基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置及方法与流程

1.本发明属于地应力场测量技术领域，具体涉及一种基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置及方法。


背景技术：

2.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、应力、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。
3.井下光纤传感系统可以用于井下进行应力、应变、应力、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。该系统以全铠装螺旋状铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用铠装螺旋光纤制成。
4.目前地应力测量方法较多，包括水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法等直接测量法，和套芯应力解除法、应变恢复法等间接测量法。
5.直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。
6.间接测量法不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。
7.在套管外布设的直铠装应变敏感光缆，尽管可以测量沿套管各点的地应力值或地应变值，但是无法测量该点地应力场的方向或方位，也无法知道水平井的延伸方向是否是与地下最大主应力方向正交或大角度相交，更无法进行射孔位置和压裂井段的优化设计，无法避免井下套管发生局部套损。


技术实现要素：

8.本发明提出了使用钻孔内安装完毕的金属套管，金属套管外侧布设的铠装螺旋状铠装光缆，连续测量和实时监测沿铠装螺旋状铠装光缆分布的地应力场的量值和方位。
9.本发明的目的是克服现有井下地应力场测量技术的不足，提出了把铠装螺旋状铠装光缆布设在金属套管外壁上，构建一个基于分布式光纤传感的井下岩层三维地应力场分布变化的测量系统，长期实时监测和测量地下应力场对井下套管和井下各种工具及管线可能造成的损害或破坏，是为保证油气生产井、注水井和监测或观察井长期稳定安全可靠的工作提供不可缺少的手段、系统和方法。
10.为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
11.基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，包括安装在钻孔内的金属套管，所述的金属套管外布设固定有螺旋状铠装光缆；所述的螺旋状铠装光缆内包括至少一根以上的耐高温抗氢损应力敏感光缆和至少两根以上的耐高温抗氢损多模光纤；
12.还包括放置于井口附近的dss/dts复合调制解调仪器，所述的dss/dts复合调制解调仪器的一个dss信号端口和两个dts信号端口分别与螺旋状铠装光缆内的耐高温抗氢损应力敏感光缆和耐高温抗氢损多模光纤相连接。
13.所述的dss/dts复合调制解调仪器为分布式光纤应力传感dss和分布式光纤温度传感dts复合调制解调仪器，包括数据采集模块与调制解调模块。
14.所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆内部为耐高温抗氢损单模或耐高温抗氢损特种应力敏感光纤，所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆和耐高温抗氢损多模光纤分别封装在连续的第一金属细管和第二金属细管内。
15.所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆内是单模应力敏感光纤，或者是间距小于1米的高密度的连续光栅光纤。
16.所述的第一金属细管和第二金属细管外还缠绕单层或多层的保护金属细管和/或铠装钢丝。
17.所述的第一金属细管内安置用耐高温抗氢损高强度复合材料紧密包裹的或用注塑机一次成型包裹的单模应力敏感光纤或高密度的连续光栅光纤制作的耐高温抗氢损应力敏感光缆，紧密贴壁密封在第一金属细管内，耐高温抗氢损应力敏感光缆的尾端安装消光器。所述的第二金属细管内还设有耐高温光纤膏。
18.所述的第二金属细管内的两根耐高温抗氢损多模光纤的尾端熔接成u字型，用于连接到dss/dts复合调制解调仪器的两个dts信号的双端信号输入端口。
19.所述的螺旋状铠装光缆为预制成按照一定角度绕制的螺旋状铠装光缆，下井时套在金属套管外面。螺旋状铠装光缆绕制的角度在30度到60度之间。
20.所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
21.(1)在井口附近把金属套管套入螺旋状铠装光缆内，然后把金属套管和螺旋状铠装光缆同步缓慢的下入完钻的钻孔里；
22.(2)在井口处把所述的环形金属卡子安装在两根金属套管的连接处，固定并保护螺旋状铠装光缆在下套管过程中不会移动和/或被损坏；
