分布式光纤测井在新疆油田克83井区的研究与应用

摘要：分布式光纤测井技术在地下资源勘探中具有重要应用价值，因其高精度、快速测量和实时监测地下动态变化等优势。基于此，深入分析了分布式光纤测井技术，主要包括基于瑞利散射的DAS原理、基于OTDR技术的DTS测温原理。随着科技进步和应用需求增长，该技术将在能源开发中发挥更重要作用。

关键词：分布式光纤测井；DAS原理；DTS测温原理

分布式光纤测井技术是一种革命性的井下数据采集方法。它利用一根细小的光纤作为连续的传感元件，通过解析光在光纤中传输时产生的背向散射信号，来获取整个井筒长度上连续、实时的温度、声波/振动、应变等物理场信息。其核心思想是“以线代点”，即用一根光纤取代传统数以百计的离散电子传感器，实现对整个井筒的无限多点监测。

1.基于瑞利散射的DAS原理

瑞利散射是光波在传输过程中与纤芯的微小折射率变化相互作用而引起的，这些散射位点可以看作是在光纤中存在的一系列随机的光源，它们的产生和行为是由材料的物理性质和光波的传播特性所决定。其散射光的幅度和相位是随机变化的，但在光纤中的传播规律可以用统计学方法进行分析和描述。

2.光纤拉曼散射原理

分布式光纤温度传感器利用光纤拉曼散射来测量温度，是光纤传感器的固有类型。在分布式光纤温度传感器(DTS)系统中，光纤不仅是一种传输介质，也是一种传感材料。热场沿光纤方向调制后向拉曼散射强度，后向拉曼散射信号由光电探测器通过波分复用器(WDM)检测。信号经过平均解调后，从噪声中提取并呈现实时温度分布信息。分布式光纤温度传感器可以看作是光纤测温网络的一种。光与光纤分子相互作用时，会出现两种散射现象：弹性散射与非弹性散射。前者指的是散射过程中频率（或光子能量）保持恒定的状态，而后者则是指散射过程中频率（或光子能量）发生变动（上升或下降）的散射现象。当光波与介质产生交互时，会引发拉曼散射与布里渊散射两种现象。在入射光子发生散射的过程中，会产生低频的斯托克斯光子或高频的反斯托克斯光子，这是由分子振动能级间跃迁所导致的。

拉曼散射过程中，既有发射光声子的斯托克斯拉曼光子，也有吸收光声子的反斯托克斯拉曼光子。在光纤内，探测光与热声波相互作用，这些热声波是由光波的电致伸缩效应产生的。光纤的折射率具有周期性调制，即所谓的折射率光栅，这种调制作用会产生布里渊光子，也被称为布里渊散射。具体来说，斯托克斯布里渊光子会发射声子，而反斯托克斯布里渊光子则会吸收声子。在热平衡条件下，Stokes拉曼散射强度相较于反Stokes拉曼散射强度更为显著。这是因为处于低旋转/振动能级的分子数量普遍高于处于高旋转/振动能级的分子数量。振动/转动频带的相对强度主要受到初始状态中分子群落的玻尔兹曼分布的影响：

随着分子温度的上升，处于较高振动能级或旋转能级的分子数量逐渐增多。因此，来自这些较高能级的拉曼跃迁在整体拉曼散射中变得更为显著，这一变化可以通过拉曼带相对强度的调整来验证。为了准确测定特定物质的温度，可以利用Stokes和反Stokes拉曼的相对强度随温度变化的规律来对温度进行推算。

3.测试施工与质量控制

3.1深度校正

本次光纤测井数据根据多参数伽马与温度进行深度校正。首先根据完井自然伽马与多参数伽马曲线对比进行多参数曲线进行深度校正，然后通过多参数温度与光纤DTS对比校正光纤测井数据，光纤数据（DTS/DAS）深度校正量为-10m。

3.2质量分析

图1为KHWXXXX井全井段DTS瀑布图与曲线图，图中标注横线为压裂桥塞位置。从瀑布图和曲线图看出，各工作制度下直井段温度变化基本一致，分析认为是由于产量较小引起，水平段有温度异常变化点，可以进行数据分析解释。

图1KHWXXXX井全井段光纤DTS曲线与瀑布图

4.DTS资料分析

图2为KHWXXXX井水平段DTS瀑布图与曲线图。第一道为深度道，第二道为井轨迹道，第三道为DTS瀑布图，第四道为DTS道。图中瀑布图的颜色由蓝色到红色是温度从低到高，DTS曲线中颜色从蓝色到红色表示时间从开始监测到结束监测，图中黑色横线为桥塞位置。可以看出，关井阶段水平段温度相对较低，开井后，在第14、13、8段内温度明显降低，呈现“负异常”特征，分析认为主要是由于这几段产气造成降温。根据焦耳—汤姆逊效应，当气体从高压处（地层）向低压（井筒）流动过程中，一般会出现降温效应。

图2KHWXXXX井光纤DTS曲线与瀑布图

图3为KHWXXXX井光纤DTS水平段曲线图，第一道为深度道，第二道为井轨迹道，第三道为温度曲线道，其中蓝色线为4mm油嘴温度曲线、绿色为3.5mm油嘴温度曲线、紫色线为关井温度曲线，第四道为DTS阵列温度曲线。根据开井温度负异常大小分析，认为主要出气段为第14、13滑套，次要出气层为第8滑套，微小出气层为第15、12、11、10、9滑套。并且随着工作制度的增大，主要产气层段产气量增加明显。

图3KHWXXXX井光纤DTS水平段曲线对比图

5.1DAS资料分析

选取“关井—开井”过程各频率段数据分析，如图4所示。可以看出，受气体产出造成振动影响，开井后井筒中能量均有所增强。

图4KHWXXXX井不同频率段光纤DAS瀑布图

5.2多参数资料分析

图5为KHWXXXX井多参数曲线图，第一道为深度道，第二道为井轨迹道，第三道为自然伽马道，第四道为磁定位道，第五道温度曲线道，第六道为持水率曲线道，第七道为涡轮流量曲线道，第八道为压力曲线道，第九道为音叉密度曲线道，第十道为温差曲线道。持率、流量、密度曲线等在水平段变化较小，无法判断主要产气层，温度响应与光纤DTS变化规律一致，温差具有较高分辨率，根据温度及温差曲线综合判断判断主产气层第14、13、8段滑套处，第15、11、12、9、10段也有产出。

图5KHWXXXX井水平段多参数曲线图

6结论

（1）综合光纤DTS与多参数曲线分析，解释主要产气层为：第14、13、8滑套，次要产气层为15、11、12滑套；微产气层为第9、10滑套。

（2）随着工作制度调大，主要产气层位置温度降低明显，产出量加大。

（3）本次测试产气层段在光纤DTS、多参数温度曲线上反映明显，DAS信号识别产气层段较为困难。

参考文献

[1]周扬，刘平，牛步能，等．“双碳”目标下生产测井技术研究进展及展望[J石油科技论坛，2023，42（5）：54-63．

[2]廖启明，刘红岐，李江，李树荣，等分布式光纤测井原理分析与研究[J].测井技术,2024,9(4):106-107.