基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术提供的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统及其监测方法，把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，把铠装光缆用金属卡子捆绑在连续油管外侧固定，构建了一个对油气生产井、注水井和监测或观察井的长期应变监测传感单元，加上井口附近的分布式应变传感和分布式温度传感(DSS/DTS)复合调制解调仪器，共同组成基于分布式光纤传感的井下应变分布变化动态监测系统及监测方法，有效地保证油气生产井、注水井和监测或观察井的长期稳定安全可靠的工作，为油气藏科学管理和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统及监测方法
本专利技术属于应变测量
，具体涉及一种基于分布式光纤传感井下应变分布监测系统及监测方法。
技术介绍
光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。井下光纤传感系统可以用于井下进行应力、应变、压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。目前有多种井下铠装光缆的布设方法，比如安放在井下控制管线内、投放到连续油管内、直接集成到复合材料制成的连续油管管壁中、捆绑固定在连续油管外侧、投放在套管内和捆绑在套管外侧并用固井水泥进行永久性固定等布设方法。应变测量是材料和结构力学性能试验中的一项基本任务，是了解材料在力学载荷等因素作用下的变形、损伤和失效行为的基础，对于确定结构设计许用值、结构寿命预测和评估等均有重要价值。应变测量方法主要包括：电测法、光测法、声发射、脆性涂层法、应变机械测量法等。其中以电测法和光测法应用最为广泛。电测法是借助于电子仪器，将应变这一非电量转为电量的测量方法。它可以用于现场测定和模拟测定。电测法中应用最广泛的是电阻应变测试法，基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压(或电流)的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。传统的应变测量方法多采用电阻式应变片，但是应变片是单点测量，且在实际使用中需要大量的导线连接应变仪。光测法是应用光学原理，以实验手段研究结构物中的应力、应变和位移等力学量的测量方法。光测法包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等。光纤应变测量法以光纤作为传感介质，利用光学原理和技术，通过对光的强度、位相、偏振态、波长等光学参数因外界因素(如拉力、压力等)的作用而发生的变化进行检测度量，以实现对被测物体应变量的测量。随着光学技术的发展，还出现了光纤布喇格光栅(FBG)传感器等为代表的准分布式光纤传感器，然而光纤布喇格光栅传感器的测点会受到激光带宽的限制。如今，分布式光纤传感技术日渐成熟，基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器在应变测量方面具备好的精度、线性度及重复性，可已经具备了在诸多领域可取代传统电阻式应变片和光纤布喇格光栅传感器的潜力。分布式光纤传感器具备测点密度极高，间距可控，质量小，耐腐蚀，电绝缘，精度高，重复性好的特点。此外，基于其质地较柔软坚韧的特性，它对结构表面的形状有较好的适应性。对于井下地应力集中或过大区域造成的地下岩石或岩层产生的应变(形变)，会造成井下套管的变形或损坏，也会造成井下套管内的连续油管的变形或损坏，严重时甚至会造成套管和/或连续油管被扭断，钻孔报废。因此我们需要对井下地应力造成的应变进行长期和实时的监测。由于井下的高温、高压和狭小的空间，传统的电测法、声发射、脆性涂层法、应变机械测量法等都不适合用于井下环境的应变测量。而由于井下耐高温抗高压的铠装光缆的推广应用，为应用光测法进行井下应变测量提供了良好的基础。虽然以光纤布喇格光栅(FBG)传感器等为代表的准分布式光纤传感器，可以用于井下环境的应变测量和实时长期监测，然而由于光纤布喇格光栅传感器的测点会受到激光带宽的限制，不适合在深井和超长水平井中进行高密度或高空间分辨率的多测点应变测量和实时监测。
技术实现思路
本专利技术提出了当用金属卡子把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，构建一个基于分布式光纤传感的井下地层应变分布变化的长期实时监测和测量系统的传感和信号传输单元(模块)，把井口地面的分布式光纤应变传感(DSS)和分布式光纤温度传感(DTS)复合调制解调仪器与铠装光缆在井口附近相连接，就组成了一个基于分布式光纤传感的井下应变分布变化的长期综合监测系统。本专利技术的目的是克服现有井下应变测量技术的不足，提出了把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，构建了一个基于分布式光纤传感的井下地层应变分布变化的长期实时监测和测量系统，长期实时监测和测量地下应力对井下套管和井下各种工具及管线可能造成的损害或破坏，为保证油气生产井、注水井和监测或观察井的长期稳定安全可靠的工作提供不可缺少的手段、系统和方法。为实现上述目的，本专利技术的具体技术方案为：基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，包括金属套管，金属套管内置有连续油管，金属套管外侧固定有第一铠装光缆，连续油管外侧固定有第二铠装光缆；还包括放置于井口附近的DSS/DTS复合调制解调仪器，所述的DSS/DTS复合调制解调仪器包括分布式应变传感和分布式温度传感的数据采集和调制解调功能；DSS/DTS复合调制解调仪器分别与第一铠装光缆和第二铠装光缆相连接。进一步的，所述的第一铠装光缆和第二铠装光缆均为铠装光缆，铠装光缆包括光纤，所述的光纤为单模或多模或特种应变敏感光纤，所述的光纤外依次有内连续金属细管和外连续金属细管对其进行封装，内连续金属细管和外连续金属细管为不锈钢或合金金属制成；外连续金属细管外还可以视需要增加单层或多层铠装钢丝，用以保护铠装光缆不会在随套管或油管下井安装的过程中被损害或挤压断。进一步的，内连续金属细管内放置多根光纤和耐高温光纤膏，另外专门在激光焊接内连续金属细管之前，在等间距(10米到100米之间)的位置上用耐高温环氧树脂将连续光纤与内连续金属细管内壁固定在一起，以便于铠装光缆内的光纤及时敏感的检测到地下地应力作用在金属套管上和铠装光缆上后生产的应变。内连续金属细管内还可以安置用耐高温高强度复合材料紧密包裹或用注塑机一次成型包裹光纤制作的高灵敏度应变特种光纤，紧密贴壁密封在连续金属细管内以增强铠装光缆的抗拉抗挤压抗冲击的能力。多个金属套管依次连接，还包括第一环形金属卡子，所述的第一环形金属卡子安装固定在金属套管靴处。还包括第二环形金属卡子，所述的第二环形金属卡子等间距安装固定在连续油管外侧。利用分布式光纤传感器进行应变/温度测量时，使用波长扫描干涉法测量背向瑞利散射，并将其作为光纤上与位置有关的函数。光纤中瑞利散射的产生是由于光纤长度方向上的折射率波动所致。散射虽是随机的，但对于给定光纤来说，如果光纤的状态不发生变化，便总是产生同样波长的反射光，这种固有的特性称为光纤的固有纹理信息。如果光纤的某位置因为受到载荷或温度影响而产生变形，那么仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，包括金属套管(1)，金属套管(1)内置有连续油管(2)，金属套管(1)外侧固定有第一铠装光缆(4)，连续油管外侧固定有第二铠装光缆(5)；/n还包括放置于井口附近的DSS/DTS复合调制解调仪器(3)；所述的DSS/DTS复合调制解调仪器(3)分别与第一铠装光缆(4)和第二铠装光缆(5)相连接。/n

