CN111707205A - 一种基于轴向布设光纤的套管应变监测的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于轴向布设光纤的套管应变监测方法及系统，其包括：S1、沿着待测套管轴向，在该套管表面布设分布式光纤传感器，以获取所述套管被施加载荷时所采集到的光纤应变数据；S2、将分布式光纤传感器获取的光纤应变数据转换为应变；S3、基于预设的套管应变监测模型，计算出与所述应变对应的载荷数据。本发明通过分布式光纤传感器检测实时光纤应变；同时，记录所施加的轴向拉伸载荷值及径向弯曲载荷值，并基于套管应变监测模型获取分布式光纤传感器的输出值对应的载荷数据，所述套管应变监测模型能够表达传感器输出值与套管载荷量(轴向及径向)之间的对应关系。本发明能够便捷准确地对套管形变及载荷进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及套管形变监测技术领域，尤其涉及一种基于轴向布设光纤的套管应变监测的方法和装置。
背景技术
在石油开采领域，油井套管成片损坏的情况经常发生。通常情况下，根据损坏情况来调整开采条件以避免问题扩大化。对于损坏套管井，只能修复，修复不了的只能报废，每年损失巨大。
近年来，多个研究团队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，发表了相关学术论文；其通常做法是：采用玻璃钢加强光纤光缆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。但是此种方法存在的弊端是：如果需要在全井深范围对套管形变进行准确监测，则需要布置大量的横断面侧向传感器，其产生工程施工压力和成本压力将是难以想象的。
综上可知，在现有的套损监测技术中存在下述弊端：1、对应的工程施工工艺复杂；2、只能监测设防断面的情况，实际应用中只能在重点区段设置且设防断面处于应变的极值区域的概率较低，难以掌握最大区域情况。
发明内容
基于此，为解决现有技术所存在的不足，特提出了一种基于轴向布设光纤的套管应变监测方法。
一种基于轴向布设光纤的套管应变监测方法，其特征在于，包括：
S1、沿着待测套管轴向，在该套管表面布设分布式光纤传感器，以获取所述套管被施加载荷时所采集到的光纤应变数据；且所述分布式光纤传感器连接两根被分别固定在所述套管表面并与所述套管轴线平行的光纤，且使得两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直；
S2、通过应变解调仪将分布式光纤传感器获取的光纤应变数据转换为对应的应变；
S3、基于预设的套管应变监测模型，计算出与所述应变对应的载荷数据。
可选的，在其中一个实施例中，所述S3中套管应变监测模型对应的计算公式为：
其中，P表示径向集中力，θ表示径向集中力与x轴所形成的夹角，所述x 轴是两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直时所形成的直角坐标系中任意一条直线，且所述直角坐标系以套管中心轴为z轴，则另一条直线则为y轴；N表示轴向拉力，KN表示轴向系数，
A是套管横截面的横截面积，E表示弹性模量，
表示点D1对应的弯曲反演系数，
表示点D2对应的弯曲反演系数，εz x(D1)表示D1点处x轴光纤的应变测量值，即x轴光纤应变数据；εz x(D2)表示D2点处x轴光纤的应变测量值；εz y(D2)表示D2点处y轴光纤的应变测量值；εz y(D1)表示D1点处y轴光纤的应变测量值，点D1、点D2为由应变解调仪获取的应变曲线上的点。
可选的，在其中一个实施例中，若所述套管为两端固支约束，则对应的弯曲反演系数计算公式为：
其中，距离变量为z，径向集中力与套管一端距离为a，即其径向集中力P与套管起始点距离为a，另一端距离为b＝L-a，L是套管长度，
其是圆环截面梁的抗弯截面系数，其中，Do是套管的外径，Di是套管的内径，L 是套管长度。
可选的，在其中一个实施例中，所述载荷数据包括轴向力数据和径向集中力数据。
此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种基于轴向布设光纤的套管应变监测装置，其特征在于，包括：
分布式光纤传感器，其被轴向布设于待测套管表面，用于获取在对所述待测套管施加载荷时所对应的光纤应变数据；所述分布式光纤传感器连接两根被分别固定在所述套管表面并与所述套管轴线平行的光纤，且使得两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直；
应变解调仪，用于将分布式光纤传感器获取的光纤应变量数据转换为相应的应变数据；
以及监测计算单元，所述监测计算单元用于基于预设的套管应变监测模型，计算与应变数据所对应的载荷数据。
可选的，在其中一个实施例中，其特征在于，所述套管应变监测模型对应的计算公式为：
