井下长期动态监测特种分布式铠装光缆和监测系统及方法
技术领域
本发明属于应变测量技术领域，具体涉及一种井下长期动态监测特种分布式铠装光缆和监测系统及方法。
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。
现有的井下铠装光缆一般是在连续的细长金属管内安置光纤，注入光纤膏，根据井深和井底压力采用一层或多层细长金属管套装，外面在编织上一层或数层铠装钢丝，增加铠装光缆的抗压、抗拉和抗冲击能力，保护最内层细长金属管里的光纤在随套管下井的过程中不会被损坏。但是这种结构的铠装光缆至少有两个问题：(1)在细长金属细管内放置的单模和多模光纤只能通过非固态的光纤膏与细长金属管内壁耦合，然后通过外层细长金属管和最外层铠装钢丝与金属套管外壁和地层耦合，造成此种铠装光缆内的光纤无法很好的耦合感应地层应力集中在局部井段生产的岩层或金属套管应变(形变)，也不能很好的感应耦合从震源传播到井下的地震波或噪声信号；(2)虽然铠装光缆内的光纤有一层或数层细长金属管和最外层的铠装钢丝保护，但是此种铠装光缆在随金属套管下井的过程中，地下的压力、摩擦力和巨大的冲击力最终还是直接作用在最内层的细长金属管外壁上的，地下巨大的压力和下套管作业时的巨大冲击力会把中空的细长金属管挤压变形甚至砸断，造成受损铠装光缆井段处的光纤受到外力的挤压甚至断开。
发明内容
本发明提出了一种井下长期动态监测特种分布式铠装光缆和监测系统及方法，当用金属卡子把特种分布式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，把井口地面的分布式光纤应变传感(DSS)、分布式光纤声波传感(DAS)和分布式光纤温度传感(DTS)复合调制解调仪器(DSS/DAS/DTS)与特种铠装光缆在井口附近相连接，就组成了一个基于分布式光纤传感的井下长期实时动态综合监测系。
本发明的目的是克服现有井下铠装光缆对应变和震动或噪声敏感度不足，耦合不好，随金属套管一起下井过程中易磨损挤压损坏的缺陷，提出了在特种分布式铠装光缆里分别封装特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆，通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆和三组单根或多根钢丝组成的承压抗磨加强筋，外侧用铠装单层或多层不锈钢丝构成保护外套形成圆形扁平状结构。然后把圆形扁平状结构的特种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，构建了一个基于分布式光纤传感的井下地层应变分布变化的长期实时监测和测量系统，长期实时监测和测量地下应力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，为保证油气生产井、注水井和监测或观察井的长期稳定安全可靠的工作提供不可缺少的手段、系统和方法。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：
井下长期动态监测特种分布式铠装光缆，包括特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆，通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆，三组承压抗磨加强筋，五者构成扁平状结构，特种应变和震动或噪声测量光缆和通用型温度和震动或噪声测量光缆的两侧都有承压抗磨加强筋进行保护，五者构成的扁平状结构外侧有铠装钢丝构成的保护外套。
所述的特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆内至少有两根以上的第一耐高温单模光纤，将耐高温复合材料通过注塑或挤压成圆柱形且包含第一耐高温单模光纤，组成应变和震动或噪声敏感光缆，应变和震动或噪声敏感光缆外紧密包裹连续不锈钢细管，在所有第一耐高温单模光纤的尾端打结或安装一个消光器件，阻止从第一耐高温单模光纤顶端入射的激光从尾端反射回光纤顶端。
所述通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆包括内连续不锈钢细管，内连续不锈钢细管内至少有两根以上的第二耐高温单模光纤，两根以上耐高温多模光纤，内连续不锈钢细管内部填充耐高温光纤膏，内连续不锈钢细管外设有外连续不锈钢细管，其中两根耐高温多模光纤的尾端熔接在一起，熔接处的耐高温多模光纤用一个U形件固定并保护起来，在所有第二耐高温单模光纤和其它耐高温多模光纤的尾端打结或安装一个消光器件，阻止从第二耐高温单模光纤的顶端和耐高温多模光纤的顶端入射的激光从尾端反射回光纤顶端。
所述承压抗磨加强筋包括三组单根或多根钢丝，采用高强度不锈钢丝，分别安放在特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆和通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆两侧。
保护外套为铠装单层或多层不锈钢丝构成。
所述圆形扁平状结构的井下长期动态监测特种分布式铠装光缆，便于固定在金属套管外侧随金属套管一起下井，其圆形扁平状结构不会使井下长期动态监测特种分布式铠装光缆在随套管一起下井的过程中发生旋转，布设在和特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆与通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆两侧由不锈钢丝制成的承压抗磨加强筋以及圆形扁平状结构外的铠装单层或多层不锈钢丝会保护特种分布式铠装光缆在随套管一起下井的过程中不被磨损或冲击损坏。
本发明提供一种井下长期动态监测系统，包括上述的特种分布式铠装光缆，还包括金属套管、包括放置于井口附近的DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器，所述特种分布式铠装光缆固定在金属套管外侧；所述的特种分布式铠装光缆含有消光器件的一端为下端，上端连接DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器。
