一种可监测储气库注采井管柱受力的方法技术领域
本发明涉及采气工程领域，尤其是一种可监测储气库注采井管柱受力的方法。
背景技术
近年来，储气库业务已经成为石油企业的重要业务。一大批枯竭气藏型、盐穴型
储气库不断建设、投产；在已投产的储气库中，注采井不同程度地出现环空带压问题，
其主要原因就是注采管柱失效。注采管柱时设计需进行强度校核，确保管柱安全，但
目前未有方法获取井下注采管柱在注采工况下的实际受力数据，不能验证设计结果的
准确性与可靠性。此外，注采管柱力学校核仅仅是某一工况条件下的设计，不能实时
获取注采管柱受力情况。如果在注采运行过程中，不能及时掌握管柱的受力状态并及
时调整，极有可能导致管柱失效，存在一定的安全隐患。注采管柱的安全性直接影响
储气库注采井的安全性，若出现注采管柱失效，轻者进行修井作业，需要花费大量人
力物力，重者可造成注采井报废，甚至引发次生灾害，威胁生命财产安全。因此，监
测储气库注采井管柱受力并及时改善管柱受力是非常必要的。目前还未有公开发表关
于监测注采管柱受力的研究。
为解决现有技术存在的无法监测井下注采管柱受力的问题，有必要提出一种监测
储气库注采井管柱受力的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可监测储气库注采井管柱受力的方法，其能实时监测井
下注采管柱的受力状态。
为达到上述目的，本发明提出一种可监测储气库注采井管柱受力的方法，其包括
以下步骤：步骤S1：将光纤传感器固定在注采管柱上的监测位置，并随注采管柱一
同下入注采井；步骤S2：用光纤传感器实时监测下入注采井内的注采管柱，得到监
测位置的监测受力参数。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，该可监测储气库注采井
管柱受力的方法还包括以下步骤：步骤S3：将监测受力参数与注采管柱的受力安全
界限对比，当监测受力参数小于或等于受力安全界限时，继续执行步骤S2；当监测
受力参数大于受力安全界限时，调整注采气量，直至监测到的监测受力参数小于或等
于受力安全界限。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，调整注采气量的方法为：
采用管柱力学分析模型，根据注采井的参数和受力安全界限计算，确定注采气量。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，监测位置包括注采管柱
位于注采井的井口处的部分、注采管柱的中部以及注采管柱的封隔器处。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，在步骤S2中，通过地
面控制柜中的解调器收集光纤传感器的监测数据，并采用光纤传感器的配套处理程序
对监测数据进行处理，得到监测位置的监测受力参数。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，监测受力参数包括监测
位置的三轴应力和轴向形变。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，在步骤S3中，当监测
到监测受力参数小于注采井的安全界限时，重新确定注采气量，直至监测到的监测受
力参数等于安全界限。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，管柱力学分析模型为有
限元模型，采用有限元模型，根据注采井的注采工况运行参数，以温度、压力作为边
界条件，计算得到监测位置的计算受力参数。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，注采井的参数包括注采
管柱参数和注采工况运行参数，注采管柱参数包括注采管柱的长度、壁厚、钢级、以
及外径，注采工况运行参数包括运行周期、注采温度、注采压力、注采气量、气体组
分以及环空保护液密度。
如上所述的可监测储气库注采井管柱受力的方法，其中，按照储气库正常运行周
期，监测注采管柱的受力和变形，将监测数据实时上传到井口，并传输到中控室。
本发明的可监测储气库注采井管柱受力的方法的特点和优点是：
1、本发明的可监测储气库注采井管柱受力的方法，采用光纤传感器监测井下注
采管柱的受力，能实时获取注采管柱的受力数据，及时掌握注采管柱的受力状态，能
够在发现异常时及时采用措施，有助于降低注采管柱失效隐患与风险；
2、本发明的可监测储气库注采井管柱受力的方法，不仅可监测储气库注采井管
柱的受力，还可在发现异常情况时，及时改善管柱受力，并能验证注采管柱力学设计
结果，通过改善管柱受力确保注采管柱安全，进一步降低注采管柱失效隐患与风险，
本发明能弥补目前无法验证注采管柱力学设计结果及实时掌握注采管柱受力并改善
受力的不足，为储气库注采管柱安全提供技术手段，为降低储气库注采管柱失效风险
提供技术保障。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是光纤传感器安装于井下注采管柱的示意图；
