CN213540375U - 一种天然气储气库温度压力与振动监测系统 - Google Patents

Abstract

一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，涉及一种天然气储气库监测系统，所述系统包括分布式光纤测温系统、准分布式光纤测压系统、分布式光纤振动测试系统；所述的分布式光纤测温系统采用基于光频域反射系统的分布式光纤测温系统（OFDR‑DTS），分布式光纤测温系统由高精度测温光端机、监测光缆、连接尾纤E2000/APC构成；准分布式光纤测压系统由光纤温度压力解调仪、光纤压力传感器、监测光缆构成；本实用新型实现天然气（储气库）井温度剖面、压力、振动多参数、实时动态监测，该监测系统可应用于注气井、观察井、直井采出井、水平井采出井等不同井型，能够为井下流体性质、气液界面、注采剖面、井筒完整性提供评价依据。

Description

一种天然气储气库温度压力与振动监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种天然气储气库监测系统，特别是涉及一种天然气储气库温度压力与振动监测系统。

背景技术

准确及时了解天然气（储气库）井井下温度、压力变化是天然气（储气库）井高效、安全运行的关键，预测注采参数、评价库容，足需要解决的难题。但天然气（储气库）井的运行具有时间性、空间性和不确定性，有注气期、采气期、有调峰应急期，是周期性反复强注强采的过程，运行参数动态变化范围大，常规监测工艺无法满足天然气（储气库）及时、快速、准确、长期高效的监测要求。

近几年，油田光纤传感测试系统迅猛发展，在蒸汽驱、SAGD、火驱、水平井、天然气高压井等开发方面取得了较好的应用，系统日趋成熟。由于光信号本征安全的系统特性，不同于传统监测系统电磁信号，因此非常适用于天然气（储气库）井监测。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，该系统利用高精度光纤温压长效监测系统，并辅助光纤振动测试系统，实现储气库观察井温度剖面、压力、振动实时监测，用于理解井下流体性质、气液界面、注采剖面、井筒完整性，解决了常规监测系统无法满足天然气（储气库）及时、快速、准确、长期高效的监测问题。

本实用新型的目的是通过以下系统方案实现的：

一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，所述系统包括分布式光纤测温系统、准分布式光纤测压系统、分布式光纤振动测试系统；所述的分布式光纤测温系统采用基于光频域反射系统的分布式光纤测温系统（OFDR-DTS），分布式光纤测温系统由高精度测温光端机、监测光缆、连接尾纤E2000/APC构成；准分布式光纤测压系统由光纤温度压力解调仪、光纤压力传感器、监测光缆构成；所述的光纤温度压力解调仪采用时分与波分复用系统，对多通道、多点压力的高精度测试；所述的监测光缆与光纤压力传感器连接方式采用无接续器环焊对接系统，光缆与压力传感器等径对接；所述的分布式光纤振动测试系统采用相干光时域反射系统（C-OTDR），同时包括外差探测系统，对井下振动信号的灵敏度、精度测试；所述的监测光缆包括单层管、多层管、内部铝覆层、内部钢丝绞合铠装及外部钢丝绞合铠装结构；所述的不同井型光缆下入方式包括油管内下入光缆、油管外捆绑光缆及套管外捆绑光缆下入的方式，光缆穿出井口方式分别为油管内下入光缆，通过防喷器及多级密封器的长期密封方式对光缆穿出，油管外捆绑的光缆穿出方式是通过光缆在井口的穿越孔穿出，穿越孔需设置在套管阀门处或者设置在井口四通位置，套管外安装光缆的穿出方式采用将光缆在套管头穿出并对穿越处密封。

所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，所述光纤测温系统宽量程-20℃-1200℃、测温精度±0.2℃、空间分辨率0.5m。

所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，所述准分布式光纤测压系统采用微电子MEMS，结合光纤传感系统对井下多点压力测试。

所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，所述光纤压力传感器采用井下纯硅永久式光纤温度压力测试系统制作，压力敏感芯片采用全硅F-P腔结构，与外界介质直接接触，耐高温300℃、耐高压35MPa、耐天然气腐蚀、强耐氢损。

所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，所述光缆内置多芯单模/多模高温纯硅双披覆光纤，该光纤为纯硅纤芯，外部涂覆层为聚酰亚胺加碳结构。

