光缆、光缆监测系统以及井监测方法与流程

1.本技术涉及光缆、光缆监测系统和井监测方法。


背景技术：

2.传统上，在油井的使用寿命结束后，作为油井结构的套管在一定深度(约50m)处被切割，该深度处有油井出口，参照地表(在地面的情况下)或海底(在海洋的情况下)被限定，不影响地面施工等，并且在套管最上端处设置的钢盖被焊接以密封油井出口。然后，套管周围的空间充满沙土。因此，对使用寿命结束的油井进行废弃处理。
3.这种废弃处理方法大约在80年前就已经确立，到现在为止，一年内约有5万口油井，总计约400万口或更多口的油井采用这种方法进行了废弃处理。
4.然而，例如在美国加利福尼亚州，发现了被认为是由废弃的油井(以下称为废弃油井)引起的烹饪用水污染，因此对日常生活产生了影响。因此，需要采取更严格的处置方法。
5.此外，在马来西亚近海海底的油井中，废油井(废弃油井)的漏油日益增多，因此海洋污染问题不容忽视。
6.因此，在石油的大规模开发已经过去了大约100年的现在，由于油井数量的增加和海洋石油开发的增加，废弃油井等的处理变得越来越重要。
7.另一方面，在过去，几乎没有对如上所述的废弃油井的处理进行研究的例子。在大多数情况下，不是针对废弃油井本身进行处理，而是针对一些相关要素，例如，如以下发明中所示，一种用于开采石油、天然气等的油井挖掘中使用的挖掘临时填料(例如，参见专利文献1)或与从油井或天然气井中提取石油或天然气同时产生的伴随水(压裂水)的处理相关的发明(例如，参见专利文献2)。
8.引文清单
9.专利文件
10.专利文献1：国际公开第2015/072317号
11.专利文献2：日本公开专利特许公报第2018-43221号
12.专利文献3：国际公开第2014/181617号
13.非专利文件
14.非专利文献1：wu,qian等人，标题为“advanced distributed fiber optic sensors for monitoring poor zonal isolation with hydrocarbon migration in cemented annui”，石油工程师协会，2016年9月14日，doi:10.2118/180329-ms


技术实现要素：

15.本发明要解决的问题
16.因此，为进一步明确本技术所要解决的问题，下面结合图14对废弃油井漏油的原理进行说明。图14是说明废弃油井的漏油原理的图示。
17.如图14所示，在地下或海底形成井的套管或套管周围的水泥中，套管表面和水泥
表面之间出现裂缝(上部)和水泥内部出现裂缝(下部)是由地下的二氧化碳(co2)、氧气(o2)和硫化氢(h2s)等成分所引起，从而也引起外套管腐蚀。此外，这种裂缝的出现是由地质运动的应力引起的。因此，井周围出现的裂缝此后随着时间的推移而扩大，形成从含油层到地下饮用水层或海水的通道，导致发生泄漏的事故。作为另一个原因，还是在从井的内侧在套管中形成内腐蚀孔的情况下，例如，由于内腐蚀孔与裂缝连接，可能会发生泄漏。
18.在上述美国加利福尼亚州的情况下，将含有放射性同位素的水从地面注入废弃的油井，然后，当在地下水中检测到辐射时，确定油井存在泄漏。在加利福尼亚的这个情况中，如果通过某种方法确定套管腐蚀并破裂，并且确定的部分是油井的上部，则该部分通过施工工作进行修复。
19.在可以指定泄漏路径的情况下，可以采用以下方法：如图15所示，使用廉价且有效的修复手段的内井工具对相应套管的特定部分进行钻孔，以及将作为特殊粘合剂的填料灌浆通过所述孔注入到出现导致泄漏的裂缝的间隙中，从而进行修复。在图15中，点划线s1表示内井工具的移动路径，并且箭头的前端表示套管的具体部分。由填料灌浆修复的部分是由梯形点划线包围的范围s2，并且是如下部分，在该部分处已在油井外的水泥中发生裂缝，存在已在最靠近油井一侧发生裂缝。然而，在这种方法中，难以确认修复的效果，即难以确认不再发生泄漏。注意，p表示地表或海面。
20.最近，发表了在光纤上涂敷特殊外覆层，并利用外覆层选择性吸收油中的碳氢化合物(hc)而膨胀的特性，可以通过使用光纤感测外覆层的变形来指示碳氢化合物的存在(例如，参见非专利文献1)。此外，当碳氢化合物消失时，膨胀变形可能消失，因此表明可以确认泄漏路径断开后的效果的可能性。然而，用于确认修复效果的方法仍未解决。
