王文權(quán) 賈建超 趙明千 王丹玲 陳彬 竇冬 謝楠

1. 中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司；2. 華北油田煤層氣與儲氣庫事業(yè)部

儲氣庫注采井是儲氣庫最基本的組成單元，隨著儲氣庫建設(shè)的速度加快，儲氣庫注采井的數(shù)量也越來越多。儲氣庫井注采運(yùn)行時(shí)壓力呈周期性變化，井筒管柱和膠結(jié)水泥石長期受交變溫度及應(yīng)力的影響，易出現(xiàn)井筒漏失的情況，導(dǎo)致井口帶壓、管外漏失和管外天然氣聚集等［1］。環(huán)空帶壓或?qū)娱g竄流情況不突出時(shí)會對壓力監(jiān)測與井口放壓的成本產(chǎn)生影響，而嚴(yán)重時(shí)則需要關(guān)井、修井，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)腔體報(bào)廢，影響長輸管道的運(yùn)行安全。

光纖傳感技術(shù)的優(yōu)越性在于能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測對象的長期實(shí)時(shí)全面覆蓋，光纖具有實(shí)時(shí)直讀、壽命長、傳輸與監(jiān)測距離長、耐高溫高壓、不受電磁干擾、可靠性高、井下無電等特點(diǎn)，且傳感部件和信號傳輸部件均為功能型光纖，成本低廉，可用于長期可靠的連續(xù)在線監(jiān)測。利用光波在光纖中傳輸時(shí)相位、偏振等對振動敏感的特性，連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測光纖附近的振動。根據(jù)干涉?zhèn)鞲性砗秃笙蛏⑸涮綔y技術(shù)，當(dāng)管柱某處發(fā)生泄漏即可擾動光纖，使此處的后向散射光強(qiáng)減弱，結(jié)合達(dá)到探測器的時(shí)間即可定位泄漏點(diǎn)［2-3］。

以鹽穴儲氣庫實(shí)際生產(chǎn)情況為出發(fā)點(diǎn)，以保障儲氣庫平穩(wěn)安全運(yùn)行為目標(biāo)，結(jié)合光纖分布式聲波傳感系統(tǒng)(DAS)進(jìn)行井筒泄漏監(jiān)測室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。

1 分布式光纖泄漏監(jiān)測技術(shù)理論

如圖1 所示，分布式光纖泄漏監(jiān)測技術(shù)DAS(Distributed Acoustic Sensing)利用相干瑞利散射光的相位而非光強(qiáng)來探測音頻范圍內(nèi)的聲音或振動等信號，當(dāng)聲音或振動引起該位置干涉光相位的線性變化，通過提取該位置不同時(shí)刻的干涉信號并解調(diào)，可實(shí)現(xiàn)對外界物理量的定量測量［4-6］。DAS 技術(shù)不僅可以利用相位幅值大小來提供聲音或振動事件強(qiáng)度信息，還可利用線性定量測量值來實(shí)現(xiàn)對聲音或振動事件相位和頻率信息的獲?。?-10］。

由伯努利方程可知，當(dāng)儲氣庫井管道發(fā)生泄漏時(shí)，管內(nèi)氣體流速、流量發(fā)生局部變化，泄漏點(diǎn)處氣體壓強(qiáng)也會隨之發(fā)生變化，通過監(jiān)測壓強(qiáng)分布即可準(zhǔn)確標(biāo)記泄漏點(diǎn)。

圖1 分布式光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 1 Leakage monitoring system based distributed optical fiber

式中， ρ為流體密度，g/cm3；v為流體該點(diǎn)的流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為該點(diǎn)所在的高度，m；p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，MPa。

管內(nèi)探測光纖還會受到壓力的作用。將連續(xù)激光輸出調(diào)制為脈沖寬度較窄的光信號作為探測光注入傳感光纖，光脈沖信號在傳感光纖中前向傳輸L長的距離并產(chǎn)生后向瑞利散射光，則光波相位為

式中，nf為光纖中的折射率；L為傳輸長度，m； λ為入射光波長，m。

其中脈沖寬度范圍內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)瑞利散射光信號，并在探測器處發(fā)生多光束干涉，外界物理量發(fā)生變化時(shí)將引起多光束干涉光的相位發(fā)生變化，并體現(xiàn)為后向瑞利散射光的強(qiáng)度變化。光纖受到壓力作用導(dǎo)致傳播光的相位變化為