本实用新型的优点与效果是：

本实用新型采用高精度光纤温压长效监测系统，并辅助光纤振动测试系统，实现储气库井温度剖面、压力实时监测，得到注采剖面并进行储气库综合解释评价。该监测系统具有多参数测试、年迟滞性小、测试精度高、本征安全可靠，适用于多种井况环境等特点，攻克了常规监测无法满足天然气（储气库）及时、快速、准确、长期高效的监测难题。

下面对系统具体技术措施的效果说明如下：

1.本实用新型系统中分布式光纤测温系统采用基于光频域反射系统的分布式光纤测温系统（OFDR-DTS），与光时域分布式光纤测温系统（OTDR-DTS）相比，具有宽量程-20℃-1200℃、高测温精度±0.2℃、高空间分辨率0.5m等优势。分布式光纤测温系统由高精度测温光端机、监测光缆、连接尾纤E2000/APC构成。所述高精度测温光端机位于地面，监测光缆位于井下，连接尾纤E2000/APC用于连接监测光缆与测温光端机。高精度测温光端机采用OFDR光频域精细解调系统实现全井段温度剖面的高精度测试。

2. 本实用新型系统中准分布式光纤测压系统采用微电子MEMS，结合光纤传感系统实现井下多点压力测试。准分布式光纤测压系统由光纤温度压力解调仪、光纤压力传感器、监测光缆构成。光纤温度压力解调仪位于地面，光纤压力传感器位于井下，监测光缆与分布式光纤测温系统共用一根光缆，监测光缆用于将井下压力信号传输至地面设备进行解调。光纤温度压力解调仪采用时分与波分复用系统，实现多通道、多点压力的高精度测试。光纤压力传感器采用井下纯硅永久式光纤温度压力测试系统制作，压力敏感芯片采用全硅F-P腔结构，可与外界介质直接接触，并具有耐高温300℃、耐高压35MPa、耐天然气腐蚀、强耐氢损等特性，可保证在天然气井条件下长期使用三年以上。

3.本实用新型系统中分布式光纤振动测试系统采用相干光时域反射系统（C-OTDR），同时引入外差探测系统实现对井下振动信号的高灵敏度、高精度测试。分布式光纤振动测试系统由分布式光纤振动解调仪、监测光缆、连接尾纤FC/APC构成。其中分布式光纤振动解调仪位于地面，监测光缆位于井下，监测光缆与分布式光纤测温系统共用一根光缆，连接尾纤FC/APC用于连接监测光缆与分布式光纤振动解调仪。的分布式光纤振动解调仪采用相干光时域反射系统与外差探测系统实现系统的检测信噪比最小化，同时增大测试系统振动频响能力，从而达到对井下振动信号高灵敏度、高精度测试。

4.本实用新型监测光缆适用于多种结构，包括单层管、多层管、内部铝覆层、内部钢丝绞合铠装及外部钢丝绞合铠装结构等。光缆材质可根据具体需求定制316L、825合金、625合金等。光缆内置多芯单模/多模高温纯硅双披覆光纤，该光纤为纯硅纤芯，外部涂覆层为聚酰亚胺加碳结构，具有耐高温、耐腐蚀、高机械强度、强抗氢损的特点。监测光缆与光纤压力传感器连接方式采用无接续器环焊对接系统，实现光缆与压力传感器等径对接。

5本实用新型系统中管内下入光缆的监测，是通过将光缆从井口通下入井下，分为带压作业和长期监测两个阶段。第一个阶段为带压作业阶段，此阶段采用成熟的安装防喷器、防喷管及防喷盒的方式，光缆入井使用吊车悬挂天滑轮并辅助地滑轮施工，按要求将光缆下入井下指定位置，光缆下入作业完成后将防喷管、防喷盒等装置拆除。第二阶段为长期监测阶段，通过安装井口悬挂密封器及多级密封器，从而实现长期密封可靠，并可以实现定期更换密封盘根。安装悬挂器及多级密封器后井口整体高度增加较低，解决由于过高而担心防风防雷击等风险。地面监测设备放入现场值班板房或仪表间内保证现场数据监测与传输。

6.本实用新型系统中油管外捆绑光缆监测，在管柱作业过程中将光缆使用保护器安装到油管外壁，井下根据油层及封隔器的情况连接要求数量的压力传感器，保证分层压力数据监测，安装光缆过程中需要穿越井下封隔器，并对穿越处进行密封，井口同样需要将光缆穿越井口并进行井口密封。井口穿越密封完成后将光缆引出至监控中心，入现场值班板房或仪表间内保证现场数据监测与传输。

