CN117823125A - 一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统；光纤传感技术领域；铠装光纤光缆，包括多根不同场域的光纤光缆，各光纤光缆用于监测井下对应场域的数据；铠装光缆套，用于装载铠装光纤光缆并与铠装光纤光缆一并深入井下；套管，与铠装光纤光缆一并深入井下，所述套管用于固定铠装光缆套；本发明在传统的铠装光缆数据采集技术上进行结构上和方法上的改进，由多根不同场域的光纤光缆同时设置在套管上进行多物理场域监测，同时设置铠装光缆套装载固定各光纤光缆，在套管下井的过程中避免多根铠装光缆的扭转或位移，并且保持每根套管外的铠装光缆的方位不会发生变化。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统。
背景技术
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。目前有多种井下铠装光缆的布设方法，比如安放在井下控制管线内、投放到连续油管内、直接集成到复合材料制成的连续油管管壁中、捆绑固定在连续油管外侧、投放在套管内和捆绑在套管外侧并用固井水泥进行永久性固定等布设方法。
目前套管外一般布设一到两条铠装光缆直接伸入井下进行监测；在套管下井过程中需要反复进行上提下顶和冲撞作业，容易使套管发生扭转或旋转，导致固定在其上的铠装光缆发生扭转或错位，无法保证套管外铠装光缆始终保持所需的方位差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统的套管外铠装光缆在下井过程中容易发生扭转、旋转或错位，无法保证套管外铠装光缆始终保持所需的方位差；本发明目的在于提供一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，多根不同场域的光纤光缆同时设置在套管上进行多物理场域数据测量与监测，同时设置铠装光缆套装载固定各光纤光缆，在套管下井的过程中避免多根铠装光缆发生扭转或位移，并且保持每根套管外的铠装光缆的方位不会发生变化。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，包括：
铠装光纤光缆，包括多根测量不同物理场域参数的光纤光缆，各光纤光缆用于监测井下对应场域的数据；
铠装光缆套，用于装载固定铠装光纤光缆并与铠装光纤光缆一并下入井下；
套管，与铠装光纤光缆一并下入井下，所述套管用于固定铠装光缆套并防止井壁坍塌。
本方案工作原理：传统的铠装光缆数据采集方式容易发生扭转或旋转，导致铠装光缆发生扭转或错位，无法保证套铠装光缆始终保持所需的方位差；本发明目的在于提供一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，在传统的铠装光缆数据采集技术上进行结构上和方法上的改进，由多根不同场域的光纤光缆同时设置在套管上进行多物理场域监测，同时设置铠装光缆套装载固定各光纤光缆，在套管下井的过程中避免多根铠装光缆的扭转或位移，并且保持每根套管外的铠装光缆的方位不会发生变化。
同时本方案利用套管外布设的多根位于不同方位的铠装光缆测量和监测地下三维空间中的多物理场域的数据，通过地面计算机工作站内安装的基于AI的多物理场域数据处理软件，对井下套管外不同方位布设的多根铠装光缆测量的多物理场域数据用AI的方法进行多物理场域建模，实时监测地下多物理场域各参数在地下三维空间上随时间的变化。
进一步优化方案为，
铠装单模光纤光缆，用于监测井下的分布式声波信号和分布式地震信号；
铠装多模光纤光缆，用于监测井下的分布式温度信号；
铠装应变光纤光缆，用于监测井下的分布式应力场信号；
铠装微结构光纤光缆，包括微结构，所述铠装微结构光纤光缆用于监测井下微结构处的声波信号、震动信号和孔隙流体压力信号；
铠装连续光纤光栅光缆，包括光栅，所述铠装连续光纤光栅光缆用于监测井下光栅位置处的声波信号、震动信号、温度信号和孔隙流体压力信号；
铠装特种光纤光缆，测量井下的地下流体组分和孔隙流体压力信号。比如多芯光纤、高反射/散射系数光纤、无氢损/抗氢损光纤等。
