יישום מערכת ניטור סיבים אופטיים מבוזרת עבור טמפרטורת באר הנפט, לַחַץ, קצב זרימה ופתרונות אחרים

לחץ החור התחתון, טמפרטורה ונתונים אחרים של בארות נפט וגז הם בסיס הכרחי לניתוח דינמי של פיתוח שדות נפט וגז וגיבוש תוכניות התאמת פיתוח. לכן, יש צורך בפעולות בדיקה תכופות בתהליך הייצור של בארות נפט וגז כדי לקבל נתונים רלוונטיים. עם זאת, עם העמקת פיתוח שדות נפט וגז מזוקק, נתוני נקודה בודדת לסירוגין אינם יכולים עוד לתמוך ביעילות בהתאמה בזמן של בארות נפט וגז. טכנולוגיית ניטור לחץ קבוע וניטור סיבים אופטיים יכולים לנטר ברציפות בארות נפט וגז במשך זמן רב, להשיג עקומות בזמן אמת של לחץ וטמפרטורה בבור התחתון, ולהנחות בארות נפט וגז לבצע הפקה בהפרשי לחץ סבירים בזמן אמת. באמצעות בדיקת באר יציבה או לא יציבה, עתודות דינמיות, חֲדִירוּת, גורם עור, וכו. של באר בודדת ניתן לחשב, ובקרה מרובה נקודות יכולה לשמש לבדיקת הקישוריות של שכבות ייצור בין בארות.

מערכת ניטור הלחץ הקבועה למטה מאמצת חיישני לחץ מתקדמים ושבבים אלקטרוניים. לאחר יותר מעשור של יישום באתר בשדות נפט במדינות כמו קנדה, ארצות הברית, עִירַאק, איראן, רוּסִיָה, מלזיה, וכו., היא הוכיחה במלואה את עליונותה בטכנולוגיית בדיקות בארות נפט וגז. באמצע שנות ה-80 ותחילת שנות ה-90, 12 יחידות יזמו במשותף מחקר על יישום טכנולוגיית חיישני סיבים אופטיים בניטור קבוע של מאגרי נפט. כַּיוֹם, סיבים מערכות ניטור אופטיות כגון טמפרטורה ולחץ מערכות מדידה ומערכות מדידת טמפרטורה מבוזרות התבגרו ומשמשות לניטור טמפרטורת באר הנפט, לַחַץ, קצב זרימה, וכו.

נכון לעכשיו, פעולת חוטי פלדה מרווחים משמשת בעיקר בסין למדידת נתוני הלחץ והטמפרטורה בתחתית בארות נפט וגז, וטכנולוגיית ניטור מתמשך מיושמת לעתים רחוקות. מאמר זה יתמקד בסיכום העקרונות הבסיסיים והסתגלות של שיטות בדיקה שונות, מתן אסמכתא לבחירת שיטות בדיקה עבור בארות נפט וגז, במיוחד עבור שיטות מפתח לבדיקת בארות נפט וגז כגון טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה.

שיטת בדיקת המרווחים הקונבנציונלית בודקת בארות נפט וגז בזמנים ספציפיים בהתאם לצרכי ההפקה. מד לחץ מוחדר לבאר באמצעות חוטי פלדה או כבלים כדי לקבל נתוני לחץ וטמפרטורה של החור התחתון במהלך פעולת הבדיקה. לאחר השלמת הפעולה, מד הלחץ מורם מתוך ראש הבאר. היתרון בשיטה זו הוא שהעלות של פעולת בדיקה בודדת נמוכה, אבל הוא לא יכול להשיג נתוני לחץ וטמפרטורה מתמשכים לטווח ארוך. יחד עם זאת, מדי הלחץ המשמשים הם בעיקר מדי לחץ אלקטרוניים מאבני חן או קוורץ, עם טווח לחץ של בערך 105 MPa וטווח טמפרטורות של כ 177 °C, שאינו יכול עוד לעמוד בדרישות הבדיקה של בארות בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה.

