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中国石油大学(华东)本科毕业设计(论文)毕业设计(论文)井下永久传感器的研究与应用学生姓名:学 号: 专业班级:指导教师: 2本科毕业设计(论文)摘 要阐述了光纤传感器的优点和应用研究现状,光在光纤传输过程中,光纤传感器件易受到外界环境的影响,如温度、压力、磁场、电场、位移等 ,从而导致传输光的强度、相位、频率、偏振态等光波特征参量发生变化 ,通过检测这些的变化就获得相应的物理量 。然后分别介绍光纤压力传感器,光纤分布式温度传感器,光纤多相流传感器以及光纤流量传感器的特点,结构,原理和优势与不足。论证了光纤传感技术以其独特的优势取代传统电子传感技术的发展趋势。关键词:光纤传感器;测井;温度; 压力; 流量; 持率ABSTRACTThe advantage and present situation of application and research of fiber optic sensor have been introuduced. When the light pass in the optical fiber ,the fiber optic sensor is easy to be affected by the outside world, such as temperature ,pressure ,magnetic field,electtical field and displacement,which caused the changes of light wave characteristic scalar,such as intensity, phase , frequency , polarization of transmitting light. By means of examining the changes,which are one or more of distinguishing feature, composition rule, preponderanceand defect ,wo can obtain the relevant physical quantity. Then introuduce fiber optic of pressure, distributed temperature sensor of fiber , fiber optic of polyphasic flow and fiber optic of rate of flow esch after another. It is demonstrated the developing tendency that the sensing technique of fiber with its distinctive preponderance will displacement the traditional electronical sensing technique. Keywords: fiber optic sensor well logging pressure temperature rate of flow holdup目 录第1章 前言1 1.1光纤传感器的优势 1 1.2 光纤传感器的研究现状2 1.3 光纤传感器的结构原理5第2章 光纤压力传感器7 2.1 光纤压力传感器的结构7 2.2 传感原理7 2.3 存在的问题8 2.4 温度、应变同时测量的区分方法9第3章 分布式光纤温度传感器 103.1 分布式温度传感器简介103.2 温度传感原理103.3 温度传感器的应用分析12第4章 光纤流量传感器144.1 流量传感器的种类144.2 测量流量原理154.3 流量传感器的发展趋势16第5章 光纤多相流传感器185.1 持率的重要性185.2 测量持率的方法18第6章 光纤传感器的综合应用216.1 智能井系统简介 216.2 智能井的优点 23第7章 结论25致谢26 参考文献27前言第1章 前 言测井技术按照其采用的技术可以分为传统的电子测井技术,核磁测井技术和90年代兴起发展较快的光纤测井技术,前面两种传统测井方法只能是偶然获得井下的信息,由于其技术限制,只能在完井前或停止生产时才能进行,测量是随机的地层信息,缺乏准确性,要重复作业,因此作业费用较高,其所获得的信息效益必然有限。而光纤测井技术则是永久的测井技术,它可以实时的获得较高精度地层信息,而且可以不影响生产,显然永久传感技术比非永久传感技术有着更大的经济效益。1.1 光纤传感器的优势目前 ,我国大部分油田开发进入了高含水开采阶段 ,原油含水率大于 80%,传统的持率计对油井中含水率的测量失去了分辨率;老油田产量呈递减趋势,地下油水关系复杂 ,新增探明石油储量品位下降,主要为低渗透油藏、超深层油藏、稠油藏等复杂油气藏,准确地测量油井的温度和应力对油气资源的开采有着极为重要的意义。