Aplicação de sistema distribuído de monitoramento de fibra óptica para temperatura de poços de petróleo, pressão, taxa de fluxo e outras soluções-INNO

A pressão do fundo do poço, temperatura e outros dados de poços de petróleo e gás são uma base necessária para a análise dinâmica do desenvolvimento de campos de petróleo e gás e formulação de planos de ajuste de desenvolvimento. Portanto, operações de testes frequentes são necessárias no processo de produção de poços de petróleo e gás para obter dados relevantes. No entanto, com o aprofundamento do desenvolvimento de campos de petróleo e gás refinado, dados intermitentes de ponto único não podem mais apoiar efetivamente o ajuste oportuno dos poços de petróleo e gás. O monitoramento permanente da pressão e a tecnologia de monitoramento de fibra óptica podem monitorar continuamente poços de petróleo e gás por um longo tempo, obter curvas em tempo real de pressão e temperatura de fundo de poço, e orientar poços de petróleo e gás para realizar a produção sob diferenças de pressão razoáveis em tempo real. Através de testes de poço estáveis ou instáveis, reservas dinâmicas, permeabilidade, fator pele, etc.. de um único poço pode ser calculado, e o controle multiponto pode ser usado para testar a conectividade das camadas de produção entre poços.

O sistema permanente de monitoramento de pressão de fundo de poço adota sensores de pressão avançados e chips eletrônicos. Depois de mais de uma década de aplicação local em campos de petróleo em países como o Canadá, os Estados Unidos, Iraque, Irã, Rússia, Malásia, etc., demonstrou plenamente a sua superioridade na tecnologia de testes de poços de petróleo e gás. Em meados da década de 1980 e início da década de 1990, 12 unidades iniciaram em conjunto pesquisas sobre aplicação de tecnologia de sensores de fibra óptica no monitoramento permanente de reservatórios de petróleo. Atualmente, fibra sistemas de monitoramento óptico, como temperatura e pressão sistemas de medição e sistemas de medição de temperatura distribuída amadureceram e são usados para monitorar a temperatura de poços de petróleo, pressão, taxa de fluxo, etc..

Atualmente, a operação de fio de aço em intervalo é usada principalmente na China para medir os dados de pressão e temperatura no fundo de poços de petróleo e gás, e a tecnologia de monitoramento contínuo raramente é aplicada. Este artigo se concentrará em resumir os princípios básicos e a adaptabilidade de diferentes métodos de teste, fornecendo referência para a seleção de métodos de teste para poços de petróleo e gás, especialmente para os principais métodos de teste de poços de petróleo e gás, como alta temperatura e alta pressão.

O método convencional de teste de intervalo testa poços de petróleo e gás em momentos específicos de acordo com as necessidades de produção. Um manômetro é inserido no poço usando fios ou cabos de aço para obter dados de pressão e temperatura do fundo do poço durante a operação de teste. Depois que a operação for concluída, o manômetro é retirado da cabeça do poço. A vantagem deste método é que o custo de uma única operação de teste é baixo, mas não pode obter dados contínuos de pressão e temperatura a longo prazo. Ao mesmo tempo, os medidores de pressão usados são principalmente medidores de pressão eletrônicos de pedras preciosas ou quartzo, com uma faixa de pressão de cerca 105 MPa e uma faixa de temperatura de cerca de 177 ℃, que não pode mais atender aos requisitos de teste de poços de alta temperatura e alta pressão.

Existem atualmente três processos de teste comumente usados:

(1) Tipo de levantamento e armazenamento de fio de aço: Primeiro, programe o manômetro eletrônico e conecte-o à eletricidade. Use equipamento de fio de aço para abaixar o manômetro na camada alvo. Depois que o teste for concluído, o manômetro é retirado da cabeça do poço junto com o fio de aço, e os dados de pressão e temperatura são reproduzidos no solo.

(2) Tipo de armazenamento de salvamento de fio de aço: Depois de programar o manômetro eletrônico e conectá-lo à eletricidade, ele é baixado na camada alvo com o fio de aço, liberado do manômetro, e retirado do fio de aço. No final do teste, use ferramentas de fio de aço para recuperar o manômetro e reproduzir dados de pressão e temperatura no solo.

