Zastosowanie rozproszonego światłowodowego systemu monitorowania temperatury w szybach naftowych, ciśnienie, natężenie przepływu i inne rozwiązania-INNO

Ciśnienie w dnie, temperatura i inne dane odwiertów naftowych i gazowych są niezbędną podstawą do dynamicznej analizy zagospodarowania złóż ropy i gazu oraz formułowania planów dostosowawczych zagospodarowania. Więc, Aby uzyskać odpowiednie dane, w procesie wydobycia odwiertów naftowych i gazowych potrzebne są częste operacje testowe. Jednak, wraz z pogłębieniem zagospodarowania złóż rafinowanej ropy naftowej i gazu, sporadyczne dane jednopunktowe nie mogą już skutecznie wspierać terminowej korekty odwiertów ropy i gazu. Technologia stałego monitorowania ciśnienia i monitorowania światłowodowego umożliwia ciągłe monitorowanie odwiertów naftowych i gazowych przez długi czas, uzyskać w czasie rzeczywistym krzywe ciśnienia i temperatury w dnie odwiertu, i prowadzi odwierty naftowe i gazowe w celu prowadzenia wydobycia przy rozsądnych różnicach ciśnień w czasie rzeczywistym. Poprzez stabilne lub niestabilne testowanie odwiertów, rezerwy dynamiczne, przepuszczalność, czynnik skórny, itd. można obliczyć dla pojedynczego odwiertu, i sterowanie wielopunktowe można wykorzystać do testowania łączności warstw produkcyjnych między odwiertami.

Stały system monitorowania ciśnienia w odwiercie wykorzystuje zaawansowane czujniki ciśnienia i chipy elektroniczne. Po ponad dziesięciu latach stosowania na polach naftowych w krajach takich jak Kanada, Stany Zjednoczone, Irak, Iran, Rosja, Malezja, itd., w pełni wykazała swoją wyższość w technologii testowania odwiertów ropy i gazu. W połowie lat 80-tych i na początku lat 90-tych, 12 jednostki wspólnie zainicjowały badania nad zastosowaniem technologii czujników światłowodowych w stałym monitorowaniu złóż ropy. Obecnie, błonnik systemy monitorowania optycznego, takie jak temperatura i ciśnienie systemy pomiarowe i rozproszone systemy pomiaru temperatury dojrzały i są wykorzystywane do monitorowania temperatury w odwiertach naftowych, ciśnienie, natężenie przepływu, itd.

Obecnie, interwałowy drut stalowy jest stosowany głównie w Chinach do pomiaru danych dotyczących ciśnienia i temperatury na dnie szybów naftowych i gazowych, a technologia ciągłego monitorowania jest rzadko stosowana. W tym artykule skupimy się na podsumowaniu podstawowych zasad i możliwości adaptacji różnych metod testowania, zapewnienie odniesienia przy wyborze metod badań odwiertów naftowych i gazowych, szczególnie w przypadku kluczowych metod testowania odwiertów ropy i gazu, takich jak wysoka temperatura i wysokie ciśnienie.

Konwencjonalna metoda testowania interwałowego polega na testowaniu odwiertów naftowych i gazowych w określonych momentach, w zależności od potrzeb produkcyjnych. Do odwiertu wprowadza się manometr za pomocą stalowych drutów lub kabli w celu uzyskania danych dotyczących ciśnienia i temperatury w dnie odwiertu podczas operacji testowej. Po zakończeniu operacji, manometr jest wyjmowany z głowicy odwiertu. Zaletą tej metody jest niski koszt pojedynczej operacji testowej, ale nie może uzyskać długoterminowych, ciągłych danych dotyczących ciśnienia i temperatury. W tym samym czasie, stosowane manometry to głównie elektroniczne manometry z kamieni szlachetnych lub kwarcu, przy zakresie ciśnień ok 105 MPa i zakresie temperatur ok 177 °C, które nie mogą już spełniać wymagań testowych studni wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych.

Obecnie istnieją trzy powszechnie stosowane procesy testowania:

(1) Typ podnoszenia i przechowywania drutu stalowego: Pierwszy, zaprogramuj elektroniczny manometr i podłącz go do prądu. Za pomocą sprzętu z drutu stalowego opuść manometr do warstwy docelowej. Po zakończeniu testu, manometr jest wyjmowany z głowicy wraz ze stalowym drutem, a dane dotyczące ciśnienia i temperatury są odtwarzane na ziemi.

