井下永久傳感器的研究與應(yīng)用_-_畢業(yè)論文

1、中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國(guó)石油大學(xué)（華東）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）井下永久傳感器的研究與應(yīng)用2中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要闡述了光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀，光在光纖傳輸過(guò)程中，光纖傳感器件易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等 ，從而導(dǎo)致傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等光波特征參量發(fā)生變化 ，通過(guò)檢測(cè)這些的變化就獲得相應(yīng)的物理量 。然后分別介紹光纖壓力傳感器，光纖分布式溫度傳感器，光纖多相流傳感器以及光纖流量傳感器的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)，原理和優(yōu)勢(shì)與不足。論證了光纖傳感技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)取代傳統(tǒng)電子傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；測(cè)井；溫度； 壓

2、力； 流量； 持率abstractthe advantage and present situation of application and research of fiber optic sensor have been introuduced. when the light pass in the optical fiber ,the fiber optic sensor is easy to be affected by the outside world, such as temperature ,pressure ,magnetic field，electtical field a

3、nd displacement，which caused the changes of light wave characteristic scalar，such as intensity, phase , frequency , polarization of transmitting light. by means of examining the changes，which are one or more of distinguishing feature, composition rule, preponderanceand defect ,wo can obtain the rele

4、vant physical quantity. then introuduce fiber optic of pressure, distributed temperature sensor of fiber , fiber optic of polyphasic flow and fiber optic of rate of flow esch after another. it is demonstrated the developing tendency that the sensing technique of fiber with its distinctive prepondera

5、nce will displacement the traditional electronical sensing technique. keywords: fiber optic sensor well logging pressure temperature rate of flow holdup目 錄第1章 前言1 1.1光纖傳感器的優(yōu)勢(shì) 1 1.2 光纖傳感器的研究現(xiàn)狀2 1.3 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理5第2章 光纖壓力傳感器7 2.1 光纖壓力傳感器的結(jié)構(gòu)7 2.2 傳感原理7 2.3 存在的問(wèn)題8 2.4 溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的區(qū)分方法9第3章 分布式光纖溫度傳感器 103.1 分布

6、式溫度傳感器簡(jiǎn)介103.2 溫度傳感原理103.3 溫度傳感器的應(yīng)用分析12第4章 光纖流量傳感器144.1 流量傳感器的種類(lèi)144.2 測(cè)量流量原理154.3 流量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)16第5章 光纖多相流傳感器185.1 持率的重要性185.2 測(cè)量持率的方法18第6章 光纖傳感器的綜合應(yīng)用216.1 智能井系統(tǒng)簡(jiǎn)介 216.2 智能井的優(yōu)點(diǎn) 23第7章 結(jié)論25致謝26 參考文獻(xiàn)27前言第1章 前 言測(cè)井技術(shù)按照其采用的技術(shù)可以分為傳統(tǒng)的電子測(cè)井技術(shù)，核磁測(cè)井技術(shù)和90年代興起發(fā)展較快的光纖測(cè)井技術(shù)，前面兩種傳統(tǒng)測(cè)井方法只能是偶然獲得井下的信息，由于其技術(shù)限制，只能在完井前或停止生產(chǎn)時(shí)才能進(jìn)

7、行，測(cè)量是隨機(jī)的地層信息，缺乏準(zhǔn)確性，要重復(fù)作業(yè)，因此作業(yè)費(fèi)用較高，其所獲得的信息效益必然有限。而光纖測(cè)井技術(shù)則是永久的測(cè)井技術(shù)，它可以實(shí)時(shí)的獲得較高精度地層信息，而且可以不影響生產(chǎn)，顯然永久傳感技術(shù)比非永久傳感技術(shù)有著更大的經(jīng)濟(jì)效益。1.1 光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)目前 ，我國(guó)大部分油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入了高含水開(kāi)采階段 ，原油含水率大于 80%，傳統(tǒng)的持率計(jì)對(duì)油井中含水率的測(cè)量失去了分辨率；老油田產(chǎn)量呈遞減趨勢(shì)，地下油水關(guān)系復(fù)雜 ，新增探明石油儲(chǔ)量品位下降，主要為低滲透油藏、超深層油藏、稠油藏等復(fù)雜油氣藏，準(zhǔn)確地測(cè)量油井的溫度和應(yīng)力對(duì)油氣資源的開(kāi)采有著極為重要的意義。而我國(guó)目前的開(kāi)發(fā)測(cè)井技術(shù)相對(duì)落后，不能完

8、全滿(mǎn)足油田開(kāi)發(fā)的需要 ，井下環(huán)境具有高溫 ，高壓 ，化學(xué)腐蝕強(qiáng)以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，這使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮效用 ，從而限制了采油效率的提高。光纖傳感器以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，非常適用于油井參數(shù)的測(cè)量它將成為可應(yīng)用于石油勘探與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)具有廣闊市場(chǎng)前景的新技術(shù)。和傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有以下特點(diǎn)：1)抗干擾性強(qiáng) ，耐腐蝕 ，能用于惡劣環(huán)境中。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而且光纖是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì) ，因而不怕強(qiáng)電磁干擾 ，也不影響外界的電磁場(chǎng) ，并且安全可靠。這使它在石油開(kāi)采、強(qiáng)電磁干擾 、易燃 、易爆 、高溫 、高壓、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感。2)靈敏度高。

9、利用長(zhǎng)光纖和光波干涉技術(shù)使不少光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。其中有的已被理論證明，有的已經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ，如測(cè)量水聲 、加速度 、溫度 、磁場(chǎng)等物理量的光纖傳感器 。3)重量輕 ，體積小。光纖除具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外，還有可撓的優(yōu)點(diǎn) ，因此利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。4)測(cè)量對(duì)象廣泛 。目前已有性能不同的測(cè)量溫度、壓力、多相流、位移、速度、加速度、液面、流量、振動(dòng)、液體濃度、等各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場(chǎng)使用。5)對(duì)被測(cè)場(chǎng)影響小。這就從根本上保證了測(cè)量的精度。6)能夠?qū)崿F(xiàn)多參量的分布式測(cè)量 。在油井中鋪設(shè)一根光纖就可以對(duì)沿光纖分布的各種參量實(shí)施分布式測(cè)量?？?/p>

10、以對(duì)油井進(jìn)行永久性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 。 由于以上那些優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感器可以永久地、穩(wěn)定地、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)井下流體的溫度、壓力、流量等重要的參數(shù)，光纖傳感器是井下永久傳感器的理想代表，因而光纖傳感器是智能完井中重要的監(jiān)測(cè)組成部分，研究永久性光纖傳感器是21世紀(jì)測(cè)井發(fā)展的必然趨勢(shì)。1.2光纖傳感器的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀雖然早在1990年就進(jìn)行試驗(yàn)，但光纖用作永久安裝的井下傳感器在過(guò)去的幾年才開(kāi)始得到承認(rèn)。光導(dǎo)纖維傳感器是完全無(wú)源的，完全沒(méi)有電磁輻射，并且足夠小，在某些情況下在完井本身作業(yè)完成后在一口井中可把它們裝配于井的深處。光纖傳感器由于它在井下裝置中沒(méi)有有源的電子線(xiàn)路，勘探和開(kāi)發(fā)工業(yè)強(qiáng)大的利益驅(qū)動(dòng)主要來(lái)自期望它比

