一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，屬于激光監(jiān)測【技術領域】。解決現(xiàn)有的井下套損監(jiān)測電子類傳感器抗腐蝕性差、靈敏度低、結構復雜、穩(wěn)定性差，無法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁、地干擾下工作和在線實時監(jiān)測的問題。它包括智能套管、激光器、光耦合器和檢測器，激光器輸出光束至光耦合器的信號輸入端，光耦合器的輸入/輸出端與智能套管的光纖跳線相連，光耦合器的光信號輸出端與檢測器的信號輸入端相連，的智能套管包括套管本體、FBG應變傳感器、復合傳感器、復合傳感器保護罩和FBG應變傳感器保護層；復合傳感器為全分布式BOTDR與ROTDR構成的復合傳感器。本發(fā)明應用在油水井下實時在線監(jiān)測。
【專利說明】一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光監(jiān)測【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著石油開采的不斷進行，油井套管損壞的現(xiàn)象越發(fā)嚴重。套管的損壞嚴 重影響了油田的正常運行，增大了油田的運營成本。由于套管所處環(huán)境惡劣，套損監(jiān)測已 成為困擾石油界的一個難題。如果能夠對井下地層參數如應變和溫度狀態(tài)進行準確可靠、 在線實時的監(jiān)測，可在一定程度上能夠預測套管的損壞。傳統(tǒng)的電子類傳感器無法在井下 惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁、地干擾下工作。并且，生產測井和測試都是采用偶 爾測量的方式在井下采集信息，不能保證進行測量的時間就是診斷生產問題和油藏變化的 最佳時機，因此經常無法準確描述油藏的動態(tài)變化特征。因此，地層參數信息的成功和實時 采集（包括井下套管外參數監(jiān)測、井下套管內參數監(jiān)測、井上輸油管線監(jiān)測、儲油罐監(jiān)測） 已成為了數字油田中重要的部分。然而，光纖傳感技術可以克服以上這些困難。
[0003] 光纖傳感技術是以光為載體、光纖為媒介，感知和傳輸被測外界信號的新型傳感 技術。通過光纖傳感器可實現(xiàn)與溫度和應變相關的許多物理量和化學量的直接與間接測 量。光纖傳感器對電磁干擾不敏感并且能承受極端條件（包括高溫、高壓以及強烈的沖擊 與振動），可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數。同時，光纖傳感系統(tǒng)具有分布式測量能 力，可以在不干擾油井參數場的情況下同時測出井下地層參數如溫度、壓力，并可以測出井 下的溫度、壓力剖面，可以獲得傳統(tǒng)測試方式無法獲取的數據，為油井動態(tài)監(jiān)測提供了一種 更理想的手段，是其它測井不可替代的一種測試方式，是測試技術的一個突破。隨著技術不 斷進步和成熟，光纖傳感系統(tǒng)在油井探測領域獲得廣泛的應用，在光纖測試系統(tǒng)中，其井下 傳感器不含電子元件，長期穩(wěn)定性好。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的井下套損監(jiān)測電子類傳感器抗腐蝕性差、靈敏度低、結 構復雜、穩(wěn)定性差，無法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁、地干擾下工作和在 線實時監(jiān)測的問題，本發(fā)明提供了一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)。
[0005] -種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，它包括智能套管、激光器、光耦合器 和檢測器，所述激光器輸出光束至光f禹合器的信號輸入端，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輸出端與檢測器的信號輸入端相連，
[0006] 所述的智能套管包括套管本體、FBG應變傳感器、復合傳感器、復合傳感器保護罩 和FBG應變傳感器保護層；
[0007] 所述的復合傳感器為全分布式B0TDR與R0TDR構成的復合傳感器，
[0008] 所述的FBG應變傳感器和復合傳感器緊密貼合在套管本體外側壁上，所述的復合 傳感器與沿套管本體的軸向平行，
[0009] FBG應變傳感器保護層纏繞在套管本體外側壁上，且FBG應變傳感器保護層覆蓋 整個FBG應變傳感器和復合傳感器的一部分，使FBG應變傳感器與套管本體固定連接，在 FBG應變傳感器保護層的上方和下方，通過復合傳感器保護罩使復合傳感器緊貼在套管本 體外側壁上，
[0010] FBG應變傳感器的信號輸出端和復合傳感器的信號輸出端均通過光纖跳線與光耦 合器的輸入/輸出端連接。