(2) Rodzaj składowania drutu stalowego: Po zaprogramowaniu manometru elektronicznego i podłączeniu go do prądu, jest on opuszczany do warstwy docelowej za pomocą drutu stalowego, uwolniony z manometru, i wyciągnięty ze stalowego drutu. Na koniec testu, użyj narzędzi z drutu stalowego, aby odzyskać manometr i odtworzyć dane dotyczące ciśnienia i temperatury na ziemi.

(3) Typ podnoszenia kabla i bezpośredniego odczytu: Podłączyć manometr elektroniczny do kabla jednożyłowego, użyj wciągarki, aby wysłać go do warstwy docelowej na dnie studni, i zasilić podziemny manometr na powierzchni. Dane testowe są przesyłane z powrotem na powierzchnię w czasie rzeczywistym za pomocą kabla, a po zakończeniu badania manometr zostaje podniesiony.

Metoda testowania przechowywania wykorzystuje baterie do zasilania manometru, podczas gdy metoda testowania z bezpośrednim odczytem wykorzystuje kable do zasilania podziemnego manometru. Czas testowania nie jest już ograniczony energią akumulatora, ale jest problem z uszczelnieniem głowicy badawczej. Obecnie, główną metodą testowania operacji jest zastosowanie metody podnoszenia i przechowywania drutu stalowego, który przelicza ciśnienie i temperaturę na głębokości warstwy ropy na podstawie krzywej gradientu ciśnienia w odwiercie zmierzonej podczas procesu podnoszenia drutu stalowego.

Operacja testowa jest operacją ciśnieniową w głowicy odwiertu, a operacja testowania odwiertów w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem wymaga wysokich poziomów ciśnienia dla sprzętu sterującego odwiertem, takiego jak zabezpieczenia przed przedmuchami i rury natryskowe. Ze względu na duży ciężar sznurka narzędziowego z drutu stalowego, wysokie wymagania stawiane są także wytrzymałości drutu stalowego na rozciąganie, co stwarza duże ryzyko dla operacji testowej.

System Stałego Monitorowania Odwiertu (PDMS) to technologia polegająca na umieszczeniu elektronicznego manometru w uchwycie manometru podłączonym do przewodu olejowego, i opuszcza go do studni wraz z rurą naftową. Precyzyjne czujniki w manometrze mierzą ciśnienie i temperaturę pod ziemią, a przetworzone sygnały ciśnienia i temperatury przesyłane są na powierzchnię za pomocą kabli. System akwizycji danych powierzchniowych kontroluje i przechowuje podziemne sygnały ciśnienia i temperatury przesyłane na powierzchnię, i rejestrowane są dane dotyczące ciśnienia i temperatury w czasie rzeczywistym. PDMS może wykorzystywać bezpośrednie odczyty z ziemi do monitorowania złóż ropy i stanu odwiertów w czasie rzeczywistym, w sposób ciągły, i długoterminowe, ułatwianie szybkiego zrozumienia dynamiki wydobycia ropy i gazu w odwiertach, optymalizacja systemów pracy odwiertów ropy i gazu oraz parametrów podnoszenia.

System składa się głównie z dwóch części: pod ziemią i na powierzchni. Część naziemna składa się z urządzenia wyprowadzającego głowicę kablową, system akwizycji danych, oraz system automatycznego zasilania energią słoneczną. Część podziemna składa się z elektronicznego manometru, cylinder podtrzymujący manometr, kable pancerne, i osłony kabli.

System akwizycji danych naziemnych służy do zasilania podziemnego manometru i wydawania mu poleceń sterujących, zmienić częstotliwość próbkowania podziemnego manometru elektronicznego, oraz gromadzi i przechowuje dane dotyczące ciśnienia i temperatury przesyłane przez podziemny manometr. Dane zapisywane są na karcie SD, o pojemności do 15 milionów zestawów danych. System automatycznego zasilania energią słoneczną zapewnia niezawodne zasilanie systemu akwizycji danych powierzchniowych i podziemnego manometru. Zarezerwuj otwory wyjściowe na kable w wieszaku na rurki i choince, zainstalować urządzenia do wyprowadzania kabli z głowicy odwiertu, a główną funkcją jest uszczelnianie kabli przechodzących przez głowicę odwiertu. Ciśnienie uszczelnienia wynosi 20 kPsi, a materiałem jest Inconel 718. Przyjmuje pełne metalowe uszczelnienie, który może zapewnić długotrwały efekt uszczelniający i nadaje się do odwiertów naftowych i gazowych o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze.