11、常規(guī)測(cè)井儀有更高的可靠性。按照要獲得的流體參數(shù)，可以把光纖傳感器分為壓力傳感器，分布式溫度傳感器，多相流傳感器及流量計(jì)。1.2.1壓力傳感器美國(guó)cidra 公司的在光纖壓力監(jiān)測(cè)研究方面處于前沿，他們的科研人員發(fā)現(xiàn)了布喇格光纖光柵傳感器對(duì)壓力的線(xiàn)性響應(yīng)。已開(kāi)發(fā)的傳感器能夠工作到 175，200和稍高溫度的產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)，250是研發(fā)的下一個(gè)目標(biāo) 。不同溫度和壓力下的壓力測(cè)量誤差，在測(cè)試范圍 (0mpa345mpa) 內(nèi)，均小于689kpa，相當(dāng)于電子測(cè)量系統(tǒng)的最好的水平。目前，cidra公司的光纖壓力傳感器的指標(biāo)為：測(cè)程 0-103mpa，過(guò)壓極限129mpa，準(zhǔn)確度+413kpa，分辨率 206

12、kpa，長(zhǎng)期穩(wěn)定性345kpayr(連續(xù)保持 150)，工作溫度范圍 25175。1999年該公司在加利福尼亞 的 baker油 田進(jìn)行了壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有非常高的精度，目前已經(jīng)交付商業(yè)銷(xiāo)售。2001年該公司的壓力傳感器在英國(guó) bp公司的幾口井下安裝，監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化，結(jié)果表明其具有足夠的可靠性。美國(guó)斯倫貝謝油田服務(wù)公司 doll研究中心的 tsutomuyamate等人對(duì)用布喇格光纖光柵傳感器實(shí)行井下監(jiān)測(cè)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，他們研制成一種對(duì)溫度不敏感的側(cè)孔布喇格光纖光柵傳感器，最高工作溫度為 300，最高測(cè)量壓力82mpa，在最高測(cè)量壓力下，對(duì)溫度的靈敏度極小，可以適用于井下的

13、壓力監(jiān)測(cè)。1.2.2溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器具有通過(guò)沿整個(gè)完井長(zhǎng)度連續(xù)性采集溫度資料來(lái)提供一條監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和油層的新途徑的潛力。對(duì)于光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)，英國(guó)sensa公司一直處于技術(shù)領(lǐng)先地位 ，有一系列產(chǎn)品問(wèn)世 ，而且與各大石油公司合作 ，積極探索光纖分布式溫度傳感器在石油井下的應(yīng)用。cidra公司也一直在研究光纖溫度傳感器 ，目前該公司的溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范 圍 0 175，準(zhǔn)確度1，分辨率 01，長(zhǎng)期穩(wěn)定性1yr(150下連續(xù)使用 )。1995年在加里福利亞的井中首次安裝了商用 dts測(cè)量系統(tǒng)。在該地區(qū)注蒸汽驅(qū)油的井中，井下溫度超過(guò) 260。具有耐高溫性能的 dts測(cè)量系統(tǒng)

14、是注蒸汽驅(qū)油增產(chǎn)措施的理想監(jiān)測(cè)工具。到目前為止 ，已經(jīng)在 100多 口注蒸汽驅(qū)油的井中安裝了永久井下光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)。1.2.3多相流傳感器cidra公司挖掘了光纖傳感器內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了井下光相多相流傳感器。目前的樣品只局限在測(cè)量準(zhǔn)均勻流體：如油、水兩相或油、水、氣三相 (氣相體積份數(shù)小于 20)。為了考察這種新型的光纖多相流傳感器在生產(chǎn)井中測(cè)量油水氣三相的性能，cidra 最近在一口測(cè)試井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在測(cè)試井中混合了油、水和氣體，混合物包括粘度為 32api的油、7礦化度的水和礦廠天然氣 (甲烷)，測(cè)試溫度 100，壓力275mpa。在0%100含水率范圍內(nèi)，儀器測(cè)量誤差小于5，精度滿(mǎn)足要

15、求。該流量計(jì)能夠確定原油和鹽水混合物中的持水率，在持水率全量程中其誤差為+5以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。而且除了能夠測(cè)量持水率之外，該儀器還測(cè)試了三相中氣體的體積含量，只是測(cè)試中油水的比例已知。結(jié)果表明，該儀器能夠求出以泡沫流流出型出現(xiàn)的液體中的氣體體積百分?jǐn)?shù)。1.2.4流量傳感器2000年10月，光纖流量計(jì)首次用于殼牌公司經(jīng)營(yíng)的墨西哥灣馬斯“a一18井中。.流量計(jì)被安裝在水深896米、總深度6442米的井中:。在油井生產(chǎn)期間，井下流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量連續(xù)的壓力，溫度和體積流量數(shù)據(jù)，資料質(zhì)量達(dá)到了技術(shù)規(guī)范指標(biāo)并超過(guò)了預(yù)期。2001年 6月，在阿曼的nimr油田的電潛泵井測(cè)量中，光纖流量計(jì)與科利奧利流

16、量計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果做比較，含水誤差為2%，總流量誤差為3%，在儀器技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。 雖然光纖傳感器在井下應(yīng)用的研究工作開(kāi)始得比較晚，但是所取得的進(jìn)展是比較快的。由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的原因，它現(xiàn)在不能完全代替現(xiàn)有的傳統(tǒng)電子傳感器件，隨著研究的進(jìn)行，取代是必然的。1.3光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理光纖為光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，組成成份為二氧化硅，由折射較高的纖芯、折射率較低的包層及保護(hù)層組成。纖芯為直徑大約01mm左右的細(xì)玻璃絲 ，把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。常規(guī)的光低的包覆層圍繞一中心層(一般直徑為 550微米)組成。一般地 ，為修整折光指數(shù)剖面和分散形成的結(jié)構(gòu) ，兩個(gè)層由以添加材料改進(jìn)的二氧化硅制成。光

