CN112282735A - 一种水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统，其包括：电磁固定装置和光纤检测装置；所述光纤检测装置的检测端由所述电磁固定装置固定在井下生产管柱内，通过DAS和DTS技术实现对全生产管柱内流体动态温度、固体颗粒含量及泄漏点的监测；所述电磁固定装置包括电磁铁控制器和电磁吸块；所述电磁铁控制器位于生产油井的外部，所述电磁铁控制器经过电缆与所述电磁吸块连接，由所述电磁铁控制器控制所述电磁吸块的充磁和消磁。本发明能实现全生产管柱内固体颗粒含量、温度及泄露点监测，可以广泛在海域天然气水合物开采技术领域中应用。

Description

一种水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种海域天然气水合物开采技术领域，特别是关于一种基于DAS、DTS双通道技术的水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统。

背景技术

在海域天然气水合物试采和生产过程中，生产管柱内面临水合物分解再生成以及地层砂冲蚀、破裂等流动安全问题。其中：海域水合物开采中流入井底的水合物会在生产管柱内随压力降低温度升高而分解，同时生成的天然气会在低温高压生产管柱段再生成水合物严重时造成堵塞管柱；水合物开采过程中储层释放的天然气、水会带动大量颗粒进入井底甚至井筒生产管柱，加剧生产管柱磨损腐蚀；不同因素引起的井筒环控带压、地层大变形、管道腐蚀等都会导致生产管柱破裂损坏等。为了探究水合物开采生产管柱内流动机制和保证生产管柱流动安全，设计出实时监测温度、固体颗粒含量、泄漏点的全生产管柱内流动安全监测系统十分必要。

目前，传统的出砂监测技术包括超声波监测、电阻技术检测、地面检测、井下探砂仪检测技术等。现有检测技术存在无法检测多个出砂点、对多原管道有损害、工艺复杂、精确度不高等问题。现有生产管柱泄露检测技术有多臂井径测井、电磁探伤测井、转子流量计、梯度井温测井、井下照相机和噪声测井等,但对很难检测小泄露点引起的泄露。因此常规的监测手段根本无法实现实时监测温度、固体颗粒含量、泄漏点的全生产管柱内流动安全监测需求，而近年来发展起来的分布式光纤声波传感(Distributed Acoustic Sensor,DAS)、分布式光纤温度传感(Distributed Temperature Sensor,DTS)技术可以沿着生产管柱布设传感光缆，从而对全生产管柱进行监测。

分布式光纤声波传感(Distributed Acoustic Sensor,DAS)、分布式光纤温度传感(Distributed Temperature Sensor,DTS)技术都是通过检测光脉冲在光纤中背向散射效应。DAS监测技术是通过记录瑞利背向散射光的强度和相位来反映光纤所处环境的时空应变状态，从而揭示应力响应事件发生的时间、位置及程度。DTS监测技术可通过光纤传感记录的斯托克斯和反斯托克斯光强的比值来判断事件温度的变化。DAS、DTS检测技术是一种光纤本身既作为信号传输介质、又作为传感器的监测技术，能通过光纤布置实现全生产管柱内流动安全实时监测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统，其能实现全生产管柱内温度、固体颗粒含量、泄漏点的流动安全实时监测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统，其包括：电磁固定装置和光纤检测装置；所述光纤检测装置的检测端由所述电磁固定装置固定在井下生产管柱内，通过DAS和DTS技术实现对全生产管柱固体颗粒及温度的监测；所述电磁固定装置包括电磁铁控制器和电磁吸块；所述电磁铁控制器位于生产油井的外部，所述电磁铁控制器经过电缆与所述电磁吸块连接，由所述电磁铁控制器控制所述电磁吸块的充磁和消磁。

进一步，所述电磁吸块设置为多个，各所述电磁吸块串联连接在所述电缆上。

进一步，所述电磁吸块的个数根据生产管柱的长度进行设置，相邻两所述电磁吸块之间的距离根据生产管柱进行调整。

进一步，位于所述电缆的末端设置有所述配重块。

进一步，所述电磁吸块采用弧形结构。

进一步，所述电磁吸块上设置有两个圆形通道，其中一个所述圆形通道用于穿设所述电缆，另一个所述圆形通道用于穿设所述光纤检测装置的检测端。

进一步，所述光纤检测装置包括DAS主机、DTS主机、铠装光纤和信号处理显示系统；所述DAS主机、DTS主机设置生产油井的外部，所述DAS主机、DTS主机的输出端都与所述铠装光纤的第一端连接，所述铠装光纤的第二端通过另一个所述圆形通道穿设在各所述电磁吸块上；所述DAS主机、DTS主机的输入端都与所述信号处理显示系统连接，将接收到的所述铠装光纤反馈至的检测信号进行预处理后传输至所述信号处理显示系统，完成对全生产管柱内固体颗粒的监测。

