CN105041300A - 一种分布式光纤井下采集设备、井下流量计及井下监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤井下采集设备，包括井下管柱、井下光缆、光纤温度传感器；所述井下光缆的全部沿所述井下管柱绕制成螺旋状，或者所述井下光缆的一部分沿所述井下管柱绕制成螺旋状、另一部分直线设置在所述井下管柱一侧的管壁上；所述光纤温度传感器集成到所述井下光缆，分布式沿所述井下光缆的延伸方向设置。本发明也涉及一种分布式光纤井下流量计及井下监测方法。本发明提供的分布式光纤井下采集设备，通过将井下光缆沿井下管柱绕制成螺旋状，加密单位空间采集点数，提高分辨率，从而达到更好的测量效果；通过将光纤温度传感器分布式沿井下光缆的延伸方向设置，无需对井下流体分离即可实现分布式测量，实现全井测量无需移动井下光缆及传感器。

Description

一种分布式光纤井下采集设备、井下流量计及井下监测方法

技术领域

本发明涉及井下监测领域，更具体地说，涉及一种分布式光纤井下采集设备、井下流量计及井下监测方法。

背景技术

一般情况下，油气井在生产时只在地面井口或者采油厂集中进行计量，一般只监测流量，只能对井下产液产气进行地面上的统一记录。对于井下实际的多相流量，温度、压力等特性无法做到在线监测，尤其涉及到井下多层合采，更是无法监测。

目前井下也有少量的电子式、多仪器组合型的井下流量计，但是一般情况下不能长期放置在井下监测；此外，只能进行点式测量，不能分布式测量。如果需要对全井进行测量，还需频繁起下仪器，造成工程上很多不便，延长了作业时间，对井下干预大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种分布式光纤井下采集设备、井下流量计及井下监测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分布式光纤井下采集设备。

在本发明所述的分布式光纤井下采集设备中，包括井下管柱、井下光缆、光纤温度传感器；

所述井下光缆的全部沿所述井下管柱绕制成螺旋状，或者所述井下光缆的一部分沿所述井下管柱绕制成螺旋状、另一部分直线设置在所述井下管柱一侧的管壁上；

所述光纤温度传感器集成到所述井下光缆，分布式沿所述井下光缆的延伸方向设置。

优选地，所述井下光缆的外部铠装材料包括金、银、铜、铝的其中一种或多种；所述光纤温度传感器表面设有金属镀层，所述金属镀层是金、银、铜、铝的其中一种或多种。

优选地，所述井下光缆通过一个或多个光缆保护器固定在所述井下管柱上，多个所述光缆保护器沿所述井下光缆的延伸方向分布。

优选地，所述分布式光纤井下采集设备还包括光纤压力传感器；

所述光纤压力传感器集成到所述井下光缆，分布式沿所述井下光缆的延伸方向设置，所述光纤压力传感器表面设有金属镀层，所述金属镀层是金、银、铜、铝的其中一种或多种。

在本发明所述的分布式光纤井下流量计中，包括上文所述的任一种井下采集设备和井上处理设备；

所述井下采集设备通过地面光缆与所述井上处理设备连接。

优选地，所述井上处理设备包括

光电转换器，与所述井下采集设备相连，用于接收所述井下采集设备的数据，并将其转换为电信号；

A/D转换器，与所述光电转换器相连，用于将所述电信号转换成数字信号并输出；

运算处理器，与所述A/D转换器相连，用于接收所述数字信号并运算处理。

优选地，所述运算处理器包括与所述A/D转换器相连的DSP数字处理器、与所述DSP数字处理器相连的FPGA芯片。

优选地，所述井上处理设备还包括时钟模块；

所述时钟模块与所述井下采集设备相连，且所述时钟模块的控制端与所述DSP数字处理器相连，以由所述DSP数字处理器控制所述时钟模块记录或读取采集时间。

优选地，所述井上处理设备还包括

整形器，与所述光电转换器相连，用于将所述电信号整形为脉冲信号；

计数器，输入端与所述整形器相连，输出端与所述DSP数字处理器相连，用于对所述脉冲信号进行计数并传输至所述DSP数字处理器。

在本发明所述的井下监测方法中，包括如下步骤：

S1、利用井下采集设备中的光纤温度传感器和光纤压力传感器对井下温度数据和井下压力数据进行采集，并将采集到的所述井下温度数据和所述井下压力数据通过地面光缆传输到井上处理设备中；