而我国目前的开发测井技术相对落后,不能完全满足油田开发的需要 ,井下环境具有高温 ,高压 ,化学腐蚀强以及电磁干扰强等特点,这使得常规传感器难以在井下很好地发挥效用 ,从而限制了采油效率的提高。光纤传感器以其独有的优势,非常适用于油井参数的测量它将成为可应用于石油勘探与开发领域的一项具有广阔市场前景的新技术。和传统的传感器相比,光纤传感器具有以下特点:1)抗干扰性强 ,耐腐蚀 ,能用于恶劣环境中。由于光纤传感器是利用光波传输信息,而且光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质 ,因而不怕强电磁干扰 ,也不影响外界的电磁场 ,并且安全可靠。这使它在石油开采、强电磁干扰 、易燃 、易爆 、高温 、高压、强腐蚀环境中能方便而有效地传感。2)灵敏度高。利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。其中有的已被理论证明,有的已经实验验证 ,如测量水声 、加速度 、温度 、磁场等物理量的光纤传感器 。3)重量轻 ,体积小。光纤除具有重量轻、体积小的特点外,还有可挠的优点 ,因此利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。4)测量对象广泛 。目前已有性能不同的测量温度、压力、多相流、位移、速度、加速度、液面、流量、振动、液体浓度、等各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。5)对被测场影响小。这就从根本上保证了测量的精度。6)能够实现多参量的分布式测量 。在油井中铺设一根光纤就可以对沿光纤分布的各种参量实施分布式测量。可以对油井进行永久性动态监测 。 由于以上那些优点,光纤传感器可以永久地、稳定地、准确地监测井下流体的温度、压力、流量等重要的参数,光纤传感器是井下永久传感器的理想代表,因而光纤传感器是智能完井中重要的监测组成部分,研究永久性光纤传感器是21世纪测井发展的必然趋势。1.2光纤传感器的研究和应用现状虽然早在1990年就进行试验,但光纤用作永久安装的井下传感器在过去的几年才开始得到承认。光导纤维传感器是完全无源的,完全没有电磁辐射,并且足够小,在某些情况下在完井本身作业完成后在一口井中可把它们装配于井的深处。光纤传感器由于它在井下装置中没有有源的电子线路,勘探和开发工业强大的利益驱动主要来自期望它比常规测井仪有更高的可靠性。按照要获得的流体参数,可以把光纤传感器分为压力传感器,分布式温度传感器,多相流传感器及流量计。1.2.1压力传感器美国CiDRA 公司的在光纤压力监测研究方面处于前沿,他们的科研人员发现了布喇格光纤光栅传感器对压力的线性响应。已开发的传感器能够工作到 175,200和稍高温度的产品正在开发,250是研发的下一个目标 。不同温度和压力下的压力测量误差,在测试范围 (0MPa345MPa) 内,均小于689kPa,相当于电子测量系统的最好的水平。目前,CiDRA公司的光纤压力传感器的指标为:测程 0-103MPa,过压极限129MPa,准确度+413kPa,分辨率 206kPa,长期稳定性345kPayr(连续保持 150),工作温度范围 25175。1999年该公司在加利福尼亚 的 Baker油 田进行了压力监测系统的试验,结果表明该系统具有非常高的精度,目前已经交付商业销售。2001年该公司的压力传感器在英国 BP公司的几口井下安装,监测应力变化,结果表明其具有足够的可靠性。美国斯伦贝谢油田服务公司 Doll研究中心的 TsutomuYamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的研究,他们研制成一种对温度不敏感的侧孔布喇格光纤光栅传感器,最高工作温度为 300,最高测量压力82MPa,在最高测量压力下,对温度的灵敏度极小,可以适用于井下的压力监测。1.2.2温度传感器分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。对于光纤分布式温度传感器系统,英国Sensa公司一直处于技术领先地位 ,有一系列产品问世 ,而且与各大石油公司合作 ,积极探索光纤分布式温度传感器在石油井下的应用。CiDRA公司也一直在研究光纤温度传感器 ,目前该公司的温度传感器技术指标为:测量范 围 0 175,准确度1,分辨率 01,长期稳定性1yr(150下连续使用 )。1995年在加里福利亚的井中首次安装了商用 DTS测量系统。在该地区注蒸汽驱油的井中,井下温度超过 260。具有耐高温性能的 DTS测量系统是注蒸汽驱油增产措施的理想监测工具。到目前为止 ,已经在 100多 口注蒸汽驱油的井中安装了永久井下光纤温度测量系统。