ישנם כיום שלושה תהליכי בדיקה נפוצים:

(1) סוג הרמה ואחסון של חוטי פלדה: רֵאשִׁית, לתכנת את מד הלחץ האלקטרוני ולחבר אותו לחשמל. השתמש בציוד חוטי פלדה כדי להוריד את מד הלחץ לתוך שכבת המטרה. לאחר סיום הבדיקה, מד הלחץ מורם מתוך ראש הבאר יחד עם חוט הפלדה, ונתוני לחץ וטמפרטורה משוחזרים על הקרקע.

(2) סוג אחסון חילוץ חוטי פלדה: לאחר תכנות מד הלחץ האלקטרוני וחיבורו לחשמל, הוא מורד לתוך שכבת המטרה עם חוט הפלדה, משתחרר ממד הלחץ, והורם מתוך חוט הפלדה. בסוף המבחן, השתמש בכלי תיל פלדה כדי להציל את מד הלחץ ולהשמיע מחדש נתוני לחץ וטמפרטורה על הקרקע.

(3) הרמת כבלים וסוג קריאה ישירה: חבר את מד הלחץ האלקטרוני לכבל ליבה בודדת, השתמש בכננת כדי לשלוח אותו לשכבת המטרה בתחתית הבאר, ואספקת חשמל למד הלחץ התת קרקעי על פני השטח. נתוני הבדיקה מועברים חזרה אל פני השטח בזמן אמת דרך הכבל, ומד הלחץ מורם לאחר השלמת הבדיקה.

שיטת בדיקת האחסון משתמשת בסוללות כדי להפעיל את מד הלחץ, בעוד ששיטת בדיקת הקריאה הישירה משתמשת בכבלים כדי להפעיל את מד הלחץ התת קרקעי. זמן הבדיקה אינו מוגבל עוד על ידי אנרגיית הסוללה, אבל יש בעיה עם איטום ראש באר הבדיקה. נכון לעכשיו, השיטה העיקרית לבדיקת פעולות היא שימוש בשיטת הרמה ואחסון של חוטי פלדה, אשר ממירה את הלחץ והטמפרטורה בעומק שכבת השמן על סמך עקומת שיפוע הלחץ של שקע הקידוח שנמדדה במהלך תהליך הרמת חוטי הפלדה.

פעולת הבדיקה היא פעולת לחץ ראש באר, ופעולת בדיקת באר בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה דורשת רמות לחץ גבוהות עבור ציוד בקרת באר כגון מונעי נשיפה וצינורות ריסוס. בשל המשקל הרב של מחרוזת כלי תיל הפלדה, דרישות גבוהות מוטלות גם על ביצועי המתיחה של חוט הפלדה, מה שמהווה סיכון גבוה לפעולת הבדיקה.

מערכת ניטור הבור הקבועה (PDMS) היא טכנולוגיה המציבה מד לחץ אלקטרוני לתוך מחזיק מד לחץ המחובר לצינור שמן, ומוריד אותו לבאר יחד עם צינור השמן. החיישנים בעלי הדיוק הגבוה במד הלחץ חשים את הלחץ והטמפרטורה מתחת לאדמה, ואותות הלחץ והטמפרטורה המעובדים מועברים אל פני השטח באמצעות כבלים. מערכת רכישת הנתונים על פני השטח שולטת ומאחסנת את אותות הלחץ והטמפרטורה התת-קרקעיים המועברים אל פני השטח, ונתוני לחץ וטמפרטורה בזמן אמת נרשמים. PDMS יכול להשתמש בקריאה ישירה בקרקע כדי לפקח על מאגרי נפט ותנאי באר בזמן אמת, באופן רציף, ולטווח ארוך, הקלה על הבנה בזמן של הדינמיקה של ייצור בארות נפט וגז, אופטימיזציה של מערכות עבודת בארות נפט וגז ופרמטרי הרמה.

המערכת מורכבת בעיקר משני חלקים: מתחת לאדמה ומשטח. החלק הקרקע מורכב ממכשיר להובלת ראש באר כבל, מערכת רכישת נתונים, ומערכת אספקת חשמל סולארית אוטומטית. החלק התת קרקעי מורכב ממד לחץ אלקטרוני, צילינדר תומך של מד לחץ, כבלים משוריינים, ומגני כבלים.