23.(3)用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管、螺旋状铠装光缆和地层岩石永久性的固定在一起；
24.(4)在井口处把螺旋状铠装光缆内的耐高温抗氢损应力敏感光缆、耐高温抗氢损多模光纤分别连接到dss/dts复合调制解调仪器的dss和dts信号输入端；
25.(5)利用耐高温抗氢损应力敏感光缆和耐高温抗氢损多模光纤和dss/dts复合调制解调仪器实时监测和测量的全井段金属套管外的应力场变化和温度变化。
26.(6)根据监测和测量到的金属套管外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：
27.δλ/λ＝-δυ/υ＝k
t
δt+k
ε
ε
28.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；
29.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dss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外地应力测量井段内的应力值；
30.(7)将经过温度校正的全井段沿螺旋状铠装光缆分布的应力值根据螺旋状铠装光缆在金属套管外的深度位置和方位角绘制出地下各深度和各方位的地下应力场三维分布图，就可以获得地下应力场的沿井轨迹的分布变化特征；
31.(8)根据沿井轨迹分布的地下各深度和各方位的地下应力三维分布图建立地下三维应力场模型，把井轨迹投影到地下三维应力场模型里去，然后根据地下应力场沿井轨迹的分布特征设计井下金属套管的优化射孔位置和压裂段，避开地应力过分集中且易造成套管损坏的井段，减少油气田开发的经济损失，同时还可以分析地下最大主应力方向是否与水平井正交或大角度相交，其结果用于新钻水平井的方位优化选择。
32.本发明提供的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置及测量方法，为低成本、高精度、高可靠性的井下全井段岩层内地应力分布变化的测量和动态变化监测方法和技术。本发明提出了使用钻孔内安装完毕的金属套管，金属套管外壁布设的螺旋状铠装光缆，放置于井口附近的分布式光纤应力传感/分布式光纤温度传感(dps/dts)复合调制解调仪器共同组成的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，沿井筒逐点测量不同深度的三维地应力场，用此方法可以一次性的从井底到井口布设应力和温度传感铠装光缆，快速准确可靠的测量从浅井到超深井全井段井周围岩石的三维地应力场，为井下工程实施方案提供有力的全井段地应力场数据的支持。，根据地下应力场沿井轨迹的分布特征设计井下套管的优化射孔位置和压裂段，避开地应力过分集中且易造成套管损坏的井段，减少油气田开发的经济损失。还可以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。
附图说明
33.图1是本发明的系统结构示意图。
34.图2是本发明的铠装光缆内部结构(横截面)示意图。
35.图3是本发明的金属套管和铠装光缆结构示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
37.本发明的一种基于分布式光纤传感的井下岩层的地应力分布监测系统的具体实施方式，如图1所示：
38.基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，包括包括安装在钻孔1内的金属套管2，所述的金属套管2外布设固定有螺旋状铠装光缆3；所述的螺旋状铠装光缆3内包括至少一根以上的耐高温抗氢损应力敏感光缆4和至少两根以上的耐高温抗氢损多模光纤5；
39.还包括放置于井口附近的dss/dts复合调制解调仪器6，所述的dss/dts复合调制解调仪器6的一个dss信号端口和两个dts信号端口分别与螺旋状铠装光缆3内的耐高温抗氢损应力敏感光缆4和耐高温抗氢损多模光纤5相连接。
40.所述的dss/dts复合调制解调仪器6为分布式光纤应力传感dss和分布式光纤温度传感dts复合调制解调仪器，包括数据采集模块与调制解调模块。
41.所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆4内部为耐高温抗氢损单模或耐高温抗氢损特种应力敏感光纤，所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆4和耐高温抗氢损多模光纤5分别封装在连续的第一金属细管41和第二金属细管51内(图2)。
42.所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆4内是单模应力敏感光纤，或者是间距小于1米的高密度的连续光栅光纤。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金属细管和/或铠装钢丝。