图2是本发明的可监测储气库注采井管柱受力的方法的流程图。
主要元件标号说明：
1光纤传感器2环空保护液3光纤
4套管5油管6封隔器
7控制柜
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发
明的具体实施方式。
本发明提供一种可监测储气库注采井管柱受力的方法，用于监测注采管柱的受
力，其包括以下步骤：
步骤S1：传感器入井：将光纤传感器1固定在注采管柱上的监测位置，并随注
采管柱一同下入注采井，如图1所示；
步骤S2：数据收集和处理：用光纤传感器1实时监测下入注采井内的注采管柱，
收集光纤传感器1的监测数据，得到监测位置的监测受力参数，也可称为实际受力参
数或受力状态参数。
具体是，按照储气库正常运行周期，监测注采管柱的受力和变形，将监测数据实
时上传到井口，并传输到中控室；通过地面控制柜7中的解调器收集光纤传感器的监
测数据，并采用光纤传感器的配套处理程序对监测数据进行处理，得到监测位置的监
测受力参数，该监测受力参数包括但不限于监测位置的三轴应力和轴向形变，对应地，
计算受力参数也包括但不限于监测位置的三轴应力和轴向形变。
本发明采用光纤传感器监测井下注采管柱的受力，实时获取注采管柱的受力数
据，及时掌握注采管柱的受力状态，能够在发现异常时及时采用措施，有助于降低注
采管柱失效隐患与风险。
本实施例中，安装光纤传感器的监测位置包括注采管柱位于注采井的井口处的部
分、注采管柱的中部以及注采管柱的封隔器6处，但本发明并不以此为限，还可根据
需要在其他位置安装光纤传感器，其中光纤传感器应根据生产厂商提供的操作规程安
全入井。
如图2所示，在一个优选的实施例中，为及时改善井下注采管柱的受力，本发明
的可监测储气库注采井管柱受力的方法还包括以下改善管柱受力的步骤：
步骤S3：根据储气库公司的规定，设置每口注采井的注采管柱的受力安全界限，
将监测受力参数与注采管柱的受力安全界限对比(即异常监测)，当监测受力参数小
于或等于受力安全界限时(即无异常)，继续执行步骤S2，正常监测；当监测受力参
数大于受力安全界限时(即有异常)，及时预警，并调整注采气量，直至监测到的监
测受力参数小于或等于受力安全界限。
在一个可行的技术方案中，调整注采气量的方法为通过理论计算确定合理的注采
气量，即：采用管柱力学分析模型，根据注采井的参数和受力安全界限计算，确定合
理的注采气量。
具体是，管柱力学分析模型为管柱力学分析软件或有限元模型，采用管柱力学分
析软件或有限元模型，通过输入注采井的参数(包括注采气量)，可以计算得到注采
管柱的计算受力参数，将该计算受力参数与受力安全界限对比，如果该计算受力参数
大于受力安全界限，则输入另一注采气量(现场生产可以调整的就是注采气量，其他
参数一般难以调整)，再次计算，直至计算得到的计算受力参数小于或等于受力安全
界限，然后按照最后一次输入的注采气量进行注采生产，并同时采用光纤传感器监测
注采管柱的受力，如果监测到的监测受力参数未超过受力安全界限，则正常监测即可。
具体操作时，根据管柱力学分析模型确定注采气量的方法为：在管柱力学分析模
型中，管柱的本身参数：钢级、壁厚、内径、长度等是固定的、不可改变的，可以变
化的量就是温度、压力，力学计算开始时，需要给出初始的温度和压力，然后计算由
于不同的注采气量导致温度、压力发生变化，进而导致管柱受力改变。假设，计算模
型较为可靠，且知道注采管柱受力的临界安全界限(即受力安全界限)，如果需要确
定合理注采气量，可以通过试算法，确定一个合理的注采气量。
通过本实施例的可监测储气库注采井管柱受力的方法，不仅可监测储气库注采井
管柱的受力，实时监测井下注采管柱的受力状态，还可在发现异常情况时，及时调整
注采气量，以改善管柱受力，确保注采管柱安全，进一步降低注采管柱失效隐患与风
险，弥补目前无法实时掌握注采管柱受力并改善管柱受力的不足，为储气库注采管柱
安全提供技术手段，为降低储气库注采管柱失效风险提供技术保障。
上述的管柱力学分析模型可为管柱力学分析软件或注采管柱的有限元模型。
目前已经有成熟的管柱力学分析软件，例如哈里伯顿公司的wellcat、斯伦贝谢
公司计算软件和西安石油大学窦益华教授编制的试油、完井管柱受力分析软件等，只
要输入注采井的注采参数(温度、压力、注采气量、气体组分等)和注采管柱参数(钢
级、壁厚、外径、长度等)即可得到计算受力参数。
现有的ANSYS等有限元建模软件可以实现有限元建模，建立有限元模型的主要
步骤为：1、根据注采管柱的实际，建立注采管柱实体模型，并对注采管柱实体模型
进行离散(即网格化)；2、对模型施加约束条件(设置井口和封隔器处固定装置)；3、
设置边界条件(设置注采管柱随温度、压力变化而导致受力的相关式)；4、不同工况
条件下的受力分析(分析不同注采气量下受力变化)。
若采用有限元模型，则按照实际注采工况运行参数，以注采温度和注采压力为边
界条件，采用有限元模型计算得到监测位置的计算受力参数。