7.本实用新型系统中套管外捆绑光缆监测，适用于直井及水平井均可，在钻井下入套管过程中使用套管外保护器及扶正器对光缆进行保护，光缆随管柱下入井内，光缆下入时可根据现场实际需要连接压力传感器，光缆捆绑入井，直井段（造斜点以上）使用光纤扶正保护器，水平段使用下部套管扶正保护器。下井前对套管标记”十字“，下光缆时保证按套管的标记位置沿同一方向安装固定，使用水泥进行全井段固井。射孔过程中使用陀螺导向仪测试光缆标记轨迹，采用定向射孔方式避射光缆完成射孔。将光缆穿越套管头并铺设至地面监控中心，通过无线远传系统实现光纤动态数据实时传输。以上三种检测可适用包括注入井、观察井及采出井，同时适用于直井及水平井。

附图说明

图1为本实用新型针对不同井型的油管管内下入监测系统带压下入阶段的监测系统图；

图2为本实用新型不同井型油管管内下入监测系统的长期监测阶段示意图；

图3为本实用新型对不同井型的油管外捆绑光纤监测系统的监测示意图；

图4为本实用新型对不同井型的套管外捆绑光纤监测系统的监测示意图；

图5为本实用新型监测光缆多种结构示意图；

图6为本实用新型监测光缆与光纤压力传感器连接结构示意图；

图7为本实用新型光纤压力传感器保护装置结构示意图。

图中部件标号：高精度测温光端机1、光纤温度压力解调仪2、分布式光纤振动解调仪3、连接尾纤4、监测光缆5；单层管5-1、多层管5-2、内部铝覆层5-3、内部钢丝绞合铠装5-4；钢丝5-4-1、光纤管5-4-2、外部保护管5-4-3；外部钢丝绞合铠装5-5；多点光纤压力传感器6、监测中心7、工控机8、显示器9、UPS10、压力传感器保护装置11；卡扣11-1、压力传感器保护装置11-2；配重12、油管13、套管14、防喷器15、多级密封器16、穿越孔17、套管头18。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型系统包括高精度测温光端机、光纤温度压力解调仪、分布式光纤振动解调仪、连接尾纤、监测光缆、多点光纤压力传感器、井下封隔器、光缆保护器等井下配套工具，其中高精度测温光端机、光纤温度压力解调仪、分布式光纤振动解调仪为地面设备，位于监测中心内。监测光缆位于井下，与地面设备通过连接尾纤进行连接。其中监测光缆由光缆外管及内置一芯或多芯高温光纤构成，其中光缆外管适用于多种光缆结构，包括单层管、多层管、内部铝覆层、内部钢丝绞合铠装及外部钢丝绞合铠装结构等，光缆材质可根据具体需求定制316L、825合金、625合金等。其中内置一芯或多芯高温光纤，该高温光纤为纯硅纤芯，外部涂覆层为聚酰亚胺加碳结构，具有耐高温、耐腐蚀、高机械强度、强抗氢损的特点。光纤温度压力传感器与监测光缆尾端焊接，焊接方式采用无接续器环焊等径对接。不同井型光缆下入方式分别包括油管内下入光缆、油管外捆绑光缆及套管外捆绑光缆下入的方式，光缆穿出井口方式分别为油管内下入光缆是通过防喷器及多级密封器的长期密封方式实现光缆穿出，油管外捆绑的光缆穿出方式是通过光缆在井口的穿越孔穿出，穿越孔需设置在套管阀门处或者设置在井口四通位置，套管外安装光缆的穿出方式采用将光缆在套管头穿出并实现穿越处的密封。

其中高精度测温光端机置于监控中心内，与工控机、显示器、UPS配套使用。高精度测温光端机是分布式光纤测温系统的核心单元，主要功能是实现光信号的发射、接收、滤波、放大、信息处理、数据分析和输出。其中高精度测温光端机采用基于光频域反射系统的分布式光纤测温系统（OFDR-DTS），与常规测温光端机OTDR-DTS相比，具有高测温精度、高定位精度、高空间分辨率等特点。其中光端机光源采用窄带激光源，该光源可减少系统中的自发噪声、增加系统平均有效性，大大缩短测试周期。针对天然气井井下存在高温、高压、腐蚀等特点，结合考虑光源的中心波长、线宽和最大连续输出连续功率等，最终选用1064nm作为激光光源波长，在此波段内光纤氢损达到最小，从而保证测温系统在井下复杂环境条件的测温精度。同时系统中采用步进频率扫描式锁相放大系统，提高对拉曼散射信号的检测信噪比，可增大测温系统的测试精度。