17、纖應(yīng)用包覆層(一般外徑為250微米)是為保護(hù)表面免受擦傷(擦傷會(huì)使光纖強(qiáng)度減弱)并減緩其微小彎曲(彎曲會(huì)引起光損耗)。對(duì)于油田使用，因存在溫度高、化學(xué)腐蝕、以及機(jī)械磨損與擠壓，需要更高級(jí)別的光纖保護(hù)。在日益增加的有效序列中，包覆層已用紫外線(xiàn)可修復(fù)的丙烯酸鹽、硅酮橡膠、氟酸鹽聚合物、聚亞胺及金屬來(lái)制造。一般的光纖傳感系統(tǒng)由光源、傳感器件 、光纜、光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理組成，光在光纖傳輸過(guò)程中，光纖傳感器件易受到外界環(huán)境的影響，如溫度 、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移等（如圖1-1），從而導(dǎo)致傳輸光的強(qiáng)度 、相位、頻率、偏振態(tài)等光波特征參量發(fā)生變化，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的分析儀器對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理，就可以得到井下的溫度

18、、壓力、流量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。 圖1-1 光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖光纖傳感器按測(cè)量目的不同可以分光纖壓力傳感器、分布式光纖溫度傳感器、光纖流量傳感器和光纖多相流傳感器。下面幾章將分別予以介紹。51光纖壓力傳感器第2章 光纖壓力傳感器由于開(kāi)發(fā)方案的需要，對(duì)油藏壓力的管理需要特別謹(jǐn)慎，這樣做的目的是減少因在低于泡點(diǎn)壓力的狀態(tài)下開(kāi)采所造成的原油損失，減少在注氣過(guò)程中因油藏超壓將原油擠入含水層所造成的原油損失，還有防止由于注水井的注入壓力過(guò)高而使套管破裂。傳統(tǒng)的井下壓力監(jiān)測(cè)采用的傳感器主要有應(yīng)變壓力計(jì)和石英晶體壓力計(jì)，應(yīng)變式壓力計(jì)受溫度影響和滯后影響，而石英壓力計(jì)會(huì)受到溫度和壓力急劇變化的影響。在壓力監(jiān)測(cè)時(shí)，這些

19、傳感器還涉及安裝困難、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等問(wèn)題。井下光纖壓力傳感器沒(méi)有井下電子線(xiàn)路、易于安裝、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而這些正是井下監(jiān)測(cè)所必需的。2.1 壓力傳感器的結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵是由一小段光纖組成的裝置，沿光纖軸它具有軸向上周期性調(diào)制的折光指數(shù)（如圖2）。主要是，光纖布拉格光柵是除了在一波長(zhǎng)中央的一個(gè)窄范圍內(nèi)匹配指數(shù)調(diào)制柵距外 ，發(fā)射的所有波長(zhǎng)損耗很小的窄帶反射器，還能制造反射帶寬低至1ghz，在遠(yuǎn)程通訊工業(yè)中光纖布拉格光柵是作為濾波裝置使用。更復(fù)雜的光纖布拉格光柵是用作帶通濾波器或用作彌散補(bǔ)償裝置。光纖布拉格光柵通過(guò)伸展纖維使其工作，工作中光柵被光刻，因此改變了反射光的波長(zhǎng)。22 傳感原

20、理光纖光柵傳感器是利用光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力參量的敏感特性而制成的一種新型光纖傳感器 ，光纖布拉格光柵是指利用單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射形成的，成柵后的光纖纖芯呈現(xiàn)周期性分布，溫度 、應(yīng)變和壓力的變化會(huì)引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光纖光柵的反射譜或透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度 、應(yīng)變或壓力信息。測(cè)井專(zhuān)用光纜由光纖芯線(xiàn)及其抗張線(xiàn)、保護(hù)材料、覆蓋涂層等鎧裝而成及光纖與儀器連接專(zhuān)用連接器(即馬籠頭)組成，光纖數(shù)據(jù)傳輸速率大于 10mbits。滿(mǎn)足布拉格條件 ：圖2-1 光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)示意圖 = 2na （2-1）式中 為布拉格波

21、長(zhǎng)；n為有效折射率；a 為光纖光柵的周期。作用于光纖光柵的被測(cè)物理量(如溫度 ，應(yīng)力等)發(fā)生變化時(shí) ，會(huì)引起n和a 的相應(yīng)改變 ，從而導(dǎo)致的漂移 。反過(guò)來(lái) ，通過(guò)檢測(cè)的漂移,可得知被測(cè)物理量的信息。布拉格光纖光柵傳感器的研究工作主要集中在溫度和應(yīng)力的準(zhǔn)分布式測(cè)井上 。的漂移量()與溫度和應(yīng)力變化(，t)的關(guān)系可以表示如下 ：= ct + d (2-2)式中 c為溫度系數(shù)；d為應(yīng)力系數(shù)。在油田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域 一般將若干個(gè)光纖布拉格光柵組成一個(gè)光纖光柵傳感器 陣列來(lái)構(gòu)成準(zhǔn)分布式。2.3 存在的問(wèn)題光纖光柵造價(jià)較高，難以迅速得到廣泛應(yīng)用；再者，光纖光柵壓力傳感器尚沒(méi)有達(dá)到新一代石英電子壓力計(jì)所具備的壓力解

22、析與測(cè)試精度水平 (見(jiàn)表2-1)。雖然僅有少量的光纖壓力計(jì)投入使用，現(xiàn)在將其同電子類(lèi)壓力計(jì)進(jìn)行直接比較尚為時(shí)過(guò)早，但光纖系統(tǒng)的可靠性還沒(méi)有得到證實(shí)。安裝時(shí)要將光纖壓力計(jì)裝在一個(gè)工作筒中，油藏壓力通過(guò)一個(gè)波紋管傳送到傳感器中。采用類(lèi)似于電子壓力計(jì)工作筒的安裝方式安裝工作筒，因此整個(gè)井下測(cè)試儀器必須在完井作業(yè)時(shí)安裝就位；從(2-2)式中可以發(fā)現(xiàn)，布拉格波長(zhǎng)的位移既受溫度變化的影響也受應(yīng)力變化的影響，因而在實(shí)際應(yīng)用中難以對(duì)溫度或應(yīng)力進(jìn)行精確測(cè)量，即光纖光柵傳感器存在交叉敏感問(wèn)題。 表 2-1常規(guī)電子類(lèi)壓力計(jì)與光纖壓力計(jì)的測(cè)試性能比較2.4溫度、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量區(qū)分方法由于布拉格光柵同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變敏感

23、,因此如何解決溫度、應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)光纖布拉格光柵工程化、實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)。在國(guó)外1993年就有人研究溫度、應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題 ,目前歸納起來(lái)大概有三類(lèi)方法,分別是雙波長(zhǎng)矩陣運(yùn)算法、雙參量矩陣運(yùn)算法、應(yīng)變(溫度)補(bǔ)償法。下面具體介紹一下較為簡(jiǎn)單的雙波長(zhǎng)矩陣運(yùn)算法，該方法是在光纖的同一位置刻寫(xiě)兩個(gè)中心波長(zhǎng)不同的布拉格光柵 ,利用兩光柵對(duì)溫度和應(yīng)變的不同特性實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量。設(shè)兩波長(zhǎng)分別為1和2,外界環(huán)境變化時(shí),波長(zhǎng)變化分別為1 和2. 由光纖光柵的基本關(guān)系可得： （2-3） 式中 r和分別為溫度和應(yīng)變的變化量；kt1和k1分別是中心波長(zhǎng)為1的光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度；kt2和k2分別是中心波長(zhǎng)為2

