技术领域：

本发明涉及油田套管损伤研究领域中一种监测井下套管受力的 方法方法，具体的说是涉及一种应用光纤光栅传感器和光纤布里渊传 感器监测井下套管受力的方法。

背景技术：

目前，油田油水井套损研究只是从机理上分析了由于粘土矿物、 注水水质以及地应力等方面对套损的影响，但对于井下套管受力过程 及套损形态特征缺乏直接监测的方法。

发明内容：

为了解决现有油田油水井套损研究领域中对井下套管受力过程 及套损形态特征缺乏直接监测方法的问题，本发明提供一种应用光纤 光栅传感器和光纤布里渊传感器监测井下套管受力的方法，应用本方 法，可以测出套管周向应变和轴向应变，并且按照地应力解释模型理 论，可以在事先未知套损和地层压力情况下永久监测套管形变和获得 相应地层压力，为油田开发套损监测及针对性采取系统压力调整措施 提供依据。

本发明的技术方案是：本种应用光纤传感器监测井下套管受力的 方法，可以概括为：沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器，利用与 此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变 εθ并获取套管周向应变数据，同时沿所述套管外表面轴向布设光纤布 里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解 调仪监测套管轴向应变εz并获取套管轴向应变数据，将所获得的套管 周向应变εθ和轴向应变εz代入下面的柱坐标系下套管应力和应变的 本构方程组(1)和方程组(2，)即可求出主应力坐标系下水平最大 主应力和水平最小主应力，即σh和σH，由于井下套管所受地层压力 P＝σ原始—σ计算，其中，σ原始为原始地应力，由地应力测量可得，σ计算为 计算得到的水平最大主应力或水平最小主应力，因此最后可以得到相 应的井下套管所受地层压力P；

所述本构方程组(1)为：

σr＝(λ+2G)εr+λεθ+λεz

σθ＝(λ+2G)εθ+λεr+λεz

σz＝(λ+2G)εz+λεr+λεθ  …………(1)

其中σθ、σr、σz分别为以套管中心线为z轴时柱坐标系下的周向 应力、径向应力和轴向应力，θ为极角，λ为拉梅常数，G为套管剪 切模量，σv可以密度测井积分得到；

所述方程组(2)为直井套管上地应力分布关系，即：

σr＝pw

σθ＝σH+σh-2(σH-σh)cos2θ-pw

σz＝σv-2v(σH-σh)cos2θ …………(2)

其中Pw为井筒内压，v为泊松比，σv、σH、σh分别为主应力坐 标系下垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。

本发明具有如下有益效果：本发明采用沿套管表外周向布设光纤 光栅传感器，同时沿套管表外轴向布设光纤布里渊传感器的方法，测 出套管周向应变和轴向应变，再按照地应力解释模型理论，可以在事 先未知套损和地层压力情况下永久监测套管形变和相应地层压力，为 油田开发套损监测及针对性采取系统压力调整措施提供依据。并且这 种方法可以实现全井段监测，测量准确，精度高。

附图说明：

图1是本发明中所涉及方法的工作过程示意图。

图2是本发明中所使用的传输电缆的结构示意图。

图3是本发明中沿套管周向布置的光纤光栅传感器及光纤布里 渊传感器的剖面图。

图中1-套管，2-套管接箍，3-光纤温度补偿传感器，4-定位接 头，5-地层，6-目的层套管接箍，7-光纤光栅传感器，8-环氧树脂 胶和玻璃纤维布，9-光缆保护罩，10—传输光缆，11—光纤光栅解调 仪，12—光纤布里渊解调仪，13—光纤布里渊传感器，14—内PU护 套，15—内层金属编织网，16—凯夫拉纤维，17—金属软管，18—光 纤，19—外PU护套，20—外层金属编织网。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明的主要方案为：沿套管外表面周向布设光纤光栅传感器， 利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光栅解调仪监测套管周 向应变εθ并获取套管周向应变数据，同时沿所述套管外表面轴向布 设光纤布里渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤 布里渊解调仪监测套管轴向应变εz并获取套管轴向应变数据，将所获 得的套管周向应变εθ和轴向应变εz代入下面的柱坐标系下套管应力 和应变的本构方程组(1)和方程组(2，)即可求出主应力坐标系下 水平最大主应力和水平最小主应力，即σh和σH，由于井下套管所受 地层压力P＝σ原始—σ计算，其中，σ原始为原始地应力，由地应力测量可 得，σ计算为计算得到的水平最大主应力或水平最小主应力，因此最后 可以得到相应的井下套管所受地层压力P；

所述本构方程组(1)为：

σr＝(λ+2G)εr+λεθ+λεz

σθ＝(λ+2G)εθ+λεr+λεz

σz＝(λ+2G)εz+λεr+λεθ …………(1)

