基于分布式温度传感的产气量反演方法研究：以苏东地下储气库为例

《Processes》：Research on Gas Production Rate Inversion Method Based on Distributed Temperature-Sensing: A Case Study of Sudong Underground Gas Storage Suhao Yu, Peng Chang, Ge’er Meng, Ziqiang Hao and Zhe Zhang

　　

为实现地下储气库（Underground Gas Storage, UGS）产气量的高精度实时定量评价，本研究聚焦于苏东UGS群11口典型注采井。针对偏斜井结构和复杂井筒温度场分布带来的普遍挑战，开发了一种基于分布式温度传感（Distributed Temperature-Sensing, DTS）数据的产气流速计算方法。通过对多井温度数据的标准化处理，将偏斜井眼轨迹拉直，以将测量深度（Measured Depth, MD）转换为真实垂直深度（True Vertical Depth, TVD）。通过引入地温校正机制，提取与流体流动密切相关的温度异常，并构建了空间统一的温度场模型。在此基础上，提出了一种“双点温差法”作为单井产能评价的新方法。基于焦耳-汤姆逊（Joule-Thomson, J-T）效应和膨胀冷却等热力学现象，选取产层上下游两个关键传感点，以其温度异常差值（?T）作为流速变化的敏感指标。结合井下压力参数和同步井口计量数据，建立了?T与产气速率Q之间的非线性定量关系模型，从而实现了井筒热响应向宏观流动参数的精确转换。结果表明，该方法计算的产气速率与传统井口计量数据吻合良好，误差维持在工程允许范围内。值得注意的是，该方法在仪表漂移或故障的井中表现出更高的可靠性和校正能力。这一成果打破了传统方法对特定层位或机械仪表的依赖，使得多井、全剖面、非接触式温度数据在气量评估中的有效应用成为可能。本研究为UGS的动态监测、高效运行和剩余气评价提供了新的技术支持，具有广阔的工程应用前景。

**基于分布式温度传感的地下储气库产气量反演方法研究**

**1. 研究背景与意义**

地下储气库（Underground Gas Storage, UGS）作为保障国家能源安全、提升天然气系统调峰与应急供应能力的关键基础设施，在全球能源转型背景下战略地位日益凸显。欧美发达国家已建立起高度智能化的UGS运行体系，普遍采用永久式井下监测技术，如分布式光纤传感（DTS/DAS）和井下压力计阵列，以实现注采动态的实时感知与闭环控制，单井计量精度可达±1%以内，并支持多井协同优化与动态库容评估。相比之下，我国UGS建设起步较晚但发展迅速，至2025年全国工作气量已超200亿立方米。然而，国内多数储气库设施仍依赖地面井口仪表进行单点计量，无法表征井筒内部流动过程，难以满足高频切换、高强度注采条件下的精准管理需求。

苏东UGS作为我国东部重要的调峰枢纽，其目标层位为奥陶系马家沟组马五段（Ma-5），具有埋藏深、注采强度高、控制要求严的特点。在此复杂工况下，传统地面计量方法面临严峻挑战。一方面，常规流量计（如孔板、涡轮、超声波流量计）易受频繁压力脉动和微量固体杂质影响，导致探头污染或信号衰减；现场标定显示部分井的计量误差超过±5%。另一方面，地面计量仅提供单一的总输出量，无法识别井筒异常流动现象（如气窜、节流致冷）或捕捉瞬变过程中焦耳-汤姆逊（Joule-Thomson, J-T）效应引发的热力学响应，严重制约了动态生产优化与早期风险预警。在此背景下，先进的井下实时监测技术应运而生，特别是分布式温度传感（DTS）。凭借其全井段、连续、高时空分辨率的监测能力，DTS为反演井筒流体流动状态提供了丰富的信息源。尽管DTS已在井筒完整性诊断和泄漏检测中得到初步应用，但现有研究多集中于定性识别或直井情景。对于深层岩性UGS设施，诸如偏斜轨迹导致温度场空间畸变、地温基线不一致、弱流动诱导的温度信号提取等关键挑战仍未解决。特别是在光纤未下至产层、仅有封隔器以上环空温度数据的苛刻条件下，如何仅利用非储层DTS信息实现高精度评价存在显著研究空白。

**2. 关键技术方法概述（不超过250字）**

本研究针对苏东UGS群11口注采井（均为偏斜井）传统井口仪表长期运行后误差显著的问题，为克服“偏斜井筒温度校正”和“弱流动信号提取”两大瓶颈，开发了一套以DTS数据为核心的产气速率定量技术流程。核心方法包括：首先，通过**偏斜井筒轨迹拉直**（采用最小曲率法将测量深度MD校正为真实垂直深度TVD）和**地温校正**（以参考井ZC0建立标准地温剖面），构建了标准化的“温度立方体”，消除了井眼轨迹和地温背景的干扰。其次，创新性地提出了**“双点温差法”**，基于J-T效应原理，选取产层上游（约2500米）和下游（约1000米）两个特征点的温度异常差值（?T）作为流动敏感特征量。最后，结合多井联合建模与总量约束策略，建立了?T与产气速率Q之间的定量关系模型，实现了基于非接触式温度数据的单井产气量实时反演。