【技术特征摘要】
1.基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，包括金属套管(1)，金属套管(1)内置有连续油管(2)，金属套管(1)外侧固定有第一铠装光缆(4)，连续油管外侧固定有第二铠装光缆(5)；
还包括放置于井口附近的DSS/DTS复合调制解调仪器(3)；所述的DSS/DTS复合调制解调仪器(3)分别与第一铠装光缆(4)和第二铠装光缆(5)相连接。


2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，所述的DSS/DTS复合调制解调仪器(3)包括分布式应变传感和分布式温度传感的数据采集与调制解调功能。


3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，所述的第一铠装光缆(4)和第二铠装光缆(5)均为铠装光缆，所述的铠装光缆包括光纤(21)，所述的光纤(21)为单模或多模或特种应变敏感光纤，所述的光纤(21)外依次封装有内连续金属细管(22)和外连续金属细管(23)。


4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，所述的外连续金属细管(23)外还缠绕单层或多层铠装钢丝。。


5.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，所述的内连续金属细管(22)还设有耐高温光纤膏；在等间距的位置上，用耐高温环氧树脂(24)将光纤(21)固定在内连续金属细管(22)的内壁上。


6.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，所述的内连续金属细管(22)内安置用耐高温高强度复合材料紧密包裹或用注塑机一次成型包裹光纤制作的高灵敏度应变特种光纤(21)，紧密贴壁密封在连续金属细管(22)内。


7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，有多个金属套管(1)依次连接，还包括第一环形金属卡子(8)，所述的第一环形金属卡子(8)安装固定在金属套管(1)靴处。


8.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统，其特征在于，还包括第二环形金属卡子(9)，所述的第二环形金属卡子(9)等间距的安装固定在连续油管(2)外侧。


9.根据权利要求1到8任一项所述的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统的监测方法，包括以下步骤：
(a)、把金属套管(1)和第一铠装光缆(4)同步缓慢的下入完钻的井孔里；
(b)、在井口处把所述的第一环形金属卡子(8)安装在两根金属套管(1)的连接处，固定并...

【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，安树杰，冉曾令，杨明红，陈娟，王熙明，夏淑君，张仁志，
申请(专利权)人：中油奥博成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51