式(3)中第一項(xiàng)表示壓力產(chǎn)生應(yīng)變引起光纖長度變化的效應(yīng)；第二項(xiàng)則表示由于傳播常數(shù)的變化所引起的相位移，它由光纖的彈光效應(yīng)改變折射率引起的。

根據(jù)探測器探測到的后向散射光強(qiáng)及到達(dá)探測器的時(shí)間即可知道沿光纖路徑上任一點(diǎn)的初始后向散射光強(qiáng)。由于物理量改變的是干涉光相位，因此該技術(shù)具有非常高的靈敏度。

2 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的可行性和實(shí)用性，進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。通過模擬井下工況條件測試該技術(shù)的測量精度及測量下限，結(jié)合噪聲測井技術(shù)的結(jié)果輔助評價(jià)分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的可靠性，為后續(xù)井下實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)際工況儲氣庫井深為800～1 100 m，井口壓力維持在6～16 MPa，井底溫度大約為45～65 ℃，井口溫度為?5～50 ℃之間，注采管柱管徑?177.8 mm，生產(chǎn)井內(nèi)管柱中充注的是天然氣，注采管柱與套管間環(huán)空充注環(huán)空保護(hù)液，可能存在的泄露點(diǎn)為絲扣、封隔器處。

為了取材方便，實(shí)驗(yàn)分別選用?177.8 mm 和?244.5 mm 管柱作為油套管組合，因DAS 檢測技術(shù)僅與泄漏量所產(chǎn)生的振動大小相關(guān)，故實(shí)驗(yàn)僅關(guān)注泄漏量與DAS 檢測精度之間的關(guān)系。設(shè)置一個(gè)固定的泄漏點(diǎn)，通過不斷提高壓差來調(diào)整泄漏量，輔以噪聲測井觀察DAS 檢測的準(zhǔn)確性。實(shí)際井下工況條件內(nèi)外管壓差一般處于0～12 MPa 區(qū)間內(nèi)，根據(jù)實(shí)際條件設(shè)置實(shí)驗(yàn)泄漏量大小及所對應(yīng)壓差。實(shí)驗(yàn)使用的氮?dú)馄恳残铦M足一定的壓力要求，為保證測量精度，實(shí)驗(yàn)采用的高精度壓力表量程為0～70 MPa、流量計(jì)量程為2.5～30 m3/h、精度為±1.5%。盡可能模擬真實(shí)井況采用足夠長度的鎧裝光纖傳感器，為了保證噪聲儀的收音效果以驗(yàn)證分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求盡可能保證無外界噪聲干擾。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

考慮到實(shí)驗(yàn)的可實(shí)施性，實(shí)驗(yàn)在油管絲扣連接處設(shè)置泄漏點(diǎn)，可通過轉(zhuǎn)動絲扣的松緊來調(diào)整泄漏量的大小，實(shí)驗(yàn)采用多節(jié)油管進(jìn)行拼接。設(shè)置油管使用4 節(jié)長為1 m、管徑為?177.8 mm 的短節(jié)和一根長為1.5 m、管徑為?177.8 mm 的中短節(jié)進(jìn)行聯(lián)合拼接。使用的套管為長為6 m、管徑為?244.5 mm的整體套管，為了驗(yàn)證分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性，在設(shè)置泄漏點(diǎn)所對應(yīng)的套管外安裝一臺噪聲儀同步進(jìn)行測量和驗(yàn)證。

儲氣庫生產(chǎn)井實(shí)際注采運(yùn)行過程中油管內(nèi)部充滿天然氣，油管與套管的環(huán)空充滿環(huán)空保護(hù)液，所以模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置用氮?dú)馄肯蛴凸苤谐渥⒏呒兌鹊獨(dú)饽M天然氣，在套管外部設(shè)置注、排水口向環(huán)空充注清水模擬環(huán)空保護(hù)液。管柱組合兩端設(shè)置堵頭進(jìn)行封堵，并在實(shí)驗(yàn)時(shí)將管柱組合抬離地面，與地面呈一定角度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備具體安裝步驟如下。

