基于光纤传感的生产井动液面实时监测技术研究

摘要

石油是国家战略性资源,在石油开采中,生产井动液面是一项重要的油井管理基础资料,动液面反映井底流动压力、液柱高度和泵的沉没度,动液面高度、泡沫段长度及性质对于采油过程有着十分重大的指导意义。但是目前动液面监测技术有着重大缺陷:对于无泡沫段井,监测精度较低,不能实现实时在线监测;对于含泡沫段井,无法准确监测动液面位置,也无法得知泡沫段性质。
　　本文基于光纤传感理论,利用光纤抗电磁干扰、耐腐蚀、安全性好、长距离监测、可实现分布式传感等优点,针对无泡沫段井和含泡沫段井分别提出一种动液面监测方案,结合两种方案实现动液面位置和泡沫段长度、密度、含气量等多参数的实时在线监测。
　　针对无泡沫段井,设计了一种平膜片—等强度梁动液面监测传感器,建立了动液面高度与光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)中心波长变化量之间的关系。设计的传感器可实现温度自补偿,各项性能满足设计指标。利用ANSYS软件对传感器进行了静力学仿真,传感器力学性能符合要求,仿真值与理论值相符。
　　针对含泡沫段井,提出了一种伴热带辅助加热法监测动液面方案。利用传热学原理推导了热源发热时间与周边介质温度响应之间的关系。基于光纤拉曼散射(ROTDR)只受温度解调的原理,监测热源发热后不同周边介质的不同温升,实现动液面位置和泡沫段长度的监测。利用ANSYS软件对伴热带加热模型进行非稳态传热仿真,验证了伴热带辅助加热法监测动液面的可行性。
　　结合两种方案,建立分布式光纤拉曼传感系统和准分布式传感器系统,推导了泡沫段各层段平均密度、含气量的理论公式,从而实现了动液面位置、泡沫段长度、泡沫段各层段密度、泡沫段各层段含气量等信息的实时在线监测。最后,进行了实验。研制的平膜片—等强度梁动液面监测传感器尺寸小巧、线性度良好、灵敏度高。针对空气和水进行了气液两相伴热带辅助加热法实验,实验结果与理论推导、ANSYS仿真结果相符,存在的误差不影响此方法对于动液面的监测,可以较好的满足动液面监测要求。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本课题主要研究内容

第2章 基于FBG压力传感的无泡沫段井动液面监测方案设计

2.1引言

2.2基于FBG压力传感器的监测方案及传感器设计指标

2.3光纤布拉格光栅传感理论研究

2.4 基于平膜片—等强度梁的动液面监测传感器设计

2.5 传感器ANSYS静力学仿真

2.6 本章小结

第3章 含泡沫段井伴热带辅助加热法动液面监测方案设计

3.1 引言

3.2 泡沫段界定

3.3 基于ROTDR技术的伴热带辅助加热方法

3.4 光纤拉曼散射测温技术理论

3.5 伴热带光纤传热模型建立

3.6 基于伴热带光纤传热模型的动液面位置及泡沫段长度仿真

3.7 本章小结

第4章 泡沫段物理参数辨识与实现

4.1 引言

4.2 基于FBG/ROTDR的泡沫段物理参数辨识原理

4.3 准分布式FBG传感器网络解调

4.4 平膜片—等强度梁传感器压力实验

4.5 基于伴热带光纤辅助加热法的气液分界面实验

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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