其中，P表示径向集中力，θ表示径向集中力与x轴所形成的夹角，所述x 轴是两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直时所形成的直角坐标系中任意一条直线，且所述直角坐标系以套管中心轴为z轴，则另一条直线则为y轴；N表示轴向拉力，KN表示轴向系数，
A是套管横截面的横截面积，E表示弹性模量，
表示点D1对应的弯曲反演系数，
表示点D2对应的弯曲反演系数，εz x(D1)表示D1点处x轴光纤的应变测量值，即x轴光纤应变数据；εz x(D2)表示D2点处x轴光纤的应变测量值；εz y(D2)表示D2点处y轴光纤的应变测量值；εz y(D1)表示D1点处y轴光纤的应变测量值，点D1、点D2为由应变解调仪获取的应变曲线上的点。
可选的，在其中一个实施例中，若所述套管为两端固支约束，则对应的弯曲反演系数计算公式为：
其中，距离变量为z，径向集中力与套管一端距离为a，即其径向集中力P与套管起始点距离为a，另一端距离为b＝L-a，L是套管长度，
其是圆环截面梁的抗弯截面系数，其中，Do是套管的外径，Di是套管的内径，L 是套管长度。
可选的，在其中一个实施例中，所述载荷数据包括轴向力数据和径向集中力数据。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
采用了上述技术之后，解决了传统技术对应的工程施工工艺要求高且只能监测设防断面的情况，实际应用中只能在重点区段设置且设防断面处于应变的极值区域的概率较低，难以掌握最大区域情况的弊端。其通过分布式光纤传感器实时进行数据采样监测，并通过所设定的套管应变监测模型确定所获的应变数据对应的载荷数据，从而可以获得最危险处的应变及载荷情况；综上所述，本发明能够达到便捷准确的对套管形变及其载荷进行监测的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中所述方法对应的技术流程图；
图2为一个实施例中所述方光纤布设图；
图3为一个实施例中所述方法对应的坐标系示意图；
图4为一个实施例中所述方法对应的径向力分解图；
图5为一个实施例中套管处于轴向力N和径向集中力P联合作用时对应的两端固支梁集中力求解模型图；
图6为一个实施例中所述方法对应的两端简支约束集中力求解模型图；
图7为一个实施例中所述方法对应的两端固支约束，径向均匀分布力载荷求解模型图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。
解决在面对现有技术存在的不足，在本实施例中，特提出了一种基于轴向布设光纤的套管应变监测方法，如图1～7所示，该方法包括：S1、沿着待测套管轴向，在该套管表面布设分布式光纤传感器，以获取所述套管被施加载荷时所采集到的光纤应变数据；S2、通过应变解调仪将分布式光纤传感器获取的传感量转换为对应的应变数据；S3、基于预设的套管应变监测模型，计算出与所述应变对应的载荷数据。本发明所述方法是首先通过在套管表面布设的分布式光纤传感器检测实时传感器检测量，并记录分布式光纤传感器的输出值；同时，通过应变解调仪获取所对应的应变量；然后，基于套管应变监测模型计算出对应的载荷数据，所述模型所表达的是应变数据与套管载荷量(轴向及径向)之间的对应关系。
在一些具体的实施例中，所述S1中所述分布式光纤传感器连接两根被分别固定在所述套管表面并与所述套管轴线平行的光纤，且使得两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直。所述分布式光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。例如可采用两根5mm直径光纤，并将其牢固的固定在套管表面并与套管轴线平行，且两根光纤在横截面内的位置点与套管中心所形成的两条直线相互垂直即正交；同时为了便于后续计算分析，将两根光纤的光纤位置分别定义为x轴和y轴，其径向载荷以与x轴夹角的形式定义其方向，如图2-图3所示。
在一些具体的实施例中，所述S3中套管应变监测模型对应的计算公式为：
又由于，由于径向集中力P可以分解为平行于x轴的Px和平行于y轴的Py，其可分解为
Px＝Pcosθ
Py＝Psinθ
则上述公式可以表示为
其中，P表示径向集中力，θ表示径向集中力与x轴所形成的夹角，所述x 轴是两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直时所形成的直角坐标系中任意一条直线，且所述直角坐标系以套管中心轴为z轴，则另一条直线则为y轴；N表示轴向拉力，KN表示轴向系数，
A是套管横截面的横截面积，E表示弹性模量，
表示点D1对应的弯曲反演系数，
表示点D2对应的弯曲反演系数，εz x(D1)表示D1点处x轴光纤的应变测量值，即x轴光纤应变数据；εz x(D2)表示D2点处x轴光纤的应变测量值；εz y(D2)表示D2点处y轴光纤的应变测量值；εz y(D1)表示D1点处y轴光纤的应变测量值，点D1、点D2为由应变解调仪获取的应变曲线上的点。
上述技术方案的原理说明：
首先，分析施加轴向拉力N时给两根光纤带来的应变情况：