[0011] 本發(fā)明帶來的有益效果是，本發(fā)明結構簡單，測試精度高，其測試精度可以達到 1°C，空間分辨率能達到0. 5m，可以高精度地測量地層參數；本發(fā)明長期穩(wěn)定性好，由于不 含電子元件對電磁干擾不敏感并且能承受極端條件（包括高溫、高壓以及強烈的沖擊與振 動），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 量能力，可以監(jiān)測被測量的空間分布，給出剖面信息。同時本發(fā)明還實現(xiàn)了油水井下地層參 數的實時在線監(jiān)測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明所述的一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)的原理示意圖；
[0013] 圖2為【具體實施方式】一所述的智能套管的結構示意圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0014] 一：參見圖1和2說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于光纖 傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，它包括智能套管1、激光器2、光耦合器3和檢測器4,所述激 光器2輸出光束至光f禹合器3的信號輸入端，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的光信號輸出端與檢測器4的信號輸入端相連，
[0015] 所述的智能套管1包括套管本體1005、FBG應變傳感器1001、復合傳感器1002、復 合傳感器保護罩1003和FBG應變傳感器保護層1004 ;
[0016] 所述的復合傳感器1002為全分布式B0TDR與R0TDR構成的復合傳感器，
[0017] 所述的FBG應變傳感器1001和復合傳感器1002緊密貼合在套管本體1005外側 壁上，所述的復合傳感器1002與沿套管本體1005的軸向平行，
[0018] FBG應變傳感器保護層1004纏繞在套管本體1005外側壁上，且FBG應變傳感器 保護層1004覆蓋整個FBG應變傳感器1001和復合傳感器1002的一部分，使FBG應變傳感 器1001與套管本體1005固定連接，在FBG應變傳感器保護層1004的上方和下方，通過復 合傳感器保護罩1003使復合傳感器1002緊貼在套管本體1005外側壁上，
[0019] FBG應變傳感器1001的信號輸出端和復合傳感器1002的信號輸出端均通過光纖 跳線與光耦合器3的輸入/輸出端連接。
[0020] 本實施方式中：在FBG應變傳感器保護層1004的基礎之上增加復合傳感器保護罩 1003使復合傳感器1002緊貼在套管本體1005外；
[0021] 布設在套管本體1005上的FBG應變傳感器1001是將光柵串沿套管周向小心的布 設在套管本體1005上，使其緊密的貼合在套管壁上，用小塊透明膠帶做臨時固定，預留、整 理好光柵串的尾纖，準備與光纜/復合傳感器熔接。調好低收縮率的環(huán)氧體系樹脂（打底 膠），小心仔細的包覆光柵柵區(qū)，隔一段時間轉動套管，防止打底膠出現(xiàn)滴垂、膠瘤。
[0022] 本實施方式中，全分布式 BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer， 布里淵光時域反射儀）與ROTDR(Raman optical time-domainreflectometry，拉曼光時域反 射儀）構成的復合傳感器的生產工藝：是將單模光纖、多模光纖與粘有環(huán)氧膠的玻璃絲一同 放入拉擠機中，經過機器的拉擠形成。
[0023] 本發(fā)明下放智能套管1到井中指定位置，監(jiān)測準分布式FBG應變傳感器1001所在 位置的套管周向地應力（應變）參數和利用全分布式B0TDR與R0TDR復合傳感器監(jiān)測整個 油井深度的軸向地應力（應變）和溫度變化參數。利用三種光纖傳感器涉及的三種不同的 工作原理，將地層參數監(jiān)測出來。
[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。光纖光柵的實質是在纖芯內 形成一個窄帶濾波器或反射鏡，對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個受光柵區(qū)調制 的窄帶光，透射光繼續(xù)沿光纖傳遞。
[0025] 每個光柵對應著一個中心波長，該中心波長的值與光柵所處位置的壓力相關，當 光線光柵產生軸向應變時，將改變光纖光柵傳感器的工作波長，即光柵光纖的反射波長將 發(fā)生變化，因此，通過測量光纖光柵的反射光波長的變化就可以計算出該點的應變。
[0026] ΔλΒ = αε ε+ατΔΤ
[0027] 其中，Λ λΒ表示FBG中心波長的變化，α ε表示FBG應變靈敏度系數，Λ Τ表示監(jiān) 測溫度變化，ε表示監(jiān)測應變，ατ表示FBG溫度靈敏度系數，
[0028] 利用全分布式R0TDR傳感器監(jiān)測整個油井深度的軸向溫度變化參數。
[0029] R0TDR傳感器工作原理：光通過光纖時，光子和光纖中的光聲子會產生非彈性碰 撞，輻射出斯托克斯光和反斯托克斯光，依據在測量終端接收到的反斯托克斯光在時間上 的先后確定其在光纖上的對應位置，根據兩者的光強比值只于散射區(qū)的溫度有關，監(jiān)測兩 者的光強比值，就可以解調出散射區(qū)的溫度信息，從而用一根光纖實現(xiàn)待測溫度場的全分 布式測量，大大節(jié)約了成本，有利于長距離溫度監(jiān)測。
