基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统及监测方法与流程

本发明属于测井技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的井下流体监测系统及监测方法。

背景技术：

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

井下光纤传感系统可以用于井下进行压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。目前有多种井下铠装光缆的布设方法，比如安放在井下控制管线内、投放到连续油管内、直接集成到复合材料制成的连续油管管壁中、捆绑固定在连续油管外侧、投放在套管内和捆绑在套管外侧并用固井水泥进行永久性固定等布设方法。

常规生产测井系列仪器可以进行套管内或油管内的生产测井，生产测井又称开发测井，指在油井(包括采油井、注水井、观察井等)投产后至报废整个生产过程中，利用各种测试仪器进行井下测试以获取相应地下信息的测井。它包括三部分：①通过井内温度、压力和流体流量、持水率测定，了解产出和注入剖面，为油层改造提供依据：②检查和监测井身技术情况，包括固井质量、套管变形和破损等，为油井维修提供依据；③套管井储层评价。生产测井已成为油气藏科学管理和提高采收率不可缺少的手段。

测量自喷开采生产井的分层产油量、分层产气量、分层含水量、分层的温度，常用多参数的生产组合测井仪。这种测井仪内装有一只由地面操纵的继电器，通过它可任意选择所要用的测井仪器。用涡轮仪测流量，用电容探头测含水率，用流体密度仪测流体密度，用微差井温仪测井温。各测井仪在测量中与接箍定位器连在一起，可以同时记录相应的测井深度和此一深度上的各种参数，以保证各种仪器探测深度的一致。当测井电缆自下向上移动时，井下仪器所得的信息通过电缆传输到地面仪器，自动记录各种测井曲线。通过计算，可求得分层产油量、产气量和含水量等。但是由于生产测井仪器里安装有大量的电子器件与各类传感器，常规生产测井仪器无法下放到超高温超高压的深井里测量产液剖面或吸水剖面。

测量注水井中分层吸水量可使用同位素载体法，在注入水中加入吸附了同位素(常用131i)的活性炭的悬浮液。悬浮液随注入水进入地层时，放射性固相载体滤积在井壁附近，地层吸收的活化悬浮液越多，载体滤积量也越多，放射性同位素的强度就越大。在加入同位素载体前后各测量一次自然γ射线曲线进行对比，可求得各层的吸水百分比。此法的优点是在多层开采中测量时不受井下管柱限制，各层的吸水量都能测得。缺点是放射性同位素污染环境。测量注水井中分层吸水量也可以使用涡轮式连续流量计测试法，测量时用扶正器使仪器居中，流量计中的涡轮转速与流速成正比。当套管或油管截面积为定值时，连续测量井内流体沿轴向运动速度的变化，可确定井的注入剖面。此法的优点是不用同位素，施工简便，但在下入封隔器的分层注水井中，只能测得分层段吸水量。

在套管内外布放或在连续油管外侧捆绑铠装光缆进行全井段分布式温度(dts)测量已经在油气资源开发中得到了广泛的应用。我们可以根据井下油气产出井段(射孔井段)测量到的温度变化或根据注水井注入井段(射孔井段)测量到的温度变化推算井液产出量或注水量。但是由于普通dts调制解调仪器的空间分辨率和温度测量灵敏度有限，使得用dts方法测量的井温变化量和准确位置有一定的误差，导致仅仅根据井温变化推算出的射孔段的井液产出量或注水量误差较大，而且无法仅仅根据井温的变化准确地推算出射孔段产出的油、气和水各是多少。

在套管内外布放或在连续油管外侧捆绑铠装光缆进行全井段分布式声波传感(das)测量已经在油气资源开发中得到了广泛的应用，但是目前主要以das-vsp数据采集、微地震监测和被动地震数据采集为主。行业内刚开始利用das技术采集井下噪音数据，利用噪音数据推测井下射孔井段油、气、水的产出情况。仅仅依靠井下噪音数据推测井下射孔井段油、气、水的产出情况基本上属于定性或半定量解释，误差是比较大的。

技术实现要素：

为了在油气井(包括采油井、采气井、注水井、观察井等)投产后至报废整个生产过程中，利用各种测试仪器进行井下测试以获取相应地下信息。它包括通过井内温度、压力和流体流量、持水率测定，了解产出(产液)和注入(吸水)剖面，为油层改造提供依据。生产测井已成为油气藏科学管理和提高采收率不可缺少的手段。由于常规生产测井仪器装备在高温高压井内作业的局限性，需要一种低成本、高精度、高可靠性手段了解油气井产出(产液)和注入(吸水)剖面的方法和技术。

