[发明专利]基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统及监测方法

说明书

本发明提供的基于分布式光纤传感的井下应变分布监测系统及其监测方法，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，构建了一个对油气生产井、注水井和监测或观察井的长期应变监测传感单元，加上井口附近的分布式应变传感和分布式温度传感(DSS/DTS)复合调制解调仪器，共同组成基于分布式光纤传感的井下应变分布变化动态监测系统及监测方法，有效地保证油气生产井、注水井和监测或观察井的长期稳定安全可靠的工作，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。

技术领域

本发明属于应变测量技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感井下应变分布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应力、应变、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。

应变测量是材料和结构力学性能试验中的一项基本任务，是了解材料在力学载荷等因素作用下的变形、损伤和失效行为的基础，对于确定结构设计许用值、结构寿命预测和评估等均有重要价值。应变测量方法主要包括：电测法、光测法、声发射、脆性涂层法、应变机械测量法等。其中以电测法和光测法应用最为广泛。

电测法是借助于电子仪器，将应变这一非电量转为电量的测量方法。它可以用于现场测定和模拟测定。电测法中应用最广泛的是电阻应变测试法，基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压(或电流)的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。传统的应变测量方法多采用电阻式应变片，但是应变片是单点测量，且在实际使用中需要大量的导线连接应变仪。

光测法是应用光学原理，以实验手段研究结构物中的应力、应变和位移等力学量的测量方法。光测法包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等。光纤应变测量法以光纤作为传感介质，利用光学原理和技术，通过对光的强度、位相、偏振态、波长等光学参数因外界因素(如拉力、压力等)的作用而发生的变化进行检测度量，以实现对被测物体应变量的测量。

随着光学技术的发展，还出现了光纤布喇格光栅(FBG)传感器等为代表的准分布式光纤传感器，然而光纤布喇格光栅传感器的测点会受到激光带宽的限制。如今，分布式光纤传感技术日渐成熟，基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器在应变测量方面具备好的精度、线性度及重复性，可已经具备了在诸多领域可取代传统电阻式应变片和光纤布喇格光栅传感器的潜力。分布式光纤传感器具备测点密度极高，间距可控，质量小，耐腐蚀，电绝缘，精度高，重复性好的特点。此外，基于其质地较柔软坚韧的特性，它对结构表面的形状有较好的适应性。