[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，PS(T)表示斯托克斯光 強，λ s表示斯托克斯光波長，λ a表示反斯托克斯光波長，h表示普朗克常數，c表示真空中 光速，Λ Y表示偏移波數，k表示玻爾茲曼常數，T表示絕對溫度，
[0032] 利用全分布式R0TDR傳感器監(jiān)測整個油井深度的軸向地應力（應變）參數。
[0033] B0TDR傳感器工作原理：由于光定向入射到光纖介質時受到聲波場的作用產生布 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，而溫度和地應力都能改變光纖的折射率和超聲聲速，只要檢測光纖中布里淵頻移的 變化，就可以解調出光纖上分布的溫度和地應力信息。
[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，CE表示B0TDR的應變系數，CT表示B0TDR的溫度系數，?；表示初始溫度，T表示 所監(jiān)測的溫度，v B(l表示布里淵頻移初始值，
[0037]

【具體實施方式】二：本實施方式與【具體實施方式】一所述的一種基于光纖傳感技術的 智能套管監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的FBG應變傳感器保護層1004為表面帶有環(huán)氧體系樹 脂的玻璃絲布。
[0038] 本實施方式中，F(xiàn)BG應變傳感器保護層1004材質為玻璃絲布，將FBG應變傳感器 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應變傳感器保護層1004使FBG傳感器1001不被井內惡劣環(huán)境干擾和破壞。

【具體實施方式】 [0039] 三：本實施方式與一所述的一種基于光纖傳感技術的 智能套管監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的復合傳感器保護罩1003為表面鍍鋅的鐵質罩體。
[0040] 本實施方式中，復合傳感器保護罩1003材質為鐵，表面鍍鋅，其扣距為沖壓成型， 扭力大。在套管本體1005上適當的位置用復合傳感器保護罩1003將破拆后的復合傳感器 1002即全分布式B0TDR與R0TDR復合傳感器固定在套管本體1005上，防止全分布式B0TDR 與R0TDR復合傳感器亂串，亂動。
[0041] 【具體實施方式】四：本實施方式與【具體實施方式】三所述的一種基于光纖傳感技術的 智能套管監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的復合傳感器保護罩1003為圓環(huán)形結構。
【權利要求】
1. 一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，它包括智能套管（1)、激 光器（2)、光耦合器（3)和檢測器（4)，所述激光器（2)輸出光束至光耦合器（3)的信號輸入 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) 的光信號輸出端與檢測器（4)的信號輸入端相連， 所述的智能套管（1)包括套管本體（1005)、FBG應變傳感器（1001)、復合傳感器 (1002)、復合傳感器保護罩（1003)和FBG應變傳感器保護層（1004); 所述的復合傳感器（1002)為全分布式BOTDR與ROTDR構成的復合傳感器， 所述的FBG應變傳感器（1001)和復合傳感器（1002)緊密貼合在套管本體（1005)外 側壁上，所述的復合傳感器（1002)與沿套管本體（1005)的軸向平行， FBG應變傳感器保護層（1004)纏繞在套管本體（1005)外側壁上，且FBG應變傳感器 保護層（1004)覆蓋整個FBG應變傳感器（1001)和復合傳感器（1002)的一部分，使FBG應 變傳感器（1001)與套管本體（1005)固定連接，在FBG應變傳感器保護層（1004)的上方和 下方，通過復合傳感器保護罩（1003)使復合傳感器（1002)緊貼在套管本體（1005)外側壁 上， FBG應變傳感器（1001)的信號輸出端和復合傳感器（1002)的信號輸出端均通過光纖 跳線與光耦合器（3)的輸入/輸出端連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述的FBG應變傳感器保護層（1004)為表面帶有環(huán)氧體系樹脂的玻璃絲布。
3. 根據權利要求1所述的一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述的復合傳感器保護罩（1003)為表面鍍鋅的鐵質罩體。
4. 根據權利要求3所述的一種基于光纖傳感技術的智能套管監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于， 所述的復合傳感器保護罩（1003)為圓環(huán)形結構。
【文檔編號】G01D5/353GK104121946SQ201410347795
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權日: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 申請人:哈爾濱工業(yè)大學