(3) Levantamento de cabo e tipo de leitura direta: Conecte o manômetro eletrônico a um cabo de núcleo único, use um guincho para enviá-lo para a camada alvo no fundo do poço, e fornecer energia para o manômetro subterrâneo na superfície. Os dados de teste são transmitidos de volta à superfície em tempo real através do cabo, e o manômetro é levantado após a conclusão do teste.

O método de teste de armazenamento usa baterias para alimentar o manômetro, enquanto o método de teste de leitura direta usa cabos para alimentar o manômetro subterrâneo. O tempo de teste não é mais limitado pela energia da bateria, mas há um problema com a vedação da cabeça do poço de teste. Atualmente, o principal método para operações de teste é usar um método de levantamento e armazenamento de fio de aço, que converte a pressão e a temperatura na profundidade da camada de óleo com base na curva de gradiente de pressão do poço medida durante o processo de elevação do fio de aço.

A operação de teste é uma operação de pressão na cabeça do poço, e a operação de teste de poço em alta temperatura e alta pressão requer altos níveis de pressão para equipamentos de controle de poço, como preventores de explosão e tubos de pulverização. Devido ao grande peso da coluna de ferramentas de fio de aço, altos requisitos também são impostos ao desempenho de tração do fio de aço, o que representa um alto risco para a operação de teste.

O Sistema Permanente de Monitoramento de Fundo de Poço (PDMS) é uma tecnologia que coloca um manômetro eletrônico em um suporte de manômetro conectado a um tubo de óleo, e o abaixa no poço junto com o tubo de óleo. Os sensores de alta precisão no manômetro detectam a pressão e a temperatura subterrânea, e os sinais processados de pressão e temperatura são transmitidos à superfície através de cabos. O sistema de aquisição de dados de superfície controla e armazena os sinais subterrâneos de pressão e temperatura transmitidos à superfície, e dados de pressão e temperatura em tempo real são registrados. O PDMS pode usar leitura direta no solo para monitorar reservatórios de petróleo e condições de poços em tempo real, continuamente, e a longo prazo, facilitando a compreensão oportuna da dinâmica de produção de poços de petróleo e gás, otimizando sistemas de trabalho de poços de petróleo e gás e parâmetros de elevação.

O sistema consiste principalmente em duas partes: subterrâneo e superficial. A parte de aterramento consiste em um dispositivo de saída do poço do cabo, um sistema de aquisição de dados, e um sistema de fornecimento de energia solar automático. A parte subterrânea consiste em um manômetro eletrônico, um cilindro de suporte de manômetro, cabos blindados, e protetores de cabo.

O sistema de aquisição de dados terrestres é usado para fornecer energia ao manômetro subterrâneo e emitir comandos de controle para ele, alterar o intervalo de amostragem do manômetro eletrônico subterrâneo, e coletar e armazenar dados de pressão e temperatura transmitidos pelo manômetro subterrâneo. Os dados são armazenados usando um cartão SD, com capacidade de armazenamento de até 15 milhões de conjuntos de dados. O sistema de fornecimento de energia solar automático fornece energia confiável para o sistema de aquisição de dados de superfície e manômetro subterrâneo. Reserve orifícios de saída de cabos no suporte de tubos e na árvore de Natal, instalar dispositivos de saída do poço do cabo, e a principal função é vedar os cabos que passam pela cabeça do poço. A pressão de vedação é 20kPsi, e o material é Inconel 718. Adota vedação totalmente metálica, que pode garantir um efeito de vedação a longo prazo e é adequado para poços de petróleo e gás de alta pressão e alta temperatura.