S2、所述井上处理设备根据获取到的所述井下温度数据，计算得出井下流量信息；

S3、所述井上处理设备根据获取到的所述井下压力数据，对所述井下流量信息进行修正，得到井下实际流量信息。

实施本发明的分布式光纤井下采集设备、井下流量计及井下监测方法，具有以下有益效果：本发明提供的分布式光纤井下采集设备，通过将井下光缆沿井下管柱绕制成螺旋状，加密单位空间采集点数，提高分辨率，从而达到更好的测量效果；通过将光纤温度传感器分布式沿井下光缆的延伸方向设置，无需对井下流体分离即可实现分布式测量，实现全井测量无需移动井下光缆及传感器。

进一步的，井下光缆的外部铠装材料选用高热传导系数的材料，提高感温能力及反应速度，减少利用温差推导热量时产生的误差。

进一步的，添加光纤压力传感器，对利用温度推导的流量信息进行修正，提高测量的准确度。

进一步的，对光纤温度传感器和/或光纤压力传感器镀金属处理，提高感温能力及反应速度，减少利用温差推导热量时产生的误差。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的一实施例中的分布式光纤井下流量计的结构框图；

图2是本发明的一实施例中的分布式光纤井下流量计在井下使用时的示意图；

图3是本发明的另一实施例中的分布式光纤井下流量计在井下使用时的示意图；

图4是本发明的一实施例中的井下监测方法的流程图；

图5是本发明的一实施例中的井下监测方法的温度-流量关系图；

其中，1、井下采集设备；11、光纤温度传感器；12、光纤压力传感器；2、井上处理设备；21、光电转换器；22、A/D转换器；23、DSP数字处理器；24、FPGA芯片；25、时钟模块；26、整形器；27、计数器；3、井下光缆；4、井下管柱；5、光缆保护器；6、套管；7、井口；8、仪表；9、地面光缆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1至图3示出了本发明中的一种分布式光纤井下流量计，该分布式光纤井下流量计主要可以将一根或多根光缆下到井下，并将光学解调器放置在井上。然后通过光缆上的光纤传感器采集井下温度、压力数据，并将采集到的井下信息上传到光学解调器中进行解调，从而得到井下分布式多相流量、井下压力、温度信息。

图1是本发明的一实施例中的分布式光纤井下流量计的结构框图。图2是本发明的一实施例中的分布式光纤井下流量计在井下使用时的示意图。图3是本发明的另一实施例中的分布式光纤井下流量计在井下使用时的示意图。

如图1所示，该分布式光纤井下流量计包括井下采集设备1和井上处理设备2。该井下采集设备1的主要作用在于采集井下温度、压力数据上传。该井上处理设备2的主要作用在于解调采集到的数据，以得到井下分布式多相流量、井下压力、温度等信息。

具体的，参阅图1，该井下采集设备1包括井下管柱4、井下光缆3、光纤温度传感器11和光纤压力传感器12；井下光缆3的全部沿井下管柱4绕制成螺旋状，或者井下光缆3的一部分沿井下管柱4绕制成螺旋状、另一部分直线设置在井下管柱4一侧的管壁上；该光纤温度传感器11和光纤压力传感器12集成到井下光缆3，分布式沿井下光缆3的延伸方向设置。