其中光纤温度压力解调仪置于监测中心内，与高精度测温光端机共用一套配套设备。光纤温度压力解调仪是准分布式光纤测压系统的核心设备，用于实现对光纤压力传感器的输入光源激励和输出光谱信号解调。该解调仪采用扫描激光器+脉冲时分调制+并行光谱探测系统，可对井下监测光缆存在传输损耗或由于分路器导致的光纤损耗的情况下对压力信号进行准确监测。同时光纤温度压力解调仪支持WDM全光谱波分+TDM多节点时分探测，极大提高单芯光纤的信道容量,可实现同时解调以并联方式组网的多个同波长压力传感器。

其中分布式光纤振动解调仪置于监测中心内，与高精度测温光端机共用一套配套设备。分布式光纤振动解调仪是分布式光纤振动测试系统核心，用于整个测试系统的振动信息存储、显示、报警输出及信息设置及数据共享的平台。该解调仪采用相干光时域反射系统，可抑制内部相关噪声，滤除EDFA的自发辐射噪声，提高系统动态范围和信噪比，与常规φ-OTDR设备相比，具有灵敏度高、定位精度高、空间分辨率高等特点。

其中监测光缆由光缆外管及内置一芯或多芯高温光纤构成，其中监测光缆外管适用于多种光缆结构，包括单层管、多层管、内部铝覆层、内部钢丝绞合铠装及外部钢丝绞合铠装结构等，光缆材质可根据具体需求定制316L、825合金、625合金等。监测光缆生产设备为进口SWISSCAB（瑞士）生产线，不锈钢带实现纵横向焊接一次成型，成缆速度高达30m/min，余长控制精确，焊接质量极佳，光纤能得到最佳保护，同时光缆可多芯成管，拉拔方式和涡流探伤在线检测，确保钢管100%无损伤。其中内置一芯或多芯高温光纤，该高温光纤为纯硅纤芯，外部涂覆层为聚酰亚胺加碳结构，具有耐高温、耐腐蚀、高机械强度、强抗氢损的特点。

其中监测光缆缠绕在光缆盘或光缆绞车上，光缆可随油管捆绑下入或下入油管内。

其中光纤压力传感器为准分布式光纤测压系统的传感单元，用于井下压力信号的测量，光纤压力传感器采用微米/纳米加工制作工艺，以及F-P压力敏感芯片与微型化高温准直扩束光纤的一体化焊接封装系统，加工完成的光纤压力传感器体积为0.4mm*0.4mm,实现了光纤压力传感器的微型化。其中压力传感器的压力敏感F-P芯片为全硅材料制作，具有耐腐蚀、耐高温、耐高压、无疲劳老化隐患等特点，可在长期动态高温高压环境下长期高精度、可靠运行，同时准分布式光纤测压系统组网采用时分/波分复用方式，通过微型化高温光纤合波器，在一根光纤上并联多支光纤压力传感器，具备完全故障隔离能力。

其中光纤压力传感器与监测光缆尾端焊接，焊接设备采用全自动环焊机，焊接周期短至30s,该种焊接方式避免存在光缆接续器，便于下井施工。

实施例1

请参阅图1-图7，一种用于天然气（储气库）井的光纤温度压力振动监测系统包括：高精度测温光端机1、光纤温度压力解调仪2、分布式光纤振动解调仪3、连接尾纤4、监测光缆5、多点光纤压力传感器6、井下配套工具等。其中高精度测温光端机1、光纤温度压力解调仪2、分布式光纤振动解调仪3为地面设备，位于监测中心7内，所述监测光缆5尾端与光纤压力传感器6采用全自动焊机等径焊接，监测光缆5与光纤压力传感器6位于井下，与地面设备通过连接尾纤进行连接。其中监测光缆5由光缆外管及内置一芯或多芯高温光纤构成，其中光缆外管适用于多种光缆结构，包括单层管5-1、多层管5-2、内部铝覆层5-3、内部钢丝绞合铠装5-4及外部钢丝绞合铠装5-5结构等，光缆材质可根据具体需求定制316L、825合金、625合金等。其中内置一芯或多芯高温光纤，该高温光纤为纯硅纤芯，外部涂覆层为聚酰亚胺加碳结构。