Um cabo é um canal de transmissão de energia e dados, com fios de cobre sólidos dentro, uma camada de isolamento interna e uma camada de enchimento de isolamento no meio, e uma camada de embalagem metálica na camada mais externa. O material do tubo de aço é Incoloy 825 (liga de alto níquel), com pressão máxima de trabalho de 25kPsi, uma temperatura máxima de trabalho de 200 ℃, uma resistência à tração de 1000kg, e uma especificação de fio central de 18 AWG. Possui boa resistência à compressão, abrasão, e corrosão, e é adequado para uso subterrâneo de longo prazo. Protetores de cabos são usados para fixar cabos em tubulações de óleo e fornecer proteção para cabos em acoplamentos de tubulações. Existem opções de protetores leves do tipo estampagem e protetores de cabos para serviço pesado em aço fundido. Protetores de cabos pesados são geralmente usados na extremidade inferior da coluna de tubulação de petróleo e em estruturas especiais de furo de poço. Eles podem resistir ao desgaste e suportar grandes forças de impacto externo, protegendo o cabo de ser completamente danificado pelo ambiente subterrâneo hostil; Protetores de cabo leves são geralmente usados na parte superior da coluna do tubo de óleo, que pode não apenas fixar o cabo, mas também suportar a força usual de impacto no fundo do poço.

O manômetro eletrônico é a parte central do sistema PDMS subterrâneo, usando sensores de pressão e temperatura de quartzo de alta precisão e alta resolução. O projeto de produção do circuito é baseado na mais recente tecnologia de circuito híbrido e embalado usando tecnologia de soldagem a vácuo. A vedação entre o sensor do manômetro eletrônico e o cilindro externo do circuito é feita usando tecnologia de soldagem por feixe de íons. O material externo do cilindro é feito de liga à base de níquel anticorrosão ultra forte Inconel 718, com diâmetro externo máximo de 0.875 polegadas e uma classificação de pressão máxima de 25000 psi. Pode funcionar continuamente por mais de 10 anos em altas temperaturas de 200 ℃/392 ℉, e pode funcionar por um longo tempo em condições adversas de poço, como alta temperatura e alta pressão.

O cilindro de suporte do manômetro fornece posição de instalação e proteção mecânica para o manômetro. A vedação entre o manômetro e o cilindro de suporte é uma vedação metálica. A pressão dentro do invólucro externo do cilindro de suporte pode ser monitorada ou a pressão dentro do tubo de óleo pode ser detectada e monitorada através do orifício de transmissão de pressão. Dois manômetros também podem ser instalados simultaneamente em um cilindro de suporte.

O sistema permanente de monitoramento de fundo de poço pode monitorar continuamente a pressão e a temperatura de fundo de poços de petróleo e gás por um longo tempo. É usado para análise dinâmica de produção de poços de petróleo e gás, análise de teste de poço, simulação numérica de reservatórios de petróleo e gás, otimização dos parâmetros de trabalho de elevação artificial, prevenção da produção de areia de formação, e outras questões de pesquisa. Suas principais características são: (1) tem estabilidade de longo prazo em operação. O sistema de fornecimento de energia solar pode garantir a operação contínua e confiável do sistema; Adotando projeto de circuito integrado em escala ultra grande, tem fortes capacidades sísmicas e anti-interferência; A mais recente tecnologia de sensor de pressão e tecnologia de circuito são adotadas, e o tempo de monitoramento contínuo pode chegar a mais de 10 anos, com alta estabilidade de trabalho e confiabilidade.

(2) Adequado para monitorar poços de alta temperatura e alta pressão. O nível máximo de pressão do manômetro eletrônico pode chegar a 25kPsi, e pode funcionar continuamente por mais de 10 anos em altas temperaturas de 200 ℃/392 ℉. Ele pode ser usado para monitorar condições adversas de poço, como altas temperaturas, alta pressão, e alta corrosividade.

(3) Monitoramento contínuo em tempo real da pressão multicamadas. O sistema de monitoramento subterrâneo permanente pode não apenas alcançar o monitoramento de pressão de camada única, mas também obter monitoramento simultâneo e em tempo real de dados subterrâneos de poço único e multicamadas. Além disso, é possível optar por monitorar a pressão dentro da carcaça fora do tubo de suporte ou a pressão dentro do tubo de óleo dentro do tubo de suporte.

