基于分布式光纤传感的地下应力测量装置及测量方法与流程

文档序号:23729493发布日期:2021-01-26 19:46阅读:来源:国知局

技术特征:
1.基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,包括安装在钻孔内的金属套管(1),所述的金属套管(1)内壁布设有铠装光缆(2);所述的铠装光缆(2)包括至少一根以上的耐高温压力敏感光缆(4)和至少两根以上的耐高温多模光纤(5);还包括安装在井下的至少两个分隔器(6),两个分隔器(6)之间为密封的地应力测量井段;还包括用于给井下地应力测量井段加注高压水的注水管柱(7),用于给地应力测量井段提供高压水源的高压泵车(9);注水管柱(7)与高压泵车(9)相连接;还包括放置于井口附近的dps/dts复合调制解调仪器(3),所述的dps/dts复合调制解调仪器(3)分别与铠装光缆(2)内的耐高温压力敏感光缆(4)和耐高温多模光纤(5)相连接。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的dps/dts复合调制解调仪器(3)为分布式光纤压力传感和分布式光纤温度传感复合调制解调仪器,包括数据采集模块与调制解调模块。3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的耐高温压力敏感光缆(4)内部为耐高温单模或耐高温特种压力敏感光纤,所述的耐高温压力光缆(4)和耐高温多模光纤(5)外分别封装在连续的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)内。4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的耐高温压力敏感光缆(4)内是单模压力敏感光纤,或者是间距小于1米的高密度的连续光栅光纤,或者是间距1米到5米之间的高密度阵列式法泊腔压力传感器光纤。5.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)外还缠绕单层或多层的保护铠装钢丝。6.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的第一金属细管(41)内安置用耐高温高强度复合材料紧密包裹或用注塑机一次成型包裹光纤制作的耐高温压力敏感光缆(4),紧密贴壁密封在第一金属细管(41)内,耐高温压力敏感光缆(4)的尾端安装消光器(8)。7.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的第二金属细管(51)内还设有耐高温光纤膏。8.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置,其特征在于,所述的安装在井下的分隔器(6)是充压膨胀式的,充压介质为液体或气体。9.根据权利要求1到8任一项所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:(a)、在井下所有需要进行地应力测量的深度位置进行将金属套管(1)射穿的射孔(10)作业;(b)、在金属套管(1)内缓慢的下入铠装光缆(4),使其紧贴金属套管(1)的内壁;在井口处把铠装光缆(2)内的耐高温压力敏感光缆(4)连接到dps/dts复合调制解调仪器(3)的dps信号输入端,在铠装光缆(2)的尾端把两根耐高温多模光纤(5)熔接在一起形成u形结构,在铠装光缆(2)的顶端把两根耐高温多模光纤(5)连接到dps/dts复合调制解调仪器(3)的dts双端信号输入端;(c)、在需要进行地应力测量的深度位置上下分别布设两个分隔器(6)并向分隔器(6)内充水或充气直至其膨胀后完全隔断与两个分隔器(6)以外井段的流体交换;
(d)、通过注水管柱(7)向两个分隔器(6)之间的地应力测量井段加注高压水;(e)、不断加大注水压力,直至金属套管(1)外部的岩石开始破裂,dps/dts复合调制解调仪器(3)对地应力测量井段的铠装光缆(2)内的耐高温压力敏感光缆(4)上由于压力变化引起的背向瑞利散射光的相位变化进行解调,获得岩石初始开裂压力p
i
;(f)、继续加大注水压力以扩张岩石裂隙,当裂隙扩张至三倍井孔直径的深度时,停止高压注水,保持水压恒定,dps/dts复合调制解调仪器(3)测量此时的关闭压力p
s
,然后卸压,使岩石裂隙闭合;(g)、在整个加压过程中,同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图,确定p
i
和p
s
值;(h)、重新向地应力测量井段内加注高压水,使裂隙重新打开,dps/dts复合调制解调仪器(3)同时测量岩石裂隙重开时的压力p
r
和随后的恒定关闭压力p
s
;(i)、重复此卸压-重新加压的过程2~3次,提高压力测量数据的准确性;(j)在整个重复卸压-重新加压的过程中,同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图,确定p
r
和p
s
值;(j)、利用耐高温多模光纤(5)和dps/dts复合调制解调仪器(3)实时监测和测量的全井段金属套管(1)内的温度变化,根据监测和测量到的金属套管(1)内地应力测量井段内的实测温度变化数据,由应变ε或温度t响应得到光谱漂移类似于共振波的漂移δλ或布喇格光栅的光谱漂移δυ,利用公式:δλ/λ=-δυ/υ=k
t
δt+k
ε
ε其中,λ和υ分别为平均光波长和频率;k
t
和k
ε
分别为温度和应变标准常数;使用具体测量位置的温度值进行因温度变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移对dps测量的数据进行改正,获得消除了温度影响的真实的金属套管(1)内地应力测量井段内的压力值;(k)、地应力测量深度分隔段处的裂隙水压力为p0,岩石抗拉强度为t,根据公式p
i
=3σ
2-σ1+t-p0,p
r
=3σ
2-σ
1-p0和p
s
=σ2,计算出地应力测量位置二维应力场(σ2,σ1)。
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