21.此外，近来，油井的规模越来越大，由此产生了两个重大问题。第一个问题是，最初使用的钢材或水泥的耐蚀性没有得到充分认识，并且没有假设后期油井中的二氧化碳(co2)浓度达到77％或更高。第二个问题是，以开发油井时的成本，不可能解决这样的问题。
22.如上所述，虽然确认了通过光纤进行检测的可能性，但目前还没有验证实施于油井的方法。
23.本技术是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于提供一种光缆、光缆监测系统和井监测方法，其中在促进考虑到耐腐蚀性的石油技术的规范和普及的同时，检测油井的泄漏路径，从而指定泄漏路径，从而能够验证油井修复方法的效果，并能够对油井进行长期监测。
24.问题的解决方案
25.根据本技术的光缆包括：光纤；股线，其包括沿光纤的径向设置的多根缆线，多根缆线被绞合以围绕光纤的外周并且布置成环形；以及碳氢化合物吸收树脂(吸烃树脂)，其被配置为吸收碳氢化合物(烃)并填充光纤和股线之间的间隙。
26.根据本技术的另一种光缆包括：光纤；股线，其包括沿光纤的径向设置的多根缆线，多根缆线被绞合以围绕光纤的外周并且布置成环形；第二股线，其包括沿光纤的径向设置的多条缆线，多条缆线被绞合以围绕股线的外周并且布置成环形，多条缆线具有比股线的缆线更大的外径；物理量测量光纤，其被设置为代替第二股线的一根缆线，被配置为测量作为测量目标的物理量的温度、应变或压力；第三股线，其包括沿光纤的径向设置的多条缆线，多条缆线被绞合以围绕第二股线的外周并布置成环形，多条缆线具有比第二股线的缆
线更大的外径；以及碳氢化合物吸收树脂，其被配置为吸收碳氢化合物并填充光纤、股线、第二股线和第三股线之间的间隙。
27.本发明的效果
28.根据本技术的光缆、使用该光缆的光缆监测系统和井监测方法可以获得显著效果，即可以提供光缆、光缆监测系统和井监测方法，其中，在促进考虑到耐腐蚀性的石油技术的规范和普及的同时，检测油井的泄漏路径，从而指定泄漏路径，从而能够验证油井修复方法的效果，并能够对油井进行长期监测。
附图说明
29.图1是表示根据实施例1的光缆监测系统的示例的图示。
30.图2是表示根据实施例1的光缆的基本结构的示例的图示。
31.图3是与图2所示的光缆的轴线垂直的方向的截面示意图。
32.图4是表示根据实施例1的光缆的基本结构的另一示例的图示。
33.图5是与图4所示的光缆的轴线垂直的方向的截面示意图。
34.图6是根据实施例1的光缆监测系统中使用的光缆的油浸试验设备的概略构成图。
35.图7是表示图6所示的油浸试验中使用的光缆样品的图示。
36.图8为一表格，其示出了对关于图6所示的油浸试验中使用的光缆进行定量测量的设备的规格。
37.图9表示图8所示的特性测定试验中光缆样品的中心频率特性的示例。
38.图10表示在图6所示的油浸试验中两个光缆样品的应变分布的测量示例。
39.图11表示图6所示的油浸试验中光缆样品的应变分布随时间变化的示例。
40.图12表示在图6所示的油浸试验中光缆样品的应变分布测量的填充效果。
41.图13是表示根据实施例1的光缆监测系统的监测数据的示例的示意图。
42.图14是说明光缆监测系统的问题的图示。
43.图15是表示传统的光缆监测系统的示例的图示。
具体实施方式
44.在下文中，将参照附图描述本技术的实施例。
45.实施例1
46.图1是表示根据实施例1的光缆监测系统50的示例的图示。
47.如图1所示，为了监测安装在海底的井100，监测中心110设置有混合型后向散射光测量设备40，该设备使用布里渊(brillouin)散射和瑞利(rayleigh)散射两者，用于处理来自光纤的信号。此外，包括具有检测碳氢化合物功能的光纤的光缆10被设置成从监测中心110沿海底延伸到安装井100的位置，并在到达井100的安装位置(井100的最上部)后，进一步沿井100的外周延伸，到达井100的底部(最下部)。注意，在图1中，q表示海面。
48.在这种情况下，将后向散射光测量设备40和具有碳氢化合物检测功能的光缆10彼此连接起来，以形成光缆监测系统50，在该光缆监测系统中，后向散射光测量设备40测量与光缆的放置位置相关的散射光的频移，并且基于测量值检测油从井中泄漏的位置。即，光缆监测系统50包括作为主要部件的光缆10和后向散射光测量设备40。