该井下采集设备1工作时，该光纤温度传感器11的温度信号传输至该井上处理设备2；该光纤压力传感器12的压力信号传输至该井上处理设备2。

其中，监测到的温度数据是主要的，压力数据进行辅助校正。光缆布置后，被井下流体全部浸泡在井下流体中，流体的流动会导致井下温度发生变化。光纤温度传感器11采集到井下流体的温度信息并进行相关计算后得到其变化值，此值与流体的流速(流量)成正比关系。将各个光纤温度传感器采集到的温度数据进行空间上的排列，即可得到井下分布式流量信息。再利用光纤压力传感器12测得压力数据，加入压力数据进行修正。即使对于温度波动极小的井，其压力变化也不是固定的，有可能会达到2-3MPa或者更多。因此进行压力修正能够进一步提高流量信息的准确度。本实施例也可以省略光纤压力传感器12，只有光纤温度传感器11，减少井下设备，失效性及安全性提高，需要投入的资金设备少，也就是说提高了作业效率，降低了风险，降低了相关费用。也可在下井后根据井下流量综合井口流量后进行分布式流量判断。

需要说明的是，本发明的井下光缆3的全部沿井下管柱4绕制成螺旋状，或者井下光缆3的一部分沿井下管柱4绕制成螺旋状、另一部分直线设置在井下管柱4一侧的管壁上；通过将井下光缆3沿井下管柱4绕制成螺旋状，加密单位空间采集点数，提高分辨率，从而达到更好的测量效果。

本发明中的该光纤温度传感器11、该光纤压力传感器12优选的集成在井下光缆3中，分布式沿井下光缆3的延伸方向设置。将光纤温度传感器11、该光纤压力传感器12集成在井下光缆3中的主要好处在于，该井下光缆3不仅可以下至略深于油气井产层，也可下至油气井底部，则将光纤温度传感器11、该光纤压力传感器12集成在井下光缆3有利于井下数据的分布式的采集和传输。

可以理解地，该光纤温度传感器11、光纤压力传感器12，以及井下光缆3能耐高温高压。其中，长期耐压不低于150MPa，长期耐温最高300℃。

另外，该井下光缆3的各个光纤传感器即作为光信号传输通道，同时也是光学传感器。该井下采集设备1的井下光缆3除了集成有光纤温度传感器11、光纤压力传感器12外，还可以集成有其他类型的光纤传感器。

进一步的，该光纤温度传感器11、光纤压力传感器12的组数和设置方式多种多样，一般情况下，只要能满足监测要求的布置均在本发明的保护范围内。

本发明的实施例的分布式光纤井下流量计，通过将井下光缆3沿井下管柱4绕制成螺旋状，加密单位空间采集点数，提高分辨率，从而达到更好的测量效果；通过将光纤温度传感器11和光纤压力传感器12分布式沿井下光缆的延伸方向设置，无需对井下流体分离即可实现分布式测量，实现全井测量无需移动井下光缆及传感器。

进一步的，该井下光缆3的外部铠装材料包括金、银、铜、铝的其中一种或多种；井下光缆3的外部铠装材料选用高热传导系数的材料，提高感温能力及反应速度，减少利用温差推导热量时产生的误差。

光纤温度传感器11和/或光纤压力传感器12表面设有金属镀层，该金属镀层是金、银、铜、铝的其中一种或多种。对光纤温度传感器11和/或光纤压力传感器12镀金属处理，提高感温能力及反应速度，减少利用温差推导热量时产生的误差。

如图2和图3所示，上述井下光缆3就通过多个光缆保护器5固定在该井下管柱4上，多个该光缆保护器5沿该井下光缆3的延伸方向分布。其中，井下管柱4包括油管、连续油管、抽油杆、套管6等。该光缆保护器5的数量和设置位置是不定的，例如，图2中就使用了两个光缆保护器5将井下光缆3固定在井下管柱4上，而图3中就使用了四个光缆保护器5将井下光缆3固定在井下管柱4上。当然，只要能够达到精确的固定效果，任意数量的光缆保护器5及其布置方式均在本发明的保护范围内。

上述井下光缆3单独下井时，需采用专用配重机构。该专用配重机构能够保证井下光缆3不卡顿，不绕圈，不磨损，并不影响其光学传感及信号传输性能。且结合该专用配重机构，还必须有专用的下井工艺，从而保证该井下光缆3及其中的光纤传感器在下井过程中的安全及性能。