24、的光柵的溫度和應(yīng)變靈敏度。對(duì)式(2-3)整理可得： （2-4）對(duì)于給定的光纖 bragg 光柵,、為定值,1和2 可通過(guò)光譜分析系統(tǒng)測(cè)得,根據(jù)式(2-4)可求得溫度、應(yīng)變的變化。這樣就能解決光纖bragg光柵溫度、應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題。10分布式光纖溫度傳感器第3章 分布式光纖溫度傳感器3.1 分布式溫度傳感器簡(jiǎn)介分布式光纖溫度傳感器具有通過(guò)沿整個(gè)完井長(zhǎng)度連續(xù)性采集溫度資料來(lái)提供一條監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和油層的新途徑的潛力。因?yàn)榫臏囟绕拭娴淖兓梢耘c其它地面采集的資料(流量、含水、井口壓力等)以及裸眼測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比，從而為操作者提供有關(guān)出現(xiàn)在井下的變化的定性和定量信息。傳統(tǒng)的測(cè)溫工具只能在任何給定時(shí)間內(nèi)測(cè)量某

25、個(gè)點(diǎn)的溫度，要測(cè)試全范圍的溫度，點(diǎn)式傳感器只能在井中來(lái)回移動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)，不可避免地對(duì)井內(nèi)環(huán)境平衡造成影響。光纖分布式溫度傳感器的優(yōu)勢(shì)在于光纖無(wú)須在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，能保證井內(nèi)的溫度平衡狀態(tài)不受影響。而且由于光纖被置于毛細(xì)鋼管內(nèi)，因此凡毛細(xì)鋼管能通達(dá)的地方都可進(jìn)行光纖分布式溫度傳感器。此外 ，光纖能裝配在井中，如果有必要，在完井裝配后的任何時(shí)候，通過(guò)吹動(dòng)(使用流體拉力)環(huán)撓著預(yù)先安裝的直徑為 l4in的u型管的控制線(xiàn)，還可以更換光纖傳感器。dts不需要專(zhuān)門(mén)的布拉格光柵光刻fabryperot間隙，或設(shè)的心軸，便于測(cè)量。dts使用光導(dǎo)纖維中光傳播的一種基本物理特征，即小部分入射光反向散射引起光纖中

26、分子加熱激活的特性。因此能沿光纖長(zhǎng)度每米提供一個(gè)測(cè)量值。3.2溫度傳感器的原理分布式光纖傳感器利用光纖中散射光被溫度應(yīng)力等參數(shù)調(diào)制的特性對(duì)沿光纖分布的參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。常規(guī)傳感器無(wú)法作到分布式傳感。分布式傳感器離不開(kāi)光纖中的光散射 。從量子理論的觀點(diǎn)來(lái)看 ，光散射是光子與傳輸介質(zhì)中的粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞引起的。研究發(fā)現(xiàn)，光纖中的光散射主要包括由光纖中折射率分布不均引起的瑞利散射 (rayleighscatterng)，由光學(xué)聲子引起的拉曼散射(ramanscattering)（如圖3-1）和由聲學(xué)聲子引起的布里淵散射(brillouinscattering)-種類(lèi)型的光散射。其中，瑞利散射

27、是由于光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射 ，散射光頻率不發(fā)生變化。而拉曼散射和布里淵散射是光與物質(zhì)發(fā)生的非彈性散射，其散射光頻率發(fā)生變化。圖3-1 后向散射光分析光在光纖中傳輸時(shí)，與光纖中的分子、雜質(zhì)等相互作用，發(fā)生散射，當(dāng)注入光功率較小時(shí)，產(chǎn)生瑞利散射光和自發(fā)喇曼散射光；注入光功率超過(guò)一定值時(shí)則產(chǎn)生受激喇曼散射光和受激布利淵散射光喇曼散射是由于光纖中分子的熱運(yùn)動(dòng)與光子的相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，具體的說(shuō)就是當(dāng)光子被光纖分子吸收后會(huì)再次發(fā)射出來(lái)如果有一部分光能轉(zhuǎn)化為熱能，那么將發(fā)出一個(gè)比原來(lái)波長(zhǎng)大的光，稱(chēng)為斯托克斯光；相反，如果有一部分熱能轉(zhuǎn)化為光能，那么將發(fā)出一個(gè)比原波長(zhǎng)小的光，稱(chēng)為反斯托克斯光，喇

28、曼散射光由這兩種不同波長(zhǎng)的光組成。由于反斯托克斯光散射取決于處于激發(fā)態(tài)的分子個(gè)數(shù)，在溫度升高的時(shí)候，更多的分子處于高能狀態(tài)，因此測(cè)量的反斯托克斯光強(qiáng)度與溫度有關(guān)而斯托克斯光對(duì)溫度的依賴(lài)性不大這說(shuō)明光信號(hào)在光纖上被溫度信號(hào)調(diào)制，通過(guò)檢測(cè)與溫度有關(guān)的反斯托克斯光強(qiáng)度 ，就可以得到溫度的信息由于反斯托克斯光強(qiáng)度不但經(jīng)過(guò)溫度信號(hào)的調(diào)制，而且受光纖本身的衰減系數(shù)、光源震蕩、光纖微彎等因素的影響，而斯托克斯光只受纖本身因素的影響，因此通過(guò)檢測(cè)喇曼散射光中的反斯托克斯光與斯托克斯光強(qiáng)度的比值，可以得到關(guān)于外界溫度的信息，還可以有效消除光纖本身因素引起的誤差。3.3溫度傳感器的應(yīng)用分析最廣泛地應(yīng)用于井下監(jiān)測(cè)應(yīng)

29、用的光纖傳感器之一就是喇曼反向散射分布式溫度探測(cè)器 ，這種方法已經(jīng)在測(cè)量井筒溫度剖面 (特別是在蒸汽驅(qū)井)中，得到了廣泛的應(yīng)用。分布式溫度傳感器要綜合考慮測(cè)量的點(diǎn)數(shù)和連接器衰減，遇到的問(wèn)題和解決方法為：(1)光纖以及連接器對(duì)信號(hào)的衰減問(wèn)題，解決的方法為盡量減少連接器的數(shù)目、采用布喇格光纖光柵傳感器以及改進(jìn)連接器的性能：(2)井下安裝時(shí)容易損壞，解決的方法為配備熟練工人、光纖傳感器需要外部保護(hù)層 、減小應(yīng)力 (包括射孔和溫度引起的應(yīng)力)。由于dts數(shù)據(jù)是在油井的整個(gè)生產(chǎn)壽命期間連續(xù)采集的，所以它可即時(shí)反映油層的任何變化情況。光纖系統(tǒng)可連同完井管柱一起安裝下井，而不需額外作業(yè)。因?yàn)閐ts測(cè)量能沿整

