Оптоволоконные датчики в бурении

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

 

Российский Государственный  Университет нефти и газа им. И.М. Губкина

 

Кафедра разработки и эксплуатации нефтяных месторождений

 

 

 

«Оптоволоконные датчики в бурении»

 

 

 

                                           Выполнил:                                           Группа: ГНМ-11-03

                                           Проверил: проф. Ерёмин.Н.А

 

 

 

Москва

2012

Содержание:

1. Оптоволоконные технологии
2. Оптоволоконные датчики
1. состав иосновное положения
2. Достоинства
3. Скважинные оптоволоконные датчики.
4. использовать в нефти и газа разведка
3. Заключение
4. Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Оптоволоконные  технологии 

Оптоволоконные измерительные  системы в последние 5-7 лет начали широко использоваться в следующих  областях:

. Измерение термобарических характеристик

. Внутрискважинная расходометрия

. Непрерывный скважинный мониторинг

.4С и 4D мониторинга разработки визуализатора обсадной колонны и процесса цементирования .

Оптоволоконный кабель (рис 1) состоит из стеклянного или кварцевого сердечника для непосредственной передачи данных , окружающей его оболочки и позволяет передачи данных, окружающей его оболочки и позволяет передавать информационный сигнал без потерь.

Рис 1 строение оптоволоконного кабеля и схема распространения в  нем сигнала:

     а-структура оптоволокна;  б-распостранение сигналов в волокне

 

 

Оптоволоконные системы  являются <прозрачными> по отношению  к различным системам котировки  данных и совместимы с системами  многих производителей электронного оборудования ( kalatel , sensormatic , Philips, Panasonic и др. ) Диапазон работы оптоволоконного оборудования от -40 до +75 C. Конструкция оборудования обеспечивает безотказную работу оптоволоконной системы при возникновении неисправности любого элемента. Неисправный модуль в блоке не повлияет на работу или эксплуатационные характеристики других модулей в этом блоке. При передаче видеосигналов на малые и болышие расстояния оптоволоконные системы не требуют оптических оптических или электрических регулировок. Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность. Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100м и при огрниченном быстро действии (<50 МГц ). В последнее время разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит / с при длине кабеля 30 м и со скоростью 5.35 Гбит / с при длине кабеля 220 м ( lightware n4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптоволокну составляет <1*10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.

 

2 . Оптоволоконные датчики

2.1 состав иосновное положения

Оптоволоконные датчики  это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения , и концентрации химических веществ.

(СовременныеОптоволоконные датчики позволяют измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д..)

Основными элементами Оптоволоконные датчики являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент.

 

Общий принцип таких  устройств в том, что свет от лазера  или суперлюминесцентного оптического  источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.

 

2.2  Достоинства

Помимо высоких метрологических  характеристик датчики должны обладать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью, малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совместимостью с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяют волоконно-оптические датчики.

В сравнении с другими  типами датчиков, волокно-оптические датчики  обладают следующими преимуществами:

•       Они  состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических  кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.

•       Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что  нет риска возникновения электрической  искры, даже в случае поломки.

•       Они  не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.

•       Их материалы могут быть химически  инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

•       Они  имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

•       Они  имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной  волоконной линии может быть интегрировано  с одним оптическим источником  .

 

2.3 Скважинные оптоволоконные датчики

Режим Реального Времени - это информационно-коммуни-кационная стадия развития нефтегазовых технологий, в которой главными продуктами производства являются информация и знания.

Информационно- коммуникационная стадия развития Нефтегазовых наук, а  именно, геофизики (4D сейсмика), геологии и разработки нефтегазовых месторождений (4D мониторинг) отличается от прошлой тем, что необходимо оперировать таобъемами геолого-промысловой информации. В нефтегазовой отрасли начался процесс лавинного поступления информации. Достигнуты успехи в технологии создания приемних устройств (4С - датчики в сейсмике, оптоволоконные сенсорные датчики в скважинах, системе сбора, подготовки и транспорта нефти и газа). Технологии производства приемных оптоволоконных устройств (сенсоров) непрерывно улучшаются, что приводит к дальнейшему росту данных. 3D  геологические и гидродинамические модели также генерируют гигантские объемы синтетических данных. В современней нефтегазовой науке геолого-промысловый анализ терабайтов и даже петабайтов сейсмических, геофизических, промысловых данных становится рутинной задачей.

В первые оптоволоконный датчик был установлен в скважине в 1996 г. Ведущими зарубежными компаниями, работающими с оптоволоконными датчиками являются Schlumberger, Shell, Halliburton. Компания Schlumberger установил такие датчики более чем в 300 скважинах с общей длиной оптоволокна более 600 км.

 

Оптоволоконные скважинные датчики представляют собой систему  которая включают в себя оптическое волокно. Которое размещается в  стволе скважины в исследуемом интервале, и компьютерный блок сбора и обработки данных , устанавливаемый на поверхности. Оптоволокно является одновременно и распределенным датчиком температуры (давление). И каналом передачи информации из ствола скважины на поверхность . работа прибора основана на принципе прохождение по оптоволокну световых импульсов , генерируемых лазером , и обработки отраженных сигналов по определённой программе. Технология , основанная на решетке брэгга, позволяет объединять датчики внутри оптоволоконного канала, превращая монолитную в один непрерывный датчик.

 

Колебания температуры, давление или напряжения на оптоволокне  изменяют длину отраженной световой волны. Оптоволоконный датчик способен выдерживать высокую температуру, давление и вибрацию.

 

Оптоволоконный датчик позволяет производить измерения профиля температур в скважине в диапазоне от -50 до +350 С, с погрешностью измерений ±1С. Он обеспечивает распределенную систему замера через 1м , на глубину до 5000м.