在一个具体实施例中，为保证理论计算的准确性，上述的管柱力学分析模型是通
过验证或修正得到，采用上述任一个初始管柱力学分析模型(如wellcat)，根据注采
井的参数，计算得到监测位置的计算受力参数，将计算受力参数与监测受力参数对比，
得到使计算受力参数与所述监测受力参数相一致的管柱力学分析模型，具体是，若计
算受力参数与监测受力参数的对比结果为相一致，管柱力学分析模型为经过验证的初
始管柱力学分析模型；若计算受力参数与监测受力参数的对比结果为不一致，修正初
始管柱力学分析模型，管柱力学分析模型为经过修正的初始管柱力学分析模型。
在改善管柱受力时，利用经过验证或修正的管柱力学分析模型进行理论计算，确
定合理工况，提高计算的准确性，经过验证或修正的管柱力学分析模型还可用于日后
设计注采管柱时的强度校核。若初始管柱力学分析模型为注采管柱设计或强度校核时
采用的模型，上述计算受力参数与监测受力参数对比的步骤也可作为本发明的设计结
果验证的步骤，即通过将计算受力参数与监测受力参数对比，可验证注采管柱力学设
计结果的准确性和可靠性。
其中，计算受力参数与监测受力参数相一致，指的是计算受力参数与监测受力参
数的差值在允许误差范围内，并不限于计算受力参数与监测受力参数完全相同。
另外，注采井的参数包括注采管柱参数和注采工况运行参数，注采管柱参数包括
注采管柱的长度、壁厚、钢级、以及外径等，注采工况运行参数包括运行周期、注采
温度、注采压力、注采气量、气体组分以及环空保护液密度等，将这些参数输入管柱
力学分析模型即可。
在另一个实施例中，在步骤S3中，当监测到监测受力参数小于(即未达到)注
采井的安全界限时，重新确定合理的注采气量(例如可采用管柱力学分析模型再次计
算)，直至监测到的监测受力参数等于安全界限。在现场注采过程中，只要管柱的受
力处于安全界限以下即可认为是安全的，不需要刻意调整注采气量，本实施例中之所
以要让注采管柱达到安全界限，主要原因是为在条件许可条件下，最大程度发挥管柱
的注采能力，提高注采效率，因为储气库最主要的目的是满足强注强采，即应急调峰。
本发明通过在储气库注采井注采管柱上安装光纤传感器，用解调器对光纤传感器
的传输数据进行处理，实时获得井下注采管柱的受力和变形状态；同时，采用管柱力
学模型或有限元模型计算对应监测位置注采管柱的受力和变形状态，将监测结果与计
算结果进行对比，验证、修正管柱力学模型或有限元模型；在储气库运行期间，实时
监测管柱受力状态，及时预警异常状态，并及时处理。
本发明能够有效监测储气库注采井管柱受力并及时改善管柱受力，降低注采管柱
失效隐患与风险，进而保障储气库注采安全平稳运行，避免储气库不必要的“停注停
采”，甚至发生灾难性的后果，具有很好的经济效益和社会效益。
在另一个具体实施例中，本发明的可监测储气库注采井管柱受力的方法的具体实
施步骤为：
(1)传感器入井
储气库注采管柱力学强度校核多采取三个位置：注采井口处、注采管柱中部以及
封隔器处。至少确保注采管柱在此三个位置处安装光纤传感器，可根据需要在其他位
置安装传感器。传感器应根据生产厂商提供的操作规程安全入井。
(2)数据处理
通过地面控制柜中的解调器收集井下传感器的监测数据，并采用传感器配套处理
程序进行处理，获取井下注采管柱监测位置的三轴应力与轴向形变等受力状态参数。
(3)结果验证
收集储气库注采井的基本参数，包括注采管柱参数和注采工况运行参数。注采管
柱参数包括注采管柱长度、壁厚、钢级、外径等。注采工况运行参数包括：运行周期，
注采温度、注采压力及环空保护液密度等。采用专业管柱力学软件或建立有限元模型，
按照实际注采运行参数，以注采温度、压力作为边界条件，计算监测位置注采管柱承
受的三轴应力与轴向形变。将计算结果与监测结果进行对比，验证计算结果的准确性
和可靠性。如果计算结果存在较大差异，应修正管柱力学模型或有限元模型，或修正
相关输入参数的可靠性。
(4)实时监测
按照储气库正常运行周期，监测注采管柱的受力与变形，实时上传到井口，并传
输到中控室。在根据储气库公司的规定，设置每口注采井的安全界限。如果监测发现
注采井受力或变形达到安全界限，应启动预警方案。采用验证、修正的模型进行计算，
确定合理的注采气量，并同时监测注采管柱的受力状态，再与安全界限对比，如果未
超过安全界限，则正常监测，如果还未达到安全界限，则再次进行计算，确定合理的
注采气量，直至到达安全界限。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何
本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，
均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上
述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采
用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其
它组合及具体应用。