מערכת רכישת נתוני הקרקע משמשת לאספקת חשמל למד הלחץ התת קרקעי ולהנפיק לו פקודות בקרה, שנה את מרווח הדגימה של מד הלחץ האלקטרוני התת-קרקעי, ולאסוף ולאחסן נתוני לחץ וטמפרטורה המועברים על ידי מד הלחץ התת קרקעי. הנתונים מאוחסנים באמצעות כרטיס SD, עם קיבולת אחסון של עד 15 מיליון סטים של נתונים. מערכת אספקת החשמל האוטומטית הסולארית מספקת חשמל אמין למערכת רכישת הנתונים על פני השטח ולמד לחץ תת קרקעי. חורי יציאת כבל שמור על מתלה הצינורות ועץ חג המולד, התקן התקני יציאה של ראש באר כבל, והתפקיד העיקרי הוא לאטום את הכבלים שעוברים דרך ראש הבאר. לחץ האיטום הוא 20kPsi, והחומר הוא Inconel 718. הוא מאמץ איטום מתכת מלא, מה שיכול להבטיח אפקט איטום לטווח ארוך ומתאים לבארות נפט וגז בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה.

כבל הוא ערוץ שידור עבור חשמל ונתונים, עם חוטי נחושת מוצקים בפנים, שכבת בידוד פנימית ושכבת מילוי בידוד באמצע, ושכבת אריזת מתכת בשכבה החיצונית ביותר. חומר צינור הפלדה הוא Incoloy 825 (סגסוגת ניקל גבוהה), עם לחץ עבודה מרבי של 25kPsi, טמפרטורת עבודה מקסימלית של 200 °C, חוזק מתיחה של 1000 ק"ג, ומפרט חוט ליבה של 18 AWG. יש לו עמידות טובה בפני דחיסה, שְׁחִיקָה, וקורוזיה, ומתאים לשימוש ארוך טווח מתחת לאדמה. מגני כבלים משמשים לחיבור כבלים לצינורות שמן ומספקים הגנה לכבלים במצמדי צינורות. ישנן אפשרויות למגנים קלים מסוג הטבעה ולמגני כבלים כבדים מפלדה יצוקה. מגני כבלים כבדים משמשים בדרך כלל בקצה התחתון של מחרוזת צינור הנפט ובמבני קידוח מיוחדים. הם יכולים להתנגד לבלאי ולעמוד בפני כוחות פגיעה חיצוניים גדולים, הגנה על הכבל מפני נזק מוחלט מהסביבה התת-קרקעית הקשה; מגני כבלים קלים משמשים בדרך כלל בחלק העליון של מחרוזת צינור השמן, שיכול לא רק לתקן את הכבל אלא גם לעמוד בכוח הפגיעה הרגיל בבור.

מד הלחץ האלקטרוני הוא החלק המרכזי של מערכת PDMS מתחת לאדמה, שימוש בחיישני לחץ וטמפרטורה של קוורץ ברמת דיוק גבוהה וברזולוציה גבוהה. תכנון הייצור של המעגל מבוסס על טכנולוגיית המעגל ההיברידית העדכנית ביותר וארוז בטכנולוגיית ריתוך ואקום. האיטום בין חיישן מד הלחץ האלקטרוני לצילינדר החיצוני של המעגל נעשה באמצעות טכנולוגיית ריתוך קרן יונים. חומר הגליל החיצוני עשוי מסגסוגת Inconel חזקה במיוחד נגד קורוזיה על בסיס ניקל 718, עם קוטר חיצוני מרבי של 0.875 אינצ'ים ודירוג לחץ מרבי של 25000 פסי. זה יכול לעבוד ברציפות עבור יותר מ 10 שנים בטמפרטורות גבוהות של 200 ℃/392 ℉, ויכול לעבוד במשך זמן רב בתנאי באר קשים כגון טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה.

צילינדר התמיכה של מד הלחץ מספק מיקום התקנה והגנה מכנית למד הלחץ. החותם בין מד הלחץ לגליל התמיכה הוא חותם מתכת. ניתן לנטר את הלחץ בתוך המעטפת החיצונית של גליל התמיכה או לחוש ולנטר את הלחץ בתוך צינור השמן דרך חור העברת הלחץ. ניתן להתקין שני מדי לחץ בו זמנית על גליל תמיכה אחד.

