一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于激光監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。解決現(xiàn)有的井下套損監(jiān)測(cè)電子類傳感器抗腐蝕性差、靈敏度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，無(wú)法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁、地干擾下工作和在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題。它包括智能套管、激光器、光耦合器和檢測(cè)器，激光器輸出光束至光耦合器的信號(hào)輸入端，光耦合器的輸入/輸出端與智能套管的光纖跳線相連，光耦合器的光信號(hào)輸出端與檢測(cè)器的信號(hào)輸入端相連，的智能套管包括套管本體、FBG應(yīng)變傳感器、復(fù)合傳感器、復(fù)合傳感器保護(hù)罩和FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層；復(fù)合傳感器為全分布式BOTDR與ROTDR構(gòu)成的復(fù)合傳感器。本發(fā)明應(yīng)用在油水井下實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著石油開采的不斷進(jìn)行，油井套管損壞的現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。套管的損壞嚴(yán) 重影響了油田的正常運(yùn)行，增大了油田的運(yùn)營(yíng)成本。由于套管所處環(huán)境惡劣，套損監(jiān)測(cè)已 成為困擾石油界的一個(gè)難題。如果能夠?qū)碌貙訁?shù)如應(yīng)變和溫度狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠、 在線實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，可在一定程度上能夠預(yù)測(cè)套管的損壞。傳統(tǒng)的電子類傳感器無(wú)法在井下 惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁、地干擾下工作。并且，生產(chǎn)測(cè)井和測(cè)試都是采用偶 爾測(cè)量的方式在井下采集信息，不能保證進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間就是診斷生產(chǎn)問題和油藏變化的 最佳時(shí)機(jī)，因此經(jīng)常無(wú)法準(zhǔn)確描述油藏的動(dòng)態(tài)變化特征。因此，地層參數(shù)信息的成功和實(shí)時(shí) 采集（包括井下套管外參數(shù)監(jiān)測(cè)、井下套管內(nèi)參數(shù)監(jiān)測(cè)、井上輸油管線監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)油罐監(jiān)測(cè)） 已成為了數(shù)字油田中重要的部分。然而，光纖傳感技術(shù)可以克服以上這些困難。
[0003] 光纖傳感技術(shù)是以光為載體、光纖為媒介，感知和傳輸被測(cè)外界信號(hào)的新型傳感 技術(shù)。通過(guò)光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)與溫度和應(yīng)變相關(guān)的許多物理量和化學(xué)量的直接與間接測(cè) 量。光纖傳感器對(duì)電磁干擾不敏感并且能承受極端條件（包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊 與振動(dòng)），可以高精度地測(cè)量井筒和井場(chǎng)環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，光纖傳感系統(tǒng)具有分布式測(cè)量能 力，可以在不干擾油井參數(shù)場(chǎng)的情況下同時(shí)測(cè)出井下地層參數(shù)如溫度、壓力，并可以測(cè)出井 下的溫度、壓力剖面，可以獲得傳統(tǒng)測(cè)試方式無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)，為油井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種 更理想的手段，是其它測(cè)井不可替代的一種測(cè)試方式，是測(cè)試技術(shù)的一個(gè)突破。隨著技術(shù)不 斷進(jìn)步和成熟，光纖傳感系統(tǒng)在油井探測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，在光纖測(cè)試系統(tǒng)中，其井下 傳感器不含電子元件，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的井下套損監(jiān)測(cè)電子類傳感器抗腐蝕性差、靈敏度低、結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，無(wú)法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁、地干擾下工作和在 線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，本發(fā)明提供了一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0005] -種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括智能套管、激光器、光耦合器 和檢測(cè)器，所述激光器輸出光束至光f禹合器的信號(hào)輸入端，所述光f禹合器的輸入/輸出端 與智能套管的光纖跳線相連，所述光耦合器的光信號(hào)輸出端與檢測(cè)器的信號(hào)輸入端相連，