43.如图2所示，所述的第一金属细管41内安置用耐高温抗氢损高强度复合材料紧密包裹的或用注塑机一次成型包裹的单模应力敏感光纤或高密度的连续光栅光纤制作的耐高温抗氢损应力敏感光缆4，紧密贴壁密封在第一金属细管41内，耐高温抗氢损应力敏感光缆4的尾端安装消光器7。所述的第二金属细管51内还设有耐高温光纤膏。所述的第二金属细管51内的两根耐高温抗氢损多模光纤5的尾端熔接成u字型，用于连接到dss/dts复合调制解调仪器6的两个dts信号的双端信号输入端口。
44.如图3所示，所述的螺旋状铠装光缆3为预制成按照一定角度绕制的螺旋状铠装光缆，下井时套在金属套管外面。螺旋状铠装光缆3绕制的角度在30度到60度之间。
45.所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
46.(a)在井口附近把金属套管2套入螺旋状铠装光缆3内，然后把金属套管2和螺旋状铠装光缆3同步缓慢的下入完钻的钻孔1里；
47.(b)在井口处把所述的环形金属卡子8安装在两根金属套管2的连接处，固定并保护螺旋状铠装光缆3在下套管过程中不会移动和/或被损坏；
48.(c)用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管2外壁和钻孔1之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管2、螺旋状铠装光缆3和地层岩石永久性的固定在一起；
49.(d)在井口处把螺旋状铠装光缆3内的耐高温抗氢损应力敏感光缆4、耐高温抗氢损多模光纤5分别连接到dss/dts复合调制解调仪器6的dss和dts信号输入端；
50.(e)利用耐高温抗氢损应力敏感光缆4和耐高温抗氢损多模光纤5和dss/dts复合调制解调仪器6实时监测和测量的全井段金属套管2外的应力场变化和温度变化。
51.(f)利用布设在套管2外的螺旋状铠装光缆3内的耐高温抗氢损多模光纤5和dss/dts复合调制解调仪器6实时监测和测量全井段金属套管2外侧的温度变化，根据监测和测量到的金属套管2外侧地应力测量井段内的温度变化数据，对dss/dts复合调制解调仪器6测得的应力(应变)数据进行温度校正。
52.利用分布式光纤传感器进行应变/温度测量时，使用波长扫描干涉法测量背向瑞利散射，并将其作为光纤上与位置有关的函数。光纤中瑞利散射的产生是由于光纤长度方向上的折射率波动所致。散射虽是随机的，但对于给定光纤来说，如果光纤的状态不发生变
化，便总是产生同样波长的反射光，这种固有的特性称为光纤的固有纹理信息。如果光纤的某位置因为受到载荷或温度影响而产生变形，那么仅在该位置的反射光波长产生偏差，通过比较变形前、后的反射光，就能确认变形发生在光纤的哪个部位。一般条件下，光纤中散射光光谱的漂移主要是由应变或温度变化引起的。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，即：利用公式：
53.δλ/λ＝-δυ/υ＝k
t
δt+k
ε
ε
54.式中：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，对于大部分锗硅酸盐纤芯的光纤来说，k
t
＝6.45μ℃-1
，k
ε
＝0.78。
55.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dss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2外地应力测量井段内的应力值；
56.(g)将经过温度校正的全井段沿螺旋状铠装光缆3分布的应力值，根据螺旋状铠装光缆3在金属套管2外的深度位置和方位角绘制出地下各深度和各方位的地下应力场三维分布图，就可以获得地下应力场的沿井轨迹的分布变化特征；
57.(h)根据沿井轨迹分布的地下各深度和各方位的地下应力三维分布图建立地下三维应力场模型，把井轨迹投影到地下三维应力场模型里去，然后根据地下应力场沿井轨迹的分布特征设计井下金属套管2的优化射孔位置和压裂段，避开地应力过分集中且易造成套管损坏的井段，减少油气田开发的经济损失，同时还可以分析地下最大主应力方向是否与水平井正交或大角度相交，其结果用于新钻水平井的方位优化选择。
58.基于分布式螺旋状铠装光缆3传感的井下地应力测量系统及其测量方法，为低成本、高精度、高可靠性的井下全井段岩层内地应力场分布变化的测量和动态变化监测方法和技术。本发明提出了使用钻孔内安装完毕的金属套管，在金属套管外侧壁布设的螺旋状的铠装光缆，放置于井口附近的分布式光纤应力传感/分布式光纤温度传感(dss/dts)复合调制解调仪器共同组成的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置。用此方法可以一次性的从井底到井口布设应力和温度传感铠装光缆，快速准确可靠的测量从浅井到超深井的全井段井周围岩石的三维地应力场，为井下工程实施方案提供有力的全井段地应力场数据的支持。根据地下应力场沿井轨迹的分布特征设计井下套管的优化射孔位置和压裂段，避开地应力过分集中且易造成套管损坏的井段，减少油气田开发的经济损失。还可以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。

