一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法.pdf

一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法。主要解决现有油田油水井套损研究领域中对井下套管受力过程及套损形态特征缺乏直接监测方法的问题。其特征在于：沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变εθ并获取套管周向应变数据，同时沿所述套管外表面轴向布设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调仪监测套管轴向应变εz并获取套管轴向应变数据，将所获得的套管周向应变εθ和轴向应变εz按照地应力解释模型即可求出井下套管外层受力。具有可在事先未知套损和地层压力情况下永久监测套管形变和获得相应地层压力的特点。

1、  一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法，其特征在于：沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变ε_θ并获取套管周向应变数据，同时沿所述套管外表面轴向布设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调仪监测套管轴向应变ε_z并获取套管轴向应变数据，将所获得的套管周向应变ε_θ和轴向应变ε_z代入下面的柱坐标系下套管应力和应变的本构方程组(1)和方程组(2，)即可求出主应力坐标系下水平最大主应力和水平最小主应力，即σ_h和σ_H，由于井下套管所受地层压力P＝σ_原始—σ_计算，其中，σ_原始为原始地应力，由地应力测量可得，σ_计算为计算得到的水平最大主应力或水平最小主应力，因此最后可以得到相应的井下套管所受地层压力P；
所述本构方程组(1)为：
σ_r＝(λ+2G)ε_r+λε_θ+λε_z
σ_θ＝(λ+2G)ε_θ+λε_r+λε_z
σ_z＝(λ+2G)ε_z+λε_r+λε_θ  …………(1)
其中σ_θ、σ_r、σ_z分别为以套管中心线为z轴时柱坐标系下的周向应力、径向应力和轴向应力，θ为极角，λ为拉梅常数，G为套管剪切模量，σ_v可以密度测井积分得到；
所述方程组(2)为直井套管上地应力分布关系，即：
σ_r＝p_w
σ_θ＝σ_H+σ_h-2(σ_H-σ_h)cos2θ-p_w
σ_z＝σ_v-2v(σ_H-σ_h)cos2θ  …………(2)
其中Pw为井筒内压，v为泊松比，σ_v、σ_H、σ_h分别为主应力坐标系下垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。

2、  根据权利要求1所述的一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法，其特征在于完成权利要求1中所述沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变ε_θ并获取套管周向应变数据的步骤为：将一组沿套管周向布置的光纤光栅传感器(7)以及一个光纤温度补偿传感器(3)串连连接后，经玻璃纤维布和环氧树脂胶包裹，所引出的信号线与传输光缆(10)连接，所述传输光缆(10)的另一端连接至位于地面上的光纤光栅解调仪(11)，将由所述光纤光栅解调仪(11)获得的光栅中心波长信息，通过温度补偿和初值补偿后，按照以下二次解调方法转化为套管周向变形信息，其中所述二次解调方法为：
在实际监测过程中，应用所述光纤光栅解调仪(11)测试采样时刻各个光纤光栅传感器(7)的中心波长信息，即λ；
将所述光纤光栅解调仪(11)中的采样时刻光纤光栅传感器(7)的中心波长通过可移动存储设备导出；
应用所述光纤光栅解调仪(11)测试光纤温度补偿传感器(3)的中心波长信息，即λ_T；
将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤温度补偿传感器(3)的中心波长信息通过可移动存储设备导出；
由于光纤温度补偿传感器(3)不受外力，因此其中心波长为λ_T＝C_TΔT，将其与温度、应变耦合模型结合，即
Δλ＝C_εΔε+C_TΔT                 (3)
Δλ_T＝k_TΔT                     (4)
得到：λ_ε＝Δλ-Δλ_T＝C_εΔε        (5)
其中，Δλ、Δλ_T、C_ε、C_T以及Δε分别依次为光纤光栅传感器中心波长变化量、光纤温度补偿传感器的中心波长变化量、光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数、光纤光栅温度传感的灵敏度系数以及变形量；