**3. 研究结果**

**3.1 DTS数据标准化与轨迹校正**
对11口监测井的原始DTS数据应用井筒轨迹拉直处理，将温度值从MD重映射到校正后的TVD和实际空间坐标。处理后，所有井的温度剖面在空间上对齐，主要热分层特征在井间表现出强烈的垂向连续性，有效消除了井斜引起的空间投影畸变（图3）。

**3.2 地温校正与异常提取**
以参考井ZC0为标准，通过地温梯度拟合和滞后温度基线对比，将其他井的原始温度数据校正并归一化到统一的基线。由此构建的“标准温度场”（图4）为后续动态热异常提取和定量产能分析奠定了基础。

**3.3 气体生产计算模型**
通过分析单井（以ZC4为例）产气速率与特征温差（2500米与1000米之间的?T）的关系，发现?T随产气速率的增加呈明显下降趋势，表明两者在特定深度区间存在显著相关性。为消除储层温度波动和地温梯度变化干扰，提出的“双点温差法”计算?T，发现产气速率Q与特征温差?T_i之间存在显著的对数关系：Q_i = K · log(?T_i) + C。通过“多井联合、总量约束”策略，利用8口监测井的总产量数据，建立了总日产量与对数温差之和的关系式（R2 = 0.9007），并推导出适用于苏东UGS的广义单井日产量计算模型：Q_i = -316.5 · log(?T_i) + 466.4，其中Q_i单位为10? m3/d，?T_i单位为°C。

**3.4 模型应用结果与讨论**
将建立的广义模型应用于苏东UGS 11口光纤监测井，计算了2024年11月23日至2025年3月16日共113天的日产量。结果显示，基于DTS计算的产气量（红色曲线）与地面超声波流量计测量值（蓝色曲线）总体吻合良好，动态趋势完全一致（图9）。然而，在ZC6、ZC9和ZCH3三口井中观察到显著的系统性偏差：DTS计算值分别低于、高于和不同于仪表读数。后续检查证实这三口井的超声波流量计存在较大测量误差，重新校准后，校正后的仪表结果与模型预测高度一致。统计分析表明，对于大多数井，DTS模型的相对误差在可接受范围内，而较大误差集中在受流量计故障或漂移影响的井中（表8）。这证明该模型不仅能提供可靠的产量估计，还能作为识别计量异常的有效诊断工具。该模型的主要优势在于其非侵入性和自适应性，它不依赖于井口节流装置的物理状况，而是基于流体本身的能量守恒原理。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：**
研究指出，当前模型已使用苏东UGS的数据进行校准和验证。若应用于其他储层或UGS场地，需要根据场地特定条件（如储层压力、温度梯度、气体组成和完井特征）重新校准模型系数K和C。可以利用基线DTS测量和有限的流量计数据进行初始校准和验证。此外，应考虑地温梯度和井筒几何形态的空间变化，并可应用场地特定的校正因子，以保持产量估算的稳健性和准确性。这些步骤确保了双点温差法能够可靠地适应不同的UGS环境，同时保留其潜在的热力学和流动敏感原理。该模型不仅是一种产量计算工具，更建立了一个基于物理机制的“虚拟主表”验证系统。当表面测量因积液或探头污染而出现“数据漂移”时，光纤反演结果提供了独立于机械结构的“物理真相”，为修正库存计算和确保库容评估准确性提供了坚实基础。

**结论翻译：**
为解决具有偏斜井结构的地下储气库（UGS）产气量评估难题，提出了一种基于分布式温度传感（DTS）数据的“双点温差法”。该方法在不依赖传统井口计量仪表的情况下，实现了单井产气量的高精度反演。核心创新与结论总结如下：
通过偏斜井筒拉直和地温校正构建了统一的温度场。以产层上下游特征点之间的温度异常差（?T）作为流动敏感特征，有效消除了环境温度干扰，得到了物理机制明确、工程适用性强的定量模型。
所提方法在仪表异常条件下表现出强大的校正能力。它为多井、全周期、非接触式动态监测提供了一条可行途径，显著提升了UGS运行与监测的可靠性和智能化水平。
为进一步挖掘分布式光纤传感在UGS设施中的潜力，确定了以下研究重点：（1）多参数融合：进一步将DTS与分布式声学传感（DAS）和实时井下压力数据融合，构建多参数联合反演模型，从而提高复杂工况下的流动识别精度。（2）数字孪生集成：推动DTS数据融入UGS数字孪生系统，开发实时可视化动态评估平台，支持优化注采决策与异常预警。（3）全周期监测：将该方法扩展至注入阶段的流量评估，实现整个注采周期的集成监测，为预测剩余气分布和储层容量管理提供技术支持。