技术特征：
1.基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，包括安装在钻孔(1)内的金属套管(2)，所述的金属套管(2)外布设固定有螺旋状铠装光缆(3)；所述的螺旋状铠装光缆(3)内包括至少一根以上的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)和至少两根以上的耐高温抗氢损多模光纤(5)；还包括放置于井口附近的dss/dts复合调制解调仪器(6)，所述的dss/dts复合调制解调仪器(6)的一个dss信号端口和两个dts信号端口分别与螺旋状铠装光缆(3)内的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)和耐高温抗氢损多模光纤(5)相连接。2.根据权利要求1所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的dss/dts复合调制解调仪器(6)为分布式光纤应力传感dss和分布式光纤温度传感dts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所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)内部包括耐高温抗氢损单模或耐高温抗氢损特种应力敏感光纤。4.根据权利要求1所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)内是单模应力敏感光纤，或者是间距小于1米的高密度的连续光栅光纤。5.根据权利要求1所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)和耐高温抗氢损多模光纤(5)分别封装在连续的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)内。6.根据权利要求5所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，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金属细管和/或铠装钢丝。7.根据权利要求5所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的第一金属细管(41)内安置用耐高温抗氢损高强度复合材料紧密包裹的或用注塑机一次成型包裹的单模应力敏感光纤或高密度的连续光栅光纤制作的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)，紧密贴壁密封在第一金属细管(41)内，耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)的尾端安装消光器(7)。8.根据权利要求5所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的第二金属细管(51)内还注入有耐高温光纤膏；所述的第二金属细管(51)内的两根耐高温抗氢损多模光纤(5)的尾端熔接成u字型，用于连接到dss/dts复合调制解调仪器(6)的两个dts信号的双端信号输入端口。9.根据权利要求1所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的螺旋状铠装光缆(3)为预制成按照一定角度绕制的螺旋状铠装光缆，下井时套在金属套管(2)外面；螺旋状铠装光缆(3)绕制的角度在30度到60度之间。10.根据权利要求1到9任一项所述的基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)在井口附近把金属套管(2)套入螺旋状铠装光缆(3)内，然后把金属套管(2)和螺旋状铠装光缆(3)同步缓慢的下入完钻的钻孔(1)里；(b)在井口处把所述的环形金属卡子(8)安装在两根金属套管(2)的连接处，固定并保
护螺旋状铠装光缆(3)在下套管过程中不会移动和/或被损坏；(c)用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管(2)外壁和钻孔(1)之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管(2)、螺旋状铠装光缆(3)和地层岩石永久性的固定在一起；(d)在井口处把螺旋状铠装光缆(3)内的耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)、耐高温抗氢损多模光纤(5)分别连接到dss/dts复合调制解调仪器(6)的dss和dts信号输入端；(e)利用耐高温抗氢损应力敏感光缆(4)和耐高温抗氢损多模光纤(5)和dss/dts复合调制解调仪器(6)实时监测和测量的全井段金属套管(2)外的应力场变化和温度变化；(f)根据监测和测量到的金属套管(2)外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dss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(2)外地应力测量井段内的应力值；(g)将经过温度校正的全井段沿螺旋状铠装光缆(3)分布的应力值，根据螺旋状铠装光缆(3)在金属套管(2)外的深度位置和方位角绘制出地下各深度和各方位的地下应力场三维分布图，就可以获得地下应力场的沿井轨迹的分布变化特征；(h)根据沿井轨迹分布的地下各深度和各方位的地下应力三维分布图建立地下三维应力场模型，把井轨迹投影到地下三维应力场模型里去，然后根据地下应力场沿井轨迹的分布特征设计井下金属套管(2))的优化射孔位置和压裂段，避开地应力过分集中且易造成套管损坏的井段，减少油气田开发的经济损失，同时还用于分析地下最大主应力方向是否与水平井正交或大角度相交，其结果用于新钻水平井的方位选择。

技术总结
本发明提供本基于分布式螺旋状铠装光缆的地下应力场测量装置及方法，使用钻孔内安装完毕的金属套管，在金属套管外侧壁布设的螺旋状铠装光缆、放置于井口附近的DSS/DTS复合调制解调仪器共同组成的测量装置。用此方法可以一次性的从井底到井口布设应力和温度传感铠装光缆，快速准确可靠的测量全井段井周围岩石的三维地应力场，为井下工程实施方案提供有力的全井段地应力场数据的支持。根据地下应力场沿井轨迹的分布特征设计井下套管的优化射孔位置和压裂段，避开地应力过分集中且易造成套管损坏的井段，减少油气田开发的经济损失。还可以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。察井的长期稳定安全可靠的工作。察井的长期稳定安全可靠的工作。


技术研发人员：余刚 苟量 安树杰 王熙明 夏淑君 吴俊军 陈沅忠 蔡志东 肖梦雄
受保护的技术使用者：中油奥博（成都）科技有限公司
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8