一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统及方法与流程

本发明属于油井监测系统领域，具体涉及一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统及方法。

背景技术：

在油气田的勘探开发过程中，当油气井进行常规完井以后，可以从地面通过各种物理手段进行井下流体测量、油气藏压力和温度的测量、井下油气藏可视化等工作，通过对测量数据的采集、筛选、分析和研究，得出油气井优化开采方案，进一步通过地面控制设备遥控安装在井下油气层的智能测量和控制设备(操作阀或滑套开关、井下油水分离器等)，在不动管柱的情况下根据油井、注水井、注采井情况和生产需要灵活控制各油气层流量、注入水流量、井下生产处理设备等，以达到优化生产和最终提高采收率的目的。

然而，随着油气田开发方向逐渐向深井、低渗透、海洋、非常规油气方向转移，井下工况以及改造措施愈加复杂，井下测试仪器以及工具的可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子类传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰、强烈冲击与机械震动等环境下工作。

目前应用于油气田井下温度、压力等状态测量的传统装置和仪器具有以下缺陷:

(1)传统的测量装置为单点测量装置，随着测点的增多，测量系统将变得繁杂，并且增加测量成本；

(2)由于油气井具有大量腐蚀性液体，常规测量装置的检测端与井液直接接触，很难长期置于井下，不能实现油气田井下温度和压力的实时在线测量；

(3)传统测量装置需要油井停产才能测量，影响油田的生产效率，并且其测量数据不能反映生产过程中真实参数；

(4)目前测量装置需要电信号来传递测量数据，由于井下电磁环境的干扰，数据测量有误差。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例的第一方面提供一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统，包括：地面信号处理子系统、地面液压子系统、井下动态监测子系统和多个流量控制装置；