מערכת הניטור הקבועה למטה יכולה לנטר ברציפות את לחץ התחתון והטמפרטורה של בארות נפט וגז במשך זמן רב. הוא משמש לניתוח דינמי של הפקת בארות נפט וגז, ניתוח בדיקות היטב, הדמיה מספרית של מאגרי נפט וגז, אופטימיזציה של פרמטרי עבודה של הרמה מלאכותית, מניעת ייצור חול היווצרות, וסוגיות מחקר נוספות. המאפיינים העיקריים שלו הם: (1) יש לו יציבות לטווח ארוך בפעולה. מערכת אספקת החשמל הסולארית יכולה להבטיח פעולה רציפה ואמינה של המערכת; אימוץ עיצוב מעגל משולב בקנה מידה גדול במיוחד, יש לו יכולות סיסמיות חזקות ואנטי-הפרעות; הטכנולוגיה העדכנית ביותר של חיישן לחץ וטכנולוגיית מעגל מאומצת, וזמן הניטור הרציף יכול להגיע ליותר מ 10 שנים, עם יציבות עבודה ואמינות גבוהה.

(2) מתאים לניטור בארות בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה. רמת הלחץ המקסימלית של מד הלחץ האלקטרוני יכולה להגיע ל-25kPsi, וזה יכול לעבוד ברציפות עבור יותר מ 10 שנים בטמפרטורות גבוהות של 200 ℃/392 ℉. זה יכול לשמש לניטור תנאי באר קשים כגון טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה, וכושר קורוזיביות גבוה.

(3) ניטור רציף בזמן אמת של לחץ רב שכבתי. מערכת הניטור התת-קרקעית הקבועה יכולה לא רק להשיג ניטור לחץ חד-שכבתי, אלא גם להשיג ניטור סימולטני ובזמן אמת של נתונים תת-קרקעיים של באר בודדת ורב-שכבתית. בנוסף, ניתן לבחור לנטר את הלחץ בתוך המעטפת מחוץ לצינור התמיכה או את הלחץ בתוך צינור השמן בתוך צינור התמיכה.

טכנולוגיית ניטור סיבים אופטיים קבועים טכנולוגיית חישה סיבים אופטיים היא סוג חדש של טכנולוגיית חישה המשתמשת בגלי אור כנשאים ובסיבים אופטיים כמדיה כדי לתפוס ולשדר אותות נמדדים חיצוניים. טכנולוגיית ניטור הלחץ/טמפרטורה הקבועה בסיבים אופטיים היא להוריד את חיישן הסיבים האופטיים לתוך הבאר יחד עם מחרוזת ההשלמה. לייזר ראש הבאר פולט לייזר, והאות האופטי מגיע לחיישן למטה דרך הסיב האופטי. החיישן מווסת את מידע הטמפרטורה והלחץ על ספקטרום ההשתקפות. גלאי ראש הבאר קולט את הספקטרום המוחזר מהחיישן ומקבל נתוני טמפרטורה ולחץ באמצעות ניתוח ספקטרום ההפרעות. ניטור סיבים אופטיים קבועים יכול להשיג בזמן אמת, לטווח ארוך, וניטור יציב של נתוני לחץ וטמפרטורה בבור התחתון בבארות נפט וגז. באמצעות ניטור נתונים אזורי ורב נקודות באר, הוא יכול לספק בסיס לגיבוש תוכניות פיתוח שדות נפט וגז.

חיישני הסיבים האופטיים הנפוצים מתחת לאדמה כוללים חיישני טמפרטורת סיבים אופטיים מבוזרים (DTS) וחיישני לחץ של סיבים אופטיים (PT). בסיס המדידה של DTS הוא השפעת הטמפרטורה על מקדם פיזור האור. על ידי זיהוי מידע ההפרעה של התפלגות טמפרטורה חיצונית על הסיב, מידע טמפרטורה מתקבל כדי להשיג מדידת טמפרטורה מבוזרת. הבסיס הטכני למדידה הוא טכנולוגיית פיזור סיבים ראמאן. הלייזר פולט פולסי אור לאורך הסיבים האופטיים, אשר מחולקים לשתי קורות באמצעות מפצל. שני מסננים עם אורכי גל מרכזיים שונים מחוברים למטה כדי לסנן את האור של סטוקס ואור אנטי סטוקס, אשר מומרים לאותות חשמליים על ידי גלאי פוטו ונשלחים ליחידת רכישת הנתונים והעיבוד. לאחר איתור ועיבוד, ערך הטמפרטורה יוצא לבסוף.