其中σθ、σr、σz分别为以套管中心线为z轴时柱坐标系下的周向 应力、径向应力和轴向应力，θ为极角，λ为拉梅常数，G为套管剪 切模量，σv可以密度测井积分得到；

所述方程组(2)为直井套管上地应力分布关系，即：

σr＝pw

σθ＝σH+σH-2(σH-σh)cos2θ-pw

σz＝σv-2v(σH-σh)cos2θ …………(2)

其中Pw为井筒内压，v为泊松比，σv、σH、σh分别为主应力坐 标系下垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。

具体的说，首先，为完成在上述方案中所述沿套管外表面周向 布设光纤光栅传感器，利用与此光纤光栅传感器相连接的地面光纤光 栅解调仪监测套管周向应变εθ并获取套管周向应变数据的步骤为： 将一组沿套管周向布置的光纤光栅传感器7以及一个光纤温度补偿 传感器3串连连接后，经玻璃纤维布和环氧树脂胶包裹，所引出的信 号线与传输光缆10连接，所述传输光缆10的另一端连接至位于地面 上的光纤光栅解调仪11，将由所述光纤光栅解调仪11获得的光栅中 心波长信息，通过温度补偿和初值补偿后，按照以下二次解调方法转 化为套管周向变形信息，其中所述二次解调方法为：

在实际监测过程中，应用所述光纤光栅解调仪11测试采样时刻 各个光纤光栅传感器7的中心波长信息，即λ；

将所述光纤光栅解调仪11中的采样时刻光纤光栅传感器7的中 心波长通过可移动存储设备导出；

应用所述光纤光栅解调仪11测试光纤温度补偿传感器3的中心 波长信息，即λT；

将所述光纤光栅解调仪中的采样时刻光纤温度补偿传感器3的 中心波长信息通过可移动存储设备导出；

由于光纤温度补偿传感器3不受外力，因此其中心波长为 λT＝CTΔT，将其与温度、应变耦合模型结合，即

Δλ＝CεΔε+CTΔT                (3)

ΔλT＝kTΔT              (4)

得到：λε＝Δλ-ΔλT＝CεΔε             (5)

其中，Δλ、ΔλT、Cε、CT以及Δε分别依次为光纤光栅传感 器中心波长变化量、光纤温度补偿传感器的中心波长变化量、光栅轴 向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数、光纤光栅温度传感的灵敏 度系数以及变形量；

按上述公式(3)～公式(5)对所存储的数据进行计算，即可得 到变形量与光纤光栅传感器(7)的中心波长之间的关系，由于光纤光 栅传感器(7)是沿套管周向布设，与套管周向协同变形，因此所求取 的变形量就是套管的周向变形。

其次，为完成在上述方案中所述沿套管外表面轴向布设光纤布里 渊传感器，利用与此光纤布里渊传感器相连接的地面光纤布里渊解调 仪监测套管轴向应变εz并获取套管轴向应变数据的步骤为：

①将纤维增强树脂封装的光纤布里渊传感器13随单根套管下 井，而沿套管串轴向布设，在井下距地面较近处采用监测光缆连接所 述光纤布里渊传感器，此监测光缆的另一端连接至地面上的光纤布里 渊解调仪12，所述光纤布里渊解调仪带有激光源以产生光信号；

②应用所述光纤应变分析仪测得所述光纤布里渊传感器的初值 频移信息，即VB0，将此初值频移信息导出并保存；

③应用所述光纤应变分析仪测试所述光纤布里渊传感器在采样 时刻的频移信息，即VB，将所取得的采样时刻的频移信息导出并保 存；

④利用光纤布利渊传感器的基本原理公式(6)，即

VB＝CεΔε+CTΔT+VB0…………(6)

将通过步骤②和③所取得的VB0与VB数值代入后，公式(6)转 化为公式(7)，ΔvB＝CεΔε+CTΔT…………(7)，即无初值影响的 温度、应变耦合模型，

其中，Cε为布里渊应变灵敏度系数，CT为布里渊温度灵敏度系 数，Δε为所述光纤布利渊传感器的变形量，ΔT为温度变化；

⑤应用所述光纤应变分析仪测试随套管一起下入井内的所述光 纤布里渊传感器的布里渊频移信息，即VB，并将数据导出后存储；

⑥将所述光纤应变分析仪中采样时刻监测光缆的布里渊频移数 据导出，由于监测光缆中的光纤不受外力，因此其布里渊频移为公式 (8)，

VBT＝CTΔT…………(8)

CT为布里渊温度灵敏度系数，ΔT为温度变化；

⑦将步骤⑥中所得到的布里渊频移与无初值影响的温度、应变耦 合模型结合，即将公式(8)与公式(7)结合，得到公式(9)，

$\Delta v_{\mathrm{Bϵ}}={\mathrm{\Delta v}}_B-{\mathrm{\Delta v}}_{\mathrm{BT}}=C_{ϵ}\mathrm{\Delta ϵ}············\left(9\right)$

