CN115506790A - 基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统及监测方法，为低成本高精度高可靠性的钻井液流体组分实时在线监测系统及综合监测的方法和技术。把螺旋状铠装光缆固定到耐高压钻井液管线的外侧，把钻井液组分探测分析特种光缆铺设并固定在钻井液槽的底部，把井口地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与螺旋状铠装光缆和钻井液组分探测分析特种光缆相连接，构建一个基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，实时在线快速测量分析钻井液的性能参数。根据实时反馈的技术数据，对当前钻井液的适用性进行评估，并给出下一步钻井液性能调控建议，以优化和提高钻井液性能，提高钻井效率和质量，防止井漏、井喷、井塌和卡钻等事故的发生。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统及监测方法。
背景技术
光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。
井下光纤传感系统可以用于井下进行压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。
全球构建数字化油田进程正在加速，目前已在智能钻井平台、智能钻井设计和智能地质导向等方面取得了巨大进步，但在钻井液性能实时采集方面始终未有实质性的进展。因此，钻井液性能在线测量技术对于规避井下钻井施工风险、提高钻井效率、建设数字化油田具有重要意义。
实时在线钻井液监测系统可连续测量钻井液的密度、表观粘度、温度、乳化稳定性等性能参数，对当前钻井液的适用性进行评估，并给出下一步钻井液性能调控建议。现场技术人员根据实时反馈的技术数据，将不同时间间隔的各种数据集成到实时工程分析中，以优化和提高钻井液性能，提高钻井效率和质量，防止井漏、井喷、井塌和卡钻等事故的发生。
实时在线测定不同温度下钻井液的剪切应力与剪切速率的关系，可以反映温度对钻井液流变性的影响，并基于当前的实时监测数据自动建立流变模型，为下部地层的钻井液流变性能调控提供操作建议。实时监测的钻井液性能参数可以生成钻井液的全粘弹性流动剖面，从而实现对钻井液粘弹特性的连续和原位测量。对实时在线测量数据，结合钻机实钻数据进行工程技术分析，并将分析结果传输给工程技术人员，便于他们规避井下钻井施工风险、提高钻井效率。
拉曼光谱法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射，散射光与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系的分析方法。与红外光谱类似，拉曼光谱是一种振动光谱技术。所不同的是，前者与分子振动时偶极矩变化相关，而拉曼效应则是分子极化率改变的结果，被测量的是非弹性的散射辐。
一定波长的电磁波作用于被研究物质的分子，引起分子相应能级的跃迁，产生分子吸收光谱。引起分子电子能级跃迁的光谱称电子吸收光谱，其波长位于紫外～可见光区，故称紫外－可见光谱。电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。引起分子振动能级跃迁的光谱称振动光谱，振动能级跃迁的同时伴有转动能级的跃迁。拉曼散射光谱是分子的振动－转动光谱。用远红外光波照射分子时，只会引起分子中转动能级的跃迁，得到纯转动光谱。
拉曼光谱的优点在于它的快速，准确，测量时通常不破坏样品（固体，半固体，液体或气体），样品制备简单甚至不需样品制备。谱带信号通常处在可见或近红外光范围，可以有效地和光纤联用。这也意味着谱带信号可以从包封在任何对激光透明的介质，如玻璃，塑料内，或将样品溶于水中获得。现代拉曼光谱仪使用简单，分析速度快（几秒到几分钟），性能可靠。因此，拉曼光谱与其他分析技术联用比其他光谱联用技术从某种意义上说更加简便（可以使用单变量和多变量方法以及校准）。
拉曼谱带的强度与待测物浓度的关系遵守比尔定律： IV = KLCI0 其中IV是给定波长处的峰强，K代表仪器和样品的参数，L是光路长度，C是样品中特定组分的摩尔浓度，I0是激光强度。实际工作中，光路长度被更准确的描述为样品体积，这是一种描述激光聚焦和采集光学的仪器变量。上述等式是拉曼定量应用的基础。
拉曼光谱仪的应用非常广泛，在物理、化学、材料等很多领域均有应用。随着拉曼技术的不断发展，相信以后的应用会更加普遍。拉曼光谱仪的原理非常简单，当光打到样品上时候，样品分子会使入射光发生散射。大部分散射的光频率没变，我们这种散射称为瑞利散射，部分散射光的频率变了，称为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差称为拉曼位移。激光拉曼光谱仪主要就是通过拉曼位移来确定物质的分子结构，针对固体、液体、气体、有机物、高分子等样品均可以进行定量定性分析。