30、個(gè)儲(chǔ)層井段進(jìn)行，監(jiān)測(cè)各個(gè)層的流量貢獻(xiàn)會(huì)改善井下持久監(jiān)測(cè)效果 。dts能在整個(gè)儲(chǔ)層段上辨別流入井油流的井段及層的貢獻(xiàn)。在bp公司經(jīng)營(yíng)的偉琪法姆油田 ml7井中安裝了dts，該井從井跟到垂直部分的平直段都已經(jīng)射孔。1999年該井正式投產(chǎn)后即開(kāi)始獲得溫度測(cè)量數(shù)據(jù)。圖1所示為m-17井2000年3月儲(chǔ)集層溫度剖面。顯示出井底流入冷海水的影響及關(guān)井時(shí)層問(wèn)竄流影響。通過(guò)獲取的溫度剖面資料使作業(yè)者對(duì)油藏有了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也改變了相關(guān)地層壓力支持計(jì)劃。圖3-2 wytchfarm油田m一17采油井儲(chǔ)層井段的分布式溫度測(cè)量數(shù)據(jù)因?yàn)檎阢@進(jìn)更多生產(chǎn)井段長(zhǎng)的井 ，往往還是大斜度井或甚至是水平井，用生產(chǎn)測(cè)井儀器(pl

31、t)測(cè)量這些井的費(fèi)用可能太高，dts提供了一種替代方案。另外，生產(chǎn)測(cè)井儀器是過(guò)一定時(shí)間后在一單獨(dú)測(cè)量時(shí)間采集數(shù)據(jù)，dts系統(tǒng)是連續(xù)采集數(shù)據(jù)。在單獨(dú)基礎(chǔ)上難于解釋的一些情況可能與地面產(chǎn)量。變化去辨別井下貢獻(xiàn)變化有關(guān)系。對(duì)注入井，在為了確定各個(gè)層相對(duì)吸收能力而關(guān)井之后，通過(guò)使用儲(chǔ)層的“回暖”響應(yīng)可以進(jìn)行溫度(熱量)分析。雖然這些數(shù)據(jù)只提供關(guān)井時(shí)的信息，一次關(guān)井的經(jīng)濟(jì)影響不如生產(chǎn)井情況那樣顯著。連續(xù)溫度測(cè)量的缺點(diǎn)是它的數(shù)據(jù)分析不象流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析那樣簡(jiǎn)單。分析需要一個(gè)能闡述當(dāng)流體由儲(chǔ)層產(chǎn)出(或注入)向上流動(dòng)時(shí)它們的地?zé)嵝?yīng)和焦耳-湯姆遜效應(yīng)的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)熱模型。雷米在1961年的論文中概述了該熱流的基

32、礎(chǔ)，自那以來(lái)，一直將它用于分析溫度測(cè)井曲線(xiàn)。因?yàn)闇囟葦?shù)據(jù)是響應(yīng)大流量，某些問(wèn)題例如流動(dòng)狀態(tài)影響、及甚至流動(dòng)是否在套管內(nèi)或套管外，對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)井分析的要求不是那樣嚴(yán)格，特別是大斜度井和濾砂或割縫襯管完井。的確，識(shí)別套管外流體流動(dòng)是一種傳統(tǒng)的溫度測(cè)井應(yīng)用。而且，在一口井內(nèi)流人井的油流分布變化情況一經(jīng)采取適當(dāng)措施就能識(shí)別出來(lái)。13光纖流量傳感器第4章 光纖流量傳感器光纖流量計(jì)的工作原理是當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，光的特性(如強(qiáng)度、相位 、頻率 、波長(zhǎng)等)會(huì)受流量的調(diào)制，利用相應(yīng)的光檢測(cè)方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，求出流體流速。與傳統(tǒng)的流量傳感器相比，光纖流量計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)： 準(zhǔn)確度 、靈敏度高 ； 井下儀

33、器只有傳感探測(cè)器沒(méi)有電子線(xiàn)路，具有耐高壓、高溫、抗電磁干擾，在易燃 、易爆環(huán)境下安全可靠 ； 頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍廣，不受流型、流體流量大小及流體粘度的影響； 體積小 、質(zhì)量輕。4.1流量傳感器的種類(lèi)光纖流量計(jì)種類(lèi)很多，但它們都是根據(jù)光與運(yùn)動(dòng)流體的相互關(guān)系得出流體各相流量：4.1.1 光纖渦輪流量計(jì)光纖渦輪流量計(jì)是在傳統(tǒng)渦輪流量測(cè)量原理的基礎(chǔ)上 ，用多模光纖代替了內(nèi)磁式傳感器，構(gòu)成反射型光纖渦輪流量計(jì)，線(xiàn)性、重復(fù)性好，抗電磁干擾，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大這種光纖渦輪流量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、應(yīng)變量線(xiàn)性變化、抗 電磁干擾 能力強(qiáng)、有較大的量程比等優(yōu)點(diǎn) ，其技術(shù)相對(duì)成熟。但由于傳感器機(jī)械磨損等因素，壽命較短，并

34、且對(duì)管道的壓強(qiáng)造成一定影響。同時(shí),由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的因素所限 ，其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍不寬 ，測(cè)量精度很難得到提高;4.1.2 光纖渦街流量計(jì)光纖渦街流量計(jì)是以光纖作為非線(xiàn)性旋渦產(chǎn)生渦流 ，通過(guò)檢測(cè)在渦街作用下光強(qiáng)度(光相位)的變化來(lái)確定渦街產(chǎn)生的頻率，旋渦的釋放頻率與流速成正比；當(dāng)有流體通過(guò)光纖時(shí)，渦街會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生橫向作用力 ，使光纖微彎并受到周期性的振動(dòng)，導(dǎo)致輸出光強(qiáng)度的變化。再通過(guò)光電檢測(cè)及后期信號(hào)處理，就可以推算出光纖的振動(dòng)頻率，進(jìn)而得出流量這種光纖渦街流量傳感器。雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ，但是它的信號(hào)檢測(cè)較為困難 ，要求較高的信噪比，這在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)是較難達(dá)到的。4.1.3 光纖多普勒流速計(jì)光纖多普勒

