品淹没在煤油中24 h，用DTSS装置检测光纤电缆的变化[4]。
4 结果分析 4.1 光纤校准图 5为应变与频差的关系曲线。由图可以看出，2组校准试验结果完全一致，且频差和应变呈线性关系。根据图 5中的结果，计算得到布里渊频移平均应变系数(C11)为0.048 2 MHz，瑞利频移平均应变系数(C21)为0.149 5 GHz。为了将测得的布里渊/瑞利频移转化成应变，所有试验都用到了应变系数计算值[4]。
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| 图 5 应变与频差关系曲线 Fig.5 Relation of strain and frequency deviation |
4.2 油气检测 4.2.1 电缆淹没在煤油中
煤油的主要组分为支链烷烃、直链烷烃和环烷烃，可代表轻质易挥发原油。图 6a和图 6b显示了淹没在煤油中前、后的一段光纤传感电缆。由图可知，煤油的存在导致油气敏感聚合物明显膨胀，并通过芳纶线转化为光纤上的应变变化。光纤上的应变变化由DTSS装置记录下来，如图 6c所示。
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| 图 6 光纤传感电缆对煤油的应变响应 Fig.6 Strain response of fiber optic sensing cable to kerosene |
从图 6c可以看出，沿着光纤传感电缆的整个淹没长度，应变变化测量值相对一致。在前4 h内应变大幅度增加，在大约3 h内记录了微应变最大值1 500。3 h后微应变在1 200~1 600之间波动，与初始状态(0 h)相比，保持了相对较高的水平，证实煤油对油气敏感聚合物有显著的影响，光纤传感电缆能够检测到煤油的存在。图 7为煤油中应变随时间变化的曲线。由图可以看出，使用瑞利频移和布里渊频移获得的应变值有很好的相关性[4]。
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| 图 7 煤油中布里渊应变数据与瑞利应变数据对比 Fig.7 Comparison of Brillouin and Rayleigh strain data in kerosene |
4.2.2 电缆淹没在盐水中
将光纤传感电缆淹没在盐水中18 h后发现，油气敏感聚合物没有发生膨胀(见图 8b)。光纤上的应变变化由DTSS装置记录下来。由图可以看出，微应变的确最小，仅在-50~+50之间波动。对于给定的空间分辨率和测量条件，认为该应变值接近瑞利的准确度极限。图 9为盐水中应变随时间变化的曲线。由图可以看出，瑞利散射数据更为光滑，这是因为当检测到应变的微小变化时，瑞利散射更精确，敏感性更强。因此，当预料到应变变化较小时，应该优先使用瑞利散射而不是布里渊散射。
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| 图 8 光纤传感电缆对盐水的应变响应 Fig.8 Strain response of fiber optic sensing cable to brine |
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| 图 9 盐水中布里渊应变数据与瑞利应变数据对比 Fig.9 Comparison of Brillouin and Rayleigh strain data in brine |
因此可以得到结论：电缆对盐水不敏感。因为在大多数井中，盐水无处不在。显然，对盐水产生强烈响应的传感器不是理想选择[4]。
4.2.3 电缆淹没在合成油和合成基钻井液中光纤传感电缆对合成油的敏感性测试结果见图 10，对合成基钻井液的敏感性测试结果见图 11。
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| 图 10 光纤传感电缆对合成油的应变响应 Fig.10 Strain response of fiber optic sensing cable to synthetic oil |
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| 图 11 光纤传感电缆对合成基钻井液的应变响应 Fig.11 Strain response of fiber optic sensing cable to synthetic based drilling fluids |
由图 10和图 11可以看出，油气敏感聚合物的膨胀都不明显(见图 10a、图 10b、图 11a和图 11b)。光纤上的应变变化由DTSS装置记录下来。合成油的存在导致光纤上的最大微应变是180，而合成基钻井液的存在导致光纤上的最大微应变是200。因此，电缆对合成油和合成基钻井液仅轻度敏感。
4.2.4 电缆淹没在矿物油中光纤传感电缆对矿物油的敏感性测试结果见图 12。由图可以看出，电缆淹没在矿物油中前、后没有明显区别，微应变值也几乎没有变化，与淹没在盐水中的结果相同，仅在-50~+50之间波动，可认为是噪声。很明显，最新设计的光纤传感电缆对矿物油和矿物油基钻井液不敏感[4]。
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| 图 12 光纤传感电缆对矿物油的应变响应 Fig.12 Strain response of fiber optic sensing cable to mineral oil |
4.2.5 电缆淹没在隔离液中
光纤传感电缆对隔离液的敏感性测试结果见图 13。由图可知，油气敏感聚合物没有发生膨胀，而且DTSS装置记录的应变结果证实隔离液引起聚合物少量收缩，应变值相对较低，收缩并不明显。
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| 图 13 光纤传感电缆对隔离液的应变响应 Fig.13 Strain response of fiber optic sensing cable to barrier fluid |
图 14为光纤传感电缆对各种测试液体的响应结果。光纤传感电缆对煤油比盐水、矿物油、合成油、钻井液和隔离液等流体有明显更高的应变响应，表明光纤传感电缆对特定的烃有选择性敏感性。为了检测水泥环中的油气，在固井之前，光纤传感电缆应该安装在套管上，因此，下套管和水泥替置过程中会与钻井液和隔离液接触。光纤传感电缆应能在建井过程中不受损坏，且对钻井液和隔离液等流体没有明显的敏感性。另外，光纤传感电缆应只能检测油气，不因其他井下流体引起误测[4]。
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| 图 14 光纤传感电缆对各种测试液体的响应结果对比 Fig.14 Strain responses of fiber optic sensing cable to various test liquids |
4.3 第1种水泥石样品淹没在煤油中
将第1种水泥石样品完全淹没在煤油中之后，未胶结部分观察到了明显膨胀(见图 15)，DTSS装置微应变变化测量值约为1 200，而嵌入在水泥中的部分应变变化测量值明显较小，证实光纤传感电缆能够定位环空中易窜入油气的未胶结部分。由于DTSS装置的空间分辨率高(2 cm)，无需光栅，使用普通的电信单模光纤可以清晰识别未胶结部分和胶结部分[4]。
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| 图 15 第1种水泥石样品对煤油的应变响应 Fig.15 Strain response of the first cement stone sample to kerosene |
4.4 第2种水泥石样品淹没在煤油中
图 16为第2种水泥石样品(通道宽度为0.5 cm)完全淹没在煤油中之后测得的应变变化。由图可以看出，DTSS装置微应变变化测量值高达2 000，沿着轴线可以看出，沿着电缆长度的应变值不是完全一致，这是因为通道本身也不是完全一致的。
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| 图 16 第2种水泥石样品对煤油的应变响应 Fig.16 Strain response of the second cement stone sample to kerosene |
5 结论及建议
(1) 光纤传感系统是一项创新技术，采用分布式温度和应变传感(DTSS)数据采集装置，以及最新设计的能够检测水泥环中油气的光纤传感电缆实现了水泥环密封性的实时、原位、连续和非破坏性监测，节约了时间和成本，降低了风险。
(2) 室内试验结果证实，光纤传感系统能够通过检测水泥环中不必要的油气确认水泥环密封性是否失效，研究结果为其进一步的改进和优化奠定了基础。
(3) 建议开展检测水泥环密封性的光纤传感技术研究，为我国向固井条件趋于恶劣以及水泥环密封性受到严重挑战的复杂储层进军奠定技术储备。
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