目前还没有基于分布式光纤传感技术的钻井液实时在线监测或测量系统，只有在钻井液池内手工采集钻井液样品，用常规测量仪器或装置进行钻井液性能参数的测量的方法。此方法测量效率低，测试分析速度慢，无法实时快速的为钻井工程师提供钻井液性能参数，无法提高钻井效率，更无法实时调整优化钻井作业流程，难以规避井下钻井施工风险，有可能引起井下井漏、井喷、井塌和卡钻事故的发生。
发明内容
为了在钻井作业时实时在线监测钻井液的钻井液性能参数，本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了在耐高压钻井液管线外侧固定螺旋状的铠装光缆，钻井液槽内还铺设了钻井液组分探测分析特种光缆，把井口地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与螺旋状铠装光缆和钻井液组分探测分析特种光缆在井口附近相连接，就构建了一个基于分布式光纤传感技术的钻井液实时在线监测或测量系统，实时在线快速测量分析钻井液的性能参数，现场技术人员根据实时反馈的技术数据，对当前钻井液的适用性进行评估，并给出下一步钻井液性能调控建议，并将不同时间间隔的各种数据集成到实时工程分析中，以优化和提高钻井液性能，提高钻井效率和质量，防止井漏、井喷、井塌和卡钻等事故的发生。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，包括钻机，钻铤，钻头，钻井液泵，钻井液槽，钻井液池，钻杆，耐高压钻井液管线，耐高压钻井液管线外侧固定有螺旋状铠装光缆，铠装光缆内有复合光纤，所述的复合光纤包括耐高温高灵敏度的单模光纤、多模光纤，或者包括有特种光纤，在钻井液槽内还铺设了钻井液组分探测分析特种光缆，还包括放置于井口附近的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器；激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与铠装光缆内的复合光纤和钻井液组分探测分析特种光缆相连接。
所述的复合光纤外有连续金属细管对其进行封装。所述钻井液组分探测分析特种光缆上有多个钻井液组分测量窗口，两个钻井液组分测量窗口之间的间距为0.5米或1米中的任意一种。所述钻井液组分探测分析特种光缆铺设并固定在在钻井液槽的底部。
所述的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器包括激光光源、信号发生器、光电/光声调制器、环形器、单色器、光电检测器、相位解调器、解调输出记录仪和计算机。所述的激光光源为Ar离子激光器、Kr离子激光器、He-Ne激光器、Nd-YAG激光器，或二极管激光器中的任一种；拉曼激光光源波长从325nm到1064nm。所述的单色器可为单光栅、双光栅或三光栅，使用平面全息光栅干涉器，为多层镀硅的CaF2或镀Fe2O3的CaF2分束器，或者用石英分束器及扩展范围的KBr分束器。所述的光电检测器采用光电倍增管，采用CCD探测器、Ge或InGaAs检测器。
所述耐高压钻井液管线外侧固定螺旋状铠装光缆，可以实时在线测量钻井液的流速、温度、密度，所述钻井液组分探测分析特种光缆可以实时在线测量钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、静切力、pH值、碱度、含砂量、固相含量等钻井液性能参数。
所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：
（1）、把螺旋状铠装光缆固定到从钻井液泵到钻铤连接处的耐耐高压钻井液管线的外侧；
（2）、钻井液组分探测分析特种光缆铺设并固定在在钻井液槽的底部；
（3）、在井口处把螺旋状铠装光缆内的复合光纤中的单模光纤和多模光纤分别连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器的DAS和DTS输入端；
（4）、在井口处把钻井液组分探测分析特种光缆连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器的激光源信号输出端和输入端；
（5）、钻井作业开始后，耐高压钻井液从钻井液池内通过钻井液泵泵入耐高压钻井液管线，固定在耐高压钻井液管线外侧的螺旋状铠装光缆内的单模光纤和多模光纤通过DAS/DTS复合调制解调仪器实时在线测量耐高压钻井液管线内钻井液的流速、温度、密度；
（6）、耐高压钻井液沿钻铤，钻杆和钻头到达井底，然后沿钻杆和钻孔之间的环空携带岩屑返回地面，通过钻井液槽流入钻井液池；