本发明提出了当把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，把铠装光缆用金属卡子捆绑在连续油管外侧固定，把准分布式或串联式井下压力传感器用光电复合缆串联起来后，就构建了一个对油气生产井或注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井的产液剖面或吸水剖面进行长期动态监测系统的井下传感单元。把井口地面的分布式光纤声波传感和分布式光纤温度传感(das/dts)复合调制解调仪器与铠装光缆在井口附近相连接，把井口地面的井下准分布式压力传感器调制解调仪器与铠装光电复合缆也在井口附近相连接，就组成了一个基于分布式光纤传感的井下流体动态分布长期综合监测系统。

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，把铠装光缆用金属卡子捆绑在连续油管外侧固定，把准分布式或串联式井下压力传感器用光电复合缆串联起来，构建了一个对油气生产井或注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井的产液剖面或吸水剖面进行长期动态监测系统的井下传感单元，为油气藏科学管理和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

分布式光纤传感技术是井下永久式监测的最佳选择，是实现真正的油气田生产信息化、智能化的基础。分布式井下光纤传感的优势有：

1)能提供油气田开发全生命周期的实时、高密度、多参量的参数，为精细油气藏描述提高决策的科学水平与效率；

2)无需中断生产进行井下作业，无产量损失，无作业成本，无人员风险，无环境污染风险；

3)可替代并超越常规测井，不仅提供更实时、高质量的数据，而且性价比高，一次投入终身受益；

4)无需专门装备，可方便应用于大斜度、水平井等，而且不影响油管内作业。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统，包括金属套管，金属套管内置有连续油管，金属套管外侧固定有第一铠装光缆，连续油管外侧固定有第二铠装光缆；

金属套管外侧固定有第一井下准分布式压力传感器，连续油管外侧固定有第二井下准分布式压力传感器；

还包括放置于井口附近的das/dts复合调制解调仪器、井下压力传感器调制解调仪器；

所述的das/dts复合调制解调仪器包括分布式声波传感和分布式温度传感；das/dts复合调制解调仪器分别与第一铠装光缆和第二铠装光缆连接；

所述的井下压力传感器调制解调仪器通过第一铠装光电复合缆连接第一井下准分布式压力传感器，通过第二铠装光电复合缆连接第二井下准分布式压力传感器。

进一步的，所述的第一铠装光缆和第二铠装光缆均为铠装光缆，包括单模或多模或特种光纤，所述的单模或多模或特种光纤外依次有内连续金属细管和外连续金属细管对其进行封装。

所述的第一井下准分布式压力传感器、第二井下准分布式压力传感器，为法泊腔光纤压力传感器，或光栅压力传感器，或压电晶体压力传感器。

多个第一井下准分布式压力传感器通过第一铠装光电复合缆按照相等的间距串联在一起；

多个第二井下准分布式压力传感器通过第二铠装光电复合缆按照相等的间距串联在一起。

还包括第一环形金属卡子，所述的第一环形金属卡子安装固定在金属套管靴处。还包括第二环形金属卡子，所述的第二环形金属卡子安装固定在连续油管外侧。

该基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统的监测方法，包括以下步骤：

(a)、把金属套管和第一铠装光缆同步缓慢的下入完钻的井孔里；

(b)、在井口把所述的第一环形金属卡子安装在两根金属套管的连接处，固定并保护第一铠装光缆在下套管过程中不会移动和/或被损坏；

(c)、用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管、第一铠装光缆和地层岩石永久性的固定在一起；

(d)、把连续油管和第二铠装光缆同步缓慢的下入固井完井的金属套管井里；

(e)、在井口把所述的第二环形金属卡子按照相同的间距安装在连续油管上，固定并保护第二铠装光缆在下连续油管的安装过程中不被损坏以及使铠装光缆与连续油管之间具有良好的声学信号耦合；

(f)、在井口处把第一铠装光缆内的单模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器的das信号输入端，把第一铠装光缆内的单根多模光纤或两根多模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器的dts信号输入端；

(g)、在井口处把第二铠装光缆内的单模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器的das信号输入端，把第二铠装光缆内的单根多模光纤或两根多模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器的dts信号输入端；