35、流速計(jì)基于光的多普勒效應(yīng)測(cè)頻差確定流體的流動(dòng)速度 ，可實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)速度的非接觸高精度測(cè)量；小流量光纖流量計(jì)基于菲涅耳拖曳效應(yīng)(也稱(chēng)斐索拖曳效應(yīng))可以檢測(cè) 0.02/d以下的小流量。2001年6月，在阿曼的 nimr油田的電潛泵井測(cè)量中，光纖流量計(jì)與科利奧利流量計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果做 比較，含水誤差為2%，總流量誤差為3%，在儀器技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。因此是現(xiàn)階段流量計(jì)應(yīng)用較多的。下面以它為例介紹測(cè)量流量。4.2測(cè)量流量原理光纖多普勒流量傳感器是一種頻率調(diào)制的光纖傳感器 ，可實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)速度的非接觸高精度測(cè)量。根據(jù)光的多普勒效應(yīng)，當(dāng)頻率為f的一束光投射到以相對(duì)速度(遠(yuǎn)小于光速c)運(yùn)動(dòng)的流體上時(shí)，流體接收到的光

36、頻率為： (4-1)式中 1為投射光波矢與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的夾角。如果相對(duì)投射光波靜止的光探測(cè)器檢測(cè)該流體的反射光，則探測(cè)器接收的從流體反射的光頻率為： (4-2)式中2為反射光波矢與流體運(yùn)動(dòng)方向的夾角。由于流體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致探測(cè)器接收到的反射光波相對(duì)于投射光波(光源)的光頻差為： (4-3)式(4-3)表明了光源、探測(cè)器和被測(cè)流體都在作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況。光纖多普勒流速傳感器就是基于三者的關(guān)系通過(guò)檢測(cè)光頻差f來(lái)確定流體的運(yùn)動(dòng)速度的。可以采用干涉檢測(cè)法(例如內(nèi)差法 、外差法)檢測(cè)多普勒頻移。光纖多普勒流速傳感器采用內(nèi)差法檢測(cè)示意圖。如圖4所示 . 圖4-1 光纖多普勒流速傳感器內(nèi)差法檢測(cè)示意圖從光纖頂端反射

37、的光束與從散射粒子中反射的光束相互干涉 ，通過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器和 fabryperot腔中。由于 fabryperot腔引入的光程差與光纖端面到管道測(cè)量區(qū)的光程差相等，造成進(jìn)入fabryperot腔的兩反射光束滿(mǎn)足相干條件 ，而那些管道非測(cè)量區(qū)反射 回來(lái)的光束因無(wú)法發(fā)生干涉而被濾除。這樣可以有效地提高系統(tǒng)的信噪比。4.3流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)隨著機(jī)械加工技術(shù)的高速發(fā)展和光纖技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的深人發(fā)展 ，光纖流量傳感器必將隨之不斷改進(jìn) ，以迎合市場(chǎng)化的需要。針對(duì)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用 ，其大體發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為 ：高精度，高度的穩(wěn)定性和儀器設(shè)備的簡(jiǎn)單化、集成化。16光纖多相

38、流傳感器第5章 光纖多相流傳感器5.1持率的重要性生產(chǎn)井中，不同層位產(chǎn)液性質(zhì)不同，了解流體性質(zhì)(密度 ，含水率)才能評(píng)價(jià)產(chǎn)層特性。持水率是油井生產(chǎn)剖面評(píng)價(jià)的一個(gè)流動(dòng)參數(shù) ，對(duì)找準(zhǔn)產(chǎn)水層位 、采取措拖提高油氣產(chǎn)量至關(guān)重要。目前確定含氣率主要是通過(guò)測(cè)量持氣率得到的 ，含氣率是氣的流量占總流量的百分比 ，而持氣率是管內(nèi)單位體積的液體流動(dòng)懸持的氣體體積 。含水率是水的流量占總流量的百分比 ，而求含水率的條件就是要測(cè)出持水率 ，持水率定義是單位長(zhǎng)度的管內(nèi)，液體流動(dòng)時(shí) ，懸持的水體積占流體總體積之比 ，即井眼內(nèi)水的體積濃度。流體密度可區(qū)分油水界面、氣液界面；含水率及流體密度對(duì)找準(zhǔn)產(chǎn)水層位、卡水堵漏采取措施

39、，提高油氣產(chǎn)量至關(guān)重要。5.2測(cè)量持水率的方法目前持水率測(cè)量?jī)x有電容法持水率 、伽馬一伽馬持水率 、波導(dǎo)持水率、電容法和伽馬一伽馬等測(cè)量方法 ，在測(cè)量低含水(開(kāi)發(fā)初期 ，含水率小于 30%)油井內(nèi)的持水率或分辨氣一液方面發(fā)揮了作用 ，目前我國(guó)油田已進(jìn)人高含水 (含水率大于80%)開(kāi)采階段 ，由于現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的電容法持水率計(jì)在高含水的情況下測(cè)量的準(zhǔn)確性較差 ，甚至無(wú)分辨率(當(dāng)含水超過(guò)60時(shí) ，含有大量導(dǎo)電離子的地層水成為連續(xù)相 ，在儀器的工作頻率下 ，水構(gòu)成連接電容兩極的導(dǎo)體 ，從而使儀器失去分辨率)低能源 (伽 馬一伽 馬 )持水率計(jì)探測(cè)范圍小 、溫度穩(wěn)定性低 、放射性對(duì)人體的傷害大及環(huán)境污

40、染嚴(yán)重等弊端波導(dǎo)式含水率儀盡管理論上較成熟，但其受工藝復(fù)雜的限制，制造和應(yīng)用難度大、在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中表現(xiàn)為同一儀器重復(fù)性差、與刻度曲線(xiàn)不一致、定量應(yīng)用效果差。采用光纖傳感技術(shù)從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率儀器存在的不足 。光纖持率密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率儀器存在的高含水無(wú)分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用，對(duì)于多相流體油、水 、氣的折射率各不相同，因而混合流體的折射率會(huì)隨著油、水、氣比例的改變而改變，光纖傳感器的傳感機(jī)理是基于 u 型彎曲光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化這一特性 ，光波是信息載體，與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無(wú)關(guān)。油、水、氣三相的折射率分別為 148150、133和 1，各相差別

41、較大，對(duì)于水中含油、油中含水、水中含氣或油中含氣的測(cè)定非常靈敏，可達(dá)到全量程 0100%。光纖傳感持率測(cè)井儀器與傳統(tǒng)電容法持水率測(cè)量方法相比較，基于折射率調(diào)制的光纖傳感器能做到基本與水質(zhì)無(wú)關(guān)，且能同時(shí)識(shí)辨油和氣。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測(cè)流體持率 ，同時(shí)可測(cè)流體密度，精度較高。如光纖含氣率測(cè)量?jī)x能直接測(cè)量多相流體中的天然氣含量，測(cè)量反射回來(lái)的光信號(hào)確定持氣率和天然氣氣泡數(shù)，主要是識(shí)別油水井中的天然氣運(yùn)移，或識(shí)別氣井中的水、油或凝析油。第二種是通過(guò)測(cè)量聲速來(lái)確定兩相混合流的相組分 ，因?yàn)榛旌狭黧w的聲速與各單相流體的聲速和密度具有相關(guān)性，而這個(gè)相關(guān)性普遍存在于兩相氣液和液液混合流體系統(tǒng)