进一步优化方案为，所述铠装光缆套包括：不锈钢管、第一复合材料片和第二复合材料片；所述第一复合材料片和第二复合材料片遇热收缩；
每根光纤光缆配备一个不锈钢管，光纤光缆穿过不锈钢管，所述不锈钢管等间距均匀排列在第一复合材料片上，第一复合材料片上排列有多种类型的光纤光缆，其中相同种类的光纤光缆间隔排列；
所述第二复合材料片覆盖固定在内置光纤的不锈钢管上，第一复合材料片和第二复合材料片围成空心圆柱，且不锈钢管与空心圆柱的底面垂直。
进一步优化方案为，所述第一复合材料片上至少设置有3根铠装应变光纤光缆，每根铠装应变光纤光缆之间的间距相等。铠装光缆套内布设3根铠装应变光纤光缆时，每根铠装应变光纤光缆之间的方位相差120度；铠装光缆套内布设4根铠装应变光纤光缆时，每根铠装应变光纤光缆之间的方位相差90度。
进一步优化方案为，所述光纤光缆穿过不锈钢管后，在不锈钢管内注入耐高温光纤膏用于增强光信号耦合能力。
进一步优化方案为，还包括金属卡子；
所述铠装光缆套装套在套管表面，所述金属卡子将铠装光缆套紧固在套管表面。
进一步优化方案为，所述套管包括多段分套管，所述金属卡子紧固在各分套管中心的位置。
在开始把套管分段下放到井下的裸眼钻孔内，再将铠装光缆套包裹在套管外侧，并在每根分套管中部用环形金属卡子将第一复合材料片和第二复合材料片紧密的固定在套管外侧。
进一步优化方案为，还包括设置在井口的环形加热装置和多通道复合调制解调仪器；
所述铠装光纤光缆连接多通道复合调制解调仪器，多通道复合调制解调仪器用于对各光纤光缆采集的数据进行实时调制解调；所述多通道复合调制解调仪器为DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器。启动多通道DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器(14)和计算机工作站(18)，多通道DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器(14)对从井下多根光纤接收到的DAS/DTS/DSS/DPS数据进行实时调制解调，并将调制解调后的DAS/DTS/DSS/DPS数据传输给计算机工作站(18)，计算机工作站(18)内的基于AI功能的井下多物理场域数据分析软件(17)对现场实时调制解调后的DAS/DTS/DSS/DPS数据进行实时处理与自动分析，构建地下实时测量和监测井周围的三维多域数据场在空间中的分布，监测其在三维空间中随时间的变化。
所述环形加热装置固定在井口并用于在套管和铠装光纤套下井时给铠装光缆套加热。在套管的下井作业过程中连续实时给套管加热，加热后的套管使遇热收缩的第一复合材料片和第二复合材料片收缩，并将第一复合材料片和第二复合材料片之间的铠装光缆紧紧的套管的外侧。
进一步优化方案为，所述铠装应变光纤光缆为在单模光纤外表挤注一层复合膜，所述复合膜为耐高温高强度的高分子复合材料。
进一步优化方案为，所述第一复合材料片和第二复合材料片均为热敏高分子复合材料。第一复合材料片和第二复合材料片的宽度与套管的周长相同，第一复合材料片和第二复合材料片的长度与铠装光缆长度相同。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，在传统的铠装光缆数据采集技术上进行结构上和方法上的改进，由多根不同场域的光纤光缆同时设置在套管上进行多物理场域监测，同时设置铠装光缆套装载固定各光纤光缆，在套管下井的过程中避免多根铠装光缆的扭转或位移，并且保持每根套管外的铠装光缆的方位不会发生变化。
本发明提供的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，同时利用套管外布设的多根位于不同方位的铠装光缆测量和监测地下三维空间中的多物理场域的数据，通过地面计算机工作站内安装的基于AI的多物理场域数据处理软件，对井下套管外不同方位布设的多根铠装光缆测量的多物理场域数据用AI的方法进行多物理场域建模，实时监测地下多物理场域各参数在地下三维空间上随时间的变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：
图1为铠装光缆套的底层结构示意图；
