基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统的制作方法

1.本实用新型属于钻井技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统。


背景技术：

2.井漏是指在石油、天然气勘探开发的钻进、固井、测试或修井等井下作业中井筒内的各种工作液(包括钻井液、固井水泥浆、修井液、完井液以及其他流体等)在压差作用下直接漏入地层的一种井下复杂情况。井漏包括渗透性滤失、裂缝性滤失、溶洞性滤失。井漏的直观表现是井口无钻井液返出(失返)，井口钻井液返出量小于钻井液排量。
3.井漏的危害有钻进无法维持，损失大量的钻井液，损失钻井时间，消耗堵漏材料，影响地质录井，不能获取合格的地质资料，其它井下复杂状况，比如井塌、卡钻、井喷等。
4.井漏的原因有地层中存在能使钻井液流动的漏失通道，如孔隙、裂缝或溶洞，钻井工艺措施不当。如钻井液密度大、压力过高，即存在正压差。
5.井漏发生的原因有所钻地层存在自然的能使钻井液流动的漏失通道，如孔隙、裂缝、溶洞、高渗透地层、裂缝性地层和溶洞性地层；钻井工艺措施不当，钻井液性能不好或者操作不当也会人为产生漏失通道；所钻地层压力亏空，或者钻井液密度过大，压力过高，产生较大正压差；钻井液黏度切力过大，造成开泵压力过大，产生压力激动而憋漏地层；钻井液携沙性能不好，井壁不干净，或者失水过大，滤饼厚，再加上下钻和开泵等操作不当，产生压力激动。
6.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。
7.井下光纤传感系统可以用于井下进行压力、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。
8.当钻孔内发生钻井液漏失时，钻井工程师虽然能够从钻井液的排量和井口钻井液返出量之间的差异大致或定性判断钻孔内是否发生了钻井液的漏失，但是无法准确判断钻井液漏失点的位置或深度，不能定量评价钻井液漏失的强度和速度，也不能确定钻孔内有多少个钻井液漏失点。这是目前钻井施工中及时准确判断和评价钻井液漏失的难点之一。