Tecnologia de monitoramento permanente de fibra óptica A tecnologia de detecção de fibra óptica é um novo tipo de tecnologia de detecção que usa ondas de luz como portadoras e fibras ópticas como meio para perceber e transmitir sinais medidos externos. A tecnologia permanente de monitoramento de pressão/temperatura de fibra óptica consiste em abaixar o sensor de fibra óptica no poço junto com a coluna de completação. O laser da cabeça do poço emite um laser, e o sinal óptico atinge o sensor de fundo de poço através da fibra óptica. O sensor modula as informações de temperatura e pressão no espectro de reflexão. O detector de cabeça de poço recebe o espectro refletido do sensor e obtém dados de temperatura e pressão através da análise do espectro de interferência. O monitoramento permanente de fibra óptica pode alcançar, longo prazo, e monitoramento estável de dados de pressão e temperatura de fundo de poço em poços de petróleo e gás. Através do monitoramento de dados regionais e de vários pontos de poços, pode fornecer uma base para a formulação de planos de desenvolvimento de campos de petróleo e gás.

Os sensores de fibra óptica comumente usados no subsolo incluem sensores de temperatura de fibra óptica distribuídos (ETED) e sensores de pressão de fibra óptica (PT). A base de medição do DTS é a influência da temperatura no coeficiente de dispersão da luz. Ao detectar as informações de perturbação da distribuição de temperatura externa na fibra, informações de temperatura são obtidas para obter medição de temperatura distribuída. A base técnica da medição é a tecnologia de espalhamento Raman de fibra. O laser emite pulsos de luz ao longo da fibra óptica, que são divididos em dois feixes através de um divisor. Dois filtros com comprimentos de onda centrais diferentes são conectados abaixo para filtrar a luz Stokes e a luz anti-Stokes, que são convertidos em sinais elétricos por fotodetectores e enviados para a unidade de aquisição e processamento de dados. Após detecção e processamento, o valor da temperatura é finalmente emitido.

Baseado no princípio da velocidade constante da luz, a profundidade precisa dos sinais de luz refletidos das fibras ópticas pode ser medida

A maioria dos sensores de pressão de fibra óptica usa manômetros baseados no princípio do interferômetro Fabry Perot. A cavidade formada por duas faces finais da fibra é chamada de cavidade Fabry Perot em óptica, abreviado como cavidade de Fabry Perot. Quando o laser entra na cavidade Faber por uma extremidade da fibra, parte da energia luminosa é refletida na face final da fibra naquela extremidade; A energia óptica restante continua a se propagar para frente, então é refletido a partir da segunda face final da fibra e entra na primeira seção da fibra na direção oposta. O laser refletido duas vezes forma interferência na superfície do detector, e o espectro de interferência é determinado exclusivamente pelo comprimento da cavidade de Fabry, que é uma onda senoidal no domínio da frequência. Medindo o período e a fase da onda senoidal, o comprimento da cavidade pode ser determinado com precisão. A pressão externa P comprimirá a cavidade Faber, fazendo com que o comprimento da cavidade Faber formada entre as duas faces finais da fibra mude com a mudança da pressão externa. Portanto, medindo o comprimento da cavidade Faber, a pressão externa P pode ser inferida.

Composição de um sistema permanente de monitoramento de pressão/temperatura em fibra óptica

A parte terrestre inclui principalmente cabos ópticos e moduladores enterrados, enquanto a parte subterrânea inclui principalmente sensores de fibra óptica, suportes de sensores, cabos ópticos, e protetores de cabo. O demodulador espectral terrestre emite um laser de varredura de comprimento de onda contínuo de 1510-1590nm. O laser é transmitido ao sensor de pressão da cavidade FP e ao sensor de temperatura FBG subterrâneo através de uma fibra de sinal, e então o laser é refletido pela cavidade FP e FBG para formar um espectro de reflexão. O espectro de reflexão transporta as informações de pressão e temperatura próximas ao sensor de volta ao demodulador ao longo da mesma fibra, e o demodulador envia o sinal espectral para o computador. O computador calcula os valores de pressão e temperatura subterrânea de acordo com o programa de demodulação, e exibições, armazena ou envia remotamente em tempo real de acordo com o formato de banco de dados necessário.

