基于分布式光纤传感器的固井质量评价技术研究

摘要

石油是国家的战略资源，通常产于千米地下，如何高效的开采石油是一门深奥的学科。石油在地下开采的过程都是在套管内完成的，套管外固有水泥，以提高套管强度，即为固井。因此如何有效的降低套管和水泥层所受地层应力的影响，特别是在腐蚀和循环应力的影响下如何提高套管的使用寿命，成为石油开采技术研究的一项关键技术。研究表明套管及水泥层的胶结程度越好，套管抵抗腐蚀和循环应力等作用的能力越强，目前没有方法可以在开采阶段对套管的固井质量和胶结效果进行评价，而套管一旦发生损坏，便无法进行开采，损失巨大。
　　本文针对开采过程中固井质量无法实时监测的难题，将经过优化设计的全分布式光纤应变传感器在钻井阶段布设于套管表面，经过固井传感器固结于套管和水泥环中，地面解调系统实时采集传感器的形变数据，同时对比理论和室内实验关于水泥裂缝和剥落分析，对全生产过程的井下固井质量及套管剩余寿命进行评价和预测，为后续同类型井固井提供改进方法，指导后续生产。具体研究内容如下：
　　首先，分析影响固井质量的相关参数，确定将水泥初凝状态、胶结剥落和胶结裂缝作为评价固井质量的监测指标，采用经过温度补偿的全分布式应变传感器作为主要敏感元件搭建分布式监测系统。并通过分析得到传感器应变和布里渊频移关系。通过周向应力传递公式计算以及光损成因的相关研究，得到优化传感器灵敏度和减小光损的有效方案。
　　第二，理论分析影响固井质量的指标与光纤传感器光学参数的耦合关系。针对胶结裂缝和胶结剥落进行理论分析和有限元计算，基于弹性力学分析提出理论计算模型，利用断裂力学分析建立寿命预测模型，为固井质量监测提供理论依据。
　　第三，搭建评价固井质量的室内监测系统。定点布置缺陷，模拟固井过程及受到井下应力变化后固井监测指标的改变，分析光纤传感器对固井过程及指标变化产生的响应，实验研究基于对固井质量和效果进行实时应变监测的评价方法。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 固井质量评测与监测技术国内外研究现状

1.3 光纤传感技术研究现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 固井质量监测系统建立及传感器结构优化

2.1 引言

2.2 固井质量监测系统建立

2.3 传感器结构设计与优化

2.4 传感器温度补偿

2.5 本章小结

第3章 界面剥落检测模型及裂缝预测分析

3.1 引言

3.2 界面剥落检测模型

3.3 裂缝预测模型

3.4 本章小结

第4章 固井监测实验及分析

4.1 引言

4.2 传感器标定实验

4.3 胶结剥落测量实验

4.4 胶结裂缝测量实验

4.5 本章小结

结论

参考文献

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