所述井下动态监测子系统，包括传感光纤和多个光纤传感器组件；

所述传感光纤，穿设在油井套管内且沿油井延伸，位于所述油管的一侧，上端与所述地面信号处理子系统连接；

所述光纤传感器组件，固设在所述油管的外壁上，与所述传感光纤连接；

所述地面信号处理子系统，与所述地面液压子系统通过控制线缆电连接；

所述流量控制装置，与所述油管连接，且与所述地面液压子系统连接；

其中，所述油井的每层产层中设置有至少一个光纤传感器组件，所述油井的每层产层中具有一个流量控制装置。

在本发明的一个实施例中，所述传感光纤穿过井口采油树固设在所述油管的一侧。

在本发明的一个实施例中，所述地面信号处理子系统，包括：服务器和信号处理器；

所述服务器，与所述信号处理器电连接；

所述信号处理器，与所述传感光纤连接，与所述地面液压子系统通过控制线缆电连接。

在本发明的一个实施例中，所述光纤传感器组件包括：光纤温度压力传感器和光纤流量传感器。

在本发明的一个实施例中，所述流量控制装置，包括液压缸、活塞和外护筒；

所述液压缸，上端与所述油管固定连接，下端与所述外护筒的上端固定连接，开设有第一过流通道；所述液压缸通过液压管线与所述地面液压子系统的电磁阀连接；

所述外护筒，下端与所述油管固定连接，筒壁上开设有进液口；

所述活塞，滑动穿设在所述第一过流通道和所述外护筒内，上端与所述液压缸滑动连接，开设有第二过流通道，侧壁上开设有调节通孔；

所述第二过流通道，与所述第一过流通道和所述外护筒的下端连通；

所述调节通孔，位于所述进液口的一侧，与所述进液口连通，所述调节通孔的长轴沿油井出液方向逐渐增大或逐渐减小。

本发明实施例的第二方面提供一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井方法，包括以下步骤：

步骤1，地面信号处理子系统对传感光纤产生激励光源；

步骤2，光纤传感器组件接收激励光源后对所在产层的状态进行检测并向所述地面信号处理子系统返回第一光信号，所述传感光纤返回第二光信号；

步骤3，所述地面信号处理子系统对所述第一光信号和所述第二光信号进行解调生成状态参数，并根据所述状态参数生成控制指令；

步骤4，所述地面信号处理子系统将所述控制指令发送至地面液压子系统，并将所述状态参数进行存储；

步骤5，所述地面液压子系统控制流量控制装置动作；

步骤6，所述光纤传感器组件对所在产层的状态进行持续检测并向所述地面信号处理子系统返回第一光信号，所述传感光纤向所述地面信号处理子系统持续返回第二光信号。

在本发明的一个实施例中，所述地面信号处理子系统，包括：服务器和信号处理器；

所述步骤1的具体步骤为：信号处理器对传感光纤产生激励光源；

所述步骤2的具体步骤为：光纤传感器组件接收激励光源后对所在产层的状态进行检测并向所述信号处理器返回第一光信号，所述传感光纤返回第二光信号；

所述步骤3的具体步骤为：信号处理器对所述第一光信号和所述第二光信号进行解调生成状态参数，并根据所述状态参数生成控制指令；

所述步骤4的具体步骤为：服务器将所述状态参数进行存储，信号处理器将所述控制指令发送至地面液压子系统。

在本发明的一个实施例中，所述流量控制装置，包括液压缸、活塞和外护筒；

所述步骤5的具体步骤为：所述地面液压子系统控制流量控制装置的活塞动作。

本发明的有益效果：

本发明通过光纤传感器组件对井下的指定位置的温度、压力、流量数据进行检测，传感光纤贯穿井下所有产层，可以连续地传输每个产层的光信号的变化，进而连续地传感温度、压力、应力等被测量。光纤传感器组件的被测量也通过传感光纤进行传输，传感光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质，实现井下分布式监测且简化了检测系统，降低了测量成本。传感光纤和光纤传感器组件对电磁干扰不敏感，可以高精度地测量井筒和井场环境参数。

同时，传感光纤与光纤传感器组件配合，具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，测量信息较为全面且无需停产测量。而且，光纤传感器组件横截面积小，体积小，在套管中占据空间极小，且不影响被测环境。结合液压方式实现井下分层流量控制，有效地降低了井下工具的故障率，实现了可靠性高、稳定性强的检测装置和检测方法。

此外，光纤传感器组件的传感光路不与井液直接作用就可以进行检测，能够满足高温、高压、高污染的井下环境要求。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的流量控制装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的流量控制装置的活塞的结构示意图。

附图标记说明：

100-地面信号处理子系统；101-服务器；102-信号处理器；200-地面液压子系统；300-井下动态监测子系统；301-传感光纤；302-光纤传感器组件；303-光纤温度压力传感器；304-光纤流量传感器；400-流量控制装置；401-液压缸；402-活塞；403-外护筒；404-第一过流通道；405-进液口；406-上接头；407-下接头；408-第二过流通道；409-调节通孔；410-第一子管；411-第二子管；500-套管；501-井口采油树；600-油管；601-封隔器；602-抽油泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，本发明实施例的第一方面提供一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井系统，包括：地面信号处理子系统100、地面液压子系统200、井下动态监测子系统300和多个流量控制装置400。井下动态监测子系统300，包括传感光纤301和多个光纤传感器组件302。传感光纤301穿设在油井套管500内且沿油井延伸，传感光纤301位于油管600的一侧，传感光纤301的上端与地面信号处理子系统100连接。本实施例中，传感光纤301贯穿井下所有产层，相邻的两个产层之间设置有封隔器601，传感光纤301穿过每层封隔器601至最末端产层。光纤传感器组件302固设在油管600的外壁上，光纤传感器组件302与传感光纤301连接。传感光纤301和光纤传感器组件302位于套管500和油管600之间。地面信号处理子系统100与地面液压子系统200通过控制线缆电连接。本实施例中，地面信号处理子系统100器产生激励光源，激励光源的光波在传感光纤301中传输，同时，光纤传感器组件302在光波的作用下进行工作，传感光纤301可以传感被测量(温度，压力，应力，应变等)，同时也将光纤传感器组检测产生的光信号传输至地面信号处理子系统100，地面信号处理子系统100解调返回的光信号，进行信号分析生成状态参数，并根据状态参数生成控制地面液压子系统200工作的控制指令，将控制指令传输至地面液压子系统200。其中，油井的每层产层中设置有至少一个光纤传感器组件302。

油井的每层产层中具有一个流量控制装置400。流量控制装置400与油管600连接，且流量控制装置400与地面液压子系统200连接。本实施例中，流量控制装置400用于控制油管600中的产液的流量大小。流量控制装置400通过液压控制工作，地面液压子系统200执行地面信号处理子系统100的控制指令，对流量控制装置400的动作进行控制，以实现本层产层进入油管600的产液的流量大小的调节。

本实施例中，通过光纤传感器组件302实现井下单点温度、压力、流量监测，通过传感光纤301实现井下分布式温度、压力、应变、声波监测，传感光缆同时为光信号传输介质将光信号返回至地面信号处理子系统100，地面信号处理子系统100解调返回的光信号，并进行信号分析生成状态参数，并根据生成状态参数生成控制地面液压子系统200工作的控制指令，地面液压子系统200执行控制指令使流量控制装置400动作以调节流量大小。因此，本实施例的检测系统根据井下动态监测子系统300的检测结果可以对井下流量进行调节。

本实施例中，井下动态监测子系统300对井下状态进行连续监测，可以反馈验证流量控制装置400动作执行情况，经过循环调整流量控制装置400实现井下油气藏压力模型的精确控制。