再参阅图2和图3，该井下光缆3穿越井口7的装置与地面光缆9连接时，在穿越过程中设置有专用密封装置对井口7进行密封，以满足该井下光缆3长期耐压不低于150MPa，长期耐温最高300℃的要求。此外，为了安全起见，在穿越过程中井口7处还设置有光缆防喷装置。且一般情况下，井口7处还设置有流量等仪表8。

再参阅图1，该井上处理设备2包括光电转换器21、A/D转换器23和DSP数字处理器23。该光电转换器21与该井下采集设备1相连，其主要用于接收该井下采集设备1的数据，并将其转换为电信号。该A/D转换器23与该光电转换器21相连，其主要用于将该电信号转换成数字信号并输出。该DSP数字处理器23与该A/D转换器23相连，其主要用于接收该数字信号并处理。

进一步地，该井上处理设备2还包括与该DSP数字处理器23相连的FPGA芯片24。该FPGA芯片24的主要作用在于对经过DSP数字处理器23数字处理器23初步运算后的数据进行进一步的计算。

该井上处理设备2的工程流程如下：

井下光缆3采集到井下温度、压力等信息通过地面光缆9传输到井上处理设备2中，该井上处理设备2通过光电转换器21，将光信号转化为电信号，随后通过A/D转换器23进行数模转换，转换后的数字信号进入DSP数字处理器23中进行运算，DSP数字处理器23初步运算后的数据传入FPGA芯片24中进行最终计算，得出井下分布式多相流量、温度、压力等信息。

且一般情况下，上述井上处理设备2为光学解调仪，光学解调仪可以是多台也可以是集成式。主要是能对井下光缆3传输的光信号进行解调，恢复出井下分布式的温度、压力、声波等信息，到井下光缆3可到达的井端为止。

在一些实施例中，参阅图1，该井上处理设备2还包括时钟模块25。该时钟模块25与该井下采集设备1相连，且该时钟模块25的控制端与该DSP数字处理器23相连，以由该DSP数字处理器23控制该时钟模块25记录或读取采集时间。

在一些实施例中，参阅图1，该井上处理设备2还可包括整形器26和计数器27。其中，整形器26与该光电转换器21相连，该整形器26主要用于将该电压信号整形为脉冲信号。计数器27的输入端与该整形器26相连，计数器27的输出端与该DSP数字处理器23相连，该计数器27主要用于对该脉冲信号进行计数并传输至该DSP数字处理器23。

在一些实施例中，该井上处理设备2还可包括显示模块，该显示模块的主要作用在于对井下分布式多相流量、井下压力、温度等信息进行显示，以实现监测。

综上，本发明中的分布式光纤井下流量计具有以下有益效果：

该分布式光纤井下流量计无需对井下流体进行分离即可实现井下流量、温度、压力等多参数测量。

该分布式光纤井下流量计可以在无需移动井下光缆3及其中的光纤传感器的情况下，实现全井测量。

该分布式光纤井下流量计本身耐高温高压150MPa，300℃。该分布式光纤井下流量计的集成度高，对井下干预少，一般以1/4英寸长度的井下光缆3下井，一次下井，永久监测。

该分布式光纤井下流量计的一根井下光缆3上可以集成多种光学传感器。

该分布式光纤井下流量计适合直井、大斜度井，水平井，可以测量多相，二相，单相等。

该分布式光纤井下流量计的结构设计简单，操作简便，适合油气井下井现场操作。即该分布式光纤井下流量计可以减少相应的工作时间，提高工作效率，降低下井时间、人力、物力。

图4还示出了本发明中的一种井下监测方法，该井下监测方法主要用于上述的分布式光纤井下流量计。

图4是本发明的一实施例中的井下监测方法的流程图。如图4所示，该井下监测方法包括如下步骤：

S1、利用井下采集设备1中的光纤温度传感器11和光纤压力传感器12对井下温度数据和井下压力数据进行采集，并将采集到的井下温度数据和井下压力数据通过地面光缆9传输到井上处理设备2中；