按上述公式(3)～公式(5)对所存储的数据进行计算，即可得到变形量与光纤光栅传感器(7)的中心波长之间的关系，由于光纤光栅传感器(7)是沿套管周向布设，与套管周向协同变形，因此所求取的变形量就是套管的周向变形。

3、  根据权利要求2所述的一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法，其特征在于完成权利要求1中所述沿套管外表面轴向布设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调仪监测套管轴向应变ε_z并获取套管轴向应变数据的步骤为：
①将纤维增强树脂封装的光纤布里渊传感器(13)随单根套管下井，而沿套管串轴向布设，在井下距地面较近处采用监测光缆连接所述光纤布里渊传感器，此监测光缆的另一端连接至地面上的光纤布里渊解调仪(12)，所述光纤布里渊解调仪带有激光源以产生光信号；
②应用所述光纤应变分析仪测得所述光纤布里渊传感器的初值频移信息，即V_B0，将此初值频移信息导出并保存；
③应用所述光纤应变分析仪测试所述光纤布里渊传感器在采样时刻的频移信息，即V_B，将所取得的采样时刻的频移信息导出并保存；
④利用光纤布利渊传感器的基本原理公式(6)，即
V_B＝C_εΔε+C_TΔT+V_B0…………(6)
将通过步骤②和③所取得的V_B0与V_B数值代入后，公式(6)转化为公式(7)，Δv_B＝C_εΔε+C_TΔT…………(7)，即无初值影响的温度、应变耦合模型，
其中，C_ε为布里渊应变灵敏度系数，C_T为布里渊温度灵敏度系数，Δε为所述光纤布利渊传感器的变形量，ΔT为温度变化；
⑤应用所述光纤应变分析仪测试随套管一起下入井内的所述光纤布里渊传感器的布里渊频移信息，即V_B，并将数据导出后存储；
⑥将所述光纤应变分析仪中采样时刻监测光缆的布里渊频移数据导出，由于监测光缆中的光纤不受外力，因此其布里渊频移为公式(8)，
V_BT＝C_TΔT…………(8)
C_T为布里渊温度灵敏度系数，ΔT为温度变化；
⑦将步骤⑥中所得到的布里渊频移与无初值影响的温度、应变耦合模型结合，即将公式(8)与公式(7)结合，得到公式(9)，
Δv_Bε＝Δv_B-Δv_BT＝C_εΔε …………(9)
其中，Δε为所述光纤布里渊传感器的变形量，C_ε为布里渊应变灵敏度系数，Δv_Bε为所述光纤应变分析仪实时采集到的布里渊频移；
⑧由于所述光纤布里渊传感器沿油、水井套管串轴向布设，与所述油、水井套管串协同变形，因此由步骤⑦中所得到的所述光纤布里渊传感器的变形量Δε就是所述油、水井套管串的轴向变形量。

4、  根据权利要求3所述的一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法，其特征在于完成权利要求2中所述沿套管周向布置光纤光栅传感器(7)以及一个光纤温度补偿传感器(3)，以及引出信号线与传输光缆(10)连接的过程和权利要求3中所述步骤①按照如下方法进行：
①确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定位接头(4)；
②将4根光纤光栅传感器和1个光纤温度补偿传感器熔接在一起；
③丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面，保证其表面无杂质；
④将套管表面垂直对准定位接头(4)的位置确定为第一支裸光纤光栅传感器L-1的位置，用化学胶固定于套管表面；
⑤按照上述方法在套管周向间隔一定角度布设其余裸光纤光栅传感器，按顺时针编号L-2，L-3，L-4；
⑥距此组光纤光栅传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器，并将多个传感器的出头与传输光缆(10)熔接；
⑦把传感器处、套管上有光纤传输线部分及其沿轴向3米范围内用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；
⑧在出口处的传输光缆一端熔接跳线头，连接光纤光栅解调仪(11)，准备下套管；
⑨下套管过程中，当下入目的层套管时，将光纤布里渊传感器(13)的末端固定在该套管的预定位置处；
⑩每一根套管下井前，地面需预留15m左右的传输光缆(10)和光纤布里渊传感器(13)，以便其顺利下入井内，下套管过程中传输光缆(10)和光纤布里渊传感器(13)由钻台井口处随单根套管下入井内，每根套管接箍处采用1个保护罩对传输光缆和光纤布里渊传感器进行保护，光纤光栅传感器传输光缆和光纤布里渊传感器传输光缆接出井口后，分别重新熔接跳线头，并接入接线盒内进行保护。