(h)、在井口处把第一铠装光电复合缆、第二铠装光电复合缆分别连接到井下压力传感器调制解调仪器的信号输入端；

(i)、在油气生产期间，通过放置在井口旁边的das/dts复合调制解调仪器连续监测和测量金属套管外侧第一铠装光缆和连续油管外侧第二铠装光缆内的das和dts信号，同时通过放置在井口旁边的井下压力传感器调制解调仪器连续监测和测量金属套管外和连续油管外侧串联的第一井下准分布式压力传感器、第二井下准分布式压力传感器压力信号；

(j)、对das/dts复合调制解调仪器连续测量的das信号和dts信号进行调制解调，将das数据和dts数据转换成井下噪声强弱和温度高低的分布数据；

(k)、井下压力传感器调制解调仪器对连续测量的井下压力信号进行调制解调，计算出井下每个压力传感器位置的压力数据；

(l)、根据监测和测量到的井下噪声、温度和压力数据，利用多参数综合反演方法计算出井下每个油气产出井段的油、气、水的流量及其变化(产液剖面)，或井下每个注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井段的注入量及其变化(吸水剖面)，从而实现对油气井开发生产过程及其变化的长期动态监测。

流体流动引起的应力变化会导致压裂人工裂缝的张开或闭合，产生噪音及微地震信号，通过对直井或水平井不同段噪音、微地震信号的分布，判断不同储层压裂段的改造情况，同时通过综合分析改造井在排液、测试及正常生产等不同阶段的活动情况；分析同一平台不同井之间的人工缝网是否产生应力干扰等影响，分析不同地质情况对油气产出的影响，对比压裂及油气产出形成的裂缝尺度，评价液体波及范围、应力传递引起的震动及有效产出范围。实时监测分析生产时的排液及产油情况，对水平井不同段的流量进行计算分析。为了解决压裂后的水平井流量和含水问题，进行井下实时监测、分析油井的含水情况，及时关闭高含水层，控制油井在低含水层或低含水部位进行生产。

分布式光纤声波监测(das)技术利用问答机向光纤内部发送两簇激光脉冲，光的一部分因光纤非绝对纯净而被反射回来，反向散射光的瑞利波受声波影响会产生相位变化，即两个瑞利波峰间距会受声波的影响产生相应的变化，通过分析与计算确定每米光纤上的声波幅度。有效地将光纤转变为一串声学信号传感器(或麦克风)，以识别流体密度、流体运移、套管泄露或设备磨损和故障早期探测。

分布式光纤测温系统(dts)用于实时测量井筒内的温度剖面，其原理是光在光纤中传输时产生的拉曼(raman)散射和光时域反射(otdr)原理来获取空间温度分布信息。大功率窄脉宽激光脉冲ld入射到传感光纤后，产生微弱的背向散射光，根据波长不同，分别是瑞利(rayleigh)、反斯托克斯(anti-stokes)和斯托克斯(stokes)光。dts是最为广泛使用的分布式温度监测技术，它能够精确测量光纤上每米的温度，最高工作温度达到300℃，精确到0.1℃，分辨率0.01℃。

分布式光纤声波监测技术应用：流体流动噪音信号监测，微地震监测，产能段确定，流体流动范围计算，井间距和堵水方案确定。

分布式光纤声波监测技术+分布式光纤测温技术应用：流体流量计算，气油水分布区分探索研究。在油气生产井的射孔段，流入井内的油、气、水的噪声特征和频率是不一样的，我们可以根据记录到的井下噪声特征和频率来区分流入井内的是油或是气或是水。

利用井下光纤测量的温度数据、光纤测量的噪声数据和压力数据结合其他参数进行流量计算：如果产层存在一定的产量，理论上只要该产层产量大于零，则表示该产层的油层压力必然大于对应该段的井内流压。

从温度和能量守恒的角度来考虑，以上的两种情况将对应下面的能量形式：

twf+tentry＝tmix(流压pwf小于油层压力pres)

twf为井筒内流体温度，tentry为从油层流下井筒内的流体温度，tmix为混合后沿井筒向井口流动的温度。上式表示的是一定质量的twf工质混合上一定质量的tentry工质，得到总质量为二者之和的tmix工质。tentry与地层温度tres在有产出情况下是不相等的，这是由于流体的焦耳汤姆逊效应(简称j-t效应)造成的。

水力压裂期间，全井段温度的变化，可以体现出压裂液的运动过程；射孔层段周围的温度变化可以对压裂液进入地层的液量以及返排快慢多少进行分析判断。应用dts进行井下温度变化的监测，从dts数据中也能反应出温度越低表征了该处产气量越大。