图2为铠装光缆套的底层加表层结构示意图；
图3为布设在套管外的铠装光缆套的三维立体结构示意图；
图4为井下布设在套管外的铠装光缆套的三维立体结构示意图；
图5为基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-铠装光缆套，2-铠装单模光纤光缆，3-铠装多模光纤光缆，4-铠装应变光纤光缆，5-铠装微结构光纤光缆，6-铠装连续光纤光栅光缆，7-铠装特种光纤光缆，8-裸眼钻孔，9-金属或非金属套管，10-不锈钢管，11-耐高温光纤膏，12-耐高温高强度的复合材料，13-复合材料片，14-多通道复合调制解调仪器，15-环形金属卡子，16-环形加热装置，17-多物理场域数据分析软件，18-计算机工作站。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，如图1所示，包括：
铠装光纤光缆，包括多根测量不同场域参数的光纤光缆，各光纤光缆用于监测井下对应场域的数据；
铠装光缆套1，用于装载固定铠装光纤光缆并与铠装光纤光缆一并下入井下；
套管9，与铠装光纤光缆一并下入井下，所述套管用于固定铠装光缆套并防止井壁坍塌。
所述光纤光缆的类型包括：
铠装单模光纤光缆2，用于监测井下的分布式声波信号和分布式地震信号；
铠装多模光纤光缆3，用于监测井下的分布式温度信号；
铠装应变光纤光缆4，用于监测井下的分布式应力场信号；
铠装微结构光纤光缆5，包括微结构，所述铠装微结构光纤光缆用于监测井下微结构处的声波信号、震动信号和孔隙流体压力信号；
铠装连续光纤光栅光缆6，包括光栅，所述铠装连续光纤光栅光缆用于监测井下光栅位置处的声波信号、震动信号、温度信号和孔隙流体压力信号；
铠装特种光纤光缆7，测量井下的地下流体组分和孔隙流体压力信号。所述铠装特种光纤光缆为多芯光纤、高反射/散射系数光纤、无氢损光纤或抗氢损光纤。
所述铠装光缆套包括：不锈钢管10、第一复合材料片和第二复合材料片；所述第一复合材料片和第二复合材料片遇热收缩；
井下的铠装光缆套1上位于不同方位的多根铠装单模光纤光缆2用于测量和监测来自地下不同方位不同深度的分布式地下噪声信号、地震波信号、水利压裂诱发的微地震信号、流体运移时产生的被动地震(passiveseismic)信号；
井下的铠装光缆套1上位于不同方位的多根铠装多模光纤光缆3用于测量地下不同方位不同深度的地下分布式温度信号；
井下的铠装光缆套1上位于不同方位的多根铠装应变光纤光缆4，用于测量地下不同方位不同深度的分布式地下应力场信号；
井下的铠装光缆套1上位于不同方位的多根铠装微结构光纤光缆5，用于测量不同方位的每根铠装微结构光纤光缆5上每个微结构位置的声波信号、地震信号和压力信号；
井下的铠装光缆套1上位于不同方位的多根铠装连续光纤光栅(弱光栅)光缆6，用于测量不同方位的每根铠装连续光纤光栅(弱光栅)光缆6上每个光栅位置的温度信号和压力信号；
井下的铠装光缆套1上位于不同方位的多根铠装特种光纤光缆7，用于测量不同方位不同深度上的地下流体组分和孔隙压力的信号；
井口附近地面上的DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器14对上述所测量的地下介质的各种信号进行实时调制解调，并将其解调结果输出到地面计算机工作站18；
地面计算机工作站18内安装的基于AI功能的井下多物理场域数据分析软件17对从DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器14传输过来的地下介质的各种调制解调数据进行AI实时分析处理，基于AI技术依托测量到的地下多种参数构建地下实时测量和监测井周围的三维多域数据场在空间中的分布，并且利用AI技术监测其在三维空间中随时间的变化。
地下实时测量和监测井周围的三维多域数据场包括三维地下噪声场、地下声波或地震波场、地下应力场或地下应变场、地下温度场、地下流体压力场等随时间的变化。
构建的三维地下噪声场、地下声波或地震波场、地下应力场或地下应变场、地下温度场、地下流体压力场等多域数据场随时间的变化对地下的构造运动、地应力变化、孔隙压力变化、流体运移、地温场变化、储层改造效果等进行实时的测量和监测。