S2、井上处理设备2根据获取到的井下温度数据，计算得出井下流量信息；

具体的，井下温度数据为直接测量可得，测得的温度信息经过计算得到井下流量。其原理如下：

井下光缆3布置后，被井下流体全部浸泡在井下流体中，流体的流动会导致井下温度发生变化。光纤温度传感器11采集到井下流体的温度信息并进行相关计算后得到其变化值，此值与流体的流速(流量)成正比关系(如图5).将各个光纤温度传感器11采集到的信息进行空间上的排列，即可得到井下分布式流量信息。

S3、井上处理设备2根据获取到的井下压力数据，对井下流量信息进行修正，得到井下实际流量信息。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种分布式光纤井下采集设备，其特征在于，包括井下管柱(4)、井下光缆(3)、光纤温度传感器(11)；

所述井下光缆(3)的全部沿所述井下管柱(4)绕制成螺旋状，或者所述井下光缆(3)的一部分沿所述井下管柱(4)绕制成螺旋状、另一部分直线设置在所述井下管柱(4)一侧的管壁上；

所述光纤温度传感器(11)集成到所述井下光缆(3)，分布式沿所述井下光缆(3)的延伸方向设置。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤井下采集设备，其特征在于，所述井下光缆(3)的外部铠装材料包括金、银、铜、铝的其中一种或多种；所述光纤温度传感器(11)表面设有金属镀层，所述金属镀层是金、银、铜、铝的其中一种或多种。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤井下采集设备，其特征在于，所述井下光缆(3)通过一个或多个光缆保护器(5)固定在所述井下管柱(4)上，多个所述光缆保护器(5)沿所述井下光缆(3)的延伸方向分布。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤井下采集设备，其特征在于，所述分布式光纤井下采集设备还包括光纤压力传感器(12)；

所述光纤压力传感器(12)集成到所述井下光缆(3)，分布式沿所述井下光缆(3)的延伸方向设置，所述光纤压力传感器(12)表面设有金属镀层，所述金属镀层是金、银、铜、铝的其中一种或多种。

5.一种分布式光纤井下流量计，其特征在于，包括根据权利要求1-4任一项所述的井下采集设备(1)和井上处理设备(2)；

所述井下采集设备(1)通过地面光缆(9)与所述井上处理设备(2)连接。

6.根据权利要求5所述的分布式光纤井下流量计，其特征在于，所述井上处理设备(2)包括

光电转换器(21)，与所述井下采集设备(1)相连，用于接收所述井下采集设备的数据，并将其转换为电信号；

A/D转换器(22)，与所述光电转换器(21)相连，用于将所述电信号转换成数字信号并输出；

运算处理器，与所述A/D转换器(22)相连，用于接收所述数字信号并运算处理。

7.根据权利要求6所述的分布式光纤井下流量计，其特征在于，所述运算处理器包括与所述A/D转换器(22)相连的DSP数字处理器(23)、与所述DSP数字处理器(23)相连的FPGA芯片(24)。

8.根据权利要求7所述的分布式光纤井下流量计，其特征在于，所述井上处理设备(2)还包括时钟模块(25)；

所述时钟模块(25)与所述井下采集设备(1)相连，且所述时钟模块(25)的控制端与所述DSP数字处理器(23)相连，以由所述DSP数字处理器(23)控制所述时钟模块记录或读取采集时间。

9.根据权利要求7所述的分布式光纤井下流量计，其特征在于，所述井上处理设备(2)还包括

整形器(26)，与所述光电转换器(21)相连，用于将所述电信号整形为脉冲信号；

计数器(27)，输入端与所述整形器(26)相连，输出端与所述DSP数字处理器(23)相连，用于对所述脉冲信号进行计数并传输至所述DSP数字处理器(23)。

10.一种井下监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用井下采集设备(1)中的光纤温度传感器(11)和光纤压力传感器(12)对井下温度数据和井下压力数据进行采集，并将采集到的所述井下温度数据和所述井下压力数据通过地面光缆(9)传输到井上处理设备(1)中；

S2、所述井上处理设备(2)根据获取到的所述井下温度数据，计算得出井下流量信息；

S3、所述井上处理设备(2)根据获取到的所述井下压力数据，对所述井下流量信息进行修正，得到井下实际流量信息。