（7）在地面启动激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器并向铺设在钻井液槽底部的钻井液组分探测分析特种光缆中发射激发的光源信号，光源信号在通过钻井液组分测量窗口时直接照射进入测量窗口内的钻井液；
（8）地面上的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器通过测量到的拉曼位移来确定每个地下流体测量窗口内的各种流体和岩屑的分子结构，对其进行定性定量分析；根据对钻井液组分的分析结果，可以定量确定实时在线测量钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、静切力、pH值、碱度、含砂量、固相含量等钻井液性能参数；
（9）、实时在线测量的钻井液性能参数可以用于优化钻井工艺，保证钻井液柱对井底和井壁产生足够的压力，以平衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防止井喷、保护井壁，最佳粘度钻井液携带岩屑能力强，不易在井壁形成假泥饼，不易引起钻具阻卡，保证钻头不易形成泥包，同时防止高压油气水侵入钻井液，以免破坏钻井液的性能引起井下井漏、井喷、井塌和卡钻复杂情况。
本发明提供的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统及监测方法，为低成本、高精度、高可靠性的钻井液流体组分实时在线监测系统及其动态变化综合监测的方法和技术。本发明提出了把螺旋状铠装光缆固定到从钻井液泵到钻铤连接处的耐高压钻井液管线的外侧，把钻井液组分探测分析特种光缆铺设并固定在钻井液槽的底部，把井口地面的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器与螺旋状铠装光缆和钻井液组分探测分析特种光缆相连接，构建一个基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，实时在线快速测量分析钻井液的性能参数。现场技术人员根据实时反馈的技术数据，对当前钻井液的适用性进行评估，并给出下一步钻井液性能调控建议，并将不同时间间隔的各种数据集成到实时工程分析中，以优化和提高钻井液性能，提高钻井效率和质量，防止井漏、井喷、井塌和卡钻等事故的发生。
附图说明
图1是本发明的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统的布设示意图。
图2是本发明的基于分布式光纤传感的钻井液槽内钻井液组分探测分析特种光缆结构示意图。
附图标记：1、钻机；2、钻铤；3、钻头；4、钻井液泵；5、钻井液槽；6、钻井液池；7、耐高压钻井液管线；8、钻杆；9、铠装光缆；10、复合光纤；11、钻井液组分探测分析特种光缆；12、激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器；13、钻井液组分测量窗口；14、激光光源；15、单色器；16、光电检测器。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明的一种基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统的具体实施方式，如下所示：
如图1所示，基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，包括钻机1，钻铤2，钻头3，钻井液泵4，钻井液槽5，钻井液池6，钻杆8，耐高压钻井液管线7，耐高压钻井液管线7外侧固定有螺旋状铠装光缆9，铠装光缆9内有复合光纤10，所述的复合光纤10包括耐高温高灵敏度的单模光纤、多模光纤，或者包括有特种光纤，在钻井液槽5内还铺设了钻井液组分探测分析特种光缆11，还包括放置于井口附近的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12；激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12与铠装光缆9内的复合光纤10和钻井液组分探测分析特种光缆11相连接。所述的复合光纤10外有连续金属细管对其进行封装。
所述钻井液组分探测分析特种光缆11上有多个钻井液组分测量窗口13，两个钻井液组分测量窗口13之间的间距为0.5米或1米中的任意一种。所述钻井液组分探测分析特种光缆11铺设并固定在在钻井液槽5的底部。
如图2所示，所述的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12包括激光光源14、信号发生器、光电/光声调制器、环形器、单色器15、光电检测器16、相位解调器、解调输出记录仪和计算机。