1.2.3多相流传感器CiDRA公司挖掘了光纤传感器内在的优势,开发了井下光相多相流传感器。目前的样品只局限在测量准均匀流体:如油、水两相或油、水、气三相 (气相体积份数小于 20)。为了考察这种新型的光纤多相流传感器在生产井中测量油水气三相的性能,CiDRA 最近在一口测试井进行了实验。在测试井中混合了油、水和气体,混合物包括粘度为 32API的油、7矿化度的水和矿厂天然气 (甲烷),测试温度 100,压力275MPa。在0%100含水率范围内,仪器测量误差小于5,精度满足要求。该流量计能够确定原油和盐水混合物中的持水率,在持水率全量程中其误差为+5以内,满足生产要求。而且除了能够测量持水率之外,该仪器还测试了三相中气体的体积含量,只是测试中油水的比例已知。结果表明,该仪器能够求出以泡沫流流出型出现的液体中的气体体积百分数。1.2.4流量传感器2000年10月,光纤流量计首次用于壳牌公司经营的墨西哥湾马斯“A一18井中。.流量计被安装在水深896米、总深度6442米的井中:。在油井生产期间,井下流量计测量系统实时测量连续的压力,温度和体积流量数据,资料质量达到了技术规范指标并超过了预期。2001年 6月,在阿曼的NiMr油田的电潜泵井测量中,光纤流量计与科利奥利流量计的监测结果做比较,含水误差为2%,总流量误差为3%,在仪器技术指标范围内。 虽然光纤传感器在井下应用的研究工作开始得比较晚,但是所取得的进展是比较快的。由于经济和技术上的原因,它现在不能完全代替现有的传统电子传感器件,随着研究的进行,取代是必然的。1.3光纤传感器的结构原理光纤为光导纤维的简称,组成成份为二氧化硅,由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约01mm左右的细玻璃丝 ,把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。常规的光低的包覆层围绕一中心层(一般直径为 550微米)组成。一般地 ,为修整折光指数剖面和分散形成的结构 ,两个层由以添加材料改进的二氧化硅制成。光纤应用包覆层(一般外径为250微米)是为保护表面免受擦伤(擦伤会使光纤强度减弱)并减缓其微小弯曲(弯曲会引起光损耗)。对于油田使用,因存在温度高、化学腐蚀、以及机械磨损与挤压,需要更高级别的光纤保护。在日益增加的有效序列中,包覆层已用紫外线可修复的丙烯酸盐、硅酮橡胶、氟酸盐聚合物、聚亚胺及金属来制造。一般的光纤传感系统由光源、传感器件 、光缆、光电转换及信号处理组成,光在光纤传输过程中,光纤传感器件易受到外界环境的影响,如温度 、压力、磁场、电场、位移等(如图1-1),从而导致传输光的强度 、相位、频率、偏振态等光波特征参量发生变化,通过专门的分析仪器对传输的信号进行处理,就可以得到井下的温度、压力、流量等生产数据。 图1-1 光纤传感器结构简图光纤传感器按测量目的不同可以分光纤压力传感器、分布式光纤温度传感器、光纤流量传感器和光纤多相流传感器。下面几章将分别予以介绍。51光纤压力传感器第2章 光纤压力传感器由于开发方案的需要,对油藏压力的管理需要特别谨慎,这样做的目的是减少因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失,减少在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失,还有防止由于注水井的注入压力过高而使套管破裂。传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计,应变式压力计受温度影响和滞后影响,而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时,这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题。井下光纤压力传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点,而这些正是井下监测所必需的。2.1 压力传感器的结构光纤布拉格光栅是由一小段光纤组成的装置,沿光纤轴它具有轴向上周期性调制的折光指数(如图2)。主要是,光纤布拉格光栅是除了在一波长中央的一个窄范围内匹配指数调制栅距外 ,发射的所有波长损耗很小的窄带反射器,还能制造反射带宽低至1GHz,在远程通讯工业中光纤布拉格光栅是作为滤波装置使用。更复杂的光纤布拉格光栅是用作带通滤波器或用作弥散补偿装置。光纤布拉格光栅通过伸展纤维使其工作,工作中光栅被光刻,因此改变了反射光的波长。22 传感原理光纤光栅传感器是利用光纤布拉格光栅的波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器 ,光纤布拉格光栅是指利用单模掺锗光纤经紫外光照射形成的,成栅后的光纤纤芯呈现周期性分布,温度 、应变和压力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化,从而使光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤光栅的反射谱或透射谱的变化,就可以获得相应的温度 、应变或压力信息。