מבוסס על העיקרון של מהירות האור הקבועה, ניתן למדוד את העומק המדויק של אותות האור המוחזר מסיבים אופטיים

רוב חיישני הלחץ בסיבים אופטיים משתמשים במדדי לחץ המבוססים על העיקרון של אינטרפרומטר Fabry Perot. החלל שנוצר על ידי שני פנים קצה סיבים נקרא חלל Fabry Perot באופטיקה, מקוצר כחלל פברי פרו. כאשר הלייזר נכנס לחלל Faber מקצה אחד של הסיב, חלק מאנרגיית האור מוחזרת על פני הקצה של הסיב בקצה זה; האנרגיה האופטית שנותרה ממשיכה להתפשט קדימה, אז משתקף מקצה הסיב השני ונכנס לחלק הראשון של הסיב בכיוון ההפוך. הלייזר המוחזר פעמיים יוצר הפרעה על פני השטח של הגלאי, וספקטרום ההפרעות נקבע באופן ייחודי על ידי אורך חלל Fabry, שהוא גל סינוס בתחום התדר. על ידי מדידת התקופה והשלב של גל הסינוס, ניתן לקבוע במדויק את אורך החלל. הלחץ החיצוני P ידחוס את חלל פאבר, מה שגורם לשינוי באורך החלל של חלל ה-Faber שנוצר בין שני פני קצה הסיבים עם שינוי הלחץ החיצוני. לכן, על ידי מדידת אורך חלל פאבר, ניתן להסיק את הלחץ החיצוני P.

הרכב מערכת ניטור לחץ/טמפרטורה קבועה בסיבים אופטיים

החלק הקרקע כולל בעיקר כבלים אופטיים קבורים ומאפננים, ואילו החלק התת קרקעי כולל בעיקר חיישני סיבים אופטיים, תומך חיישן, כבלים אופטיים, ומגני כבלים. הדמודולטור הספקטרלי הקרקעי פולט לייזר סורק באורך גל רציף של 1510-1590nm. הלייזר מועבר לחיישן לחץ חלל F-P ולחיישן טמפרטורה FBG מתחת לאדמה דרך סיב אות, ואז הלייזר מוחזר על ידי חלל F-P ו-FBG ליצירת ספקטרום השתקפות. ספקטרום ההשתקפות נושא את מידע הלחץ והטמפרטורה ליד החיישן בחזרה אל המפרקת לאורך אותו סיב, והמפדולטור שולח את האות הספקטרלי למחשב. המחשב מחשב את ערכי הלחץ והטמפרטורה מתחת לאדמה לפי תוכנית הדמודולציה, ותצוגות, מאחסן או שולח אותם מרחוק בזמן אמת לפי פורמט מסד הנתונים הנדרש.

יחידת הבקרה הקרקעית מורכבת ממפדולטור ומחשב נייד, והתוכנה התואמת למפרקת מובנית במחשב. דמודולטור הוא מכשיר שמפרש את האות הספקטרלי המוחזר על ידי חיישן הטמפרטורה והלחץ בבור לערך טמפרטורה ולחץ גלויים עבור המשתמש. זה יכול לבטל ברצף את אותות הלחץ והטמפרטורה של 16 חיישני ערוץ, והצג ואחסן את הטמפרטורה והלחץ הנוכחיים. כבלים אופטיים קבורים משמשים בעיקר להעברת אותות אופטיים מראש הבאר לציוד, ובדרך כלל בנויים בצורה קבורה. כבלים אופטיים משוריינים מספקים ערוץ להעברת אותות בין חיישנים ומפזרים קרקע. חומר השריון החיצוני הוא 316L או Inconel825, ושכבת המתכת האמצעית העמידה למימן יכולה לעכב את אובדן המימן בערך 140 פִּי, הארכה מאוד את חיי השירות של כבלים אופטיים בתנאי טמפרטורה גבוהים. חיי השירות של כבלים אופטיים יכולים להגיע ליותר מ 10 שנים.