所述的激光光源14为Ar离子激光器、Kr离子激光器、He-Ne激光器、Nd-YAG激光器，或二极管激光器中的任一种；拉曼激光光源波长从325nm到1064nm。
所述的单色器15可为单光栅、双光栅或三光栅，使用平面全息光栅干涉器，为多层镀硅的CaF2或镀Fe2O3的CaF2分束器，或者用石英分束器及扩展范围的KBr分束器。
所述的光电检测器16采用光电倍增管，采用CCD探测器、Ge或InGaAs检测器。
所述耐高压钻井液管线7外侧固定螺旋状铠装光缆9，可以实时在线测量钻井液的流速、温度、密度，所述钻井液组分探测分析特种光缆11可以实时在线测量钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、静切力、pH值、碱度、含砂量、固相含量等钻井液性能参数。
所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：
（a）、把螺旋状铠装光缆9固定到从钻井液泵4到钻铤2连接处的耐高压钻井液管线7的外侧；
（b）、钻井液组分探测分析特种光缆11铺设并固定在在钻井液槽5的底部；
（c）、在井口处把螺旋状铠装光缆9内的复合光纤10中的单模光纤和多模光纤分别连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12的DAS和DTS输入端；
（d）、在井口处把钻井液组分探测分析特种光缆11连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12的激光源信号输出端和输入端；
（d）、钻井作业开始后，耐高压钻井液从钻井液池6内通过钻井液泵4泵入耐高压钻井液管线7，固定在耐高压钻井液管线7外侧的螺旋状铠装光缆9内的单模光纤和多模光纤通过DAS/DTS复合调制解调仪器12实时在线测量钻井液的流速、温度、密度；
（f）、耐高压钻井液沿钻铤2，钻杆8和钻头3到达井底，然后沿钻杆8和钻孔之间的环空携带岩屑返回地面，通过钻井液槽5流入钻井液池6；
（g）、在地面启动激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12并向铺设在钻井液槽5底部的钻井液组分探测分析特种光缆11中发射激发的光源信号，光源信号在通过钻井液组分测量窗口13时直接照射进入测量窗口内的钻井液；
（h）、地面上的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器12通过测量到的拉曼位移来确定每个地下流体测量窗口内的各种流体和岩屑的分子结构，对其进行定性定量分析；根据对钻井液组分的分析结果，可以定量确定实时在线测量钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、静切力、pH值、碱度、含砂量、固相含量等钻井液性能参数；
（i）、实时在线测量的钻井液性能参数可以用于优化钻井工艺，保证钻井液柱对井底和井壁产生足够的压力，以平衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防止井喷、保护井壁，最佳粘度钻井液携带岩屑能力强，不易在井壁形成假泥饼，不易引起钻具阻卡，保证钻头3不易形成泥包，同时防止高压油气水侵入钻井液，以免破坏钻井液的性能引起井下井漏、井喷、井塌和卡钻复杂情况。
Claims (10)
1.基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，包括钻机（1），钻铤（2），钻头（3），钻井液泵（4），钻井液槽（5），钻井液池（6），钻杆（8），耐高压钻井液管线（7），耐高压钻井液管线（7）外侧固定有螺旋状的铠装光缆（9），铠装光缆（9）内有复合光纤（10），所述的复合光纤（10）包括耐高温高灵敏度的单模光纤、多模光纤，或者包括有特种光纤，在钻井液槽（5）内还铺设了钻井液组分探测分析特种光缆（11），还包括放置于井口附近的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）；
激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）与铠装光缆（9）内的复合光纤（10）和钻井液组分探测分析特种光缆（11）相连接。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述的复合光纤（10）外有连续金属细管对其进行封装。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述钻井液组分探测分析特种光缆（11）上有多个钻井液组分测量窗口（13），两个钻井液组分测量窗口（13）之间的间距为0.5米或1米中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述钻井液组分探测分析特种光缆（11）铺设并固定在在钻井液槽（5）的底部。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）包括激光光源（14）、信号发生器、光电/光声调制器、环形器、单色器（15）、光电检测器（16）、相位解调器、解调输出记录仪和计算机。