[0006] 所述的智能套管包括套管本體、FBG應(yīng)變傳感器、復(fù)合傳感器、復(fù)合傳感器保護(hù)罩 和FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層；
[0007] 所述的復(fù)合傳感器為全分布式B0TDR與R0TDR構(gòu)成的復(fù)合傳感器，
[0008] 所述的FBG應(yīng)變傳感器和復(fù)合傳感器緊密貼合在套管本體外側(cè)壁上，所述的復(fù)合 傳感器與沿套管本體的軸向平行，
[0009] FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層纏繞在套管本體外側(cè)壁上，且FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層覆蓋 整個(gè)FBG應(yīng)變傳感器和復(fù)合傳感器的一部分，使FBG應(yīng)變傳感器與套管本體固定連接，在 FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層的上方和下方，通過(guò)復(fù)合傳感器保護(hù)罩使復(fù)合傳感器緊貼在套管本 體外側(cè)壁上，
[0010] FBG應(yīng)變傳感器的信號(hào)輸出端和復(fù)合傳感器的信號(hào)輸出端均通過(guò)光纖跳線與光耦 合器的輸入/輸出端連接。
[0011] 本發(fā)明帶來(lái)的有益效果是，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試精度高，其測(cè)試精度可以達(dá)到 1°C，空間分辨率能達(dá)到0. 5m，可以高精度地測(cè)量地層參數(shù)；本發(fā)明長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，由于不 含電子元件對(duì)電磁干擾不敏感并且能承受極端條件（包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振 動(dòng)），從而使傳感器在惡劣環(huán)境中具有優(yōu)良的耐久性；本發(fā)明光纖傳感系統(tǒng)具有分布式測(cè) 量能力，可以監(jiān)測(cè)被測(cè)量的空間分布，給出剖面信息。同時(shí)本發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了油水井下地層參 數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理示意圖；
[0013] 圖2為【具體實(shí)施方式】一所述的智能套管的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0014] 一：參見圖1和2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種基于光纖 傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括智能套管1、激光器2、光耦合器3和檢測(cè)器4,所述激 光器2輸出光束至光f禹合器3的信號(hào)輸入端，所述光f禹合器3的輸入/輸出端與智能套管 1的光纖跳線相連，所述光耦合器3的光信號(hào)輸出端與檢測(cè)器4的信號(hào)輸入端相連，
[0015] 所述的智能套管1包括套管本體1005、FBG應(yīng)變傳感器1001、復(fù)合傳感器1002、復(fù) 合傳感器保護(hù)罩1003和FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004 ;
[0016] 所述的復(fù)合傳感器1002為全分布式B0TDR與R0TDR構(gòu)成的復(fù)合傳感器，
[0017] 所述的FBG應(yīng)變傳感器1001和復(fù)合傳感器1002緊密貼合在套管本體1005外側(cè) 壁上，所述的復(fù)合傳感器1002與沿套管本體1005的軸向平行，
[0018] FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004纏繞在套管本體1005外側(cè)壁上，且FBG應(yīng)變傳感器 保護(hù)層1004覆蓋整個(gè)FBG應(yīng)變傳感器1001和復(fù)合傳感器1002的一部分，使FBG應(yīng)變傳感 器1001與套管本體1005固定連接，在FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004的上方和下方，通過(guò)復(fù) 合傳感器保護(hù)罩1003使復(fù)合傳感器1002緊貼在套管本體1005外側(cè)壁上，
[0019] FBG應(yīng)變傳感器1001的信號(hào)輸出端和復(fù)合傳感器1002的信號(hào)輸出端均通過(guò)光纖 跳線與光耦合器3的輸入/輸出端連接。
[0020] 本實(shí)施方式中：在FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004的基礎(chǔ)之上增加復(fù)合傳感器保護(hù)罩 1003使復(fù)合傳感器1002緊貼在套管本體1005外；
