分散式温度传感器模型设计与应用.docx
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分散式温度传感器模型设计与应用
分散式温度传感器模型设计与应用
摘要:
分布式温度传感器(DTS)技术使用光纤来测量沿光缆分布的连续温度。
相比传统的生产测井工具(PLT),DTS可以为运营商提供实时的信息,同时无干预。
最近几年,DTS在流量分析到气举监控的应用都稳步增长。
DTS应用程序需要可靠的数据建模和分析或测量的解释。
该数据分析的复杂性已经成为DTS应用的一个障碍。
本文提出了开发DTS分析的软件工具。
软件背后的模型是基于稳态能量平衡,它同时适合与陆上和海上的石油以及天然气井。
该软件允许用户在两种模式下运行:
正向模拟和流量分析。
正向模拟能够计算任何给定的生产状况下温度沿井筒的分布,次此模式是模型校准的关键。
在模拟“假如”方案时该模型也非常有用,比如预测以及气举监控。
由流量分析估计产量是基于测试到的温度,这是实时的基础监测。
将该模型和其它模型进行了测试对比,得到了良好的吻合。
本论文提出两个例子:
雪佛龙公司开发的计算机程序包TIPP对比的结果,以及油田实例,以验证天然气气举阀的操作。
简介:
DTS是通过光纤测试沿井筒长度连续分布温度的一些列仪器的名称。
DTS最常见的操作是和光时域反射计(OTDR)具有相同的工作原理。
它使用物理现象,如拉曼散射,能将温度转变成光信号。
DTS设备(DTS盒)产生激光光脉冲,并沿着光纤传感器发送。
随着激光脉冲的向下传播,部分激光会四散而去。
反射回激光源(DTS盒)的光被称为反向散射。
拉曼反向散射是由光纤里面的分子振动引起的,产生光子反射,改变入射光的波长。
阳极转变斯托克斯反向散射是和温度无关的,而负极转变反斯托克斯拉曼反向散射则和温度有关的。
斯托克斯/反斯托克斯的强度比是用来计算温度的。
由于脉冲的散射损耗,计算温度的精确度取决与校准和光纤损耗稳定。
DTS技术并不陌生,几十年前它就曾应与于火灾探测。
然而,由于DTS技术在最近几年的进步,温度测试变得非常准确和可靠,目前DTS典型的性能参数有:
最大工作范围(15公里)
时间温度分辨率(0.1oC)
空间温度分辨率(0.1oC)
空间分辨率(1.5米)
在石油和天然气工业中,DTS技术正常成为一个有价值的工具,和其他技术相比,如PLT,DTS提供了独特的优势:
⏹没有油井的干预
⏹连续实时,井筒监测
⏹更加灵活的布置在受限制的井底环境,并适用于短期以及长期监测方案
可比的DTS安装以及信息操作费用,风险少得多
DTS温度测试本身并不能提供许多的利益,除非分析温度信号能够得出有价值的信息。
DTS的应用分为一下几类:
⏹在特定进水量范围的流量计量—分布温度的相关性
⏹水或蒸汽在产油区水流入管道地方的突破--区
⏹在管子气举监测中凝析油或其它流动障碍形成点的流量保证--监测
泄漏检测--检测管道的漏油地点
⏹长期温度计量--测量油井温度随时间的变化,而不是定期间隙试的记录
该应用程序需要进行数据建模和分析。
分析并不是一个简单的过程,它需要一个复杂的节点热模型,在流体从地层到完井的过程中,可以同时考虑地热和焦耳汤姆逊效应长生的热(或注射热)。
正确的温度模拟所需要的温度信息包括:
⏹完井细节
油管,套管以及水泥管道的尺寸
管内流体的性质
⏹地层特性
岩石性质
地温梯度
压力
⏹生产流体性质
石油/天然气的性质
流体运动
目前为止,模型的复杂性限制了DTS的使用。
第一篇定量描述流动分配的文章石由Nowak在1953.2发表的。
该技术和压力瞬时分析一样,是用来测定累积层注入量。
ramey在1962年提出了井筒温度预测模型。
该模型结合了井筒里面的温度传输机理以及地层里面的瞬变热现象。
该模型既适合于单相不可压缩的流体也适合与单相理想气体。
Sagaretal.4,Alvesetal.5以及Hasan-Kabir-Wang6,7模型,扩展到了两相流。
然而,所有的这些模型都有关于流体流动的热力学性质的一些假设。
并不满足复杂问题的分析。
最近,Hasan-Kabir-Wang提出了一个强大的稳态模型,该模型是关于复杂井里面的流体温度。
这个模型将井筒分成许多均匀的热区域和偏差角度。
Wang进一步扩展了该模型来处理多个生产区,每个区域都有自己的流体属性。
本文研究了气举操作中油层套管的复杂模型。
该模型是基于稳态能量平衡方程,同时适用与陆上以及海上的石油与天然气井。
模型描述
无气举油管的能量方程
井筒流体和周围环境之间的温差导致了能量的交换。
图1是无气举操作的油管流体与井筒之间能量平衡的简图。
图1:
无气举操作油管的能量平衡简图
能量方程可以写成为:
对与无相变发生的流体,焓是压力和温度的函数,计算公式如下:
这里,CJ表示焦耳汤姆逊系数,CP表示流体的定压平均热容量。
井筒单位长度的热流量Q:
松弛长度参数,LR,取决于流体/地层的热性能和总传热系数,对土壤包围着的井筒,LR有公式4计算:
将方程2和3带入方程1,可以得到无气举操作的最终能量方程:
这里:
对于非生产井筒部分,W2为0,因此λ=1。
通过使用有限差方法方程5很容易解出来。
气举操作油管的能量方程
气举作业中,是通过不断向油管里面充入气体,使液注充气。
从而为流体流动提供推力。
由于注入气体和生产液体的温度不同,除了环空液体和地层水之间的能量交换外,在环空液体(Qta)和油管之间也发生了能量交换,如图2所示.