技术实现要素：

9.为了克服无法准确判断钻井液漏失点的位置或深度，不能定量评价钻井液漏失的
强度和速度，也不能确定钻孔内有多少个钻井液漏失点的困难，本实用新型提出了基于分布式光纤传感的钻孔内钻井液漏失测量监测系统，其目的是克服现有技术的不足。
10.为实现上述目的，本实用新型的具体技术方案为：
11.基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统，正在钻进的裸眼钻孔，钻孔中有可能出现钻井液漏失点，钻孔设有铠装光缆，铠装光缆内含有特种光纤或者耐高温高灵敏度的单模光纤和耐高温高灵敏度的多模光纤的铠装光缆，还包括放置于井口附近的das/dts复合调制解调仪器；
12.所述das/dts复合调制解调仪器的das信号端口与铠装光缆内的单模光纤相连接，所述das/dts复合调制解调仪器的两个dts信号端口与铠装光缆内的多模光纤相连接。
13.所述的单模光纤和多模光纤外有至少一层连续金属细管对其进行封装，连续金属细管外至少有一层铠装钢丝对其进行封装。
14.所述的单模光纤的尾端安装有消光器，所述的多模光纤的尾端在井底呈u字形熔接在一起，用于连接到das/dts复合调制解调仪器的两个dts信号的双端信号输入端口。
15.所述的基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统，还包括钻杆，在水平井钻井中进行钻井液漏失点的测量和监测时，将铠装光缆放置在钻杆内带入水平井段中，布放到钻头的后面，用钻杆保护铠装光缆在钻进作业时不会损坏。
16.所述的基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统的监测方法方法，包括以下步骤：
17.(1)、当钻孔中发生了钻井液漏失现象，如果井况稳定，即井下没有钻杆和钻头时，井壁不会发生坍塌，把尾端连接有配重棒的铠装光缆从井口缓慢的下入裸眼的井孔里；
18.(2)、在井口处把铠装光缆内的单模光纤、多模光纤分别连接到das/dts复合调制解调仪器的das和dts信号输入端；
19.(3)、铠装光缆下放到井底后，启动井口附近的das/dts复合调制解调仪器，利用铠装光缆内的单模光纤进行全井段井下噪声实时测量和监测；全井段噪声分布的变化，可以反映出钻井液在井筒内的运移过程和状态；沿铠装光缆测量到的噪声异常位置就是发生井漏的钻井液漏失点；根据钻井液漏失点周围的噪声变化可以对钻井液漏入地层的液量以及漏失速度进行分析判断；从das数据中也能反应出噪声越大表征了钻井液漏失处的钻井液量漏失越大；
20.(4)、利用铠装光缆内的多模光纤同步进行全井段井下温度变化的实时测量和监测；全井段温度的变化，可以反映出钻井液在井筒内的运移过程和状态；沿铠装光缆测量到的温度异常位置就是发生井漏的钻井液漏失点；根据钻井液漏失点周围的温度变化可以对钻井液漏入地层的液量以及漏失速度进行分析判断；从dts数据中也能反应出温度越低表征了钻井液漏失点处钻井液量漏失越大；
21.(5)、根据步骤(4)测量到的全井段温度值，建立一个实时井筒温度模型，和根据钻井地区的地温梯度计算的井筒温度模型进行对比，通过连续的迭代进行整体优化，应用最优化理论模型可以定量的估计井的漏失或注入剖面。这种优化是通过对比仪器的井中测量的温度数据与井中的温度模型在响应位置的理论计算数据得到的。计算时执行连续迭代，直到理论井筒温度模型和井筒测量温度数据之间获得最佳的匹配。
22.(6)、通过对比井下测量的温度和压力数据等和井筒模型计算的理论温度和压力
曲线进行对比，设定井筒温度初始值，然后利用建立的井筒温度模型，通过最优化算法计算井筒温度剖面，使均方差达到最小实现温度剖面的计算：
[0023][0024]
其中χ2：均方差；y
a,th
：模型预测的工具数值；y
a,exp
；测量工具数值；σ
a
：仪器测量误差；最优计算的具体求解步骤如下:
[0025]
最优计算的具体求解包括以下子步骤：
[0026]
(1)准备计算所需的参数，包括油藏参数，流体物性参数，生产制度参数，及井筒的热力学参数；
[0027]
(2)初始化油藏压力和温度；
[0028]
(3)根据压力公式计算井筒压力分布，计算压力与测量压力对比，若不满足迭代限制条件，即将计算值作为新的初始值重新计算，直到满足条件后继续求解；
[0029]
(4)根据井筒温度模型计算流入井筒内的温度分布，将计算的井筒温度与测量的井筒温度对比，若不满足迭代限制条件，即将计算值作为新的初始值重新计算，直到满足条件后继续求解。
[0030]
(8)、通过分析井筒内单相或多相流动状态，考虑摩擦，重力等因素对压力的影响，利用质量和能量守恒定律建立稳态条件下井筒温度模型，得到钻井液漏失和温度间的关系。根据质量守恒定律可知在单位面积内流入的质量等于流出的质量，在稳定条件下井筒内质量守恒方程：
[0031][0032]
其中，ρ
i
:各相密度；γ:钻井液漏失点的面积和井筒表面积比；v:流速；y
i
:持率；r:井筒半径；p：压力值；dx:沿井轨迹方向x的微分或步长。
[0033]
(9)、根据井口处测量的钻孔内总钻井液排量和钻井液漏失量或漏失体积以及钻井液漏失的速度，利用井孔内井钻井液漏失点处实时测量到的噪声和温度异常值进行联合反演处理，可以定量计算出井筒内每个钻井液漏失点处的具体钻井液漏失量或漏失体积以及漏失速度。
[0034]
(10)、根据铠装光缆内钻井液漏失点处das噪声到达das/dts复合调制解调仪器时间和光在光纤内的传播速度，可以计算出钻井液漏失点离井口的深度，结合步骤(9)计算出的井筒内每个钻井液漏失点处的具体钻井液漏失量或漏失体积以及漏失速度，就可以评价钻井液漏失点的漏失强度，及时设计堵漏的技术方案和措施，保护钻孔和钻机的安全。
[0035]
本实用新型提出的基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统，是把铠装光缆下放到发生钻井液漏失的裸眼钻孔中，或者放置在钻杆内由钻杆和钻具带到水平井的井底，构建一个可以实时进行钻井液漏失点测量和监测的井下传感单元。把井口地面的das/dts复合调制解调仪器与井下铠装光缆相连接，就组成了一个基于分布式光纤传感的钻井液漏失测量监测系统，及时测量和监测钻孔内钻井液漏失点的状况，评价钻井液漏失点的漏失强度，及时设计堵漏的技术方案和措施，保护钻孔和钻机的安全。
附图说明
[0036]