חיישני סיבים אופטיים הם מרכיבי הליבה של מערכת ניטור לחץ/טמפרטורה קבועה בסיבים אופטיים מתחת לאדמה, עם לחץ עבודה מקסימלי של 15kPsi וטמפרטורת עבודה מקסימלית של 300 °C.

היתרונות של טכנולוגיית ניטור סיבים אופטיים קבועים כוללים בעיקר:

(1) החיישן קטן בגודלו, קַל מִשְׁקָל, עם מעט מאוד רכיבים וללא חלקים נעים. לחיישן האופטי יש תוחלת חיים של יותר מ 15 שנים.

(2) סיבים אופטיים הם גם חיישן וגם אמצעי להעברת אותות, ללא מכשירים אלקטרוניים תת קרקעיים, עמיד בפני הפרעות אלקטרומגנטיות חזקות, ואמין ביותר.

(3) כל מבנה הקוורץ, תכונות כימיות יציבות, טכנולוגיית עיבוד מיקרו בלייזר, ביצועים אמינים.

(4) הכבל האופטי המשוריין עשוי מחומר סגסוגת 316L או Inconel825, שהוא עמיד בפני קורוזיה H2S/CO2.

(5) ישנן מספר נקודות מדידה, אשר יכול להיות מחובר בסדרה או במקביל כדי לנטר את הלחץ והטמפרטורה של מספר שכבות בבאר אחת. א 1/4 “כבל סיבים אופטיים באר אחד יכול לספק עד 12 אותות לחץ וטמפרטורה, ומערכת של ציוד ראש באר יכול להתחבר 16 חיישני טמפרטורה ולחץ בו זמנית.

(6) ניתן להשתמש עבור בארות בטמפרטורה גבוהה/לחץ גבוה: יכול לעמוד 300 ˚ טמפרטורה גבוהה, 15000לחץ Psi, ורעידות והשפעות הנוצרות מזרימת אוויר בעלת תפוקה גבוהה.

פעולת חוטי פלדה מתאימה לבדיקת בארות אנכיות ובורות נטייה קטנות. היתרון שלו הוא שהעלות של פעולה בודדת נמוכה, אבל העלות שלאחר מכן עולה עם מספר הפעולות. זה יכול לשמש לניטור זמני של בארות פיתוח רגילות בטמפרטורה נמוכה ובלחץ נמוך. ניטור לחץ קבוע וניטור סיבים אופטיים מתאימים לבארות אנכיות ואופקיות, עם השקעה ראשונית גבוהה אך ללא עלויות תפעול עוקבות. בארות אשכול/פלטפורמה יכולות לחלוק ציוד עילי, מפחית מאוד את העלויות הכוללות. הם יכולים לשמש לניטור בזמן אמת ורציף של טמפרטורה גבוהה, בארות בלחץ גבוה או מפתחות.

(1) טכנולוגיית ניטור מתמשך מספקת תמיכה חזקה בנתונים לניהול מעודן של בארות נפט וגז, מה שעוזר לייעל את מערכת העבודה של בארות נפט וגז בזמן, למנוע ייצור חול במאגרים, ולדכא את החרוט המהיר של מי קצה ותחתית.

(2) טכנולוגיית ניטור לחץ קבוע וטכנולוגיית ניטור סיבים אופטיים יכולים לפתור ביעילות את בעיית הניטור הדינמי של בארות בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה, ויכול להפחית את שיעור התאונות ההנדסיות של פעולות הבדיקה תוך אספקת נתונים דינמיים של בארות נפט וגז.

(3) תוך התחשבות בגורמים טכניים וכלכליים, מומלץ לבצע ניטור רציף ארוך טווח של בארות מפתח. יש להשתמש בטכנולוגיית ניטור לחץ קבוע עבור בארות בלחץ גבוה, ויש להשתמש בטכנולוגיית ניטור סיבים אופטיים עבור בארות בטמפרטורה גבוהה.

חיישן טמפרטורה בסיב אופטי, מערכת ניטור חכמה, יצרנית סיבים אופטיים מבוזרת בסין