一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统的制作方法
【专利摘要】一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统，属于激光监测【技术领域】。解决现有的井下套损监测电子类传感器抗腐蚀性差、灵敏度低、结构复杂、稳定性差，无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁、地干扰下工作和在线实时监测的问题。它包括智能套管、激光器、光耦合器和检测器，激光器输出光束至光耦合器的信号输入端，光耦合器的输入/输出端与智能套管的光纤跳线相连，光耦合器的光信号输出端与检测器的信号输入端相连，的智能套管包括套管本体、FBG应变传感器、复合传感器、复合传感器保护罩和FBG应变传感器保护层；复合传感器为全分布式BOTDR与ROTDR构成的复合传感器。本发明应用在油水井下实时在线监测。
【专利说明】一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光监测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着石油开采的不断进行，油井套管损坏的现象越发严重。套管的损坏严 重影响了油田的正常运行，增大了油田的运营成本。由于套管所处环境恶劣，套损监测已 成为困扰石油界的一个难题。如果能够对井下地层参数如应变和温度状态进行准确可靠、 在线实时的监测，可在一定程度上能够预测套管的损坏。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、地干扰下工作。并且，生产测井和测试都是采用偶 尔测量的方式在井下采集信息，不能保证进行测量的时间就是诊断生产问题和油藏变化的 最佳时机，因此经常无法准确描述油藏的动态变化特征。因此，地层参数信息的成功和实时 采集（包括井下套管外参数监测、井下套管内参数监测、井上输油管线监测、储油罐监测） 已成为了数字油田中重要的部分。然而，光纤传感技术可以克服以上这些困难。
[0003] 光纤传感技术是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输被测外界信号的新型传感 技术。通过光纤传感器可实现与温度和应变相关的许多物理量和化学量的直接与间接测 量。光纤传感器对电磁干扰不敏感并且能承受极端条件（包括高温、高压以及强烈的冲击 与振动），可以高精度地测量井筒和井场环境参数。同时，光纤传感系统具有分布式测量能 力，可以在不干扰油井参数场的情况下同时测出井下地层参数如温度、压力，并可以测出井 下的温度、压力剖面，可以获得传统测试方式无法获取的数据，为油井动态监测提供了一种 更理想的手段，是其它测井不可替代的一种测试方式，是测试技术的一个突破。随着技术不 断进步和成熟，光纤传感系统在油井探测领域获得广泛的应用，在光纤测试系统中，其井下 传感器不含电子元件，长期稳定性好。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决现有的井下套损监测电子类传感器抗腐蚀性差、灵敏度低、结 构复杂、稳定性差，无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁、地干扰下工作和在 线实时监测的问题，本发明提供了一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统。
[0005] -种基于光纤传感技术的智能套管监测系统，它包括智能套管、激光器、光耦合器 和检测器，所述激光器输出光束至光f禹合器的信号输入端，所述光f禹合器的输入/输出端 与智能套管的光纤跳线相连，所述光耦合器的光信号输出端与检测器的信号输入端相连，
[0006] 所述的智能套管包括套管本体、FBG应变传感器、复合传感器、复合传感器保护罩 和FBG应变传感器保护层；
[0007] 所述的复合传感器为全分布式B0TDR与R0TDR构成的复合传感器，
[0008] 所述的FBG应变传感器和复合传感器紧密贴合在套管本体外侧壁上，所述的复合 传感器与沿套管本体的轴向平行，
[0009] FBG应变传感器保护层缠绕在套管本体外侧壁上，且FBG应变传感器保护层覆盖 整个FBG应变传感器和复合传感器的一部分，使FBG应变传感器与套管本体固定连接，在 FBG应变传感器保护层的上方和下方，通过复合传感器保护罩使复合传感器紧贴在套管本 体外侧壁上，
[0010] FBG应变传感器的信号输出端和复合传感器的信号输出端均通过光纤跳线与光耦 合器的输入/输出端连接。
[0011] 本发明带来的有益效果是，本发明结构简单，测试精度高，其测试精度可以达到 1°C，空间分辨率能达到0. 5m，可以高精度地测量地层参数；本发明长期稳定性好，由于不 含电子元件对电磁干扰不敏感并且能承受极端条件（包括高温、高压以及强烈的冲击与振 动），从而使传感器在恶劣环境中具有优良的耐久性；本发明光纤传感系统具有分布式测 量能力，可以监测被测量的空间分布，给出剖面信息。同时本发明还实现了油水井下地层参 数的实时在线监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明所述的一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统的原理示意图；