图1是本实用新型的基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统的结构和井下布设示意图；
[0037]
图2是实施例的基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统在水平井下布设的示意图；
[0038]
图3是实施例的最优计算流程图。
具体实施方式
[0039]
为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型公开内容的理解更加透彻全面。它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已，同时通过说明本实用新型的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0040]
本实用新型的一种基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统的具体实施方式，如图1所示：
[0041]
包括正在钻进的裸眼钻孔1，钻孔中钻井液漏失点2，内含有特种光纤或者耐高温高灵敏度的单模光纤4和耐高温高灵敏度的多模光纤5的铠装光缆3，还包括放置于井口附近的das/dts复合调制解调仪器8；
[0042]
所述das/dts复合调制解调仪器8的das信号端口与铠装光缆3内的单模光纤4相连接，所述das/dts复合调制解调仪器8的两个dts信号端口与铠装光缆3内的多模光纤5相连接。
[0043]
所述的单模光纤4和多模光纤5外有至少一层连续金属细管对其进行封装，连续金属细管外至少有一层铠装钢丝对其进行封装。
[0044]
所述的单模光纤4的尾端安装有消光器6，所述的多模光纤5的尾端在井底呈u字形7熔接在一起，用于连接到das/dts复合调制解调仪器8的两个dts信号的双端信号输入端口。
[0045]
如图2所示，在水平井钻井中进行钻井液漏失点2的测量和监测时，由于无法依靠配重把铠装光缆2放置到水平井的井底，加上水平井的井壁受上覆地层的巨大压力而变得非常不稳定，只能将铠装光缆3放置在钻杆9内带入水平井段中，布放到钻头10的后面，用钻杆9保护铠装光缆3在钻进作业时不会损坏。
[0046]
所述的基于分布式光纤传感钻井液漏失监测系统的监测方法方法，包括以下步骤：
[0047]
(a)、当钻孔1中发生了钻井液漏失现象，如果井况稳定，即井下没有钻杆9和钻头10时，井壁不会发生坍塌，把尾端连接有配重棒的铠装光缆3从井口缓慢的下入裸眼的井孔里；
[0048]
(b)、在井口处把铠装光缆3内的单模光纤4、多模光纤5分别连接到das/dts复合调制解调仪器8的das和dts信号输入端；
[0049]
(c)、铠装光缆3下放到井底后，启动井口附近的das/dts复合调制解调仪器8，利用铠装光缆3内的单模光纤4进行全井段井下噪声实时测量和监测；全井段噪声分布的变化，
可以反映出钻井液在井筒内的运移过程和状态；沿铠装光缆3测量到的噪声异常位置就是发生井漏的钻井液漏失点2；根据钻井液漏失点2周围的噪声变化可以对钻井液漏入地层的液量以及漏失速度进行分析判断；从das数据中也能反应出噪声越大表征了钻井液漏失点2处的钻井液量漏失越大；
[0050]
(d)、利用铠装光缆3内的多模光纤5同步进行全井段井下温度变化的实时测量和监测；全井段温度的变化，可以反映出钻井液在井筒内的运移过程和状态；沿铠装光缆3测量到的温度异常位置就是发生井漏的钻井液漏失点2；根据钻井液漏失点2周围的温度变化可以对钻井液漏入地层的液量以及漏失速度进行分析判断；从dts数据中也能反应出温度越低表征了钻井液漏失点2处钻井液量漏失越大；
[0051]
(e)、根据步骤(d)测量到的全井段温度值，建立一个实时井筒温度模型，和根据钻井地区的地温梯度计算的井筒温度模型进行对比，通过连续的迭代进行整体优化，应用最优化理论模型可以定量的估计井的漏失或注入剖面。这种优化是通过对比仪器的测量数据与井中的温度模型在响应位置的理论计算数据得到的。计算时执行连续迭代，直到井筒的理论温度模型和井筒的测量温度数据之间获得最佳的匹配。
[0052]
(f)、通过对比井下测量的温度和压力数据等和井筒模型计算的理论温度和压力曲线进行对比，设定井筒温度初始值，然后利用建立的井筒温度模型，通过最优化算法计算井筒温度剖面，使均方差达到最小实现温度剖面的计算：
[0053][0054]
其中χ2：均方差；y
a,th
：模型预测的工具数值；y
a,exp
；测量工具数值；σ
a
：仪器测量误差；
[0055]
如图3所示，最优计算的具体求解包括以下子步骤：
[0056]
(1)准备计算所需的参数，包括油藏参数，流体物性参数，生产制度参数，及井筒的热力学参数；
[0057]
(2)初始化油藏压力和温度；
[0058]
(3)根据压力公式计算井筒压力分布，计算压力与测量压力对比，若不满足迭代限制条件，即将计算值作为新的初始值重新计算，直到满足条件后继续求解；
[0059]
(4)根据井筒温度模型计算流入井筒内的温度分布，将计算的井筒温度与测量的井筒温度对比，若不满足迭代限制条件，即将计算值作为新的初始值重新计算，直到满足条件后继续求解。
[0060]
(g)、通过分析井筒内单相或多相流动状态，考虑摩擦，重力等因素对压力的影响，利用质量和能量守恒定律建立稳态条件下井筒温度模型，得到钻井液漏失和温度间的关系。根据质量守恒定律可知在单位面积内流入的质量等于流出的质量，在稳定条件下井筒内质量守恒方程：
[0061][0062]
其中，ρ
i
:各相密度；γ:钻井液漏失点2的面积和井筒表面积比；v:流速；y
i
:持率；r:井筒半径；p：压力值；dx:沿井轨迹方向x的微分或步长。
[0063]
(h)、根据井口处测量的钻孔内总钻井液排量和钻井液漏失量或漏失体积以及钻井液漏失的速度，利用井孔内井钻井液漏失点2处实时测量到的噪声和温度异常值进行联合反演处理，可以定量计算出井筒内每个钻井液漏失点2处的具体钻井液漏失量或漏失体积以及漏失速度。
[0064]
(i)、根据铠装光缆内钻井液漏失点2处das噪声到达das/dts复合调制解调仪器8时间和光在光纤内的传播速度，可以计算出钻井液漏失点2离井口的深度，结合步骤(h)计算出的井筒内每个钻井液漏失点2处的具体钻井液漏失量或漏失体积以及漏失速度，就可以评价钻井液漏失点2的漏失强度，及时设计堵漏的技术方案和措施，保护钻孔和钻机的安全。