图2:
气举操作时井筒的能量示意图
环内注入气体的能量方程可以写成:
油管内两相混合物的能量平衡:
联立方程3,7和8,可以得到油管内气液两相混合物和注入到环空管的气体之间的微差温度:
其中:
正如Hasan-Kabir-Wang指出的那样,参数D′,Da和Dt非常小,几乎可以忽略不计。
如果我们假设地层温度是随深度线性变化的,对方程9,10的分析可以表示成:
式中的
和
分别为特征多项式(9)的两个特征值,如下所示:
、
两常数可以应用下面两个边界条件求出:
(1)井口处,注入气体的温度Ta=Tinj;
(2)注入点处,混合物的温度
由质量分数决定,或者,
式中的混合前管内流体的温度
由式(5)求出。
模型的应用
该模型中集合了简易软件。
下面举两例来说明该软件的应用。
第一个例子选自SPE90541。
有三个产层:
产油量为600桶/天,深度为2000~2600ft;产油量为1200桶/天,深度为2900~3500ft;产油量为200桶/天,产水量为1000桶/天,深度为4400~4900ft。
如图3所示。
其他相关参数为:
油藏压力为2000psia,压降为50psia,井口压力为600psia,原油的API重度为40°API,井斜角为15°。
图三-详细流动示意图
由于该论文中没有提供完井数据和地层性质,表1列举了模拟中所用到的参数以便比较。
图4反映了模拟结果和TIPP所得数据的对比。
TIPP指的是一款名为“注入和生产剖面温度”的软件,该软件是由雪佛龙公司开发的一块计算机程序包。
表1-数值模拟所需参数
图4数值模拟与TIPP方法的结果比较
从图4可以看出,除了深度为2000ft左右时,其余的模拟结果都和TIPP数据匹配良好,此时TIPP所预测的温度过高或者说环境热耗太低。
这可能是由下面的一种或多种差异引起的:
岩石性质,环空中的热对流,环空流体的差别。
如果我们基于图4所算得的温度剖面,在流动剖面模式下运行该软件,并假设将产水层段从底部产层(4400~4900ft)变为中间产层(2900~3500ft),且保持地面产量不变(2000桶/天的油和1000桶/天的水),我们会得到如图5所示的完全不同的各相的流速。
这个例子说明对于任意已知的流动剖面,就会有唯一的温度剖面与之对应。
但是对于多相流来说,反之则不正确。
能量平衡只适合于单相流。
对于多相流,就会有附加的约束条件,比如像有关附加压力的文献和产层方面的知识就必须运用进来,以使方程收敛而存在唯一解。
图6为对两个流动剖面所产生的温度的比较。
产油层段之内(2000~4900)的温度剖面十分接近,但是靠近井口时差异越来越大。
中间产层所产的水损失的热量较少,这是因为它途径的距离短。
对于流动分析,必须要看整个井筒的温度剖面,而不是只关注产层的温度剖面。
图5—模拟流动示意图
图6:
不同流动状态下的温度对比
第二个例子是Kanu发表的汤姆逊井井数据,其井深为5019ft,产量为2080桶/天,注气速度为1.144百万立方英尺/天,注气的地面温度为1000F,于不同的深度下装入了5个气举阀。
完井数据、地温资料、流体性质和其他相关的数据见表2。
矿场测试表明,气体注入点深度为2400ft,处在两个注气阀(1984ft和2500ft)之间,这说明了此处有有一个错位的阀或者油管有一个漏洞。
分布式温度传感器可以用来监控油井中气举工作筒的活动。
注入气穿过轴心的冷却效应可以帮助工作人员确定其位置,另外,注气速度和产出速度可以用在计算温降的模拟中。
在给定的产出和注入速度下,当注气深度设在2400ft时,运行软件的正向模式可以得到如图7所示的模拟结果,该结果与汤姆逊矿场数据相符。
注气点的温降为大约10F。
地面温度也与矿场数据相一致,这说明是气举阀错位而不是油管漏失。
图7模拟结果与汤姆逊井的矿场数据的匹配论
结论
本文介绍了新开发的DTS解释软件。
该模型是基于严格的稳态能量平衡原理。
计算结果与TIPP和汤姆逊井数据的一致性使该模型得到了验证。
由于单纯的能量平衡只能满足单相流,因此,对于多项流,在运行流动分析模式时要格外注意。
这种情况下,需要引入其他限制条件来避免结果的不可靠性。
文章还阐述了分布式温度传感技术在安装了气举装置的油井中来监测注气点的这一用途。
借助该软件,可以定性地判别和确定冷却效应。
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- 分散 温度传感器 模型 设计 应用