进一步，所述信号处理显示系统内设置有监测数据解释模块，所述监测数据解释模块将所述DAS主机、DTS主机传输至的检测信号进行再处理及曲线初步解释分析后，输出监测数据/曲线解释及预判。

进一步，所述监测数据解释模块内置的监测解释方法包括以下步骤：

1)以生产管柱井筒深度为横坐标，分别以DAS主机监测强度和DTS主机监测温度为纵坐标，建立井深坐标系；

2)利用DAS主机监测的生产井筒内光纤振动相关参数和DTS主机监测的生产管柱内光纤温度相关参数，分别在井深坐标系中绘制DAS声强－井深曲线图和DTS温度－井深曲线图；

3)定义固体颗粒含量；

4)定义泄露点；

从DTS温度－井深曲线图中获取任意生产管柱段的某时刻的温度随生产管柱井筒深度变化曲线，通过数据微积分处理得到该曲线上任意生产管柱井筒深度范围的监测平均温度；

该变化曲线覆盖生产管柱井筒深度范围内某深度监测温度小于预设深度生产管柱井筒深度范围内的监测温度，且与该预设深度生产管柱井筒深度范围内的监测平均温度相比，温差大于预设温度，则定义该深度生产管柱存在泄漏点。

进一步，所述步骤3)中，固体颗粒含量定义包括以下步骤：

3.1)从DAS声强－井深曲线图中获取任意生产管柱段的某时刻瑞利背向散射光强度随生产管柱井筒深度变化曲线，连接该曲线波谷形成一区域；

3.2)根据各个生产管柱段所覆盖的井筒深度范围，采用面积法计算各个生产管柱段所覆盖的井深范围内的区域面积；

3.3)将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于1倍，小于2倍面积方差的生产管柱段判断为低固体含量段生产管柱，将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于2倍，小于4倍面积方差的生产管柱段判断为中度固体含量段生产管柱，将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于4倍面积方差的生产管柱段判断为高固体含量段生产管柱。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用分布式光纤全生产管柱连续监测，针对不同油管组合生产管柱进行光纤布置，固定点可调，不破坏原有生产管柱，能有效提高适用范围。2、本发明采用双光纤通道，每根光纤不局限单芯，有效提高了可靠性。3、本发明的电缆、光缆及电磁吸块结构能有效提高电磁吸块在生产管柱内吸附稳定性，实现光缆规律安装分布。4、本发明能有效实现生产管柱内温度、固体颗粒含量、泄漏点等流动安全监测。5、本发明的监测范围涵盖井口到井底全生产管柱的动态实时数据，有利于探究实际水合物开采全生产管柱内流变特性变化。6、本发明可重复使用。

综上，本发明有效解决了井下多点实时监测需求问题，以及水合物全生产管柱内温度、固体颗粒含量、泄漏点等流动安全监测问题。

附图说明

图1是本发明的监测系统结构示意图。

图2是本发明中电磁吸块结构示意图。

图3是本发明在多层开采中安装示意图。

图4是本发明在单层开采中安装示意图。

图5是本发明在某时刻多层开采所监测到的固体颗粒DAS监测结果示意图。

图6是本发明在某时刻多层开采所监测到的温度DTS监测结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1～图3所示，本发明提供一种基于DAS、DTS双通道技术的水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统，其包括电磁固定装置和光纤检测装置。光纤检测装置的检测端由电磁固定装置固定在井下生产管柱内，通过DAS和DTS技术实现对全生产管柱固体颗粒及温度的监测。

在一个优选的实施例中，电磁固定装置包括电磁铁控制器1和电磁吸块3。电磁铁控制器1位于生产油井的外部，电磁铁控制器1经过电缆2与电磁吸块3连接，由电磁铁控制器1控制电磁吸块3的充磁和消磁。

在本实施例中，电磁吸块3设置为多个，各电磁吸块3串联连接在电缆2上；电磁吸块3的个数具体可根据生产管柱的长度进行设置。相邻两电磁吸块3之间的距离根据生产管柱进行调整。

在本实施例中，在生产油井内，位于电缆2的末端可以设置有配重块4。使用时，通过配重块4将电磁吸块3及电缆2下放至生产油井内。

在本实施例中，优选的，如图2所示，电磁吸块3采用弧形结构，以便与生产管柱的内壁有效贴合。在电磁吸块3上设置有两个圆形通道31、32，其中一个圆形通道31用于穿设电缆2，另一个圆形通道32用于穿设光纤检测装置的检测端。

