专利汇可以提供一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种应用光纤 传感器 监 测井 下 套管 受 力 的方法。主要解决现有油田油 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。其特征在于: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按照地 应力 解释模型即可求出井下套管外层受力。具有可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 压力的特点。,下面是一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法专利的具体信息内容。
1.一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法,其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法,其特征在于完成权利要求1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)
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,ΔT为温度变化;
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λε就是套管的周向变形。
3.根据权利要求2所述的一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法,其特征在于完成权利要求1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利用光纤布里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为光纤光栅温度传感的灵敏度系数,Δε为光纤光栅温度传感器的变形量,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为光纤光栅温度传感的灵敏度系数,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),
ΔVBε=ΔVB-ΔVBT=CεΔε…………(9)
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。
4.根据权利要求3所述的一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法,其特征在于完成权利要求2中所述沿套管周向布置光纤光栅传感器(7)以及一个光纤温度补偿传感器(3),以及引出信号线与传输光缆(10)连接的过程和权利要求3中所述步骤①按照如下方法进行:
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、套管上有光纤传输光缆(10)的部分及其沿轴向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。
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