42、中，同時(shí)也適用于多相混合流系統(tǒng)。根據(jù)混合流體的聲速確定各相流體的體積分?jǐn)?shù)，就是測(cè)量流過(guò)流量計(jì)的各單相體積分?jǐn)?shù)(即持率測(cè)量)。某一流體相持率是否等于該相流動(dòng)體積分?jǐn)?shù)，取決于該相相對(duì)于其它相是否存在嚴(yán)重的滑脫現(xiàn)象。對(duì)于不存在嚴(yán)重滑脫的油水兩相混合流系統(tǒng) ，可以用均勻流動(dòng)模型進(jìn)行分析；對(duì)于存在嚴(yán)重滑脫現(xiàn)象的流動(dòng)狀態(tài)，則必須應(yīng)用更完善的滑脫模型來(lái)解釋流量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地確定各相的流量。經(jīng)流動(dòng)循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于油水混合流體，流量計(jì)的長(zhǎng)波長(zhǎng)聲速測(cè)量可以確定各相體積分?jǐn)?shù)(即持率 )，而不受流動(dòng)非均質(zhì)性(如層狀流動(dòng))的影響。18光纖傳感器的綜合應(yīng)用第6章 光纖傳感器的綜合應(yīng)用一般地，光纖壓力傳感器比較

43、適用于注水井（防止注入壓力過(guò)高而壓裂套管）和泡點(diǎn)壓力低于油藏壓力的的油井；分布式溫度傳感器比較適用于熱采的稠油油藏；光纖多相流傳感器比較適用于高含水或油氣水關(guān)系復(fù)雜的井。通常而言，這些光纖傳感器件只是針對(duì)某些方面的問(wèn)題，有選擇的下放安裝到井中。對(duì)于智能井而言，這些光纖傳感器則在完井時(shí)安裝到井下，光纖壓力計(jì)，光纖流量計(jì)，光纖多相流傳感器和分布式溫度傳感光纖的端口位于襯管懸掛器的上面，在完井時(shí)隨著油管一起下入井中。而所有的光纖預(yù)先穿過(guò)封隔器，并且要裝入1/4英寸的不銹鋼管中，以起到被保護(hù)作用。而整口井的數(shù)據(jù)采集可以由液壓管線(xiàn)所控制的閥門(mén)來(lái)控制。通過(guò)這些綜合光纖傳感器，我們就能實(shí)時(shí)得知井下流體的動(dòng)態(tài)

44、情況，例如壓力，溫度，流量，含水率等一些數(shù)據(jù)，根據(jù)這些流體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即時(shí)通過(guò)控制管線(xiàn)調(diào)整油藏開(kāi)發(fā)方案，用盡可能少的成本，高效高采出程度把原油從地下采出來(lái)，從而獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。6.1智能井系統(tǒng)簡(jiǎn)介現(xiàn)今的智能井系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)注采管理網(wǎng)絡(luò)，包括井內(nèi)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)、模擬及遙控流量的工作方式。智能井系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的井內(nèi)光纖傳感器采集數(shù)據(jù)，操作者不需要進(jìn)行修理干預(yù)便能改變流動(dòng)特性(生產(chǎn)和/或注入)。測(cè)量點(diǎn)離目標(biāo)層越近，所采集數(shù)據(jù)的分辨率和最終價(jià)值越大。因此，井內(nèi)永久性光纖傳感器還有助于更好地認(rèn)識(shí)特定開(kāi)采層和/或注入層的特性以及近井和井間油藏特征。其中智能完井系統(tǒng)(ics)地面框圖和智能完井系統(tǒng)的井下部分圖

45、分別示于圖6-1、圖6-2。智能井技術(shù)關(guān)鍵有兩個(gè)方面：一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ，指系統(tǒng)獲取井下流態(tài)或油藏?cái)?shù)據(jù)的能力；二是實(shí)時(shí)控制，遠(yuǎn)距離開(kāi)關(guān)閥門(mén)控制流態(tài)的能力。一個(gè)完整的智能完井系統(tǒng)包括井下監(jiān)控器，具有數(shù)字通訊、資料管理和數(shù)據(jù)分析功能的油藏工程專(zhuān)家系統(tǒng)以及井下流量控制器等，圖6-3顯示了智能井系統(tǒng)的構(gòu)成和功用。井下監(jiān)控器是一種可對(duì)地層壓力分布、溫度和三相流量與密度進(jìn)行測(cè)量的纖維光學(xué)儀器，利用它可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油藏指定地帶的性能，將油藏工程專(zhuān)家系統(tǒng)同先進(jìn)的模擬軟件相結(jié)合，則可實(shí)時(shí)地不斷改進(jìn)油藏模型。而井下流量控制閥則用于封堵和控制不同地層的液流。圖6-1 智能完井系統(tǒng)(ics)地面部分圖6-2 智能完井系統(tǒng)的井

46、下部分6.2智能井的特點(diǎn)(1)可以減少生產(chǎn)干擾，避免常規(guī)采油作業(yè)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn) ，便于管理 ，適用于邊遠(yuǎn)、偏僻地區(qū)。智能完井可以在地面上識(shí)別 流入控制位置 ，能在地面上選擇性地開(kāi)或關(guān)某一油層，實(shí)現(xiàn)在不關(guān)井的情況下進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)重配。 圖6-3 建立在平臺(tái)之上的智能井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和用途(2)智能完井有實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程遙控的功能 ，這就使得這項(xiàng)技術(shù)特別適合于管理沙漠或海上的油田 。(3)防止在生產(chǎn)層和混采層之間竄流，可以控制氣、水錐進(jìn)，改善生產(chǎn)能力，提高油田最終采收率。智能完井上的傳感器能夠監(jiān)測(cè)各油層油、氣、水的流動(dòng)狀況，修正油井工作制度。一旦生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)水或氣的錐進(jìn)時(shí)，可以通過(guò)油井配產(chǎn)來(lái)延緩水、氣錐的發(fā)生

47、 ，改善生產(chǎn)能力，提高油 田最終采收率。(4)智能完井具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，獲得生產(chǎn)層實(shí)時(shí)井下信息，并將監(jiān)測(cè)到的信息資料傳輸?shù)降孛娴挠?jì)算機(jī)中存儲(chǔ)起來(lái) ，由于信息是長(zhǎng)期持續(xù)記錄的，從而可以克服不穩(wěn)定試井分析引起的模糊性和不確定性。(5)提高對(duì)油藏的認(rèn)識(shí)程度，使作業(yè)人員對(duì)將來(lái)的井位和井網(wǎng)布置作出較好的決定。(6)全面優(yōu)化油藏管理和生產(chǎn)，減少各類(lèi)井的數(shù)量，提高注入效率和最終采收率。采用新型的光子(光纖)儀器都可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。在最新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，油層專(zhuān)用的臨時(shí)性傳感器正在被永久性傳感器所取代?，F(xiàn)今已投入商業(yè)應(yīng)用的智能井系統(tǒng)大都包括壓力、溫度和質(zhì)量流量測(cè)量裝置。可用于實(shí)時(shí)流量控制的裝置有液壓閥、電動(dòng)