一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法
技术领域：
本发明涉及油田套管损伤研究领域中一种监测井下套管受力的方法方法，具体的说是涉及一种应用光纤光栅传感器和光纤布里渊传感器监测井下套管受力的方法。
背景技术：
目前，油田油水井套损研究只是从机理上分析了由于粘土矿物、注水水质以及地应力等方面对套损的影响，但对于井下套管受力过程及套损形态特征缺乏直接监测的方法。
发明内容：
为了解决现有油田油水井套损研究领域中对井下套管受力过程及套损形态特征缺乏直接监测方法的问题，本发明提供一种应用光纤光栅传感器和光纤布里渊传感器监测井下套管受力的方法，应用本方法，可以测出套管周向应变和轴向应变，并且按照地应力解释模型理论，可以在事先未知套损和地层压力情况下永久监测套管形变和获得相应地层压力，为油田开发套损监测及针对性采取系统压力调整措施提供依据。
本发明的技术方案是：本种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法，可以概括为：沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变ε_θ并获取套管周向应变数据，同时沿所述套管外表面轴向布设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调仪监测套管轴向应变ε_z并获取套管轴向应变数据，将所获得的套管周向应变ε_θ和轴向应变ε_z代入下面的柱坐标系下套管应力和应变的本构方程组(1)和方程组(2，)即可求出主应力坐标系下水平最大主应力和水平最小主应力，即σ_h和σ_H，由于井下套管所受地层压力P＝σ_原始—σ_计算，其中，σ_原始为原始地应力，由地应力测量可得，σ_计算为计算得到的水平最大主应力或水平最小主应力，因此最后可以得到相应的井下套管所受地层压力P；
所述本构方程组(1)为：
σ_r＝(λ+2G)ε_r+λε_θ+λε_z
σ_θ＝(λ+2G)ε_θ+λε_r+λε_z
σ_z＝(λ+2G)ε_z+λε_r+λε_θ  …………(1)
其中σ_θ、σ_r、σ_z分别为以套管中心线为z轴时柱坐标系下的周向应力、径向应力和轴向应力，θ为极角，λ为拉梅常数，G为套管剪切模量，σ_v可以密度测井积分得到；
所述方程组(2)为直井套管上地应力分布关系，即：
σ_r＝p_w
σ_θ＝σ_H+σ_h-2(σ_H-σ_h)cos2θ-p_w
σ_z＝σ_v-2v(σ_H-σ_h)cos2θ …………(2)
其中Pw为井筒内压，v为泊松比，σ_v、σ_H、σ_h分别为主应力坐标系下垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。
本发明具有如下有益效果：本发明采用沿套管表外周向布设光纤光栅传感器，同时沿套管表外轴向布设光纤布里渊传感器的方法，测出套管周向应变和轴向应变，再按照地应力解释模型理论，可以在事先未知套损和地层压力情况下永久监测套管形变和相应地层压力，为油田开发套损监测及针对性采取系统压力调整措施提供依据。并且这种方法可以实现全井段监测，测量准确，精度高。
附图说明：
图1是本发明中所涉及方法的工作过程示意图。
图2是本发明中所使用的传输电缆的结构示意图。
图3是本发明中沿套管周向布置的光纤光栅传感器及光纤布里渊传感器的剖面图。
图中1-套管，2-套管接箍，3-光纤温度补偿传感器，4-定位接头，5-地层，6-目的层套管接箍，7-光纤光栅传感器，8-环氧树脂胶和玻璃纤维布，9-光缆保护罩，10—传输光缆，11—光纤光栅解调仪，12—光纤布里渊解调仪，13—光纤布里渊传感器，14—内PU护套，15—内层金属编织网，16—凯夫拉纤维，17—金属软管，18—光纤，19—外PU护套，20—外层金属编织网。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明的主要方案为：沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变ε_θ并获取套管周向应变数据，同时沿所述套管外表面轴向布设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调仪监测套管轴向应变ε_z并获取套管轴向应变数据，将所获得的套管周向应变ε_θ和轴向应变ε_z代入下面的柱坐标系下套管应力和应变的本构方程组(1)和方程组(2，)即可求出主应力坐标系下水平最大主应力和水平最小主应力，即σ_h和σ_H，由于井下套管所受地层压力P＝σ_原始—σ_计算，其中，σ_原始为原始地应力，由地应力测量可得，σ_计算为计算得到的水平最大主应力或水平最小主应力，因此最后可以得到相应的井下套管所受地层压力P；