[0021] 布設(shè)在套管本體1005上的FBG應(yīng)變傳感器1001是將光柵串沿套管周向小心的布 設(shè)在套管本體1005上，使其緊密的貼合在套管壁上，用小塊透明膠帶做臨時(shí)固定，預(yù)留、整 理好光柵串的尾纖，準(zhǔn)備與光纜/復(fù)合傳感器熔接。調(diào)好低收縮率的環(huán)氧體系樹脂（打底 膠），小心仔細(xì)的包覆光柵柵區(qū)，隔一段時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)套管，防止打底膠出現(xiàn)滴垂、膠瘤。
[0022] 本實(shí)施方式中，全分布式 BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer， 布里淵光時(shí)域反射儀）與ROTDR(Raman optical time-domainreflectometry，拉曼光時(shí)域反 射儀）構(gòu)成的復(fù)合傳感器的生產(chǎn)工藝：是將單模光纖、多模光纖與粘有環(huán)氧膠的玻璃絲一同 放入拉擠機(jī)中，經(jīng)過(guò)機(jī)器的拉擠形成。
[0023] 本發(fā)明下放智能套管1到井中指定位置，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)分布式FBG應(yīng)變傳感器1001所在 位置的套管周向地應(yīng)力（應(yīng)變）參數(shù)和利用全分布式B0TDR與R0TDR復(fù)合傳感器監(jiān)測(cè)整個(gè) 油井深度的軸向地應(yīng)力（應(yīng)變）和溫度變化參數(shù)。利用三種光纖傳感器涉及的三種不同的 工作原理，將地層參數(shù)監(jiān)測(cè)出來(lái)。
[0024] FBG光纖傳感器工作原理：利用紫外激光光束照射光纖，被照射區(qū)間段纖芯的折 射率發(fā)生了周期性的變化，此折射率變化區(qū)域稱為光纖光柵。光纖光柵的實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi) 形成一個(gè)窄帶濾波器或反射鏡，對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)受光柵區(qū)調(diào)制 的窄帶光，透射光繼續(xù)沿光纖傳遞。
[0025] 每個(gè)光柵對(duì)應(yīng)著一個(gè)中心波長(zhǎng)，該中心波長(zhǎng)的值與光柵所處位置的壓力相關(guān)，當(dāng) 光線光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變時(shí)，將改變光纖光柵傳感器的工作波長(zhǎng)，即光柵光纖的反射波長(zhǎng)將 發(fā)生變化，因此，通過(guò)測(cè)量光纖光柵的反射光波長(zhǎng)的變化就可以計(jì)算出該點(diǎn)的應(yīng)變。
[0026] ΔλΒ = αε ε+ατΔΤ
[0027] 其中，Λ λΒ表示FBG中心波長(zhǎng)的變化，α ε表示FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)，Λ Τ表示監(jiān) 測(cè)溫度變化，ε表示監(jiān)測(cè)應(yīng)變，ατ表示FBG溫度靈敏度系數(shù)，
[0028] 利用全分布式R0TDR傳感器監(jiān)測(cè)整個(gè)油井深度的軸向溫度變化參數(shù)。
[0029] R0TDR傳感器工作原理：光通過(guò)光纖時(shí)，光子和光纖中的光聲子會(huì)產(chǎn)生非彈性碰 撞，輻射出斯托克斯光和反斯托克斯光，依據(jù)在測(cè)量終端接收到的反斯托克斯光在時(shí)間上 的先后確定其在光纖上的對(duì)應(yīng)位置，根據(jù)兩者的光強(qiáng)比值只于散射區(qū)的溫度有關(guān)，監(jiān)測(cè)兩 者的光強(qiáng)比值，就可以解調(diào)出散射區(qū)的溫度信息，從而用一根光纖實(shí)現(xiàn)待測(cè)溫度場(chǎng)的全分 布式測(cè)量，大大節(jié)約了成本，有利于長(zhǎng)距離溫度監(jiān)測(cè)。
[0030] R⑴=PjT)/Ps(T) = (λ s/X a)exp(_hcA γ/kT)
[0031] 其中，R(T)表示拉曼散射值，Pa(T)表示反斯托克斯光強(qiáng)，PS(T)表示斯托克斯光 強(qiáng)，λ s表示斯托克斯光波長(zhǎng)，λ a表示反斯托克斯光波長(zhǎng)，h表示普朗克常數(shù)，c表示真空中 光速，Λ Y表示偏移波數(shù)，k表示玻爾茲曼常數(shù)，T表示絕對(duì)溫度，
[0032] 利用全分布式R0TDR傳感器監(jiān)測(cè)整個(gè)油井深度的軸向地應(yīng)力（應(yīng)變）參數(shù)。
[0033] B0TDR傳感器工作原理：由于光定向入射到光纖介質(zhì)時(shí)受到聲波場(chǎng)的作用產(chǎn)生布 里淵散射，在普通石英單模光纖中，布里淵散射光的頻移與光纖的有效折射率和超聲聲速 有關(guān)，而溫度和地應(yīng)力都能改變光纖的折射率和超聲聲速，只要檢測(cè)光纖中布里淵頻移的 變化，就可以解調(diào)出光纖上分布的溫度和地應(yīng)力信息。
[0034] vB = 2nVa/ λ 0
[0035] νΒ = C ε ε +CT (Τ~Τ0) +νΒ0
[0036] 其中，νΒ表示所監(jiān)測(cè)布里淵頻移，η表示二氧化硅的折射率，Va表示聲波速度，λ ^ 表示波長(zhǎng)，CE表示B0TDR的應(yīng)變系數(shù)，CT表示B0TDR的溫度系數(shù)，?；表示初始溫度，T表示 所監(jiān)測(cè)的溫度，v B(l表示布里淵頻移初始值，