测井专用光缆由光纤芯线及其抗张线、保护材料、覆盖涂层等铠装而成及光纤与仪器连接专用连接器(即马笼头)组成,光纤数据传输速率大于 10Mbits。满足布拉格条件 :图2-1 光纤布拉格光栅结构示意图 = 2nA (2-1)式中 为布拉格波长;n为有效折射率;A 为光纤光栅的周期。作用于光纤光栅的被测物理量(如温度 ,应力等)发生变化时 ,会引起n和A 的相应改变 ,从而导致的漂移 。反过来 ,通过检测的漂移,可得知被测物理量的信息。布拉格光纤光栅传感器的研究工作主要集中在温度和应力的准分布式测井上 。的漂移量()与温度和应力变化(,T)的关系可以表示如下 := CT + D (2-2)式中 C为温度系数;D为应力系数。在油田开发领域 一般将若干个光纤布拉格光栅组成一个光纤光栅传感器 阵列来构成准分布式。2.3 存在的问题光纤光栅造价较高,难以迅速得到广泛应用;再者,光纤光栅压力传感器尚没有达到新一代石英电子压力计所具备的压力解析与测试精度水平 (见表2-1)。虽然仅有少量的光纤压力计投入使用,现在将其同电子类压力计进行直接比较尚为时过早,但光纤系统的可靠性还没有得到证实。安装时要将光纤压力计装在一个工作筒中,油藏压力通过一个波纹管传送到传感器中。采用类似于电子压力计工作筒的安装方式安装工作筒,因此整个井下测试仪器必须在完井作业时安装就位;从(2-2)式中可以发现,布拉格波长的位移既受温度变化的影响也受应力变化的影响,因而在实际应用中难以对温度或应力进行精确测量,即光纤光栅传感器存在交叉敏感问题。 表 2-1常规电子类压力计与光纤压力计的测试性能比较2.4温度、应变同时测量区分方法由于布拉格光栅同时对温度和应变敏感 ,因此如何解决温度、应变交叉敏感问题是实现光纤布拉格光栅工程化、实用化的关键技术。在国外1993年就有人研究温度、应变交叉敏感问题 ,目前归纳起来大概有三类方法,分别是双波长矩阵运算法、双参量矩阵运算法、应变(温度)补偿法。下面具体介绍一下较为简单的双波长矩阵运算法,该方法是在光纤的同一位置刻写两个中心波长不同的布拉格光栅 ,利用两光栅对温度和应变的不同特性实现同时测量。设两波长分别为1和2,外界环境变化时,波长变化分别为1 和2. 由光纤光栅的基本关系可得: (2-3) 式中 R和分别为温度和应变的变化量;Kt1和K1分别是中心波长为1的光栅的温度和应变灵敏度;KT2和K2分别是中心波长为2的光栅的温度和应变灵敏度。对式(2-3)整理可得: (2-4)对于给定的光纤 Bragg 光栅,、为定值,1和2 可通过光谱分析系统测得,根据式(2-4)可求得温度、应变的变化。这样就能解决光纤Bragg光栅温度、应变交叉敏感问题。10分布式光纤温度传感器第3章 分布式光纤温度传感器3.1 分布式温度传感器简介分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。因为井的温度剖面的变化可以与其它地面采集的资料(流量、含水、井口压力等)以及裸眼测井曲线对比,从而为操作者提供有关出现在井下的变化的定性和定量信息。传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度,要测试全范围的温度,点式传感器只能在井中来回移动才能实现,不可避免地对井内环境平衡造成影响。光纤分布式温度传感器的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动,能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内,因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器。此外 ,光纤能装配在井中,如果有必要,在完井装配后的任何时候,通过吹动(使用流体拉力)环挠着预先安装的直径为 l4in的U型管的控制线,还可以更换光纤传感器。DTS不需要专门的布拉格光栅光刻FabryPerot间隙,或设的心轴,便于测量。DTS使用光导纤维中光传播的一种基本物理特征,即小部分入射光反向散射引起光纤中分子加热激活的特性。因此能沿光纤长度每米提供一个测量值。3.2温度传感器的原理分布式光纤传感器利用光纤中散射光被温度应力等参数调制的特性对沿光纤分布的参数进行连续测量。常规传感器无法作到分布式传感。分布式传感器离不开光纤中的光散射 。从量子理论的观点来看 ,光散射是光子与传输介质中的粒子发生弹性或非弹性碰撞引起的。