所述本构方程组(1)为：
σ_r＝(λ+2G)ε_r+λε_θ+λε_z
σ_θ＝(λ+2G)ε_θ+λε_r+λε_z
σ_z＝(λ+2G)ε_z+λε_r+λε_θ …………(1)
其中σ_θ、σ_r、σ_z分别为以套管中心线为z轴时柱坐标系下的周向应力、径向应力和轴向应力，θ为极角，λ为拉梅常数，G为套管剪切模量，σ_v可以密度测井积分得到；
所述方程组(2)为直井套管上地应力分布关系，即：
σ_r＝p_w
σ_θ＝σ_H+σ_H-2(σ_H-σ_h)cos2θ-p_w
σ_z＝σ_v-2v(σ_H-σ_h)cos2θ …………(2)
其中Pw为井筒内压，v为泊松比，σ_v、σ_H、σ_h分别为主应力坐标系下垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。
具体的说，首先，为完成在上述方案中所述沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变ε_θ并获取套管周向应变数据的步骤为：将一组沿套管周向布置的光纤光栅传感器7以及一个光纤温度补偿传感器3串连连接后，经玻璃纤维布和环氧树脂胶包裹，所引出的信号线与传输光缆10连接，所述传输光缆10的另一端连接至位于地面上的光纤光栅解调仪11，将由所述光纤光栅解调仪11获得的光栅中心波长信息，通过温度补偿和初值补偿后，按照以下二次解调方法转化为套管周向变形信息，其中所述二次解调方法为：
在实际监测过程中，应用所述光纤光栅解调仪11测试采样时刻各个光纤光栅传感器7的中心波长信息，即λ；
将所述光纤光栅解调仪11中的采样时刻光纤光栅传感器7的中心波长通过可移动存储设备导出；
应用所述光纤光栅解调仪11测试光纤温度补偿传感器3的中心波长信息，即λ_T；
将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤温度补偿传感器3的中心波长信息通过可移动存储设备导出；
由于光纤温度补偿传感器3不受外力，因此其中心波长为λ_T＝C_TΔT，将其与温度、应变耦合模型结合，即
Δλ＝C_εΔε+C_TΔT                (3)
Δλ_T＝k_TΔT              (4)
得到：λ_ε＝Δλ-Δλ_T＝C_εΔε             (5)
其中，Δλ、Δλ_T、C_ε、C_T以及Δε分别依次为光纤光栅传感器中心波长变化量、光纤温度补偿传感器的中心波长变化量、光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数、光纤光栅温度传感的灵敏度系数以及变形量；
按上述公式(3)～公式(5)对所存储的数据进行计算，即可得到变形量与光纤光栅传感器(7)的中心波长之间的关系，由于光纤光栅传感器(7)是沿套管周向布设，与套管周向协同变形，因此所求取的变形量就是套管的周向变形。
其次，为完成在上述方案中所述沿套管外表面轴向布设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调仪监测套管轴向应变ε_z并获取套管轴向应变数据的步骤为：
①将纤维增强树脂封装的光纤布里渊传感器13随单根套管下井，而沿套管串轴向布设，在井下距地面较近处采用监测光缆连接所述光纤布里渊传感器，此监测光缆的另一端连接至地面上的光纤布里渊解调仪12，所述光纤布里渊解调仪带有激光源以产生光信号；
②应用所述光纤应变分析仪测得所述光纤布里渊传感器的初值频移信息，即V_B0，将此初值频移信息导出并保存；
③应用所述光纤应变分析仪测试所述光纤布里渊传感器在采样时刻的频移信息，即V_B，将所取得的采样时刻的频移信息导出并保存；
④利用光纤布利渊传感器的基本原理公式(6)，即
V_B＝C_εΔε+C_TΔT+V_B0…………(6)
将通过步骤②和③所取得的V_B0与V_B数值代入后，公式(6)转化为公式(7)，Δv_B＝C_εΔε+C_TΔT…………(7)，即无初值影响的温度、应变耦合模型，
其中，C_ε为布里渊应变灵敏度系数，C_T为布里渊温度灵敏度系数，Δε为所述光纤布利渊传感器的变形量，ΔT为温度变化；
⑤应用所述光纤应变分析仪测试随套管一起下入井内的所述光纤布里渊传感器的布里渊频移信息，即V_B，并将数据导出后存储；
⑥将所述光纤应变分析仪中采样时刻监测光缆的布里渊频移数据导出，由于监测光缆中的光纤不受外力，因此其布里渊频移为公式(8)，
V_BT＝C_TΔT…………(8)