每根或多根光纤配备一个不锈钢管，光纤穿过不锈钢管，所述不锈钢管等间距均匀排列在第一复合材料片上，第一复合材料片上排列有多种类型的光纤光缆，其中相同种类的光纤光缆间隔排列；
所述第二复合材料片覆盖固定在内置光纤的不锈钢管上，第一复合材料片和第二复合材料片围成空心圆柱，且不锈钢管与空心圆柱的底面垂直。
第一复合材料片上至少设置有3根铠装应变光纤光缆，每根铠装应变光纤光缆之间的间距相等。
光纤穿过不锈钢管后，在不锈钢管内注入耐高温光纤膏用于增强光信号耦合能力。
还包括金属卡子；
铠装光缆套装套在套管表面，所述金属卡子将铠装光缆套紧固在套管表面。
套管包括多段分套管，所述金属卡子紧固在各分套管中心的位置。
还包括设置在井口的环形加热装置和多通道复合调制解调仪器；
铠装光纤光缆连接多通道复合调制解调仪器，多通道复合调制解调仪器用于对各光纤光缆采集的数据进行实时调制解调；
环形加热装置固定在井口并用于在套管和铠装光纤套下井时给铠装光缆套加热。
铠装应变光纤光缆为在单模光纤外表挤注一层复合膜，所述复合膜为耐高温高强度的高分子复合材料。
第一复合材料片和第二复合材料片为热敏高分子复合材料。
如图2所示，铠装光缆套1是将铠装单模光纤光缆2、铠装多模光纤光缆3、铠装应变光纤光缆4、铠装微结构光纤光缆5，铠装连续光纤光栅(弱光栅)光缆6和铠装特种光纤光缆7等间距固定在两层耐高温耐磨损具有遇热收缩的复合材料片13之间，复合材料片13的宽度与金属或非金属套管9的周长相同，长度与铠装光缆长度相同。
布设在套管外的铠装光缆套的三维立体结构示意图如图3所示，最开始把金属或非金属套管9分段下放到裸眼钻孔8内时，将内部等间距固定了铠装光缆2～7的复合材料片13包裹在金属或非金属套管9外侧，并在每根套管9中部用环形金属卡子15将复合材料片13紧密的固定在套管外侧。
如图4所示，在井口安装有环形加热装置16，在套管9的下井作业过程中连续实时给固定了复合材料片13的套管9加热，使遇热收缩的复合材料片13收缩，并将固定在两片遇热收缩的复合材料片13之间的铠装光缆紧紧的固定在套管9的外侧。
缓慢的将紧密包裹了铠装光缆套1的套管9下入刚完钻的裸眼钻孔8内。
用高压泥浆泵通过钻杆将水泥浆从井底挤入套管9与裸眼钻孔8井壁之间的环空中，直到水泥浆上升到井口为止。
从井底挤入套管9与裸眼钻孔8井壁之间的环空中的水泥浆凝固后，将套管9和铠装光缆套1与裸眼钻孔8井壁的岩石紧紧的固定在一起，形成套管9外的永久性多条铠装光缆的井下多物理场域数据采集和多物理场域数据长期监测系统。
如图5所示，在井口将下到井下的铠装光缆套1上的多根光纤连接到安放在井口附近的多通道DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器14上去。
实施例2
在上一实施例的基础上，本实施例将安装有基于AI功能的井下多物理场域数据分析软件17的计算机工作站18与多通道DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器14相连接。
启动多通道DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器14和计算机工作站18，多通道DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器13对从井下多根光纤接收到的DAS/DTS/DSS/DPS数据进行实时调制解调，并将调制解调后的DAS/DTS/DSS/DPS数据传输给计算机工作站18，计算机工作站18内的基于AI功能的井下多物理场域数据分析软件17对现场实时调制解调后的DAS/DTS/DSS/DPS数据进行实时处理与自动分析，构建地下实时测量和监测井周围的三维多域数据场在空间中的分布，监测其在三维空间中随时间的变化。
地面计算机工作站内安装的基于AI功能的井下多物理场域数据分析软件对从DAS/DTS/DSS/DPS复合调制解调仪器传输过来的地下介质的各种调制解调数据进行AI实时分析处理，基于AI技术依托测量到的地下多种参数构建地下实时测量和监测井周围的三维多域数据场在空间中的分布，并且利用AI技术监测其在三维空间中随时间的变化。