研究发现,光纤中的光散射主要包括由光纤中折射率分布不均引起的瑞利散射 (RayleighScatterng),由光学声子引起的拉曼散射(RamanScattering)(如图3-1)和由声学声子引起的布里渊散射(BrillouinScattering)-种类型的光散射。其中,瑞利散射是由于光与物质发生的弹性散射 ,散射光频率不发生变化。而拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生的非弹性散射,其散射光频率发生变化。图3-1 后向散射光分析光在光纤中传输时,与光纤中的分子、杂质等相互作用,发生散射,当注入光功率较小时,产生瑞利散射光和自发喇曼散射光;注入光功率超过一定值时则产生受激喇曼散射光和受激布利渊散射光喇曼散射是由于光纤中分子的热运动与光子的相互作用发生能量交换而产生的,具体的说就是当光子被光纤分子吸收后会再次发射出来如果有一部分光能转化为热能,那么将发出一个比原来波长大的光,称为斯托克斯光;相反,如果有一部分热能转化为光能,那么将发出一个比原波长小的光,称为反斯托克斯光,喇曼散射光由这两种不同波长的光组成。由于反斯托克斯光散射取决于处于激发态的分子个数,在温度升高的时候,更多的分子处于高能状态,因此测量的反斯托克斯光强度与温度有关而斯托克斯光对温度的依赖性不大这说明光信号在光纤上被温度信号调制,通过检测与温度有关的反斯托克斯光强度 ,就可以得到温度的信息由于反斯托克斯光强度不但经过温度信号的调制,而且受光纤本身的衰减系数、光源震荡、光纤微弯等因素的影响,而斯托克斯光只受纤本身因素的影响,因此通过检测喇曼散射光中的反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值,可以得到关于外界温度的信息,还可以有效消除光纤本身因素引起的误差。3.3温度传感器的应用分析最广泛地应用于井下监测应用的光纤传感器之一就是喇曼反向散射分布式温度探测器 ,这种方法已经在测量井筒温度剖面 (特别是在蒸汽驱井)中,得到了广泛的应用。分布式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减,遇到的问题和解决方法为:(1)光纤以及连接器对信号的衰减问题,解决的方法为尽量减少连接器的数目、采用布喇格光纤光栅传感器以及改进连接器的性能:(2)井下安装时容易损坏,解决的方法为配备熟练工人、光纤传感器需要外部保护层 、减小应力 (包括射孔和温度引起的应力)。由于DTS数据是在油井的整个生产寿命期间连续采集的,所以它可即时反映油层的任何变化情况。光纤系统可连同完井管柱一起安装下井,而不需额外作业。因为DTS测量能沿整个储层井段进行,监测各个层的流量贡献会改善井下持久监测效果 。DTS能在整个储层段上辨别流入井油流的井段及层的贡献。在BP公司经营的伟琪法姆油田 Ml7井中安装了DTS,该井从井跟到垂直部分的平直段都已经射孔。1999年该井正式投产后即开始获得温度测量数据。图1所示为M-17井2000年3月储集层温度剖面。显示出井底流入冷海水的影响及关井时层问窜流影响。通过获取的温度剖面资料使作业者对油藏有了新的认识,同时也改变了相关地层压力支持计划。图3-2 WytchFarm油田M一17采油井储层井段的分布式温度测量数据因为正在钻进更多生产井段长的井 ,往往还是大斜度井或甚至是水平井,用生产测井仪器(PLT)测量这些井的费用可能太高,DTS提供了一种替代方案。另外,生产测井仪器是过一定时间后在一单独测量时间采集数据,DTS系统是连续采集数据。在单独基础上难于解释的一些情况可能与地面产量。变化去辨别井下贡献变化有关系。对注入井,在为了确定各个层相对吸收能力而关井之后,通过使用储层的“回暖”响应可以进行温度(热量)分析。虽然这些数据只提供关井时的信息,一次关井的经济影响不如生产井情况那样显著。连续温度测量的缺点是它的数据分析不象流量计测量数据分析那样简单。分析需要一个能阐述当流体由储层产出(或注入)向上流动时它们的地热效应和焦耳-汤姆逊效应的复杂节点热模型。雷米在1961年的论文中概述了该热流的基础,自那以来,一直将它用于分析温度测井曲线。因为温度数据是响应大流量,某些问题例如流动状态影响、及甚至流动是否在套管内或套管外,对转子流量计测井分析的要求不是那样严格,特别是大斜度井和滤砂或割缝衬管完井。的确,识别套管外流体流动是一种传统的温度测井应用。而且,在一口井内流人井的油流分布变化情况一经采取适当措施就能识别出来。13光纤流量传感器第4章 光纤流量传感器光纤流量计的工作原理是当光在光纤中传输时,光的特性(如强度、相位 、频率 、波长等)会受流量的调制,利用相应的光检测方法把调制量转换成电信号,求出流体流速。与传统的流量传感器相比,光纤流量计具有如下优点: 准确度 、灵敏度高 ; 井下仪器只有传感探测器没有电子线路,具有耐高压、高温、抗电磁干扰,在易燃 、易爆环境下安全可靠 ; 频带宽、动态范围广,不受流型、流体流量大小及流体粘度的影响; 体积小 、质量轻。