(1)準(zhǔn)備好4 根1 m 的短節(jié)和一根1.5 m 的短節(jié)用于?177.8 mm 油管拼接。按照如圖2 所示的結(jié)構(gòu)組裝設(shè)備，將拼接?177.8 mm 油管置于?244.5 mm 套管內(nèi)，將管柱組合兩端用堵頭封堵，設(shè)置?177.8 mm油管絲扣連接處密封不嚴(yán)模擬油管泄漏點(diǎn)位置，在?244.5 mm 套管外設(shè)置一個(gè)注、排水口；將鎧裝光纜從油管中穿過模擬現(xiàn)場光纜從生產(chǎn)管柱下井方式；將光纖在一端預(yù)留一定長度作為首端。另一尾端與分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)相連，尾端緊貼地面。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備組裝Fig. 2 Assembling of experimental devices

(2)穿過一端堵頭將氮?dú)馄窟B接在?177.8 mm拼接油管內(nèi)，打開氮?dú)馄肯蚱唇佑凸苤谐渥⒏邼舛鹊獨(dú)獠⒏鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整絲扣，通過注、排水口向?244.5 mm 套管與?177.8 mm 油管環(huán)空中注水至充滿。

(3)在?244.5 mm 套管尾端的注、排水口處連接流量計(jì)，通過調(diào)節(jié)氮?dú)馄康淖⒌坑^察流量計(jì)的數(shù)值變化并記錄。將首端抬離地面且與地面呈一定角度(以30°～60°為宜)，模擬真實(shí)井下情況。

3 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)過程

裝置安裝完成后，設(shè)置調(diào)試步驟：(1)現(xiàn)場通過注入氮?dú)獠⒃谛孤c(diǎn)處倒肥皂水觀察泄漏點(diǎn)的泄漏情況，通過調(diào)整絲扣松緊度來控制泄漏大小，確保設(shè)置泄漏點(diǎn)可用；(2)通過DAS 技術(shù)測定泄漏位置進(jìn)行記錄，以便后期與測量解釋結(jié)果進(jìn)行對比。設(shè)備組裝完成后，通過針閥調(diào)節(jié)氮?dú)馄孔⑷胗凸艿膲毫妥⑷肓?，在設(shè)置泄漏量不變的條件下，逐漸提高注入壓力，噪聲儀和DAS 系統(tǒng)同時(shí)測試、記錄現(xiàn)場泄漏情況并通過測試環(huán)空液體的排出量來評定相對應(yīng)的壓差下的瞬時(shí)排量。在設(shè)計(jì)尋求最小泄漏量實(shí)驗(yàn)之前，先明確分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏特征。

3.1 明確系統(tǒng)顯示的泄漏特征

為明確泄漏現(xiàn)象在分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)上的特征，旋轉(zhuǎn)絲扣使泄漏量盡可能處于較高值，保證肉眼可見明顯泄漏現(xiàn)象后進(jìn)行油套壓差4.2 MPa的實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)壓14 min 后，流量計(jì)顯示排水量15.8 L，平均排量1.3 L/min。

系統(tǒng)儀器顯示DAS 瀑布圖于311 m 處顯示亮藍(lán)綠色條帶狀，DAS 頻譜異常與DAS 瀑布圖異常對應(yīng)，且DAS 頻譜分別在0～150 Hz 處、400～500 Hz處、800～900 Hz 處幅值發(fā)生明顯異常上升現(xiàn)象，其中異常頻率能量為0～150 Hz、400～500 Hz 處幅值高于40 mm，800～900 Hz 處幅值為40 mm。

結(jié)合噪聲儀測試結(jié)果顯示，能量主要集中在150 Hz 處、880 Hz 處，同DAS 頻譜測量的3 項(xiàng)結(jié)果匹配2 項(xiàng)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，系統(tǒng)顯示泄漏情況的特征為DAS 瀑布圖、DAS 頻譜圖均有異常顯示。

3.2 尋找系統(tǒng)可監(jiān)測的最小泄漏量

在明確了分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)顯示的泄漏特征后，將絲扣松緊度調(diào)整至較小泄漏狀態(tài)(實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)絲扣松兩扣)進(jìn)行不同壓差情況模擬實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)置1.4 MPa、2.8 MPa、4.2 MPa 及5.6 MPa 一共4 組對比實(shí)驗(yàn)尋找分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)所能監(jiān)測的最小泄漏量。

(1) 1.4 MPa 雙管實(shí)驗(yàn)。打開氮?dú)馄酷橀y向油管內(nèi)注氣，壓力計(jì)顯示油套壓差約1.4 MPa，開始進(jìn)行測量，控制穩(wěn)壓18 min 后流量計(jì)顯示排水量9 L，計(jì)算平均排量為0.75 L/min。