其中，Δε为所述光纤布里渊传感器的变形量，Cε为布里渊应 变灵敏度系数，ΔvBε为所述光纤应变分析仪实时采集到的布里渊频 移；

⑧由于所述光纤布里渊传感器沿油、水井套管串轴向布设，与所 述油、水井套管串协同变形，因此由步骤⑦中所得到的所述光纤布里 渊传感器的变形量Δε就是所述油、水井套管串的轴向变形量。

上述步骤在施工时的具体工艺如下：

①确定布设传感器的预定套管下深，并在地面预定套管上安装定 位接头4；

②将4根光纤光栅传感器和1个光纤温度补偿传感器熔接在一 起；

③丈量套管，确定安装传感器位置，打磨及用酒精清洗套管表面， 保证其表面无杂质；

④将套管表面垂直对准定位接头4的位置确定为第一支裸光纤 光栅传感器L-1的位置，用化学胶固定于套管表面；

⑤按照上述方法在套管周向间隔一定角度布设其余裸光纤光栅 传感器，按顺时针编号L-2，L-3，L-4；

⑥距此组光纤光栅传感器0.3米处布设光纤温度补偿传感器，并 将多个传感器的出头与传输光缆10熔接；

⑦把传感器处、套管上有光纤传输线部分及其沿轴向3米范围内 用环氧树脂胶和玻璃纤维布进行三层包覆；

⑧在出口处的传输光缆一端熔接跳线头，连接光纤光栅解调仪 11，准备下套管；

⑨下套管过程中，当下入目的层套管时，将光纤布里渊传感器 13的末端固定在该套管的预定位置处；

⑩每一根套管下井前，地面需预留15m左右的传输光缆10和光 纤布里渊传感器13，以便其顺利下入井内，下套管过程中传输光缆 10和光纤布里渊传感器13由钻台井口处随单根套管下入井内，每根 套管接箍处采用1个保护罩对传输光缆和光纤布里渊传感器进行保 护，光纤光栅传感器传输光缆和光纤布里渊传感器传输光缆接出井 口后，分别重新熔接跳线头，并接入接线盒内进行保护。

在在本发明中在油田套管损伤研究领域中，首先应用了光纤光栅 传感原理和光纤布里渊传感原理，将光纤光栅传感器沿套管周向布 设，将称为智能筋的光纤布里渊传感器沿套管轴向布设，其中多个裸 光纤光栅传感器均布在套管四周，相邻间距截面成一定角度，在距此 组传感器相应距离处布设光纤温度补偿传感器。应用光纤光栅传感器 监测距传感器一定范围内的套管微形变及其受力状况，同时应用温度 补偿传感器作为应变传感器的温度补偿和井下温度监测。传感器通过 传输光缆将地下信号传送至地面，经过解调仪后续处理即可转化为需 要的压力和温度。

为提高抗拉强度及抗侧压强度，所采用的传输光缆10依次由内 而外由光纤18、金属软管17、凯夫拉纤维16、内层金属编织网15、 内PU护套14、外层金属编织网20以及外PU护套19组成，如图2 所示，这样改进后，抗拉强度及抗侧压强度分别增加了4倍和5倍， 非常适合井下的恶劣工况。此外，可以将光纤温度补偿传感器3置于 钢针针管内，这样既可以保护传感器，而且由于金属具有良好的导热 性，又可以保证传感器的数值准确的反应温度变化引起的应变值。

在具体实施时，光纤光栅传感器为哈尔滨市泰达尔科技有限公司 所生产的GFRP-OFBG传感器，其60℃2个月的碱强度损失率(PH>13) 低于24.8％，酸强度损失率(PH<1)低于12.5％；盐强度损失率(NaCl) 低于6.8％，其精度可达到±5με，具体指标如表1所示。

表1

所用光纤光栅解调仪选用美国微光学公司生产的SM125光纤光 栅解调仪。所用的光纤布里渊解调仪为上海横河国际贸易有限公司生 产的AQ8603光纤应变分析仪，光纤应变分析仪的参数选择为：监测 最大长度2km，空间分辨率0.5m，平均化次数2x1013次，在此参数 下，进行监测。此外，对普通的光纤布里渊传感器进行了纤维增强树 脂封装，并内部封装两芯光纤，由此使得这种改进了的光纤布里渊传 感器可以适应井下恶劣的作业条件，确保了对套管损伤监测的稳定 性。

上述方法已在杏10-4-丙3132井试验实施，其中，杏10-4-丙 3132井嫩II段标准层深度803米，定位接头下深809.52米，传感 器布设在距离定位接头顶部1.5米处，下深808.02米。

在完成上述工作过程中，由于存在大量的数据计算，因此可以开 发计算机软件将经过光纤光栅解调仪和光纤布里渊解调仪一次解调 后得到信息转化成所需要的套管周向应变信息，即实现二次解调方法 的计算机化，以省去大量的人工计算。