4.1流量传感器的种类光纤流量计种类很多,但它们都是根据光与运动流体的相互关系得出流体各相流量:4.1.1 光纤涡轮流量计光纤涡轮流量计是在传统涡轮流量测量原理的基础上 ,用多模光纤代替了内磁式传感器,构成反射型光纤涡轮流量计,线性、重复性好,抗电磁干扰,测量动态范围大这种光纤涡轮流量传感器具有结构简单 、应变量线性变化、抗 电磁干扰 能力强、有较大的量程比等优点 ,其技术相对成熟。但由于传感器机械磨损等因素,寿命较短,并且对管道的压强造成一定影响。同时,由于机械结构设计方面的因素所限 ,其测量动态范围不宽 ,测量精度很难得到提高;4.1.2 光纤涡街流量计光纤涡街流量计是以光纤作为非线性旋涡产生涡流 ,通过检测在涡街作用下光强度(光相位)的变化来确定涡街产生的频率,旋涡的释放频率与流速成正比;当有流体通过光纤时,涡街会对光纤产生横向作用力 ,使光纤微弯并受到周期性的振动,导致输出光强度的变化。再通过光电检测及后期信号处理,就可以推算出光纤的振动频率,进而得出流量这种光纤涡街流量传感器。虽然结构简单 ,但是它的信号检测较为困难 ,要求较高的信噪比,这在实际现场是较难达到的。4.1.3 光纤多普勒流速计光纤多普勒流速计基于光的多普勒效应测频差确定流体的流动速度 ,可实现物体运动速度的非接触高精度测量;小流量光纤流量计基于菲涅耳拖曳效应(也称斐索拖曳效应)可以检测 0.02/d以下的小流量。2001年6月,在阿曼的 NiMr油田的电潜泵井测量中,光纤流量计与科利奥利流量计的监测结果做 比较,含水误差为2%,总流量误差为3%,在仪器技术指标范围内。因此是现阶段流量计应用较多的。下面以它为例介绍测量流量。4.2测量流量原理光纤多普勒流量传感器是一种频率调制的光纤传感器 ,可实现物体运动速度的非接触高精度测量。根据光的多普勒效应,当频率为f的一束光投射到以相对速度(远小于光速C)运动的流体上时,流体接收到的光频率为: (4-1)式中 1为投射光波矢与目标运动方向的夹角。如果相对投射光波静止的光探测器检测该流体的反射光,则探测器接收的从流体反射的光频率为: (4-2)式中2为反射光波矢与流体运动方向的夹角。由于流体运动导致探测器接收到的反射光波相对于投射光波(光源)的光频差为: (4-3)式(4-3)表明了光源、探测器和被测流体都在作相对运动的情况。光纤多普勒流速传感器就是基于三者的关系通过检测光频差f来确定流体的运动速度的。可以采用干涉检测法(例如内差法 、外差法)检测多普勒频移。光纤多普勒流速传感器采用内差法检测示意图。如图4所示 . 图4-1 光纤多普勒流速传感器内差法检测示意图从光纤顶端反射的光束与从散射粒子中反射的光束相互干涉 ,通过光纤耦合器进入光电探测器和 FabryPerot腔中。由于 FabryPerot腔引入的光程差与光纤端面到管道测量区的光程差相等,造成进入FabryPerot腔的两反射光束满足相干条件 ,而那些管道非测量区反射 回来的光束因无法发生干涉而被滤除。这样可以有效地提高系统的信噪比。4.3流量计的发展趋势随着机械加工技术的高速发展和光纤技术在传感器领域的广泛应用以及信号检测技术的深人发展 ,光纤流量传感器必将随之不断改进 ,以迎合市场化的需要。针对在石油领域的应用 ,其大体发展趋势可以归纳为 :高精度,高度的稳定性和仪器设备的简单化、集成化。16光纤多相流传感器第5章 光纤多相流传感器5.1持率的重要性生产井中,不同层位产液性质不同,了解流体性质(密度 ,含水率)才能评价产层特性。持水率是油井生产剖面评价的一个流动参数 ,对找准产水层位 、采取措拖提高油气产量至关重要。目前确定含气率主要是通过测量持气率得到的 ,含气率是气的流量占总流量的百分比 ,而持气率是管内单位体积的液体流动悬持的气体体积 。含水率是水的流量占总流量的百分比 ,而求含水率的条件就是要测出持水率 ,持水率定义是单位长度的管内,液体流动时 ,悬持的水体积占流体总体积之比 ,即井眼内水的体积浓度。流体密度可区分油水界面、气液界面;含水率及流体密度对找准产水层位、卡水堵漏采取措施,提高油气产量至关重要。5.2测量持水率的方法目前持水率测量仪有电容法持水率 、伽马一伽马持水率 、波导持水率、电容法和伽马一伽马等测量方法 ,在测量低含水(开发初期 ,含水率小于 30%)油井内的持水率或分辨气一液方面发挥了作用 ,目前我国油田已进人高含水 (含水率大于80%)开采阶段 ,由于现在被广泛应用的电容法持水率计在高含水的情况下测量的准确性较差 ,甚至无分辨率(当含水超过60时 ,含有大量导电离子的地层水成为连续相 ,在仪器的工作频率下 ,水构成连接电容两极的导体 ,从而使仪器失去分辨率)低能源 (伽 马一伽 马 )持水率计探测范围小 、温度稳定性低 、放射性对人体的伤害大及环境污染严重等弊端波导式含水率仪尽管理论上较成熟,但其受工艺复杂的限制,制造和应用难度大、在油田现场应用中表现为同一仪器重复性差、与刻度曲线不一致、定量应用效果差。采用光纤传感技术从本质上解决了现有持率仪器存在的不足 。