48、液壓閥、全電動(dòng)閥（如圖6-4所示）。這些控制系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)置包括簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)、多位調(diào)節(jié)和無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。6.3智能井的優(yōu)點(diǎn)圖6-3 世界上第一口多光纖智能井結(jié)構(gòu)圖作為一項(xiàng)新型的完井技術(shù),智能完井與常規(guī)完井技術(shù)相比技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1) 智能完井具有地面遙控功能,便于管理 , 適用于偏、遠(yuǎn)地區(qū)。智能完井能夠在地面上識(shí)別流入控制閥位置,并能在地面上有選擇地開(kāi)或關(guān)某一油層,從而實(shí)現(xiàn)不關(guān)井情況下進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)重配。由于智能完井具有地面遙控功能,因此,該技術(shù)特別適用于難于管理的海上或沙漠中的油田。(2) 智能完井具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能,測(cè)試資料連續(xù),能夠克服不穩(wěn)定試井分析引起的模糊性和不確定性。智能

49、完井能夠獲得生產(chǎn)層實(shí)時(shí)井下信息,并將監(jiān)測(cè)到的資料傳輸?shù)降孛娴挠?jì)算機(jī)中儲(chǔ)存起來(lái),測(cè)試的資料具有較強(qiáng)的連續(xù)性。由于監(jiān)測(cè)資料是長(zhǎng)期持續(xù)記錄的,從而克服了不穩(wěn)定試井分析所引起的模糊性和不確定性。(3) 智能完井監(jiān)測(cè)的資料廣泛,提供信息量大,有利于提高油藏管理。利用智能完井所獲得的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的資料比傳統(tǒng)的短期測(cè)試資料能提供更多的油藏信息,這些信息對(duì)于油藏工程師建模是非常有利的。智能完井監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不但包括單井?dāng)?shù)據(jù)(壓力、溫度、粘度和組分),還包括井間數(shù)據(jù) (地震的、波動(dòng)的、聲波的),從而使信息類(lèi)型不斷擴(kuò)大,整個(gè)油藏信息的擴(kuò)大將使先進(jìn)油藏管理向著精確的流體前緣圖解和油藏描述方向進(jìn)步。將來(lái)油藏可能會(huì)進(jìn)入連續(xù)管理

50、階段。油藏使用智能完井管理越多,被控制的部分也越大,油藏就能獲得更大的潛能。因此,智能完井適用于油藏結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有較高不確定性 , 需要錄取大量資料的井。(4) 智能完井可以控制氣、水錐進(jìn) , 加速生產(chǎn),提高油田最終采收率。智能完井上的流入控制閥可以對(duì)不同層位有選擇地進(jìn)行開(kāi)或關(guān),從而實(shí)現(xiàn)從特定油層段采油的目的。智能完井上的傳感器能夠監(jiān)測(cè)各油層油、氣、水量 ,并能修正油井工作制度。當(dāng)生產(chǎn)中出現(xiàn)水或氣的錐進(jìn)時(shí) ,可通過(guò)調(diào)整層段流量 (即關(guān)閉產(chǎn)水或產(chǎn)氣層,控制注水或注氣等)來(lái)延緩水或氣的錐進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)加速生產(chǎn),提高油田最終采收率的目的。因此,對(duì)于油層性質(zhì)差距較大,需進(jìn)行多層合采或合注的井或需控制水、

51、氣錐進(jìn)的井可采用智能完井。下面以智能完井系統(tǒng)比較典型的有scrams系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)述其功能優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)具有以下主要功能和優(yōu)點(diǎn):(1)根據(jù)各個(gè)層段生產(chǎn)指數(shù)的變化，可以判斷和確定節(jié)流生產(chǎn)段效果；(2)能測(cè)量和調(diào)節(jié)每個(gè)產(chǎn)層的關(guān)井壓力、流動(dòng)壓力和質(zhì)量流量，從而更科學(xué)、更簡(jiǎn)化地管理非均質(zhì)油藏；(3)由于消除了關(guān)井時(shí)橫向流動(dòng)所造成的影響，可以進(jìn)行每個(gè)產(chǎn)層的壓力升降分析；由于消除了多層合采混合流動(dòng)分析所引起的誤差，就更容易進(jìn)行物質(zhì)平衡計(jì)算且更加精確；(4)采油工程師和過(guò)程控制工程師能更有效地判斷、測(cè)量和調(diào)節(jié)管理過(guò)程；(5)由于能在井底產(chǎn)層處進(jìn)行控制和測(cè)量，這就便于操作者調(diào)整變化的生產(chǎn)剖面，從而優(yōu)化生產(chǎn)；(6)

52、能關(guān)閉或抑制產(chǎn)水層段，從而改善舉升性能且易于處理和排放產(chǎn)出水；(7)可以利用鄰層氣進(jìn)行氣舉，從而提高枯竭層段的產(chǎn)量；(8)通過(guò)遙控調(diào)節(jié)氣舉閥能夠優(yōu)化常規(guī)氣舉方法；(9)能夠?qū)崟r(shí)獲得關(guān)鍵信息，最大限度地減小測(cè)井工作量；(10)有時(shí)不需要井下作業(yè)就可以對(duì)選擇層位按程序處理；(11)減少作業(yè)次數(shù)干擾就直接降低了操作費(fèi)和風(fēng)險(xiǎn)，且提高了安全性。油氣界日益認(rèn)識(shí)到智能井技術(shù)在優(yōu)化生產(chǎn)效率和油氣采收率方面的巨大潛能。在高作業(yè)成本的海底井和深水井 ,智能完井技術(shù)具有以較少的井提供更多的油氣產(chǎn)量和提高油氣采收率的能力。不論是用于生產(chǎn)井、注水井還是注/ 采井兼用 ,智能完井技術(shù)都能改善非均質(zhì)性油藏或多層油藏的注水/ 氣驅(qū)油效率。井下傳感器獲取的生產(chǎn)/ 儲(chǔ)層數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步了解油藏動(dòng)態(tài) ,并有助于選擇合適的加密井的井位及井眼設(shè)計(jì)。智能完井技術(shù)通過(guò)控制多層合采、多分支井監(jiān)控或使單井眼同時(shí)具有多項(xiàng)功能 ,如注水、觀察和生產(chǎn) ,使單井眼完成多口井的任務(wù)。智能完井是一