在一个优选的实施例中，光纤检测装置包括DAS主机6、DTS主机7、铠装光纤8和信号处理显示系统5。DAS主机6、DTS主机7设置生产油井的外部，DAS主机6、DTS主机7的输出端都与铠装光纤8的第一端连接，铠装光纤8的第二端通过另一个圆形通道32穿设在各电磁吸块3上，铠装光纤8的第二端穿过最末端的电磁吸块3后，与配重块4连接。DAS主机6、DTS主机7的输入端都与信号处理显示系统5连接，DAS主机6、DTS主机7将接收到的铠装光纤8反馈至的检测信号进行预处理后传输至信号处理显示系统5，完成对全生产管柱内流体温度、固体颗粒含量及泄漏点的监测。

在本实施例中，铠装光纤8内设置有两根以上的光纤，且每根光纤不局限单芯光纤，进而实现多通道数据监测分析，有效提高计算精度；并能满足温度监测、振动监测及预留的需求。通过温度和振动参数监测水合物井筒流变中温度及固体颗粒。

上述各实施例中，信号处理显示系统5内设置有监测数据解释模块，监测数据解释模块将DAS主机6、DTS主机7传输至的检测信号进行再处理及曲线初步解释分析后，输出监测数据/曲线解释及预判。

其中，监测数据解释模块能实现DAS固体颗粒监测和DTS温度监测。监测数据解释模块内置的监测解释方法包括建立井深坐标系、生成DAS声强－井深曲线图和DTS温度－井深曲线图，进行安全分析解释。具体步骤如下：

1)建立井深坐标系；

以生产管柱井筒深度为横坐标，分别以DAS主机6监测强度和DTS主机7监测温度为纵坐标；

2)利用DAS主机6监测的生产井筒内光纤振动相关参数和DTS主机7监测的生产管柱内光纤温度相关参数，分别在井深坐标系中绘制DAS声强－井深曲线图和DTS温度－井深曲线图；

3)定义固体颗粒含量；

3.1)从DAS声强－井深曲线图中获取任意生产管柱段的某时刻瑞利背向散射光强度随生产管柱井筒深度变化曲线，如图5所示；直线连接该曲线波谷形成一区域，如图5中虚线所示；

3.2)根据各个生产管柱段所覆盖的井筒深度范围，采用面积法计算各个生产管柱段所覆盖的井深范围内虚线与强度随生产管柱井筒深度变化曲线所包围形成的区域面积；

3.3)计算面积方差：将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于1倍，小于2倍面积方差的生产管柱段判断为低固体含量段生产管柱，将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于2倍，小于4倍面积方差的生产管柱段判断为中度固体含量段生产管柱，将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于4倍面积方差的生产管柱段判断为高固体含量段生产管柱；

4)定义泄露点；

从DTS温度－井深曲线图中获取任意生产管柱段的某时刻的温度随生产管柱井筒深度变化曲线。通过数据微积分处理可得到该曲线上任意生产管柱井筒深度范围的监测平均温度。

该变化曲线覆盖生产管柱井筒深度范围内某深度监测温度小于预设深度生产管柱井筒深度范围内的监测温度，且与该预设深度生产管柱井筒深度范围内的监测平均温度相比，温差大于预设温度，则定义该深度生产管柱存在泄漏点。

优选的，预设深度为±0.5米；预设温度为0.05摄氏度。

使用时，如图3、图4所示，为本发明在水合物多层开采和单层开采中的安装实施示意图，图5为监测解释模块处理后某时刻深水水合物多层开采所监测到的固体颗粒DAS监测结果示意图。固体颗粒从各开采段滑套或油嘴处进入生产管柱，冲击碰撞光纤，造成该段光纤内瑞利背向散射光强度增大，不同固体含量造成的油嘴处及管柱内光纤振动程度不同，根据监测数据解释模块对DAS监测强度研判固体颗粒含量。

图6为监测解释模块处理后某时刻深水水合物多层开采所监测到的温度DTS监测结果示意图。全生产管柱从井口到井底温度整体呈先下降再上升趋势，上升阶段中上升速度明显降低的为开采储层，温度明显下降的点为生产管柱泄露点。

