基于多场耦合效应的油水井套管全寿命分布式光纤在线健康监测

随着油田开采周期延长、规模扩大和注水开采方案的实施，套损尤其是区块套损速度迅速增加，套损后修井或打更新井不但费用巨大，而且造成井网不完善，严重影响油田产量，因此,对套管全寿命进行在线健康监测,提前预警，损前治理，有效防止套损发生成为目前亟待解决的问题。前期实验表明，套管应力场变化是形成套损的主要原因，且温度场异常与应力场变化存在耦合关系。本项目探索套管应力场和温度场的相互作用关系，以及其耦合效应对油水井套管受力的作用规律，建立多场作用下套管非均匀多载荷力-热耦合模型。基于自主研制的布设于全井套管表外的分布式光纤传感网络的监测数据，修正该模型，确定多场作用下的套损阈值，建立套损模型和套损预警方法，对作用于套管的多载荷力进行辨识及定量表征其作用点、大小、地理方位，实现全井套管全寿命的在线健康监测。该研究为提前预警套损、有效防止套损发生奠定了坚实的理论基础，同时促进了井下实时、动态监测技术的发展

本项目建立了油水井温度场、流体场和非均匀多载荷力场的数学模型，以及热-流和力-热耦合场作用模型，基于该模型，计算不同地质状况、不同开采方式、不同生产阶段、不同层段等情况下的温度分布、液体压力分布、套管轴/周向应变分布、井下地应力分布，根据井下检测和监测需求，对自主研制的全分布式BOTDR、全分布式ROTDR、准分布式FBG组成的光纤传感网络进行结构设计和下井工艺制定，运用该光纤传感网络，通过在线监测下套管、固井、射孔、开采、热洗、测井等各生产阶段的关键参数，与模拟计算得到的数据比较，验证各数学模型的准确性。.为了对油田井下参数全分布式液体压力进行检测，分析了裸光纤的布里渊频移的液体压力响应特性以及其线性敏感特性；通过解耦压力导致的光纤轴/径向应变，获得了布里渊频移同时与光纤轴向/径向应变关系模型；基于该模型，分析并指出光纤的外层护套结构参数布里渊频移的温度灵敏度和压力灵敏度的影响，基于双通道分布式光纤布里渊频移的传感器，解决了压力和温度的交叉敏感问题，并实现了压力和温度的同时测量。为实验井各关键参数的监测，提供了全分布式压力监测方法。.将自主搭建的光纤传感网络系统作为监测元件，布设在套管外，与套管协同变形，全寿命在线监测套管的径向、轴/周向应变，实时修正自主建立的力-热耦合作用模型，对作用于套管的多载荷力进行辨识，定量表征其作用点、大小、地理方位，实现套管全寿命在线健康监测，此外，基于光纤传感网络的在线监测数据，以及建立的全井多层段的水平最大最小主地应力数值模型，可有效监测某层面的水平最大最小地应力分布。.采用高温光纤作为核心监测元件，搭建全分布式ROTDR的光纤传感网络，首先，运用该传感网络，对注汽管竖直段，造斜段至水平段温度在线监测，获得稠油油藏SAGD开采方式蒸汽腔发育过程，判断注汽井蒸汽腔与采油井热连通情况，分析了注蒸汽参数和注汽管材料属性对温度曲线的影响，以提高注蒸汽效率为目的优化注蒸汽参数；其次，运用该传感网络，实时监测采用不同热洗方式时热洗液沿井筒温度分布，以提高油井热洗效率，延长热洗周期，节约能源为目的，优化热洗参数；通过以上实验，与建立的温度场数值模型计算结果比对，验证了模型的准确性。.本项目建设了热洗过程温度监测、SAGD驱蒸汽腔温度监测、套管外压力实时监测、CO2驱相态分布监测、区域套损监测等多口示范井，为推动智能井技术奠定了基础。