[0013] 图2为【具体实施方式】一所述的智能套管的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0014] 一：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光纤 传感技术的智能套管监测系统，它包括智能套管1、激光器2、光耦合器3和检测器4,所述激 光器2输出光束至光f禹合器3的信号输入端，所述光f禹合器3的输入/输出端与智能套管 1的光纤跳线相连，所述光耦合器3的光信号输出端与检测器4的信号输入端相连，
[0015] 所述的智能套管1包括套管本体1005、FBG应变传感器1001、复合传感器1002、复 合传感器保护罩1003和FBG应变传感器保护层1004 ;
[0016] 所述的复合传感器1002为全分布式B0TDR与R0TDR构成的复合传感器，
[0017] 所述的FBG应变传感器1001和复合传感器1002紧密贴合在套管本体1005外侧 壁上，所述的复合传感器1002与沿套管本体1005的轴向平行，
[0018] FBG应变传感器保护层1004缠绕在套管本体1005外侧壁上，且FBG应变传感器 保护层1004覆盖整个FBG应变传感器1001和复合传感器1002的一部分，使FBG应变传感 器1001与套管本体1005固定连接，在FBG应变传感器保护层1004的上方和下方，通过复 合传感器保护罩1003使复合传感器1002紧贴在套管本体1005外侧壁上，
[0019] FBG应变传感器1001的信号输出端和复合传感器1002的信号输出端均通过光纤 跳线与光耦合器3的输入/输出端连接。
[0020] 本实施方式中：在FBG应变传感器保护层1004的基础之上增加复合传感器保护罩 1003使复合传感器1002紧贴在套管本体1005外；
[0021] 布设在套管本体1005上的FBG应变传感器1001是将光栅串沿套管周向小心的布 设在套管本体1005上，使其紧密的贴合在套管壁上，用小块透明胶带做临时固定，预留、整 理好光栅串的尾纤，准备与光缆/复合传感器熔接。调好低收缩率的环氧体系树脂（打底 胶），小心仔细的包覆光栅栅区，隔一段时间转动套管，防止打底胶出现滴垂、胶瘤。
[0022] 本实施方式中，全分布式 BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer， 布里渊光时域反射仪）与ROTDR(Raman optical time-domainreflectometry，拉曼光时域反 射仪）构成的复合传感器的生产工艺：是将单模光纤、多模光纤与粘有环氧胶的玻璃丝一同 放入拉挤机中，经过机器的拉挤形成。
[0023] 本发明下放智能套管1到井中指定位置，监测准分布式FBG应变传感器1001所在 位置的套管周向地应力（应变）参数和利用全分布式B0TDR与R0TDR复合传感器监测整个 油井深度的轴向地应力（应变）和温度变化参数。利用三种光纤传感器涉及的三种不同的 工作原理，将地层参数监测出来。
[0024] FBG光纤传感器工作原理：利用紫外激光光束照射光纤，被照射区间段纤芯的折 射率发生了周期性的变化，此折射率变化区域称为光纤光栅。光纤光栅的实质是在纤芯内 形成一个窄带滤波器或反射镜，对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个受光栅区调制 的窄带光，透射光继续沿光纤传递。
[0025] 每个光栅对应着一个中心波长，该中心波长的值与光栅所处位置的压力相关，当 光线光栅产生轴向应变时，将改变光纤光栅传感器的工作波长，即光栅光纤的反射波长将 发生变化，因此，通过测量光纤光栅的反射光波长的变化就可以计算出该点的应变。
[0026] ΔλΒ = αε ε+ατΔΤ
[0027] 其中，Λ λΒ表示FBG中心波长的变化，α ε表示FBG应变灵敏度系数，Λ Τ表示监 测温度变化，ε表示监测应变，ατ表示FBG温度灵敏度系数，
[0028] 利用全分布式R0TDR传感器监测整个油井深度的轴向温度变化参数。
[0029] R0TDR传感器工作原理：光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰 撞，辐射出斯托克斯光和反斯托克斯光，依据在测量终端接收到的反斯托克斯光在时间上 的先后确定其在光纤上的对应位置，根据两者的光强比值只于散射区的温度有关，监测两 者的光强比值，就可以解调出散射区的温度信息，从而用一根光纤实现待测温度场的全分 布式测量，大大节约了成本，有利于长距离温度监测。
[0030] R⑴=PjT)/Ps(T) = (λ s/X a)exp(_hcA γ/kT)