光纤持率密度传感器从本质上解决了现有持率仪器存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用,对于多相流体油、水 、气的折射率各不相同,因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变,光纤传感器的传感机理是基于 U 型弯曲光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化这一特性 ,光波是信息载体,与混合流体电阻率、流型及水质无关。油、水、气三相的折射率分别为 148150、133和 1,各相差别较大,对于水中含油、油中含水、水中含气或油中含气的测定非常灵敏,可达到全量程 0100%。光纤传感持率测井仪器与传统电容法持水率测量方法相比较,基于折射率调制的光纤传感器能做到基本与水质无关,且能同时识辨油和气。因此这种折射率调制型光纤传感器不仅能测流体持率 ,同时可测流体密度,精度较高。如光纤含气率测量仪能直接测量多相流体中的天然气含量,测量反射回来的光信号确定持气率和天然气气泡数,主要是识别油水井中的天然气运移,或识别气井中的水、油或凝析油。第二种是通过测量声速来确定两相混合流的相组分 ,因为混合流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性,而这个相关性普遍存在于两相气液和液液混合流体系统中,同时也适用于多相混合流系统。根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数,就是测量流过流量计的各单相体积分数(即持率测量)。某一流体相持率是否等于该相流动体积分数,取决于该相相对于其它相是否存在严重的滑脱现象。对于不存在严重滑脱的油水两相混合流系统 ,可以用均匀流动模型进行分析;对于存在严重滑脱现象的流动状态,则必须应用更完善的滑脱模型来解释流量计测量的数据,才能准确地确定各相的流量。经流动循环实验表明:对于油水混合流体,流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数(即持率 ),而不受流动非均质性(如层状流动)的影响。18光纤传感器的综合应用第6章 光纤传感器的综合应用一般地,光纤压力传感器比较适用于注水井(防止注入压力过高而压裂套管)和泡点压力低于油藏压力的的油井;分布式温度传感器比较适用于热采的稠油油藏;光纤多相流传感器比较适用于高含水或油气水关系复杂的井。通常而言,这些光纤传感器件只是针对某些方面的问题,有选择的下放安装到井中。对于智能井而言,这些光纤传感器则在完井时安装到井下,光纤压力计,光纤流量计,光纤多相流传感器和分布式温度传感光纤的端口位于衬管悬挂器的上面,在完井时随着油管一起下入井中。而所有的光纤预先穿过封隔器,并且要装入1/4英寸的不锈钢管中,以起到被保护作用。而整口井的数据采集可以由液压管线所控制的阀门来控制。通过这些综合光纤传感器,我们就能实时得知井下流体的动态情况,例如压力,温度,流量,含水率等一些数据,根据这些流体动态数据,即时通过控制管线调整油藏开发方案,用尽可能少的成本,高效高采出程度把原油从地下采出来,从而获得最大经济效益。6.1智能井系统简介现今的智能井系统是一个实时注采管理网络,包括井内监测、数据评价、模拟及遥控流量的工作方式。智能井系统通过先进的井内光纤传感器采集数据,操作者不需要进行修理干预便能改变流动特性(生产和/或注入)。测量点离目标层越近,所采集数据的分辨率和最终价值越大。因此,井内永久性光纤传感器还有助于更好地认识特定开采层和/或注入层的特性以及近井和井间油藏特征。其中智能完井系统(ICS)地面框图和智能完井系统的井下部分图分别示于图6-1、图6-2。智能井技术关键有两个方面:一是实时监测 ,指系统获取井下流态或油藏数据的能力;二是实时控制,远距离开关阀门控制流态的能力。一个完整的智能完井系统包括井下监控器,具有数字通讯、资料管理和数据分析功能的油藏工程专家系统以及井下流量控制器等,图6-3显示了智能井系统的构成和功用。井下监控器是一种可对地层压力分布、温度和三相流量与密度进行测量的纤维光学仪器,利用它可实时监测油藏指定地带的性能,将油藏工程专家系统同先进的模拟软件相结合,则可实时地不断改进油藏模型。而井下流量控制阀则用于封堵和控制不同地层的液流。图6-1 智能完井系统(ICS)地面部分图6-2 智能完井系统的井下部分6.2智能井的特点(1)可以减少生产干扰,避免常规采油作业带来的风险 ,便于管理 ,适用于边远、偏僻地区。智能完井可以在地面上识别 流入控制位置 ,能在地面上选择性地开或关某一油层,实现在不关井的情况下进行井身结构重配。 图6-3 建立在平台之上的智能井系统的结构和用途(2)智能完井有实现地面远程遥控的功能 ,这就使得这项技术特别适合于管理沙漠或海上的油田 。