基于光纤传感技术的套管外压力实时监测系统研制

论文摘要

套管外压力的实时监测对于油田开发具有非常重要的意义,它不仅可以帮助我们了解到地下原油产层的生产能力以及生产动态,而且对于剩余油饱和度分布的研究以及注水井网的布署等开发方案调整都具有非常重要的指导意义。通过对套管外压力进行监测,制定出合理的注水压力界限也能够有效延缓套损速度,减小套损带来的巨大经济损失。近几年国内、外油田有关学者及研究单位开展了大量油井井下压力监测的相关研究工作,但是,目前的研究成果仅局限于井下压力的点式或准分布式监测,而油田对于井下分层压力监测以及全分布式压力实时监测的需求始终得不到满足,而井下极端、复杂的工况使得传统的传感器也很难胜任这样的监测任务,于是亟待一种能够完成井下全分布式实时压力监测任务的传感器和监测系统。本文根据大庆油田油水井井下特殊环境和井下压力特点提出采用基于BOTDR的光纤传感技术来监测井下套管外压力,以实现套管外压力全分布式实时监测的目的。主要研究工作如下:首先,基于BOTDR传感技术,设计并研制采用基于FRP螺旋缠绕式特殊封装结构,适用于油井井下套管外压力监测的传感器;对传感器封装结构建立理论模型进行分析,验证其结构的增敏特性;研究基于BOTDR的传感器界面应变传递机理,并最终得到布里渊频移与监测压力的本构方程。其次,完成基于BOTDR传感技术的传感器传感特性感知实验,得到传感器相关性能参数,验证理论分析的准确性和传感方案的可行性;研究基于拉曼光时域分析技术(ROTDR)的温度补偿方法,通过理论分析和具体实验验证该方法的有效性。最后,完成光纤传感井下压力监测系统方案的设计,完成套管外压力实时监测系统光纤传感网络的下井和布设工艺,对大庆油田实验井进行数据采集和结果对比分析,完成井下套管外压力的实时监测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 井下压力监测国内外研究状况
• 1.2.1 井下压力监测国内研究现状
• 1.2.2 井下压力监测国外研究现状
• 1.3 分布式光纤传感技术国内外发展状况
• 1.3.1 全分布式光纤布里渊光时域分析技术（BOTDR）发展现状
• 1.3.2 全分布式光纤拉曼光时域分析技术（ROTDR）发展现状
• 1.4 论文研究主要内容
• 第2章 FRP 螺旋缠绕式封装的BOTDR 压力传感界面传递机理
• 2.1 传统FRP 封装的BOTDR 压力传感性能
• 2.2 FRP 螺旋缠绕式封装的BOTDR 压力增敏原理
• 2.2.1 传感器结构设计
• 2.2.2 影响BOTDR 应变因素的分析
• 2.2.3 压力增敏原理
• 2.3 BOTDR 压力传感界面应变传递机理
• 2.3.1 界面受力分析
• 2.3.2 界面传递机理
• 2.3.3 布里渊频移—压力本构方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 FRP 螺旋缠绕式封装的BOTDR 压力传感器性能实验
• 3.1 BOTDR 应变监测温度补偿
• 3.1.1 传统温度补偿方法
• 3.1.2 基于ROTDR 的温度补偿方法
• 3.2 基于ROTDR 温度补偿方法的实验
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 实验结果与分析
• 3.3 BOTDR 光纤传感器压力性能实验
• 3.3.1 实验方案
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.3.3 布里渊频移—压力本构方程的实验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 分布式光纤传感压力监测系统的工程应用
• 4.1 大庆油田油水井井下压力特点
• 4.1.1 油水井井下压力来源
• 4.1.2 相关高压层产生原因
• 4.2 光纤传感压力监测系统设计
• 4.2.1 BOTDR 压力传感系统布设方案
• 4.2.2 传感器布设及固定工艺
• 4.3 基于BOTDR 传感系统的套管外压力监测现场试验
• 4.3.1 套管外压力参数的监测与分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