[0031] 其中，R(T)表示拉曼散射值，Pa(T)表示反斯托克斯光强，PS(T)表示斯托克斯光 强，λ s表示斯托克斯光波长，λ a表示反斯托克斯光波长，h表示普朗克常数，c表示真空中 光速，Λ Y表示偏移波数，k表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，
[0032] 利用全分布式R0TDR传感器监测整个油井深度的轴向地应力（应变）参数。
[0033] B0TDR传感器工作原理：由于光定向入射到光纤介质时受到声波场的作用产生布 里渊散射，在普通石英单模光纤中，布里渊散射光的频移与光纤的有效折射率和超声声速 有关，而温度和地应力都能改变光纤的折射率和超声声速，只要检测光纤中布里渊频移的 变化，就可以解调出光纤上分布的温度和地应力信息。
[0034] vB = 2nVa/ λ 0
[0035] νΒ = C ε ε +CT (Τ~Τ0) +νΒ0
[0036] 其中，νΒ表示所监测布里渊频移，η表示二氧化硅的折射率，Va表示声波速度，λ ^ 表示波长，CE表示B0TDR的应变系数，CT表示B0TDR的温度系数，?；表示初始温度，T表示 所监测的温度，v B(l表示布里渊频移初始值，
[0037]
【具体实施方式】二：本实施方式与【具体实施方式】一所述的一种基于光纤传感技术的 智能套管监测系统的区别在于，所述的FBG应变传感器保护层1004为表面带有环氧体系树 脂的玻璃丝布。
[0038] 本实施方式中，FBG应变传感器保护层1004材质为玻璃丝布，将FBG应变传感器 1001用玻璃丝布包裹在套管本体1005上，每绕一圈玻璃丝布就涂一层环氧体系树脂固定 玻璃丝布，FBG应变传感器保护层1004使FBG传感器1001不被井内恶劣环境干扰和破坏。
【具体实施方式】 [0039] 三：本实施方式与一所述的一种基于光纤传感技术的 智能套管监测系统的区别在于，所述的复合传感器保护罩1003为表面镀锌的铁质罩体。
[0040] 本实施方式中，复合传感器保护罩1003材质为铁，表面镀锌，其扣距为冲压成型， 扭力大。在套管本体1005上适当的位置用复合传感器保护罩1003将破拆后的复合传感器 1002即全分布式B0TDR与R0TDR复合传感器固定在套管本体1005上，防止全分布式B0TDR 与R0TDR复合传感器乱串，乱动。
[0041] 【具体实施方式】四：本实施方式与【具体实施方式】三所述的一种基于光纤传感技术的 智能套管监测系统的区别在于，所述的复合传感器保护罩1003为圆环形结构。
【权利要求】
1. 一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统，其特征在于，它包括智能套管（1)、激 光器（2)、光耦合器（3)和检测器（4)，所述激光器（2)输出光束至光耦合器（3)的信号输入 端，所述光耦合器（3)的输入/输出端与智能套管（1)的光纤跳线相连，所述光耦合器（3) 的光信号输出端与检测器（4)的信号输入端相连， 所述的智能套管（1)包括套管本体（1005)、FBG应变传感器（1001)、复合传感器 (1002)、复合传感器保护罩（1003)和FBG应变传感器保护层（1004); 所述的复合传感器（1002)为全分布式BOTDR与ROTDR构成的复合传感器， 所述的FBG应变传感器（1001)和复合传感器（1002)紧密贴合在套管本体（1005)外 侧壁上，所述的复合传感器（1002)与沿套管本体（1005)的轴向平行， FBG应变传感器保护层（1004)缠绕在套管本体（1005)外侧壁上，且FBG应变传感器 保护层（1004)覆盖整个FBG应变传感器（1001)和复合传感器（1002)的一部分，使FBG应 变传感器（1001)与套管本体（1005)固定连接，在FBG应变传感器保护层（1004)的上方和 下方，通过复合传感器保护罩（1003)使复合传感器（1002)紧贴在套管本体（1005)外侧壁 上， FBG应变传感器（1001)的信号输出端和复合传感器（1002)的信号输出端均通过光纤 跳线与光耦合器（3)的输入/输出端连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统，其特征在于， 所述的FBG应变传感器保护层（1004)为表面带有环氧体系树脂的玻璃丝布。
3. 根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统，其特征在于， 所述的复合传感器保护罩（1003)为表面镀锌的铁质罩体。
4. 根据权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的智能套管监测系统，其特征在于， 所述的复合传感器保护罩（1003)为圆环形结构。
【文档编号】G01D5/353GK104121946SQ201410347795
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】何俊, 张广玉, 张洪涛, 宋文平, 牛启扉, 汝波, 孙博, 李雅新 申请人:哈尔滨工业大学