ISO/TR 27957:2020 — 二氧化碳捕集、运输和地质封存 — 井筒温度测量

一、温度测量在CO₂封存中的作用

温度是CO₂地质封存操作中的一个基本参数。它影响封存系统的各个方面：CO₂的密度和相变行为、CO₂与地层矿物之间的地球化学反应速率、井筒材料的力学行为以及压力监测数据的解释。注入井和监测井中的温度测量为验证封存性能、检测异常和确保操作安全提供了关键信息。ISO/TR 27957:2020针对CCS井筒中温度测量的特定要求和最佳实践进行了阐述。

该技术报告由ISO/TC 265制定，涵盖了使用光纤的分布式温度传感（DTS）和常规点式温度传感器（电阻温度检测器、热电偶和半导体传感器）。它提供了针对CO₂封存环境量身定制的传感器部署、校准、数据采集、数据处理和解释方法的指导。标准还涉及补充温度测量的热建模方法，以提供井下条件的全面理解。

二、分布式温度传感技术

2.1 工作原理与系统组件

DTS系统通过向光纤发送激光脉冲并分析背向散射光来工作。拉曼散射组分（斯托克斯和反斯托克斯带）与温度相关，允许计算沿光纤每个点的温度。标准描述了DTS系统的关键性能参数：空间分辨率（通常1-2米）、温度分辨率（通常0.1-0.5°C）、测量范围（单端系统最长10公里，双端系统30公里）和采样间隔。标准强调DTS系统规格必须与特定的井筒应用匹配——为管道泄漏检测设计的系统可能没有足够的注入剖面分析分辨率。

2.2 光纤光缆部署方法

标准描述了在CO₂井中部署DTS光纤光缆的几种方法。永久性安装包括在完井期间将光纤固定在油管柱上，提供长期监测能力。钢丝绳部署系统可临时运行用于定期调查。混合系统结合了永久和可部署元素。关键部署考虑因素包括：保护光纤在安装和井操作期间免受损坏、确保光纤与被测介质（井筒流体或地层）之间良好的热接触，以及管理通过井口的光纤连接（穿通系统）。标准提供了每种部署方法的详细指导及其相关优势和局限性。

三、点式温度传感器

3.1 传感器类型与选择

虽然DTS提供连续剖面，但离散点式传感器在特定位置需要高精度的应用中仍然重要——如井底（储层入口点）、封隔器处和井口处。标准审查了三种主要传感器类型：电阻温度检测器（RTD，通常为铂Pt100）、热电偶（E、K或T型）和半导体传感器（热敏电阻）。RTD提供最佳的精度（±0.1°C）和稳定性，但尺寸更大、成本更高。热电偶提供较宽的温度范围和较低的成本，精度中等（±0.5°C）。热敏电阻在有限的温度范围内提供高灵敏度，非常适合地温梯度测量等特定应用。

3.2 校准与验证

标准建立了用于CO₂井筒的点式温度传感器的校准要求。传感器应使用可溯源至国家计量院的参考标准在其预期操作范围内进行校准。建议在部署前和井操作期间定期使用固定点单元（冰浴、镓熔点）或与参考传感器进行比较进行现场验证程序。标准强调，由于暴露于CO₂和酸性条件可能导致传感器退化，校准漂移是CO₂环境中的重要问题。

四、温度数据解释与热建模

4.1 识别流动剖面

标准提供了解释温度剖面以识别注入和生产流动剖面的指导。在CO₂注入期间，温度剖面反映了以下因素的综合效应：原生地温梯度、CO₂进入地层时的焦耳-汤姆逊冷却（CO₂注入特有的特征冷却效应）、比地层更冷的注入CO₂的冷却效应以及井筒中的摩擦加热。通过分析温度剖面，可以确定注入CO₂在不同射孔段之间的分布——接收更多CO₂的段表现出更大的冷却。

4.2 泄漏检测与井完整性

温度异常可以成为井完整性问题的有力指标。套管后的局部温度异常可能指示流体运移的通道。封隔器或水泥塞处的异常温度梯度可能指示泄漏路径。标准描述了区分正常操作温度变化和指示潜在完整性问题的异常特征的解释技术。DTS剖面与压力监测的结合显著增强了诊断能力。

五、系统设计的热建模

标准涵盖了用于设计温度监测系统和解释测量数据的热建模方法。井筒热模型预测各种注入情景下的温度剖面，有助于优化传感器布局和建立基线预期。耦合热-水力-力学模型扩展了这一能力，以预测封存地层对CO₂注入的耦合响应。标准提供了选择适当边界条件（地表温度、地温梯度）、流体性质（温度和压力相关的CO₂性质）和井筒传热机制（传导、对流和焦耳-汤姆逊效应）的指导。

六、常见问题解答