所述DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器包括分布式光纤应变传感、分布式光纤声波传感和分布式光纤温度传感的数据采集与调制解调功能。
所述的井下长期动态监测系统的监测方法，包括以下步骤：
(1)、把金属套管和特种分布式铠装光缆同步缓慢的下入完钻的井孔里；
(2)、在井口处把一环形金属卡子安装在两根金属套管的连接处，固定并保护特种分布式铠装光缆在下套管过程中不会移动和旋转/或被损坏；
(3)、金属套管下完后，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的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、特种分布式铠装光缆和地层岩石永久性的固定在一起；
(4)、在井口处把特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆内两根第一耐高温单模光纤分别连接到DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器的DSS信号输入端和DAS信号输入端；
(5)、在井口处把通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆内尾端已经连接在一起的两根耐高温多模光纤的顶端分别连接到DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器的DTS双端信号输入端；
(6)、对DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器连续测量的DSS信号和DAS信号进行调制解调，将DSS数据和DAS数据转换成井下地应力作用在金属套管和特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆上产生的应变数据和震动数据或噪声数据；
(7)、对DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器连续测量的DTS信号进行调制解调，将DTS数据转换成沿井下通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆上产生的温度变化数据；
(8)、根据监测和测量到的井下金属套管外的温度数据，利用公式：
Δλ/λ＝-Δυ/υ＝KTΔt+Kεε
其中，λ和υ分别为平均光波长和频率；KT和Kε分别为温度和应变标准常数；
(9)、对于双端输入在尾端相连的两根耐高温多模光纤上测量到的DTS数据，可以应用上述公式，对步骤(7)测量到的DTS数据进行因作用在耐高温多模光纤上的应力(应变)变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移进行改正，获得消除了应变影响的真实的金属套管外壁的温度变化数据；对长期实时监测和测量到的金属套管外壁的温度变化数据求取其对时间的微分，获得温度变化数据随时间变化的温度梯度；
使用具体测量位置的温度值对步骤(6)测量到的DSS数据进行因温度变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移进行改正，获得消除了温度影响的真实的金属套管外壁的应变值；
(10)、对长期实时监测和测量到的金属套管外壁消除了温度影响的的应变量求取其对时间的微分，获得应变量随时间的变化率；(11)、对长期实时监测和测量到的金属套管外壁的应变量和应变率进行分析，根据井下工程设置的金属套管的应变和应变率阈值标准，当发现金属套管的应变量和应变率超过阈值并可能造成金属套管变形损坏的井段时，及时提出预警或报警；
(12)、利用监测和测量到的井下噪声数据(步骤6)、消除了应变影响的温度和温度梯度数据(步骤9)，根据井下射孔段测量到的噪声信号和温度及温度梯度变化与该射孔段油、气、水流量之间的关系，利用多参数综合反演方法计算出井下每个油气产出井段的油、气、水的流量及其变化，或井下每个注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井段的井液注入量及其变化，获取每口油气生产井和注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井的产液剖面或吸水剖面，从而实现对油气生产井或注液驱替井在开发生产过程中变化规律的长期动态监测。
附图说明
图1是本发明的特种分布式铠装光缆横截面结构示意图；
图2是本发明的井下长期动态监测系统结构示意图。
具体实施方式
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。
本发明的是一种用于井下长期动态监测的特种分布式铠装光缆及相应的监测方法，其具体实施方式，如下所示：
如图1所示，井下长期动态监测特种分布式铠装光缆，包括特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆1，通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆2，三组单根或多根高强度不锈钢丝组成的承压抗磨加强筋3，五者构成扁平状结构，特种应变和震动或噪声测量光缆1和通用型温度和震动或噪声测量光缆2的两侧都有承压抗磨加强筋3进行保护，扁平状结构外侧有铠装钢丝构成的保护外套4，组成特种分布式铠装光缆100。
所述的特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆1内至少有两根以上的第一耐高温单模光纤11，将耐高温复合材料通过注塑或挤压成圆柱形且包含第一耐高温单模光纤11，形成应变和震动或噪声敏感光缆12，应变和震动或噪声敏感光缆12外壁紧密包裹连续不锈钢细管13，在所有第一耐高温单模光纤11的尾端打结或安装一个消光器件8，阻止从第一耐高温单模光纤11顶端入射的激光从尾端反射回顶端。