[0037]

【具體實(shí)施方式】二：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的 智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004為表面帶有環(huán)氧體系樹 脂的玻璃絲布。
[0038] 本實(shí)施方式中，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004材質(zhì)為玻璃絲布，將FBG應(yīng)變傳感器 1001用玻璃絲布包裹在套管本體1005上，每繞一圈玻璃絲布就涂一層環(huán)氧體系樹脂固定 玻璃絲布，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器保護(hù)層1004使FBG傳感器1001不被井內(nèi)惡劣環(huán)境干擾和破壞。

【具體實(shí)施方式】 [0039] 三：本實(shí)施方式與一所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的 智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的復(fù)合傳感器保護(hù)罩1003為表面鍍鋅的鐵質(zhì)罩體。
[0040] 本實(shí)施方式中，復(fù)合傳感器保護(hù)罩1003材質(zhì)為鐵，表面鍍鋅，其扣距為沖壓成型， 扭力大。在套管本體1005上適當(dāng)?shù)奈恢糜脧?fù)合傳感器保護(hù)罩1003將破拆后的復(fù)合傳感器 1002即全分布式B0TDR與R0TDR復(fù)合傳感器固定在套管本體1005上，防止全分布式B0TDR 與R0TDR復(fù)合傳感器亂串，亂動(dòng)。
[0041] 【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】三所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的 智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的復(fù)合傳感器保護(hù)罩1003為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，它包括智能套管（1)、激 光器（2)、光耦合器（3)和檢測(cè)器（4)，所述激光器（2)輸出光束至光耦合器（3)的信號(hào)輸入 端，所述光耦合器（3)的輸入/輸出端與智能套管（1)的光纖跳線相連，所述光耦合器（3) 的光信號(hào)輸出端與檢測(cè)器（4)的信號(hào)輸入端相連， 所述的智能套管（1)包括套管本體（1005)、FBG應(yīng)變傳感器（1001)、復(fù)合傳感器 (1002)、復(fù)合傳感器保護(hù)罩（1003)和FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層（1004); 所述的復(fù)合傳感器（1002)為全分布式BOTDR與ROTDR構(gòu)成的復(fù)合傳感器， 所述的FBG應(yīng)變傳感器（1001)和復(fù)合傳感器（1002)緊密貼合在套管本體（1005)外 側(cè)壁上，所述的復(fù)合傳感器（1002)與沿套管本體（1005)的軸向平行， FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層（1004)纏繞在套管本體（1005)外側(cè)壁上，且FBG應(yīng)變傳感器 保護(hù)層（1004)覆蓋整個(gè)FBG應(yīng)變傳感器（1001)和復(fù)合傳感器（1002)的一部分，使FBG應(yīng) 變傳感器（1001)與套管本體（1005)固定連接，在FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層（1004)的上方和 下方，通過(guò)復(fù)合傳感器保護(hù)罩（1003)使復(fù)合傳感器（1002)緊貼在套管本體（1005)外側(cè)壁 上， FBG應(yīng)變傳感器（1001)的信號(hào)輸出端和復(fù)合傳感器（1002)的信號(hào)輸出端均通過(guò)光纖 跳線與光耦合器（3)的輸入/輸出端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于， 所述的FBG應(yīng)變傳感器保護(hù)層（1004)為表面帶有環(huán)氧體系樹脂的玻璃絲布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于， 所述的復(fù)合傳感器保護(hù)罩（1003)為表面鍍鋅的鐵質(zhì)罩體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的智能套管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于， 所述的復(fù)合傳感器保護(hù)罩（1003)為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01D5/353GK104121946SQ201410347795
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】何俊, 張廣玉, 張洪濤, 宋文平, 牛啟扉, 汝波, 孫博, 李雅新 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)