将井下分布式光纤传感系统监测到的噪声或震动信号和温度信息结合起来，利用油温变化比水温变化快的特点，再结合噪声或震动分布情况进行综合分析的办法，区分油水分布规律。

本发明提供的基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统及其数据采集处理解释方法，为低成本、高精度、高可靠性的井下流体分布动态综合监测方法和技术。本发明提出了把铠装光缆捆绑在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定，铠装光缆用金属卡子捆绑在连续油管外侧固定，把准分布式或串联式井下压力传感器用光电复合缆串联起来，构建了一个对油气生产井或注水井进行长期动态监测系统的井下传感单元，加上井口附近的分布式声波传感和分布式温度传感(das/dts)复合调制解调仪器，井下准分布式压力传感器的调制解调仪器，共同组成基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统及其数据采集处理解释方法，对油气生产井或注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井的产液剖面或吸水剖面进行长期动态监测，为油气藏科学管理和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的井下套管结构示意图。

图3是本发明的连续油管结构示意图。

图4是本发明的铠装光缆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的一种基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统的具体实施方式，如下所示：

如图1到图3，基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统，包括金属套管1、金属套管1内置的连续油管2、放置于井口附近的包括分布式声波传感和分布式温度传感的das/dts复合调制解调仪器3、永久固定在金属套管1外侧的第一铠装光缆4、半永久式固定在连续油管2外侧的第二铠装光缆5、放置在井口附近的井下压力传感器调制解调仪器6、安装在金属套管1靴处保护第一铠装光缆4的第一环形金属卡子8、安装在连续油管2外侧保护第二铠装光缆5的第二环形金属卡子9、永久固定在金属套管1外侧的第一井下准分布式压力传感器10、永久固定在金属套管1外侧连接第一井下准分布式压力传感器10的第一铠装光电复合缆11、固定在连续油管2外侧的第二井下准分布式压力传感器12、固定在连续油管2外侧连接第二井下准分布式压力传感器12的第二铠装光电复合缆13；

所述的第一铠装光缆4布设在金属套管1外壁上；所述的第二铠装光缆5布设在连续油管2外壁上；

所述的布设在金属套管1外壁上的第一铠装光缆4和布设在连续油管2外壁上的第二铠装光缆5在井口处与das/dts复合调制解调仪器3相连接；

如图4所示，所述的第一铠装光缆4、第二铠装光缆5均包括单模或多模或特种光纤21；所述的单模或多模或特种光纤21外依次有内连续金属细管22和外连续金属细管23对其进行封装。

第一井下准分布式压力传感器10、第二井下准分布式压力传感器12可以是法泊腔f-p腔光纤压力传感器，或光栅压力传感器，或压电晶体压力传感器。

第一井下准分布式压力传感器10、第二井下准分布式压力传感器12分别通过第一铠装光电复合缆11、第二铠装光电复合缆13按照相等的间距串联在一起。

所述的第一环形金属卡子8安装固定在金属套管1靴处，保护第一铠装光缆4在下套管过程中不移动和/或被损坏。

所述的第二环形金属卡子9安装固定在连续油管2外侧，保护第二铠装光缆5在连续油管2的安装过程中不被损坏以及使第二铠装光缆5与连续油管2之间具有良好的声学信号耦合。

为了适应井下高温高压的恶劣环境，井下布设的光缆大都采用了不同材质和不同结构的铠装，其目的是增强下井光纤的耐高温、耐高压、抗拉伸、抗挤压和抗冲击能力，保证其在井下作业时的完整性和通畅性。其中一种比较常用的铠装技术就是把单根或数根耐高温的单模或多模或特种光纤放置到密封的细小不锈钢管里面保护起来。根据井下压力的大小和井下作业过程中的外力强度，有时会在安放有单根或数根耐高温光纤的细小不锈钢管外面套上一层或数层稍大直径的不锈钢管，甚至在数层不锈钢管外面再缠绕上一层或数层铠装不锈钢丝以增强铠装光缆的抗拉伸、抗挤压和抗冲击能力。