上述各实施例中，本发明的监测范围涵盖井口到井底全生产管柱内流体的动态温度、固体颗粒含量、泄漏点，有利于探究实际水合物开采全生产管柱内流变特性变化。

综上，本发明在使用时，可在完井后或生产过程中通过井口采油树下入井下生产管柱内，不需破坏原有井口及井下装置，光纤检测装置通过电磁吸块3固定在生产管柱内壁。

当本发明的监测系统下入时，通过电磁控制器对所有电磁吸块3消磁，使监测系统顺利下入井底；监测系统就位后通过电磁控制器对所有电磁吸块3进行充磁，使电磁吸块3吸附在生产管柱内壁上，进而将光纤固定。监测完成后，反向操作，取出监测系统。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种水合物开采全生产管柱内流动安全实时监测系统，其特征在于，包括：电磁固定装置和光纤检测装置；所述光纤检测装置的检测端由所述电磁固定装置固定在井下生产管柱内，通过DAS和DTS技术实现对全生产管柱固体颗粒及温度的监测；

所述电磁固定装置包括电磁铁控制器和电磁吸块；所述电磁铁控制器位于生产油井的外部，所述电磁铁控制器经过电缆与所述电磁吸块连接，由所述电磁铁控制器控制所述电磁吸块的充磁和消磁。

2.如权利要求1所述监测系统，其特征在于，所述电磁吸块设置为多个，各所述电磁吸块串联连接在所述电缆上。

3.如权利要求2所述监测系统，其特征在于，所述电磁吸块的个数根据生产管柱的长度进行设置，相邻两所述电磁吸块之间的距离根据生产管柱进行调整。

4.如权利要求1所述监测系统，其特征在于，位于所述电缆的末端设置有所述配重块。

5.如权利要求1或2或3所述监测系统，其特征在于，所述电磁吸块采用弧形结构。

6.如权利要求5所述监测系统，其特征在于，所述电磁吸块上设置有两个圆形通道，其中一个所述圆形通道用于穿设所述电缆，另一个所述圆形通道用于穿设所述光纤检测装置的检测端。

7.如权利要求6所述监测系统，其特征在于，所述光纤检测装置包括DAS主机、DTS主机、铠装光纤和信号处理显示系统；所述DAS主机、DTS主机设置生产油井的外部，所述DAS主机、DTS主机的输出端都与所述铠装光纤的第一端连接，所述铠装光纤的第二端通过另一个所述圆形通道穿设在各所述电磁吸块上；所述DAS主机、DTS主机的输入端都与所述信号处理显示系统连接，将接收到的所述铠装光纤反馈至的检测信号进行预处理后传输至所述信号处理显示系统，完成对全生产管柱内固体颗粒的监测。

8.如权利要求7所述监测系统，其特征在于，所述信号处理显示系统内设置有监测数据解释模块，所述监测数据解释模块将所述DAS主机、DTS主机传输至的检测信号进行再处理及曲线初步解释分析后，输出监测数据/曲线解释及预判。

9.如权利要求7所述监测系统，其特征在于，所述监测数据解释模块内置的监测解释方法包括以下步骤：

1)以生产管柱井筒深度为横坐标，分别以DAS主机监测强度和DTS主机监测温度为纵坐标，建立井深坐标系；

2)利用DAS主机监测的生产井筒内光纤振动相关参数和DTS主机监测的生产管柱内光纤温度相关参数，分别在井深坐标系中绘制DAS声强－井深曲线图和DTS温度－井深曲线图；

3)定义固体颗粒含量；

4)定义泄露点；

从DTS温度－井深曲线图中获取任意生产管柱段的某时刻的温度随生产管柱井筒深度变化曲线，通过数据微积分处理得到该曲线上任意生产管柱井筒深度范围的监测平均温度；

该变化曲线覆盖生产管柱井筒深度范围内某深度监测温度小于预设深度生产管柱井筒深度范围内的监测温度，且与该预设深度生产管柱井筒深度范围内的监测平均温度相比，温差大于预设温度，则定义该深度生产管柱存在泄漏点。

10.如权利要求9所述监测系统，其特征在于，所述步骤3)中，固体颗粒含量定义包括以下步骤：

3.1)从DAS声强－井深曲线图中获取任意生产管柱段的某时刻瑞利背向散射光强度随生产管柱井筒深度变化曲线，连接该曲线波谷形成一区域；

3.2)根据各个生产管柱段所覆盖的井筒深度范围，采用面积法计算各个生产管柱段所覆盖的井深范围内的区域面积；

3.3)将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于1倍，小于2倍面积方差的生产管柱段判断为低固体含量段生产管柱，将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于2倍，小于4倍面积方差的生产管柱段判断为中度固体含量段生产管柱，将生产管柱段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于4倍面积方差的生产管柱段判断为高固体含量段生产管柱。

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