CN109916325A - 一种油井套管形变监测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种油井套管形变监测的方法和装置，属于应变监测技术领域。该方法包括：将包含多根光纤的光缆布置在油井套管外侧；当套管发生形变时，获取光纤应变的差模信号和共模信号；将所述差模信号作为弯曲形变监测数据输出，并且将所述共模信号作为轴向形变监测数据输出。油井套管形变监测的装置采取多根光纤的空间布置，在光纤间隔和位置关系确定的情况下，利用发生弯曲时不同位置光纤曲率不同的原理，获取光纤应变的差模信号来感知套管弯曲状态，获取光纤应变的共模信号作为轴向形变的表达，从而能够同时感知套管的弯曲和轴向形变。本发明简化下井工艺，成本低，压缩或拉伸形变全井深监测的基础上，能够同时实现弯曲形变大小和方向的全井深直接监测。

Description

一种油井套管形变监测的方法和装置

技术领域

本发明涉及应变监测技术领域，涉及一种油井套管形变监测的方法和装置。

背景技术

在石油开采领域，当外界或人为因素施加在套管上的载荷超过其自身承载能力时，套管就会发生变形、破裂、错断等损坏现象。通常情况下，会根据损坏情况来调整开采条件以避免问题扩大化。对于套损井，只能进行修复，无法修复的就只能报废。因此，套损已对油田的正常生产带来严重影响，并可能造成巨大的直接经济损失。

目前，国内油田相关生产和科研单位已经对套损问题开展了大量的研究性工作，包括基于地质学、力学等相关理论性研究和利用铅模、声波、多臂井径成像仪等测井技术进行套损监测。而且，也采用光纤应变传感技术对套损监测进行了有益的尝试，进行了实验室和现场试验，取得了有效的监测数据。现有技术的通常做法是：采用玻璃钢加强光纤轴向布置做拉伸和压缩的感测，在重点横断面周向布置多个光纤光栅应变传感器进行侧向形变监测，或增加地层压力传感器，感知地层压力垂直分布来预测变化趋势。如果需要在全井深范围对套管形变进行准确监测，则需要布置大量的传感器，由此产生的工程施工压力和成本压力将是难以想象的。

发明内容

本发明提供了一种新的套管形变监测的方法和装置，以解决上述全井深套损监测问题，使得能够在监测套管轴向形变的同时，也能够对套管弯曲形变进行连续监测。

一方面，本发明提供一种套管形变监测的方法，包括：将包含多根光纤的光缆布置在油井套管外侧；当套管发生形变时，获取光纤应变的差模信号和共模信号；将所述差模信号作为弯曲形变监测数据输出，并且将所述共模信号作为轴向形变监测数据输出。

另一方面，本发明提供一种套损监测装置，包括：光缆，所述光缆包含多根光纤并且被布置在油井套管外侧；信号采集模块，所述信号采集模块在套管发生形变时获取光纤应变的差模信号和共模信号；监测数据输出模块，所述监测数据输出模块将所述差模信号作为弯曲形变监测数据输出，并且将所述共模信号作为轴向形变监测数据输出。

与现有技术相比，在利用应变光纤感测轴向应变的基础上，本发明同时采用多根光纤的组合布置来监测弯曲形变的方向和大小，在不对套管工艺进行较大改动的条件下，通过特定形式的光纤光缆，能够同时获得全井深范围的应变数据，包括拉伸或压缩、弯曲形变的大小及方向，从而为数字化油田的井下结构监测提供支持。

附图说明

图1示出本发明的套管形变监测的方法工作原理图；

图2示出本发明的套管形变监测装置的2芯光缆的布置示意图；

图3示出本发明的套管形变监测装置的4芯光缆的布置示意图。

其中，1光纤间距；2弯曲曲率半径；3应变光纤；4光纤固持材料(如FRP)；5油井套管；6固井水泥；7应变光缆。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的套管形变监测的方法和装置采取多根光纤的空间布置，在光纤间隔和位置关系确定的情况下，利用发生弯曲时不同位置光纤曲率不同的原理，获取光纤应变的差模信号来感知套管弯曲状态，获取光纤应变的共模信号作为轴向(拉伸或压缩)形变的表达，从而能够同时感知套管的弯曲和轴向形变。

如图1所示，本发明中的分布式光缆采用两根间隔一定距离1的光纤3平行布置，且被玻璃钢加强和固持。当受到两根光纤平面内的外力后，产生具有一定弯曲半径2的弯曲。这里，可以将光纤应变量简化为两段弧长之差，通过光纤应变量的变化，可以得到弯曲情况的表达。特别地，采用四根光纤平行布置，可以得到两个正交平面的弯曲程度。

特别地，当受力方向不在光纤平面内时，通过多根(比如四根)正交布置光纤进行感应，可以合成真正的受力方向。

而且，弯曲应变监测的灵敏度在一定范围内与光纤间距呈线性关系。因此，当空间上不允许布置单光缆三根以上光纤或者灵敏度不能满足需求时，可以采用两根光纤在平面内拉大间距成缆，以提高灵敏度。通过两根光缆的正交布置形成全空间的应变感应。

这里，弯曲灵敏度的设计原理如下：

弯曲半径为r，光纤间距为d，弯曲段弧长为c。其中，弯曲段弧长c可以等同于单一光纤应变感知的距离分辨率，与光纤间距d均为已知参数。

在受单一平面内外力的情况下，设采样段由直段弯曲后近似得到弯曲半径r,取近似条件r>>d，弯曲致弧长变化量为c`,为监测系统实测值，则弯曲半径r：r≈c/(c`/d)＝c*d*(1/c`)。更为精确的结果可以通过更准确的数学或数值模型给出。

另外，利用两个正交布置的感知平面组合，可以合成在采样段平面内弯曲的方向和大小的矢量合成结果。

图2和图3分别示出本发明的套管形变监测装置的2芯和4芯光缆的布置示意图。在实际布置本发明的套管形变监测装置时，可以结合安装空间、误差要求、工程施工和成本等因素综合考虑。具体地，当安装空间有限时，可采用双光纤扁平光缆的双光缆正交布置方式，如图2所示；同时可以根据需要增大光纤间距d以提高灵敏度；当工程施工受限、成本压力较大并且误差可接受时，可采用多光纤单光缆布置方式，典型地，可采用四光纤单光缆布置方式(如图3所示)。另外，还可以采用光纤复用技术或者增加单独光纤的方式来进行温度补偿。

Claims (6)

1.一种油井套管形变监测的方法，包括：

将包含多根光纤的光缆布置在油井套管外侧；

当套管发生形变时，获取光纤应变的差模信号和共模信号；

将所述差模信号作为弯曲形变监测数据输出，并且将所述共模信号作为轴向形变监测数据输出。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述光缆采用包含两根光纤的扁平双光缆正交布置。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述光缆采用包含三根及以上光纤的单光缆布置。

4.一种油井套管形变监测的装置，包括：

光缆，所述光缆包含多根光纤并且被布置在油井套管外侧；

信号采集模块，所述信号采集模块在套管发生形变时获取光纤应变的差模信号和共模信号；

监测数据输出模块，所述监测数据输出模块将所述差模信号作为弯曲形变监测数据输出，并且将所述共模信号作为轴向形变监测数据输出。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述光缆采用包含两根光纤的扁平双光缆正交布置。

6.如权利要求4所述的装置，其中，所述光缆采用包含三根及以上光纤的单光缆布置。