由于施加轴向拉力N时给两根光纤带来的应变是等大的，则其应变值为
式中A是套管的横截面积，
是轴向系数，
其次，分析施加径向集中力P时给两根光纤带来的应变情况：
如图所示，由于径向集中力P可以分解为平行于x轴的Px和平行于y轴的Py，其可分解为
Px＝Pcosθ
Py＝Psinθ
如图5，设定套管为两端固支约束，径向集中力载荷，集中力与套管一端距离为a，即设定其径向集中力P与套管起始点距离为a，另一端距离为b＝L-a，设定位置a即光纤所感应到的最大值位置。
根据应变解调仪如光纤解调仪测得的光纤应变曲线，已知径向集中力位置C 与起算点A之间的距离a。
则对于C点，弯矩、应力、应变和反演系数可由下表获取；
非极值径向集中力反演表
由于其对应的反演系数KP是与约束类型、尺寸、材料和载荷位置有关的，其是与集中力载荷大小和位置无关的量；其中，
是圆环截面梁的抗弯截面系数，其中，Do是套管的外径，Di是套管的内径，L是套管长度。则对应到本例，
另，选取C点作为反演数据点，意味着c＝0，则C点弯矩MC、C点应力σz C、 C点应变εz C以及C点反演系数
分别为：
通过上述计算得到由于平行于x轴的Px所引起的应变
和由于平行于y轴的Py所引起的应变
分别为
因此对应到集中力的大小为
另，获取轴向力与径向集中力联合作用下的光纤应变量；即首先假定套管处于轴向力N和径向集中力P联合作用，其变形方式为拉伸+弯曲，则在光纤测量到的应变上，轴向力会导致2根光纤各处相等的应变εN，而弯曲会导致处处不相等的应变εP(z)。
基于上述设定，进一步假设只考虑一处集中力，即光纤所感应到的最大值位置a。
那么读取弯曲应变曲线上的两点D1、D2，则其弯曲应变为
则两根光纤读取到的应变分别是拉伸和弯曲的叠加，即
因此上述模型为
需要说明的是：本发明中所述的套管符合材料力学中梁模型，根据材料力学知识可知，梁在不同载荷(包括载荷类型、载荷位置和分布规律)以及不同约束条件(两端简支、固支、自由、多跨)情况下，其剪力、弯矩、应力、应变和位移均有不同，则对应的反演系数也各有不同。上述实施例中，仅给出了其中一个典型情况，更多情况可参见机械手册、材料力学专著中关于梁变形的相关章节。如成大先.机械设计手册(第五版)[M].化学工业出版社,2008；闻邦椿.机械设计手册(第六版)[M].机械工业出版社,2018；单辉祖.材料力学[M].高等教育出版社,2004；张耀等.材料力学[M].清华大学出版社,2015。另，如针对某种特殊情形在机械手册、材料力学专著难以查到具体结果，仍可根据上述力学专著中对梁变形计算的章节予以自行推导，从而给出反演系数KP，这具体由机械及相关行业从业人员依据实际经验自行确定。
基于上述说明：如图6，若套管两端简支约束，径向集中力载荷，集中力与套管一端距离为a，则对应的反演系数
若，如图7，两端固支约束，径向均匀分布力载荷，则对应的反演系数
若，两端固支约束，径向集中力载荷，集中力与套管一端距离为L/2，这实际上是具体实施例1的特例，则对应的反演系数
此外，为解决传统技术存在的不足，还提出了一种基于轴向布设光纤的套管应变监测装置，其特征在于，包括：
分布式光纤传感器，其被轴向布设于待测套管表面，用于获取在对所述待测套管施加载荷时所对应的光纤应变量数据；
应变解调仪，用于将分布式光纤传感器获取的光纤应变量数据转换为相应的应变量数据；
以及监测计算单元，所述监测计算单元用于基于预设的套管应变监测模型，计算与布设于待测套管表面的分布式光纤传感器的输出值所对应的载荷数据。
在一些具体的实施例中，所述分布式光纤传感器连接两根被分别固定在所述套管表面并与所述套管轴线平行的光纤，且使得两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直。
在一些具体的实施例中，所述应变量数据包括轴向力对应的应变数据和径向集中力对应的应变数据；
在一些具体的实施例中，所述套管应变监测模型对应的计算公式为：
其中，P表示径向集中力，θ表示径向集中力与x轴所形成的夹角，所述x 轴是两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直时所形成的直角坐标系中任意一条直线，且所述直角坐标系以套管中心轴为z轴，则另一条直线则为y轴；N表示轴向拉力，KN表示轴向系数，
A是套管横截面的横截面积，E表示弹性模量，
表示点D1对应的弯曲反演系数，
表示点D2对应的弯曲反演系数，εz x(D1)表示D1点处x轴光纤的应变测量值，即x轴光纤应变数据；εz x(D2)表示D2点处x轴光纤的应变测量值；εz y(D2)表示D2点处y轴光纤的应变测量值；εz y(D1)表示D1点处y轴光纤的应变测量值，点D1、点D2为由应变解调仪获取的应变曲线上的点。