A unidade de controle de solo consiste em um demodulador e um laptop, e o software que corresponde ao demodulador está integrado ao computador. Um demodulador é um dispositivo que interpreta o sinal espectral refletido de volta pelo sensor de temperatura e pressão do fundo do poço em um valor visível de temperatura e pressão para o usuário. Ele pode demodular sequencialmente os sinais de pressão e temperatura de 16 sensores de canal, e exibir e armazenar a temperatura e pressão atuais. Cabos ópticos enterrados são usados principalmente para transmitir sinais ópticos da cabeça do poço para o equipamento, e são geralmente construídos de forma enterrada. Cabos ópticos blindados fornecem um canal para transmissão de sinal entre sensores e demoduladores de terra. O material da armadura externa é 316L ou Inconel825, e a camada metálica média resistente ao hidrogênio pode atrasar a perda de hidrogênio em cerca de 140 vezes, prolongando significativamente a vida útil dos cabos ópticos sob condições de alta temperatura. A vida útil dos cabos ópticos pode chegar a mais de 10 anos.

Sensores de fibra óptica são os principais componentes de um sistema permanente de monitoramento de pressão/temperatura de fibra óptica no subsolo, com pressão máxima de trabalho de 15kPsi e temperatura máxima de trabalho de 300 ℃.

As vantagens da tecnologia de monitoramento permanente de fibra óptica incluem principalmente:

(1) O sensor é pequeno em tamanho, leve, com poucos componentes e sem peças móveis. O sensor óptico tem uma vida útil de mais de 15 anos.

(2) A fibra óptica é um sensor e um meio de transmissão de sinal, sem dispositivos eletrônicos subterrâneos, resistente a fortes interferências eletromagnéticas, e altamente confiável.

(3) Toda estrutura de quartzo, propriedades químicas estáveis, tecnologia de microprocessamento a laser, desempenho confiável.

(4) O cabo óptico blindado é feito de material de liga 316L ou Inconel825, que é resistente à corrosão H2S/CO2.

(5) Existem vários pontos de medição, que pode ser conectado em série ou paralelo para monitorar a pressão e a temperatura de múltiplas camadas em um único poço. UM 1/4 “cabo de fibra óptica em um único poço pode fornecer até 12 sinais de pressão e temperatura, e um conjunto de equipamentos de cabeça de poço pode se conectar 16 sensores de temperatura e pressão simultaneamente.

(6) Pode ser usado para poços de alta temperatura/alta pressão: pode suportar 300 ˚ Alta temperatura, 15000Pressão psi, e vibrações e impactos gerados pelo fluxo de ar de alto rendimento.

A operação com fio de aço é adequada para testar poços verticais e poços de pequena inclinação. Sua vantagem é que o custo de uma única operação é baixo, mas o custo subsequente aumenta com o número de operações. Pode ser usado para monitoramento temporário de poços de desenvolvimento comuns de baixa temperatura e baixa pressão. O monitoramento permanente da pressão e o monitoramento por fibra óptica são adequados para poços verticais e horizontais, com alto investimento inicial, mas sem custos operacionais subsequentes. Poços cluster/plataforma podem compartilhar equipamentos de superfície, reduzindo significativamente os custos gerais. Eles podem ser usados para monitoramento contínuo e em tempo real de altas temperaturas, poços de alta pressão ou chave.

(1) A tecnologia de monitoramento contínuo fornece forte suporte de dados para o gerenciamento refinado de poços de petróleo e gás, o que ajuda a otimizar o sistema de trabalho dos poços de petróleo e gás em tempo hábil, impedir a produção de areia em reservatórios, e suprimir o rápido cone da água da borda e do fundo.

(2) A tecnologia de monitoramento de pressão permanente e a tecnologia de monitoramento de fibra óptica podem efetivamente resolver o problema de monitoramento dinâmico de poços de alta temperatura e alta pressão, e pode reduzir a taxa de acidentes de engenharia nas operações de teste, ao mesmo tempo que fornece dados dinâmicos de poços de petróleo e gás.

(3) Levando em consideração fatores técnicos e econômicos, recomenda-se realizar monitoramento contínuo de longo prazo dos principais poços. A tecnologia de monitoramento permanente de pressão deve ser usada para poços de alta pressão, e tecnologia de monitoramento de fibra óptica deve ser usada para poços de alta temperatura.