49.通过如上述那样安装光缆监测系统50，能够从与海底对应的高度位置起的范围内(即是井100的最高位置到井100的最低位置)，对作为监测对象的油等的有无泄漏进行50年或50年以上的长期监视。在下文中，将描述光缆监测系统50的细节，重点是在光缆监测系统50中使用的光缆。
50.首先，参照附图说明光缆监测系统50中使用的光缆10。
51.图2和图3是表示能够在根据实施例1的光缆监测系统中使用的光缆10的基本结构的示例的图示。更具体而言，图2是表示光缆10的结构的示意图，并以三维展示了光缆的结构。另外，图3是表示与光缆的轴线垂直的方向的截面图。
52.如图2和图3所示，光纤1设置在由多根布置成环形的绞合钢丝3构成的股线20的中心轴部。光纤1的周围区域填充有作为吸收碳氢化合物的树脂的碳氢化合物吸收树脂2a。在股线20的外侧，设置有第二股线21，该第二股线21由外径大于钢丝3的多根钢丝4形成，多根钢丝4沿与股线20相反的方向绞合并布置成环形。
53.值得注意的是，股线20和第二股线21通常由铠装缆线(armored cable)形成，并且通过在其中设置光纤，它们可以用于所谓的通用目的，例如通信或数据传输。
54.在根据本实施例1的光缆10中，在股线20(由图2和图3中总共六根缆线形成)和第二股线21之间的间隙填充有与上述树脂类似的碳氢化合物吸收树脂2b。注意，通常，在光纤1、股线20和第二股线21彼此结合之后，用碳氢化合物吸收树脂2填充它们之间的间隙，由此制造光缆10。
55.设置碳氢化合物吸收树脂2以完全填充间隙，并且通常制造具有3km或更长的长尺寸的光缆10。
56.注意到碳氢化合物吸收树脂2也可以沿光缆10的轴向间歇地设置，在这种情况下，设置碳氢化合物吸收树脂2的位置的间距根据漏油等的位置检测精度来决定。
57.总体而言，碳氢化合物吸收树脂2在吸收碳氢化合物时具有在三轴方向(三维轴线方向)上膨胀的性质，除非树脂受到约束，因此，由于吸收了碳氢化合物的树脂的影响，在光纤中产生由拉伸应力引起的应变(例如，参见非专利文献1)。然而，根据本实施例的光缆10的不同点在于，在碳氢化合物吸收树脂2已吸收碳氢化合物时，碳氢化合物吸收树脂2的变形例如因股线20的存在而受到限制，其结果是，压缩应变(由压缩应力引起的应变)发生在光纤1中。
58.在以上描述中，已经描述了其中在光纤1的外侧形成双(两层)股线的光缆10。然而，不限于此，光缆可以仅由光纤1和设置在光纤1外侧的股线20形成，由此可以获得相同的效果。
59.关于股线绞合方向与第二股线绞合方向之间的关系，形成具有第二股线绞合方向与股线绞合方向相反结构的光缆，如实施例1中的图2所示，为了防止股线的磨损是最佳的。
60.实施例2
61.在根据本实施例2的光缆监测系统50中，对上述实施例1中使用的光缆10的结构进行了修改，以采用如下光缆，通过补偿温度、应变、压力等的影响，该光缆可以仅提取纯粹基于油井中所含碳氢化合物的信号。在下文中，将描述通过修改光缆10的结构而获得的光缆10a。
62.在根据本实施例2的光缆10a中，形成光缆10的第二股线21的钢丝4被部分地改变，
从而组合提供了用于感测温度、应变、压力等的光纤传感器。通过设置能够根据目的感测温度、应变、压力等的光纤传感器，能够从光纤1中提取信号，该信号仅基于碳氢化合物的吸收的影响，并且通过使用如上所述的光纤传感器获得的测量结果来补偿温度、应变、压力等的影响。
63.即，在需要使用兼具dpats(分布压力、音质、温度和应变感测的缩写)功能的缆线的情况下，可以使用根据本实施例2的光缆10a。也就是说，如果需要温度补偿，可以准备另一根测量温度的光纤，如果需要应变补偿，可以准备另一根测量应变的光纤，以及如果需要压力补偿，可以准备另一根测量压力的光纤。
64.在下文中，将参考附图描述具有dpats功能的光缆的具体示例。图4是示出光缆10a的基本结构的示例的视图，该光缆10a包括用于对测量目标的物理量进行测量的物理量测量光纤6。图5是在与图4所示的光缆10a的轴线垂直的方向上的示意性剖视图。
65.如图4和图5所示，光缆10a具有如下特征，其中在与实施例1中说明的光缆10的外侧对应的最外周部对应的位置新设置有由多根钢丝5构成的第三股线22，以及在第三股线22的内侧新设置用于对测量目标的温度、应变、压力等进行测量的物理量测量光纤6，以替换第二股线21的一部分。注意，与上述光缆10的情况一样，光纤1、股线20、第二股线21和第三股线22之间的间隙填充有碳氢化合物吸收树脂2。油将进入充满碳氢化合物吸收树脂2的区域。