实施例提出了基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统及其监测方法，为低成本、高精度、高可靠性的井下流体分布动态综合监测方法和技术。本发明提出了把第一铠装光缆4捆绑在垂直井、斜井或水平井的金属套管1外侧并用固井水泥永久性固定，第二铠装光缆5用第二环形金属卡子9捆绑在连续油管2外侧固定，把第一井下准分布式压力传感器10、第二井下准分布式压力传感器12分别串联起来，构建了一个对油气生产井或注水井进行长期动态监测系统的井下传感单元，加上井口附近的das/dts复合调制解调仪器3、井下压力传感器调制解调仪器6，共同组成基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统，对油气生产井或注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井的产液剖面或吸水剖面进行长期动态监测，为油气藏科学管理和提高采收率提供不可缺少的手段、系统和方法。

井下数百到数千米长的连续金属套管1是通过把几十到几百根长度在10米左右的金属套管段连续下放到井孔里来实现的。每根长度在10米左右的金属套管段底部有直径略大于套管靴，用来把两根金属套管段的首尾固定在一起，同时保证上下两根金属套管段在对接点不会出现偏心或对不齐的现象。为了保护第一铠装光缆4不会在和金属套管1同时下井的作业过程中被磨损坏或者在套管靴的部位被挤压断或撞断，在每根套管靴的位置上安装固定一个第一环形金属卡子8，用于保护穿过套管靴位置处的第一铠装光缆4不移动和/或被损坏。

把第一铠装光缆4布设到直井、斜井或水平井的金属套管1外侧并且用固井水泥把金属套管1与外侧的第一铠装光缆4和地层永久固定在一起。把连续油管2和第二铠装光缆5同步缓慢的下入固井完井后的金属套管1井里时，在井口把所述的第二环形金属卡子9按照相同的间距安装在连续油管2上，固定并保护第二铠装光缆5在下连续油管2的安装过程中不被损坏以及使第二铠装光缆5与连续油管2之间具有良好的声学信号耦合。在井口处把第一铠装光缆4和第二铠装光缆5里面的单模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器3的das信号输入端，把第一铠装光缆4和第二铠装光缆5内的单根多模光纤或两根多模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器3的dts信号输入端以便进行单端输入测量或双端输入测量。在井口处把第一铠装光电复合缆11、第二铠装光电复合缆13连接到井下压力传感器调制解调仪器6的信号输入端。

采用上述基于分布式光纤传感的井下流体分布监测系统的监测方法，包括以下步骤：

a、把金属套管1和第一铠装光缆4同步缓慢的下入完钻的井孔里；

b、在井口把所述的第一环形金属卡子8安装在两根金属套管1的连接处，固定并保护第一铠装光缆4在下套管过程中不会移动和/或被损坏；

c、用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管1外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管1、第一铠装光缆4和地层岩石永久性的固定在一起；

d、把连续油管2和第二铠装光缆5同步缓慢的下入固井完井的金属套管1井里；

e、在井口把所述的第二环形金属卡子9按照相同的间距安装在连续油管2上，固定并保护第二铠装光缆5在下连续油管2的安装过程中不被损坏以及使铠装光缆5与连续油管2之间具有良好的声学信号耦合；

f、在井口处把第一铠装光缆4内的单模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器3的das信号输入端，把第一铠装光缆4内的单根多模光纤或两根多模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器3的dts信号输入端；

g、在井口处把第二铠装光缆5内的单模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器3的das信号输入端，把第二铠装光缆5内的单根多模光纤或两根多模光纤连接到das/dts复合调制解调仪器3的dts信号输入端；

h、在井口处把第一铠装光电复合缆11、第二铠装光电复合缆13分别连接到井下压力传感器调制解调仪器6的信号输入端；

i、在油气生产期间，通过放置在井口旁边的das/dts复合调制解调仪器3连续监测和测量金属套管1外侧第一铠装光缆4和连续油管2外侧第二铠装光缆5内的das和dts信号，同时通过放置在井口旁边的井下压力传感器调制解调仪器6连续监测和测量金属套管1外和连续油管2外侧串联的第一井下准分布式压力传感器10、第二井下准分布式压力传感器12压力信号；

j、对das/dts复合调制解调仪器3连续测量的das信号和dts信号进行调制解调，将das数据和dts数据转换成井下噪声强弱和温度高低的分布数据；

k、井下压力传感器调制解调仪器6对连续测量的井下压力信号进行调制解调，计算出井下每个压力传感器位置的压力数据；

l、根据监测和测量到的井下噪声、温度和压力数据，利用多参数综合反演方法计算出井下每个油气产出井段的油、气、水的流量及其变化(产液剖面)，或井下每个注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井段的注入量及其变化(吸水剖面)，从而实现对油气井开发生产过程及其变化的长期动态监测。