地下实时测量和监测井周围的三维多域数据场包括三维地下噪声场、地下声波或地震波场、地下应力场或地下应变场、地下温度场、地下流体压力场等随时间的变化。
利用上述构建的三维地下噪声场、地下声波或地震波场、地下应力场或地下应变场、地下温度场、地下流体压力场等多域数据场随时间的变化对地下的构造运动、地应力变化、孔隙压力变化、流体运移、地温场变化、储层改造效果等进行实时的测量和监测。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，包括：
铠装光纤光缆，包括多根测量不同物理场域参数的光纤光缆，各光纤光缆用于监测井下对应场域的数据；
铠装光缆套，用于装载固定铠装光纤光缆并与铠装光纤光缆一并下入井下；
套管，与铠装光纤光缆一并下入井下，所述套管用于固定铠装光缆套并防止井壁坍塌。
2.根据权利要求1所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述光纤光缆的类型包括：
铠装单模光纤光缆，用于监测井下的分布式声波信号和分布式地震信号；
铠装多模光纤光缆，用于监测井下的分布式温度信号；
铠装应变光纤光缆，用于监测井下的分布式应力场信号；
铠装微结构光纤光缆，包括微结构，所述铠装微结构光纤光缆用于监测井下微结构处的声波信号、震动信号和孔隙流体压力信号；
铠装连续光纤光栅光缆，包括光栅，所述铠装连续光纤光栅光缆用于监测井下光栅位置处的声波信号、震动信号、温度信号和孔隙流体压力信号；
铠装特种光纤光缆，测量井下的地下流体组分和孔隙流体压力信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述铠装光缆套包括：不锈钢管、第一复合材料片和第二复合材料片；所述第一复合材料片和第二复合材料片遇热收缩；
每根或多根光纤配备一个不锈钢管，光纤穿过不锈钢管，所述不锈钢管等间距均匀排列在第一复合材料片上，第一复合材料片上排列有多种类型的光纤光缆，其中相同种类的光纤光缆间隔排列；
所述第二复合材料片覆盖固定在不锈钢管上，第一复合材料片和第二复合材料片围成空心圆柱，且不锈钢管与空心圆柱的底面垂直。
4.根据权利要求3所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述第一复合材料片上至少设置有3根铠装应变光纤光缆，每根铠装应变光纤光缆之间的间距相等。
5.根据权利要求3所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述光纤光缆穿过不锈钢管后，在不锈钢管内注入耐高温光纤膏用于增强光信号耦合能力。
6.根据权利要求3所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，还包括金属卡子；
所述铠装光缆套套在套管表面，所述金属卡子将铠装光缆套紧固在套管表面。
7.根据权利要求6所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述套管包括多段分套管，所述金属卡子紧固在各分套管中心的位置。
8.根据权利要求3所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，还包括设置在井口的环形加热装置和多通道复合调制解调仪器；
所述铠装光纤光缆连接多通道复合调制解调仪器，多通道复合调制解调仪器用于对各光纤光缆采集的数据进行实时调制解调；
所述环形加热装置固定在井口并用于在套管和铠装光纤套下井时给铠装光缆套加热。
9.根据权利要求2所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述铠装应变光纤光缆为在单模光纤外表挤注一层复合膜，所述复合膜为耐高温高强度的高分子复合材料。
10.根据权利要求8所述的一种基于铠装光缆套的井下多物理场域数据采集系统，其特征在于，所述第一复合材料片和第二复合材料片均为热敏高分子材料。
Priority Applications (1)
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