本实施例中，井下动态监测子系统300实现井下分布式监测，从而实现了油管600和套管500的完整性监测，且井下动态监测子系统300结构简单，无需停产测量，降低了测量成本，井下动态监测子系统300对电磁干扰不敏感，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，且光纤传感器组件302体积小，在套管500中占据空间极小，且不影响被测环境。光纤传感器组件302的传感光路不与井液直接作用就可以进行检测，能够满足高温、高压、高污染的井下环境要求。

本实施例中，光纤传感器测得井下指定点温度、压力、流量数据可以用于校正传感光纤301测量所得数据，以实现校正传感光纤301分布式测量所得监测曲线，从而获得或者以更高精度获得布置传感光纤301井段范围内任意位置点、任意时间点的温度、压力、流量瀑布图。

在一种可行的实现方式中，传感光纤301的传感是利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向，连续地传感被测量(温度，压力，应力，应变等)。此时，光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。利用入射激光脉冲在传感光纤301中激发出相应的后向散射光谱信号即瑞利、布里渊和拉曼散射光谱，进行传感，其中，传感光纤301为多芯光纤结构，能够对多个光谱信号同时进行传输。

实施例二

如图2所示，本实施例是在实施例一的基础上，进一步限定了传感光纤301穿过井口采油树501固设在油管600的一侧。本实施例中，抽油泵602设置在油管600上，传感光纤301位于油管600和抽油泵602的一侧。进一步地，传感光纤301还可以对抽油泵602的工作状态进行检测和监测。具体地，传感光纤301可以感知抽油泵602在工作过程中产生的振动声波。

进一步地，如图2所示，地面信号处理子系统100，包括：服务器101和信号处理器102。服务器101与信号处理器102电连接。信号处理器102与传感光纤301连接，信号处理器102与地面液压子系统200通过控制线缆电连接。本实施例中，信号处理器102用于产生激励光源并解调传感光纤301返回的光信号，且进行信号分析生成状态参数，还用于根据状态参数生成控制地面液压子系统200的控制指令。信号分析的信息和结果储存至服务器101中，

进一步地，如图2所示，光纤传感器组件302包括：光纤温度压力传感器303和光纤流量传感器304。本实施例中，光纤温度压力传感器303通过第一传感器托筒固设在油管600的外壁上，光纤流量传感器304通过第二传感器托筒固设在油管600的外壁上。

在一种可行的实现方式中，光纤温度压力传感器303是f-p(fabry-perot，法布里-珀罗)传感器。光纤流量传感器304是利用管道流体流动在同一位置上静压力和流速压力存在流速压差，这种压差信息通过压力敏感元件转化为微小的光程差，即产生光相位差，再使用迈克尔逊干涉仪光路结构对这种光波相位的变化进行测量，最终通过信号解调和处理实现流速的高精度测量。采用该传感器，传感光路不与井液直接作用，因此通过将传感光路进行整体的密闭封装，不仅能实现流速流量的测量，而且能满足高温、高压、高污染的井下环境要求。

进一步地，如图2和图3所示，流量控制装置400包括液压缸401、活塞402和外护筒403。液压缸401的上端与油管600固定连接，液压缸401的下端与外护筒403的上端固定连接，液压缸401开设有第一过流通道404。液压缸401通过液压管线与地面液压子系统200的电磁阀连接。外护筒403的下端与油管600固定连接，外护筒403的筒壁上开设有进液口405；本实施例中，流量控制装置400设置在当前产层的油管600管段上，当前产层的油管600管段可以分为两个子管段，分别为上子管段和下子管段，上子管段和下子管段通过流量控制装置400连接在一起。液压缸401通过上接头406与上子管段的下端连接，外护筒403的下端通过下接头407与下子管段的上端连接。

活塞402滑动穿设在第一过流通道404和外护筒403内，活塞402的上端与液压缸401滑动连接，活塞402开设有第二过流通道408，活塞402的侧壁上开设有调节通孔409。在液压缸401内油液压力的作用下，活塞402可以滑动运动。具体地，地面液压子系统200的各个产层的电磁阀控制对应产层的液压缸401中的液压油液的流向和流量，以实现活塞402动作。本实施例中，液压管线包括第一子管410和第二子管411，每个产层的液压缸401与一个第一子管410和一个第二子管411连接，地面液压子系统200中设置有多个电磁阀，每个液压缸401的第一子管410连接一个电磁阀，第二子管411连接一个电磁阀，因此，每个产层的液压缸401通过对应的电磁阀进行控制。第一子管410和第二子管411位于活塞402的两侧，通过对应的电磁阀控制第一子管410和第二子管411中油液的流量进而实现活塞402的滑动动作。

第二过流通道408与第一过流通道404和外护筒403的下端连通。外护筒403内形成第三过流通道，活塞402穿设在第三过流通道和第一过流通道404内，油液通过第二过流通道408、第一过流通道404、油管600以及抽油泵602等向井上输送。附图中的箭头表示产液输送方向。