其中高精度测温光端机1、光纤温度压力解调仪2、分布式光纤振动解调仪3分别是分布式光纤测温系统、准分布式光纤测压系统、分布式光纤振动测试系统的核心器件，3者位于监测中心7内，分别于工控机8、显示器9、UPS10配套使用。

其中监测光缆5外管适用于多种光缆结构，包括单层管5-1、多层管5-2、内部铝覆层5-3、内部钢丝绞合铠装5-4及外部钢丝绞合铠装5-5结构等。以内部钢丝绞合铠装结构为例，内部由五根钢丝5-4-1和二根光纤管5-4-2螺旋绞合而成，外部保护管5-4-3为尺寸1/4"的825钢管。其中一根光纤管5-4-2内置一芯或多芯高温纯硅双批覆多模光纤，另一根光纤管内置一芯或多芯高温纯硅双批覆单模光纤,内置高温纯硅双批覆单模光纤的光纤管内冲满纤膏。

其中光纤压力传感器6为准分布式光纤测压系统的传感单元，该光纤压力传感器6由F-P压力敏感芯片、传输光纤，以及外保护结构构成，其中F-P压力敏感芯片与传输光纤采用玻璃焊接连接，外保护结构用于实现F-P压力敏感芯片与外界密封。

其中光纤压力传感器6与监测光缆5尾端焊接，焊接方式采用无接续器环焊等径对接。压力传感器与光缆连接后，外部安装压力传感器保护装置11用于防止下井过程中压力传感器6与管柱碰撞对压力传感器6造成损坏。其中压力传感器保护装置11通过并排卡扣11-1固定光纤压力传感器6，将固定好的压力传感器6及卡扣11-1放到压力传感器保护装置11-2槽内，使卡扣11-1卡在压力传感器保护装置11-2的上端，压力传感器保护装11置下端安装配重12。

其中监测光缆5缠绕在光缆盘或光缆绞车上，光缆可随油管捆绑下入或下入油管内。

不同井型光缆下入方式分别包括油管13内下入光缆、油管13外捆绑光缆及套管14外捆绑光缆下入的方式，光缆穿出井口方式分别为油管13内下入监测光缆5是通过防喷器15及多级密封器16的长期密封方式实现光缆穿出，油管13外捆绑的光缆穿出方式是通过监测光缆5在井口的穿越孔17穿出，穿越孔需设置在套管阀门处或者设置在井口四通位置，套管14外安装光缆的穿出方式采用将监测光缆5在套管头18穿出并实现穿越处的密封。与地面连接方式均为将光缆按照指定路线铺设至监控中心，连接尾纤及地面解调设备从而实现地面解调及数据传输。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本系统领域的系统人员在本实用新型揭露的系统范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，其特征在于，所述系统包括分布式光纤测温系统、准分布式光纤测压系统、分布式光纤振动测试系统；所述的分布式光纤测温系统采用基于光频域反射系统的分布式光纤测温系统（OFDR-DTS），分布式光纤测温系统由高精度测温光端机、监测光缆、连接尾纤E2000/APC构成；准分布式光纤测压系统由光纤温度压力解调仪、光纤压力传感器、监测光缆构成；所述的光纤温度压力解调仪采用时分与波分复用系统，与多通道、多点压力的高精度测试点连接；所述的监测光缆与光纤压力传感器连接方式采用无接续器环焊对接系统，光缆与压力传感器等径对接；所述的分布式光纤振动测试系统采用相干光时域反射系统（C-OTDR），同时包括外差探测系统，与井下振动信号的灵敏度、精度测试点相连；所述的监测光缆包括单层管、多层管、内部铝覆层、内部钢丝绞合铠装及外部钢丝绞合铠装结构。

2.根据权利要求1所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，其特征在于，所述光纤测温系统选择参数为宽量程-20℃-1200℃、测温精度±0.2℃、空间分辨率0.5m。

3.根据权利要求1所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，其特征在于，所述准分布式光纤测压系统采用微电子MEMS，结合光纤传感系统与井下多点压力测试点相连。

4.根据权利要求1所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，其特征在于，所述光纤压力传感器采用井下纯硅永久式光纤温度压力测试系统，压力敏感芯片采用全硅F-P腔结构，与外界介质直接接触。

5.根据权利要求1所述的一种天然气储气库温度压力与振动监测系统，其特征在于，所述光缆内置多芯单模/多模高温纯硅双披覆光纤，该光纤纯硅纤芯外部涂覆层为聚酰亚胺加碳结构。

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