(3)防止在生产层和混采层之间窜流,可以控制气、水锥进,改善生产能力,提高油田最终采收率。智能完井上的传感器能够监测各油层油、气、水的流动状况,修正油井工作制度。一旦生产过程中出现水或气的锥进时,可以通过油井配产来延缓水、气锥的发生 ,改善生产能力,提高油 田最终采收率。(4)智能完井具有实时监测的功能,获得生产层实时井下信息,并将监测到的信息资料传输到地面的计算机中存储起来 ,由于信息是长期持续记录的,从而可以克服不稳定试井分析引起的模糊性和不确定性。(5)提高对油藏的认识程度,使作业人员对将来的井位和井网布置作出较好的决定。(6)全面优化油藏管理和生产,减少各类井的数量,提高注入效率和最终采收率。采用新型的光子(光纤)仪器都可以实现实时数据采集。在最新的监测系统中,油层专用的临时性传感器正在被永久性传感器所取代。现今已投入商业应用的智能井系统大都包括压力、温度和质量流量测量装置。可用于实时流量控制的装置有液压阀、电动液压阀、全电动阀(如图6-4所示)。这些控制系统现有的设置包括简单的开关、多位调节和无级调节。6.3智能井的优点图6-3 世界上第一口多光纤智能井结构图作为一项新型的完井技术,智能完井与常规完井技术相比技术优势突出,主要表现在以下几个方面。(1) 智能完井具有地面遥控功能,便于管理 , 适用于偏、远地区。智能完井能够在地面上识别流入控制阀位置,并能在地面上有选择地开或关某一油层,从而实现不关井情况下进行井身结构重配。由于智能完井具有地面遥控功能,因此,该技术特别适用于难于管理的海上或沙漠中的油田。(2) 智能完井具有实时监测功能,测试资料连续,能够克服不稳定试井分析引起的模糊性和不确定性。智能完井能够获得生产层实时井下信息,并将监测到的资料传输到地面的计算机中储存起来,测试的资料具有较强的连续性。由于监测资料是长期持续记录的,从而克服了不稳定试井分析所引起的模糊性和不确定性。(3) 智能完井监测的资料广泛,提供信息量大,有利于提高油藏管理。利用智能完井所获得的长期监测的资料比传统的短期测试资料能提供更多的油藏信息,这些信息对于油藏工程师建模是非常有利的。智能完井监测的数据不但包括单井数据(压力、温度、粘度和组分),还包括井间数据 (地震的、波动的、声波的),从而使信息类型不断扩大,整个油藏信息的扩大将使先进油藏管理向着精确的流体前缘图解和油藏描述方向进步。将来油藏可能会进入连续管理阶段。油藏使用智能完井管理越多,被控制的部分也越大,油藏就能获得更大的潜能。因此,智能完井适用于油藏结构复杂,具有较高不确定性 , 需要录取大量资料的井。(4) 智能完井可以控制气、水锥进 , 加速生产,提高油田最终采收率。智能完井上的流入控制阀可以对不同层位有选择地进行开或关,从而实现从特定油层段采油的目的。智能完井上的传感器能够监测各油层油、气、水量 ,并能修正油井工作制度。当生产中出现水或气的锥进时 ,可通过调整层段流量 (即关闭产水或产气层,控制注水或注气等)来延缓水或气的锥进,从而实现加速生产,提高油田最终采收率的目的。因此,对于油层性质差距较大,需进行多层合采或合注的井或需控制水、气锥进的井可采用智能完井。下面以智能完井系统比较典型的有SCRAMS系统为例,简述其功能优势。该系统具有以下主要功能和优点:(1)根据各个层段生产指数的变化,可以判断和确定节流生产段效果;(2)能测量和调节每个产层的关井压力、流动压力和质量流量,从而更科学、更简化地管理非均质油藏;(3)由于消除了关井时横向流动所造成的影响,可以进行每个产层的压力升降分析;由于消除了多层合采混合流动分析所引起的误差,就更容易进行物质平衡计算且更加精确;(4)采油工程师和过程控制工程师能更有效地判断、测量和调节管理过程;(5)由于能在井底产层处进行控制和测量,这就便于操作者调整变化的生产剖面,从而优化生产;(6)能关闭或抑制产水层段,从而改善举升性能且易于处理和排放产出水;(7)可以利用邻层气进行气举,从而提高枯竭层段的产量;(8)通过遥控调节气举阀能够优化常规气举方法;(9)能够实时获得关键信息,最大限度地减小测井工作量;(10)有时不需要井下作业就可以对选择层位按程序处理;(11)减少作业次数干扰就直接降低了操作费和风险,且提高了安全性。油气界日益认识到智能井技术在优化生产效率和油气采收率方面的巨大潜能。在高作业成本的海底井和深水井 ,智能完井技术具有以较少的井提供更多的油气产量和提高油气采收率的能力。不论是用于生产井、注水井还是注/ 采井兼用 ,智能完井技术都能改善非均质性油藏或多层油藏的注水/ 气驱油效率。井下传感器获取的生产/ 储层数据用于进一步了解油藏动态 ,并有助于选择合适的加密井的井位及井眼设计。智能完井技术通过控制多层合采、多分支井监控或使单井眼同时具有多项功能 ,如注水、观察和生产 ,使单井眼完成多口井的任务。智能完井是

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