6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述的激光光源（14）为Ar离子激光器、Kr离子激光器、He-Ne激光器、Nd-YAG激光器，或二极管激光器中的任一种；拉曼激光光源波长从325nm到1064nm。
7.根据权利要求5所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述的单色器（15）可为单光栅、双光栅或三光栅，使用平面全息光栅干涉器，为多层镀硅的CaF2或镀Fe2O3的CaF2分束器，或者用石英分束器及扩展范围的KBr分束器。
8.根据权利要求5所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述的光电检测器（16）采用光电倍增管，采用CCD探测器、Ge或InGaAs检测器。
9.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统，其特征在于，所述耐高压钻井液管线（7）外侧固定螺旋状铠装光缆（9），可以实时在线测量钻井液的流速、温度、密度，所述钻井液组分探测分析特种光缆（11）可以实时在线测量钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、静切力、pH值、碱度、含砂量、固相含量等钻井液性能参数。
10.根据权利要求1到9任一项所述的基于分布式光纤传感的钻井液实时在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）、把螺旋状铠装光缆（9）固定到从钻井液泵（4）到钻铤（2）连接处的耐高压钻井液管线（7）的外侧；
（b）、钻井液组分探测分析特种光缆（11）铺设并固定在在钻井液槽（5）的底部；
（c）、在井口处把螺旋状铠装光缆（9）内的复合光纤（10）中的单模光纤和多模光纤分别连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）的DAS和DTS输入端；
（d）、在井口处把钻井液组分探测分析特种光缆（11）连接到激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）的激光源信号输出端和输入端；
（d）、钻井作业开始后，耐高压钻井液从钻井液池（6）内通过钻井液泵（4）泵入耐高压钻井液管线（7），固定在耐高压钻井液管线（7）外侧的螺旋状铠装光缆（9）内的单模光纤和多模光纤通过DAS/DTS复合调制解调仪器（12）实时在线测量钻井液的流速、温度、密度；
（f）、耐高压钻井液沿钻铤（2），钻杆（8）和钻头（3）到达井底，然后沿钻杆（8）和钻孔之间的环空携带岩屑返回地面，通过钻井液槽（5）流入钻井液池（6）；
（g）、在地面启动激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）并向铺设在钻井液槽（5）底部的钻井液组分探测分析特种光缆（11）中发射激发的光源信号，光源信号在通过钻井液组分测量窗口（13）时直接照射进入测量窗口内的钻井液；
（h）、地面上的激光拉曼光谱/DAS/DTS复合调制解调仪器（12）通过测量到的拉曼位移来确定每个地下流体测量窗口内的各种流体和岩屑的分子结构，对其进行定性定量分析；根据对钻井液组分的分析结果，可以定量确定实时在线测量钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、静切力、pH值、碱度、含砂量、固相含量等钻井液性能参数；
（i）、实时在线测量的钻井液性能参数可以用于优化钻井工艺，保证钻井液柱对井底和井壁产生足够的压力，以平衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防止井喷、保护井壁，最佳粘度钻井液携带岩屑能力强，不易在井壁形成假泥饼，不易引起钻具阻卡，保证钻头（3）不易形成泥包，同时防止高压油气水侵入钻井液，以免破坏钻井液的性能引起井下井漏、井喷、井塌和卡钻复杂情况。
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