所述通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆2包括连续内连续不锈钢细管23，内连续不锈钢细管23内至少有两根以上的第二耐高温单模光纤21、两根以上耐高温多模光纤22，内连续不锈钢细管23内部填充耐高温光纤膏，内连续不锈钢细管23外紧密套有外连续不锈钢细管24，其中两根耐高温多模光纤22的尾端熔接在一起，熔接处的耐高温多模光纤22用一个U形件固定并保护起来，在所有第二耐高温单模光纤21和其它耐高温多模光纤22的尾端打结或安装一个消光器件8，阻止从第二耐高温单模光纤21的顶端和耐高温多模光纤22的顶端入射的激光从尾端反射回顶端。
所述承压抗磨加强筋3采用高强度不锈钢丝，分别安放在特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆1和通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆2两侧。
保护外套4用铠装单层或多层不锈钢丝构成。
如图2所示，井下长期动态监测系统，包括所述的特种分布式铠装光缆100，还包括金属套管6、包括放置于井口附近的DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器5，所述特种分布式铠装光缆100固定在金属套管6外侧；所述的特种分布式铠装光缆100含有消光器件8的一端为下端，上端连接DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器5。
所述DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器5包括分布式光纤应变传感、分布式光纤声波传感和分布式光纤温度传感的数据采集与调制解调功能。
所述的井下长期动态监测系统的监测方法，包括以下步骤：
(a)、把金属套管6和特种分布式铠装光缆100同步缓慢的下入完钻的井孔里；
(b)、在井口处把一环形金属卡子7安装在两根金属套管6的连接处，固定并保护特种分布式铠装光缆100在下金属套管6过程中不会移动和旋转/或被损坏；
(c)、金属套管6下完后，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6的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6、特种分布式铠装光缆100和地层岩石永久性的固定在一起；
(d)、在井口处把特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆1内两根第一耐高温单模光纤11分别连接到DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器的DSS信号输入端和DAS信号输入端；
(e)、在井口处把通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆2内尾端已经连接在一起的两根耐高温多模光纤22的顶端分别连接到DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器的DTS双端信号输入端；
(f)、对DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器连续测量的DSS信号和DAS信号进行调制解调，将DSS数据和DAS数据转换成井下地应力作用在金属套管6和特种耐高温应变和震动或噪声测量光缆1上产生的应变数据和震动数据或噪声数据；
(g)、对DSS/DAS/DTS复合调制解调仪器连续测量的DTS信号进行调制解调，将DTS数据转换成沿井下通用型耐高温温度和震动或噪声测量光缆2上产生的温度变化数据；
(h)、根据监测和测量到的井下金属套管6外的温度数据，利用公式：
Δλ/λ＝-Δυ/υ＝KTΔt+Kεε
其中，λ和υ分别为平均光波长和频率；KT和Kε分别为温度和应变标准常数；
(i)、对于双端输入在尾端相连的两根耐高温多模光纤上测量到的DTS数据，可以应用上述公式，对步骤(g)测量到的DTS数据进行因作用在耐高温多模光纤22上的应力(应变)变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移进行改正，获得消除了应变影响的真实的金属套管6外壁的温度变化数据；对长期实时监测和测量到的金属套管6外壁的温度变化数据求取其对时间的微分，获得温度变化数据随时间变化的温度梯度；
使用具体测量位置的温度值对步骤(f)测量到的DSS数据进行因温度变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移进行改正，获得消除了温度影响的真实的金属套管6外壁的应变值；
(j)、对长期实时监测和测量到的金属套管6外壁的消除了温度影响的应变量求取其对时间的微分，获得应变量随时间的变化率；
(k)、对长期实时监测和测量到的金属套管6外壁的应变量和应变率进行分析，根据井下工程设置的金属套管6的应变和应变率阈值标准，当发现金属套管6的应变量和应变率超过阈值并可能造成金属套管6变形损坏的井段时，及时提出预警或报警；
(l)、利用监测和测量到的井下噪声数据(步骤f)、消除了应变影响的温度和温度梯度数据(步骤i)，根据井下射孔段测量到的噪声信号和温度及温度梯度变化与该射孔段油、气、水流量之间的关系，利用多参数综合反演方法计算出井下每个油气产出井段的油、气、水的流量及其变化，或井下每个注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井段的井液注入量及其变化，获取每口油气生产井和注水或注蒸汽或注二氧化碳或注聚合物井的产液剖面或吸水剖面，从而实现对油气生产井或注液驱替井在开发生产过程中变化规律的长期动态监测。