DAS 瀑布圖顯示雜亂，異常無法識別，振幅曲線峰值較多但振幅能量整體較低。對上述顯示結(jié)果初步判斷，認(rèn)為由于設(shè)備泄漏量過小，實(shí)驗(yàn)儀器精度不足以精確監(jiān)測。噪聲儀測量結(jié)果顯示效果較差，總體能量偏低且雜亂分布，無明顯集中帶，驗(yàn)證了DAS 的顯示結(jié)果。后續(xù)進(jìn)行了環(huán)空壓差2.8 MPa及4.2 MPa 雙管實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果與1.4 MPa 實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，均無法明顯監(jiān)測泄漏情況。

(2) 5.6 MPa 雙管實(shí)驗(yàn)。注氣待油套壓差達(dá)5.6 MPa時(shí)，穩(wěn)壓14 min，流量計(jì)顯示排水量10.1 L，平均排量0.83 L/min。

儀器顯示DAS 測試效果較好，能見到明顯藍(lán)綠色異常條帶，DAS 瀑布圖異常點(diǎn)位于330～331 m，且顯示清晰，330 m 處DAS 頻譜圖顯示能量主要集中在0～200 Hz 之間和900 Hz 兩處。噪聲測試顯示頻譜變化分層明顯，氣體泄漏能量相對集中在0～200 Hz區(qū)間和900 Hz 兩處，與DAS 瀑布圖測試結(jié)果相互驗(yàn)證。同時(shí)，儀器顯示報(bào)警點(diǎn)穩(wěn)定停留在330 m 處，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)置情況吻合。

4 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)效果分析

在充分模擬現(xiàn)場實(shí)際工況的前提下進(jìn)行室內(nèi)模擬測試，匯總上述4 個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在外部設(shè)置泄漏量相同的情況下進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。

表1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 1 Analysis on laboratory experimental results

結(jié)合分析表1 發(fā)現(xiàn),在環(huán)空壓差處于正常壓力值區(qū)間時(shí)，壓力值較高時(shí)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并正確顯示報(bào)警點(diǎn)，系統(tǒng)定位分辨單位可精確到±1 m；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)內(nèi)外管壓差達(dá)到5.6 MPa 時(shí)，平均泄漏量為最低值，即測量下限為0.83 L/min，后續(xù)井下實(shí)驗(yàn)可以此為參考。

通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，明確了分布式振動光纖泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的泄漏特征，得到了分布式光纖振動(DAS)技術(shù)的室內(nèi)測量精度及下限，未來可對儲氣庫生產(chǎn)井井筒泄漏位置做出有效判別，并實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體在注采運(yùn)行過程中是否發(fā)生泄漏，為注采運(yùn)行提供安全保障。

5 結(jié)論及建議

(1)通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，明確了泄漏特征，分布式光纖振動監(jiān)測技術(shù)(DAS)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)并進(jìn)行報(bào)警，泄漏情況可于±1 m 內(nèi)空間準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)測量泄漏量下限為0.83 L/min。

(2)系統(tǒng)的模式識別功能可以濾除雜亂干擾信號并準(zhǔn)確識別有用信號，且分布式光纖振動監(jiān)測(DAS)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性監(jiān)測特點(diǎn)，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測氣體在儲氣庫生產(chǎn)井注采運(yùn)行過程中是否發(fā)生泄漏，保障儲氣庫的安全運(yùn)行。

(3)由于分布式溫度探測(DTS)是一項(xiàng)已經(jīng)成熟的井溫監(jiān)測技術(shù)，且通過利用多模光纖的光時(shí)域反射(OTDR)，用光纖中的光傳播速度和背向光的回波時(shí)間對所測各溫度點(diǎn)進(jìn)行精確定位，以監(jiān)測生產(chǎn)狀態(tài)井筒內(nèi)溫度分布情況從而判斷泄漏發(fā)生的位置。將DTS 技術(shù)與DAS 技術(shù)進(jìn)行集成運(yùn)用、互為驗(yàn)證是提高儀器監(jiān)測精度和準(zhǔn)確性的下一步探索，有助于進(jìn)一步DAS+DTS 新型光纖井下泄漏檢測技術(shù)的形成。