由于所述系统与上述方法采用同一设计原理进行设计，因此本处不再赘述具体过程，参看方法中的各个具体实例文字说明。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明解决了传统技术对应的工程施工工艺要求高且只能监测设防断面的情况，实际应用中只能在重点区段设置且设防断面处于应变的极值区域的概率较低，难以掌握最大区域情况的弊端。其通过分布式光纤传感器实时进行数据采样监测，并通过所设定的套管应变监测模型确定所获的应变数据对应的载荷数据，从而可以获得最危险处的应变及载荷情况；综上所述，本发明能够达到便捷准确的对套管形变及其载荷进行监测的目的。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于轴向布设光纤的套管应变监测方法，其特征在于，包括：
S1、沿着待测套管轴向，在该套管表面布设分布式光纤传感器，以获取所述套管被施加载荷时所采集到的光纤应变数据；且所述分布式光纤传感器连接两根被分别固定在所述套管表面并与所述套管轴线平行的光纤，且使得两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直；
S2、通过应变解调仪将分布式光纤传感器获取的光纤应变数据转换为对应的应变；
S3、基于预设的套管应变监测模型，计算出与所述应变对应的载荷数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中套管应变监测模型对应的计算公式为：
其中，P表示径向集中力，θ表示径向集中力与x轴所形成的夹角，所述x轴是两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直时所形成的直角坐标系中任意一条直线，且所述直角坐标系以套管中心轴为z轴，则另一条直线则为y轴；N表示轴向拉力，KN表示轴向系数，
A是套管横截面的横截面积，E表示弹性模量，
表示点D1对应的弯曲反演系数，
表示点D2对应的弯曲反演系数，εz x(D1)表示D1点处x轴光纤的应变测量值，即x轴光纤应变数据；εz x(D2)表示D2点处x轴光纤的应变测量值；εz y(D2)表示D2点处y轴光纤的应变测量值；εz y(D1)表示D1点处y轴光纤的应变测量值，点D1、点D2为由应变解调仪获取的应变曲线上的点。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若所述套管为两端固支约束，则对应的弯曲反演系数计算公式为：
其中，距离变量为z，径向集中力与套管一端距离为a，即其径向集中力P与套管起始点距离为a，另一端距离为b＝L-a，L是套管长度，
其是圆环截面梁的抗弯截面系数，其中，Do是套管的外径，Di是套管的内径，L是套管长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载荷数据包括轴向力数据和径向集中力数据。
5.一种基于轴向布设光纤的套管应变监测装置，其特征在于，包括：
分布式光纤传感器，其被轴向布设于待测套管表面，用于获取在对所述待测套管施加载荷时所对应的光纤应变数据；所述分布式光纤传感器连接两根被分别固定在所述套管表面并与所述套管轴线平行的光纤，且使得两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直；
应变解调仪，用于将分布式光纤传感器获取的光纤应变量数据转换为相应的应变数据；
以及监测计算单元，所述监测计算单元用于基于预设的套管应变监测模型，计算与应变数据所对应的载荷数据。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述套管应变监测模型对应的计算公式为：
其中，P表示径向集中力，θ表示径向集中力与x轴所形成的夹角，所述x轴是两根光纤各自在所述套管横截面上的位置与套管中心所形成的两条直线相互垂直时所形成的直角坐标系中任意一条直线，且所述直角坐标系以套管中心轴为z轴，则另一条直线则为y轴；N表示轴向拉力，KN表示轴向系数，
A是套管横截面的横截面积，E表示弹性模量，
表示点D1对应的弯曲反演系数，
表示点D2对应的弯曲反演系数，εz x(D1)表示D1点处x轴光纤的应变测量值，即x轴光纤应变数据；εz x(D2)表示D2点处x轴光纤的应变测量值；εz y(D2)表示D2点处y轴光纤的应变测量值；εz y(D1)表示D1点处y轴光纤的应变测量值，点D1、点D2为由应变解调仪获取的应变曲线上的点。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，若所述套管为两端固支约束，则对应的弯曲反演系数计算公式为：
其中，距离变量为z，径向集中力与套管一端距离为a，即其径向集中力P与套管起始点距离为a，另一端距离为b＝L-a，L是套管长度，
其是圆环截面梁的抗弯截面系数，其中，Do是套管的外径，Di是套管的内径，L是套管长度。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述载荷数据包括轴向力数据和径向集中力数据。
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