66.具有上述配置的原因如下。通常，在具有多层(多路)股线的光缆中，即使物理量测量光纤6(在此特别是指温度测量光纤)在一定程度上位于内侧，外部温度也转移到那里，因此对其检测是可能的。此外，在内侧设置物理量测量光纤6具有保护物理量测量光纤6自身的优点。需要说明的是，光缆本身不能成为漏油通道。
67.注意，通常，在多层光缆中，光缆的外层和内层之间的间隙填充有保护材料等。因此，还可以在光缆的最外周设置目的是检测漏油等的缆线线材，这在提高检测性能方面是有利的。
68.在以上描述中，制造光缆，使得碳氢化合物吸收树脂2填充光纤1、股线20和第二股线21之间的间隙，或者填充光纤1、股线20和第二股线21以及第三股线22之间的间隙。然而，不限于此，可以使用制造成使得在光纤1的表面上设置外覆层的光缆，由此可以获得相同的效果。
69.填充有碳氢化合物吸收树脂2的光缆在200℃的环境下具有至少五十年的寿命。需要说明的是，该光缆在低温、浅深度的环境下使用的情况下，预计其寿命是半永久性的。
70.接着，参照附图对所进行的针对上述光缆的碳氢化合物检测功能的验证实验及其结果进行说明。在此，特别地，使用具有仅由光纤和位于光纤的紧邻外侧的最内层的(一层)股线形成的结构的光缆进行了验证，并且如上述实施例1中所述，它是在提供用于检测碳氢化合物的树脂的情况下确认操作和效果的基本结构。
71.图6示出了验证实验中使用的实验设备的示意配置。将一根样品缆线(具有碳氢化合物检测功能的光纤缆线)浸入两个轻油容器的，每一个之中，并通过混合后向散射光测量设备dtss(分布温度和应变感测的缩写)测量每根缆线吸收轻油中的碳氢化合物时发生的后向散射光的偏移量，该设备连接到这些缆线并能够通过一台设备测量两种频移。
72.这里，两种频移分别通过脉冲预泵浦布里渊光时域分析(ppp-botda)对布里渊散
射光的频移分析，以及称为可调谐波长相干光时域反射仪(tw-cotdr)对瑞利散射光的频移分析。因此，即使在温度和应变同时变化时，也可以分析两者的变化量。
73.图7显示了验证实验中使用的每个样品缆线的详细规格。具有感测部分的光纤被保持在铠装缆线内，在所述感测部分中光纤的周围区域填充有具有碳氢化合物检测功能的树脂。图7中的“感测部分”所示的长度为9厘米的部分是用于检测碳氢化合物的感测部分。
74.以位置a-a处的感测部分的截面图为代表，示为感测部分下方的截面aa。如剖视图所示，设置在中心部分的光纤的周围区域填充有具有碳氢化合物检测功能的树脂，其由多点图案表示。另外，在b-b位置的铠装缆线的截面图显示为截面aa左侧的截面bb。如剖视图所示，在位置b-b处，光纤的周围区域没有填充有上述具有碳氢化合物检测功能的树脂。如上所述，感测部分填充有具有碳氢化合物检测功能的树脂，而铠装缆线的除感测部分以外的部分没有填充具有碳氢化合物检测功能的树脂。
75.此外，长度为1m的基准光纤(非铠装缆线形式)分别连接到光纤的两端。如上所述构造的样品缆线通过将整个铠装缆线部分浸入其中储存轻油的容器(容纳有碳氢化合物)中来保持。
76.如上所述，感测部分的长度与其他部分相比较短。因此，认为由于温度变化和/或压力变化引起的应变变化与由于碳氢化合物组分的吸收引起的应变变化相比是小的并且可以忽略不计。
77.图8是表示混合后向散射光测量设备的规格的表格。由于其测量功能包括上述ppp-botda和tw-cotdr这两个主要功能，因此针对这两个功能中的每个功能示出了规格。如表格所示，两种功能在距离范围、距离分辨率等方面相同，但在频率特性上却大不相同。
78.接着，图9示出在通过ppp-botda对这些样品缆线进行频移分析的情况下，在上述两个样品缆线的构成部件中的中心频率分布。
79.该图显示了样品缆线浸入轻油之前的特性。发现待测铠装缆线部分的中心频率约为11.1ghz，而基准光纤部分的中心频率约为10.8ghz。
80.接下来，图10示出了两个样品缆线的应变分布的测量示例。对于这两个样品，都认识到应变的发生，这被认为是由于浸渍在轻油中而吸收了碳氢化合物所引起(每个样品的应变分布的中心部分凹陷)。