如图3和图4所示，调节通孔409位于进液口405的一侧，调节通孔409与进液口405连通，调节通孔409的长轴沿油井出液方向逐渐增大或逐渐减小。本实施例中，调节通孔409为长形渐变孔结构，开孔长度小于活塞402行程，活塞402滑动过程中，进液口405可以与调节通孔409的不同位置对应，从而进液口405与调节通孔409的不同尺寸的孔部对应，因此，进液口405对应调节通孔409的不同位置，从而，从进液口405进入活塞402的产液的流量大小不同。

具体的，信号处理器102根据状态参数生成控制指令，并将控制指令发送至地面液压子系统200，地面液压子系统200的电磁阀工作，第一子管410和第二子管411中的液压油液的流量增大或减小(第一子管410中流量增大则第二子管411中流量减小，第一子管410中流量减小则第二子管411中流量增大)，活塞402运动以调节调节通孔409与进液口405对应部位的位置，从而可以调节进入流量控制装置400的产液的流量，进而可以改变油管600中输出产液的流量大小。其中，本层产层的产液从进液口405进入第二过流通道408内，并与从下接头407进入的其它产层的产液经过第二过流通道408、第一过流通道404、上接头406、油管600以及抽油泵602等向井上输送。

在一种可行的实现方式中，活塞402运动可以使进液口405的开度从0％到100％变化，调节通孔409开孔曲线可根据流量特性需要设置，以满足不同流量控制需求。其中，地面液压子系统200为地面液压站。

实施例三

如图2-图4所示，本发明实施例的第二方面提供一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井方法，应用于上述实施例一的监测系统中，包括以下步骤：

步骤1，地面信号处理子系统100对传感光纤301产生激励光源。

步骤2，光纤传感器组件302接收激励光源后对所在产层的状态进行检测并向地面信号处理子系统100返回第一光信号，传感光纤301返回第二光信号。本步骤中，产层的状态包括温度、压力和流量。传感光纤301利用入射激光脉冲在传感光纤301中激发出相应的后向散射光谱信号即瑞利、布里渊和拉曼散射光谱，进行连续地传感井下所有产层的温度、压力、应力、声波等被测量。其中，第一光信号包括多种光信号，第二光信号也包括多种光信号，例如包括指示温度的光信号、指示流量的光信号、指示声波的光信号等。

步骤3，地面信号处理子系统100对第一光信号和第二光信号进行解调生成状态参数，并根据状态参数生成控制指令。本步骤中，状态参数包括温度值、压力值、流量值、声波值等第一光信号和第二光信号中指示的各种参数。地面信号处理子系统100对状态参数进行处理后生成控制指令，控制指令用于控制地面液压子系统200的工作。

步骤4，地面信号处理子系统100将控制指令发送至地面液压子系统200，并将状态参数进行存储。

步骤5，地面液压子系统200控制流量控制装置400动作。流量控制装置400动作实现井下产液流量大小的调节。

步骤6，光纤传感器组件302对所在产层的状态进行持续检测并向地面信号处理子系统100返回第一光信号，传感光纤301向地面信号处理子系统100持续返回第二光信号。本步骤中，在流量控制装置400调节流量之后，井下动态监测子系统300持续进行监测，以实现在循环控制流量控制装置400调整流量，能够实时调整流量，实现更加精确的控制。

实施例四

本实施例是在实施例三的基础上，进一步限定了一种基于光纤监测和分层流动控制的智能完井方法，本实施例应用于上述实施例二的监测系统，地面信号处理子系统100包括：服务器101和信号处理器102。

步骤1的具体步骤为：信号处理器102对传感光纤301产生激励光源。

步骤2的具体步骤为：光纤传感器组件302接收激励光源后对所在产层的状态进行检测并向信号处理器102返回第一光信号，传感光纤301返回第二光信号。

步骤3的具体步骤为：信号处理器102对第一光信号和第二光信号进行解调生成状态参数，并根据状态参数生成控制指令。信号处理器102对状态参数进行处理后生成控制指令，控制指令用于控制地面液压子系统200的工作。

步骤4的具体步骤为：服务器101将状态参数进行存储，信号处理器102将控制指令发送至地面液压子系统200。

流量控制装置400，包括液压缸401、活塞402和外护筒403。

步骤5的具体步骤为：地面液压子系统200控制流量控制装置400的活塞402动作。本步骤中，地面液压子系统200控制电磁阀工作，第一子管410和第二子管411中的液压油液的流量增大或减小，活塞402运动以调节调节通孔409与进液口405对应部位的位置，从而可以调节进入流量控制装置400的产液的流量，进而可以改变油管600中输出产液的流量大小。

步骤6，光纤传感器组件302对所在产层的状态进行持续检测并向信号处理器102返回第一光信号，传感光纤301向信号处理器102持续返回第二光信号。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。