C_T为布里渊温度灵敏度系数，ΔT为温度变化；
⑦将步骤⑥中所得到的布里渊频移与无初值影响的温度、应变耦合模型结合，即将公式(8)与公式(7)结合，得到公式(9)，
Δ v Bϵ = Δv B - Δv BT = C ϵ Δϵ · · · · · · · · · · · · ( 9 ) ]]>
其中，Δε为所述光纤布里渊传感器的变形量，C_ε为布里渊应变灵敏度系数，Δv_Bε为所述光纤应变分析仪实时采集到的布里渊频移；
⑧由于所述光纤布里渊传感器沿油、水井套管串轴向布设，与所述油、水井套管串协同变形，因此由步骤⑦中所得到的所述光纤布里渊传感器的变形量Δε就是所述油、水井套管串的轴向变形量。
上述步骤在施工时的具体工艺如下：
①确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定位接头4；
②将4根光纤光栅传感器和1个光纤温度补偿传感器熔接在一起；
③丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面，保证其表面无杂质；
④将套管表面垂直对准定位接头4的位置确定为第一支裸光纤光栅传感器L-1的位置，用化学胶固定于套管表面；
⑤按照上述方法在套管周向间隔一定角度布设其余裸光纤光栅传感器，按顺时针编号L-2，L-3，L-4；
⑥距此组光纤光栅传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器，并将多个传感器的出头与传输光缆10熔接；
⑦把传感器处、套管上有光纤传输线部分及其沿轴向3米范围内用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；
⑧在出口处的传输光缆一端熔接跳线头，连接光纤光栅解调仪11，准备下套管；
⑨下套管过程中，当下入目的层套管时，将光纤布里渊传感器13的末端固定在该套管的预定位置处；
⑩每一根套管下井前，地面需预留15m左右的传输光缆10和光纤布里渊传感器13，以便其顺利下入井内，下套管过程中传输光缆10和光纤布里渊传感器13由钻台井口处随单根套管下入井内，每根套管接箍处采用1个保护罩对传输光缆和光纤布里渊传感器进行保护，光纤光栅传感器传输光缆和光纤布里渊传感器传输光缆接出井口后，分别重新熔接跳线头，并接入接线盒内进行保护。
在在本发明中在油田套管损伤研究领域中，首先应用了光纤光栅传感原理和光纤布里渊传感原理，将光纤光栅传感器沿套管周向布设，将称为智能筋的光纤布里渊传感器沿套管轴向布设，其中多个裸光纤光栅传感器均布在套管四周，相邻间距截面成一定角度，在距此组传感器相应距离处布设光纤温度补偿传感器。应用光纤光栅传感器监测距传感器一定范围内的套管微形变及其受力状况，同时应用温度补偿传感器作为应变传感器的温度补偿和井下温度监测。传感器通过传输光缆将地下信号传送至地面，经过解调仪后续处理即可转化为需要的压力和温度。
为提高抗拉强度及抗侧压强度，所采用的传输光缆10依次由内而外由光纤18、金属软管17、凯夫拉纤维16、内层金属编织网15、内PU护套14、外层金属编织网20以及外PU护套19组成，如图2所示，这样改进后，抗拉强度及抗侧压强度分别增加了4倍和5倍，非常适合井下的恶劣工况。此外，可以将光纤温度补偿传感器3置于钢针针管内，这样既可以保护传感器，而且由于金属具有良好的导热性，又可以保证传感器的数值准确的反应温度变化引起的应变值。
在具体实施时，光纤光栅传感器为哈尔滨市泰达尔科技有限公司所生产的GFRP-OFBG传感器，其60℃2个月的碱强度损失率(PH>13)低于24.8％，酸强度损失率(PH<1)低于12.5％；盐强度损失率(NaCl)低于6.8％，其精度可达到±5με，具体指标如表1所示。

表1
所用光纤光栅解调仪选用美国微光学公司生产的SM125光纤光栅解调仪。所用的光纤布里渊解调仪为上海横河国际贸易有限公司生产的AQ8603光纤应变分析仪，光纤应变分析仪的参数选择为：监测最大长度2km，空间分辨率0.5m，平均化次数2x10¹³次，在此参数下，进行监测。此外，对普通的光纤布里渊传感器进行了纤维增强树脂封装，并内部封装两芯光纤，由此使得这种改进了的光纤布里渊传感器可以适应井下恶劣的作业条件，确保了对套管损伤监测的稳定性。
上述方法已在杏10-4-丙3132井试验实施，其中，杏10-4-丙3132井嫩II段标准层深度803米，定位接头下深809.52米，传感器布设在距离定位接头顶部1.5米处，下深808.02米。
在完成上述工作过程中，由于存在大量的数据计算，因此可以开发计算机软件将经过光纤光栅解调仪和光纤布里渊解调仪一次解调后得到信息转化成所需要的套管周向应变信息，即实现二次解调方法的计算机化，以省去大量的人工计算。