81.接着，图11示出了在约1个月期间对样品缆线#2测量应变分布的情况下的应变分布的时间变化。图11中表示各数据的数值示出了应变分布的测定日期。
82.如图11所示，应变分布发生很大变化。认为这种变化是由于填充物中碳氢化合物含量的逐渐增加引起的。
83.最后，图12以横轴表示测定日期，示出了设置作为具有碳氢化合物检测功能的树脂的填充物的情况和不设置填充物的情况下的应变分布的时间变化。在图12中，向下的箭头(总共两个)表示将样品缆线浸入轻油中的时间，而向上的箭头(总共两个)表示从中提取浸入轻油中的样品缆线的时间。注意，由双箭头指示的间隔ts是停止测量的时间段。结果发现，由于样品缆线(具有填充物)被浸入轻油中，填充物吸收了碳氢化合物，因此明显发生了应变变化。
84.接下来，将参照图1和图13描述将光缆10或10a用于长期(大约五十年)监测油井等的情况。
85.在监测中，根据光缆10是否检测到作为油的主要成分的碳氢化合物来判断油或类似物有无泄漏。即，如果在从图1所示的井100的最上部位置(对应于图1中的海底的高度位置；在图13中，点深度值为0(零)的位置表示对应于海底的高度位置)到井100的最低位置(对应于图13中深度值1的高度位置)的一些部分处在光缆10中设置的树脂中检测到碳氢化合物，则检测部分处的散射光偏移量作为表示与其他位置(参照图13)的偏移量不同的偏移量的泄漏信号输出。表示上述不同输出的地点(深度位置)是发生漏油等的所在部分。此外，在图13中，发现仅在油井安装五十年后才检测到泄漏信号。此外，发现泄漏位置略低于井100的中心高度位置。
86.在此，认为因树脂吸收碳氢化合物而变化的散射光偏移量不受井100的深度方向上位置的影响，且仅根据碳氢化合物的吸收量而变化，而温度、压力、应变等很可能根据深度方向上的位置而改变。在这些影响大的情况下，需要校正由此引起的散射光偏移量。在这种情况下，可以使用具有上述dpats功能的光缆10a。
87.如上所述，在使用光缆10或10a的光缆监测系统50中，检测作为检查对象的井中漏油等的深度位置，因此，通过在检测到泄漏的位置进行局部修复，可以对井进行修复，从而可以延长井的使用寿命，而无需废弃整个井。
88.此外，在局部修复后，检查光缆监测系统50中泄漏信号的存在/缺失，如果没有检测到泄漏信号，则可以确认已经获得修复泄漏的效果。
89.尽管以上关于各种示例性实施例和实施方式描述了本技术，但是应当理解，在一个或多个单独实施例中描述的各种特征、方面和功能不限于其对描述上述特征、方面和功能的特定实施例的适用性，而是可以单独或以各种组合适用于本公开的一个或多个实施例。
90.因此可以理解，在不脱离本技术的范围的情况下，可以设计出许多没有被举例说明的修改。例如，可以修改、添加或消除至少一个构成要素。可以选择在至少一个优选实施例中提到的构成要素中的至少一个并与在另一个优选实施例中提到的构成要素组合。
91.附图标记的描述
[0092]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光纤
[0093]
2,2a,2b
ꢀꢀ
碳氢化合物吸收树脂
[0094]
3,4,5
ꢀꢀꢀꢀ
钢丝
[0095]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
物理量测量光纤
[0096]
10,10a
ꢀꢀꢀ
光缆
[0097]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
股线
[0098]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二股线
[0099]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三股线
[0100]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
后向散射光测量设备
[0101]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光缆监测系统
[0102]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
井