 

Оптоволоконные датчики  классифицируют по типу действия:

 Амплитудные; Интерференциальные; Распределенные

; Люминесцентные; Внутри волоконные решетки; Комбинированные

 

Датчик температуры  или давление представляет собой  одномодовое или много модовое  оптоволокно , защищенное снаружи оболочкой  из стальных проволок. Такая конструкция датчика в виде несущего кабеля обеспечивает ему хорошую гибкость и , одновременно, высокую прочность на разрыв, при удельном весе –около 350г /м ,Оптоволоконный датчик может устанавливаться и в добывающие, и в нагнетательные скважины. Оптоволоконный кабель монтируется на внешней стороне колонны НКТ или на внешней стороне обсадной эксплуатационный колонны. При установке оптоволоконого кабеля на колонне НКТ срок службы системы соответствует межремонтному периоду работы скважины от 1 до 15 лет, при установке кабеля на эксплуатационной колонне – сроку жизни скважины 20-30 лет.

 

При монтаже на внешней  стороне колонны НКТ защищенное оптоволокно прокладывается вдоль  перфорированного участка трубы. Оптоволокно  пропускается через конструктивные элементы внутри скважинного оборудования и вдоль корпуса погружного насоса с электроприводом.

 

При монтаже оптоволоконного  кабеля на внешней стороне эксплуатационной колонны последняя монтируется  выше кровли продуктивной толщи пласта по технологии манжетного цементирования, нижняя часть колонны в зоне продуктивной толщи пласта колонны в зоне продуктивной толщи оборудуется секционными фильтрами. Оптоволокно прокладывается по внешней стороне колонных фильтров с проходом через конструктивные элементы управляемых пакеров, муфты и пакера манжетного цементирования. Стальная трубка для размещения оптоволокна , монтируется на внешней стороне труб обсадной колонны выше узла манжетного цементирования и цементируется вместе с колонной.

Время замера профиля  температуры и/или давления одной скважины - 2 мин. По данным компании «Sensa», которыми сегодня является одним из лидеров внедрения оптоволоконных технологий, только за счёт использования информации 1 РРВ, компания добилась повышения продуктивности ряД скважин в Мексиканском заливе на 36 %.

Отличительными особенностями  оптоволоконных датчики в сравнении  с традиционными методами термо  пьезометрии являются:

- измерение теплового поля и/или поля давления (профиля) по длине ствола скважины в реальном времени;

- высокая надежность и длительный срок работы оитп волоконного датчика;

- высокая стабильность работы системы термо пьезометрии в течение межремонтного периода или жизни скважины;

- нечувствительность к электромагнитным наводкам;

- возможность удаленного контроля (до нескольких кило-метров);

- измерение с высокой точностью;

- инертность к химическим реагентам.

Оптоволоконные скважинные датчики исследования и мониторинга  скважин в РРВ обеспечивают:

- контроль работы пластов в процессе добычи и нагнетания при стационарных и динамических режимах работы скважины;

- контроль динамики перемещения межфлюидных контактов;

- мониторинг движения флюида по НКТ с целью определения зон возможного образования парафиновых и газогидратных пробок;

- мониторинг технического состояния эксплуатационной колонны и колонны НКТ, определение зон негерметичности и заколонных перетоков;

- мониторинг работы погружного насоса или системы кла-панов газлифта.

Преимущества использования  оптоволоконных датчиков:

- измерение параметров работы скважины в режиме реального времени;

- небольшое количество  составляющих,  устойчивых к вибрации;

-высокая чувствительность  и широкий рабочий диапазон; в  гибкость, распределенная система  считывания, учет множества параметров.

  Для обеспечения  мониторинга скважин с использованием оптоволоконной технологии в РРВ используют следующее оборудование:

-погружной оптоволоконный (бронированный) кабель;

-блок сбора и обработки  данных;

- устьевой кабельный  интерфейс для вывода кабеля  на поверхность;

-кабельные разъемы;

- мандрель НКТ для оптоволоконного датчика.

  Погружной бронированный  оптоволоконный кабель ( рис 2) позволяет получать и передавать на поверхность в режиме реального времени непрерывную и высокоточную Информацию о следующих параметрах скважины: давление, температура, расход, фазовый состав смеси, распределенная температура в стволе скважины, сейсмические данные. Стандартный кабель состоит из двух одно модных (для измерения давления, расхода и сейсмических вибраций) и одного много модного волокон для измерения температуры по стволу скважины.

Рис2 погружной бронированный оптоволоконный кабель

Рис 3 оптоволоконный датчик давления. (Источник: Versatile in-fllmi Bragg grating pressure sensor for oil and gas industry O.V. Butov, K.M. Gol.ml, V.I. Grifer, A.V. Kholodkov, A.V. Lanin, RA. Maksutov, G.I Orlov). Конструкция датчика: 1,2- капилляры; 3 - точка соединения капилляров / | 2; 4 - брэгтовский элемент датчика давления; 5, 6 - точки крепления брэгп >и« ской решетки 4; 7 - брэгговская решетка корректора температуры; 8 - aft* щитный капилляр сенсора температуры; 9 - волокно

На рис. 3  представлен  оптоволоконный датчик давлении Срок использования этого датчика  сопоставим со сроком  жизни скважины.

 

2.4 использовать  в нефти и газа разведка　　

Оптоволоконные датчики сопротивляемость высокой температуре , распределённый способность, и когда работа не нужно большая место, поэтому в нефти и газа разведка　есть 　особый  перевес.

 

Оптоволоконные датчики можно изготовить : Подземный спектрометр, распределённый температурный датчик, Оптоволоконные давление датчик и Д.Р. продукция дляспецифический работа требование.