Kabel jest kanałem transmisji zasilania i danych, z solidnymi drutami miedzianymi wewnątrz, wewnętrzną warstwę izolacyjną i warstwę wypełniającą izolację w środku, oraz metalową warstwę opakowaniową na warstwie najbardziej zewnętrznej. Materiał rur stalowych to Incoloy 825 (stop o wysokiej zawartości niklu), o maksymalnym ciśnieniu roboczym 25 kPsi, maksymalna temperatura pracy wynosząca 200 °C, wytrzymałość na rozciąganie 1000kg, oraz specyfikację drutu rdzeniowego 18 AWG. Posiada dobrą odporność na ściskanie, abrazja, i korozja, i nadaje się do długotrwałego stosowania pod ziemią. Ochraniacze kabli służą do mocowania kabli do rur olejowych i zapewniają ochronę kabli na złączach rur. Dostępne są opcje lekkich osłon tłoczonych i wytrzymałych osłon kabli ze staliwa. Ciężkie osłony kabli są zwykle stosowane na dolnym końcu ciągu rurociągów naftowych oraz w specjalnych konstrukcjach odwiertów. Są odporne na zużycie i wytrzymują duże siły uderzenia zewnętrznego, chroniąc kabel przed całkowitym uszkodzeniem przez trudne warunki podziemne; Lekkie ochraniacze kabli są zwykle stosowane w górnej części ciągu przewodów olejowych, który może nie tylko zamocować kabel, ale także wytrzymać zwykłą siłę uderzenia w odwiercie.

Elektroniczny manometr jest podstawową częścią podziemnego systemu PDMS, przy użyciu precyzyjnych i wysokiej rozdzielczości kwarcowych czujników ciśnienia i temperatury. Projekt produkcyjny obwodu oparty jest na najnowszej technologii obwodu hybrydowego i pakowany przy użyciu technologii zgrzewania próżniowego. Uszczelnienie pomiędzy elektronicznym czujnikiem manometru a zewnętrznym cylindrem obwodu odbywa się przy użyciu technologii spawania wiązką jonową. Zewnętrzny materiał cylindra wykonany jest z bardzo wytrzymałego, antykorozyjnego stopu Inconel na bazie niklu 718, o maksymalnej średnicy zewnętrznej 0.875 cali i maksymalnym ciśnieniu znamionowym 25000 psi. Może pracować nieprzerwanie przez ponad 10 lat w wysokich temperaturach 200 ℃/392 ℉, i może pracować przez długi czas w trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura i wysokie ciśnienie.

Cylinder podtrzymujący manometr zapewnia pozycję montażową i mechaniczną ochronę manometru. Uszczelnienie pomiędzy manometrem a cylindrem nośnym to uszczelka metalowa. Można monitorować ciśnienie wewnątrz zewnętrznej obudowy cylindra podporowego lub ciśnienie wewnątrz przewodu olejowego można mierzyć i monitorować poprzez otwór do przenoszenia ciśnienia. Można także zamontować jednocześnie dwa manometry na jednym cylindrze podporowym.

Stały system monitorowania odwiertu może w sposób ciągły monitorować ciśnienie w odwiercie i temperaturę odwiertów ropy i gazu przez długi czas. Służy do dynamicznej analizy wydobycia ropy i gazu z odwiertów, dobra analiza testów, symulacja numeryczna złóż ropy i gazu, optymalizacja parametrów pracy sztucznego podnoszenia, zapobieganie tworzeniu się piasku formacyjnego, i inne zagadnienia badawcze. Jego główne cechy to: (1) ma długoterminową stabilność działania. System zasilania energią słoneczną może zapewnić ciągłą i niezawodną pracę systemu; Przyjęcie projektu układu scalonego na bardzo dużą skalę, ma silne właściwości sejsmiczne i przeciwzakłóceniowe; Zastosowano najnowszą technologię czujników ciśnienia i technologię obwodów, a czas ciągłego monitorowania może osiągnąć więcej niż 10 lata, charakteryzujących się dużą stabilnością pracy i niezawodnością.

(2) Nadaje się do monitorowania studni wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych. Maksymalny poziom ciśnienia elektronicznego manometru może osiągnąć 25 kPsi, i może pracować nieprzerwanie przez ponad 10 lat w wysokich temperaturach 200 ℃/392 ℉. Można go używać do monitorowania trudnych warunków studni, takich jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie, i wysoką korozją.

(3) Ciągłe monitorowanie w czasie rzeczywistym ciśnienia wielowarstwowego. Stały podziemny system monitorowania umożliwia nie tylko jednowarstwowe monitorowanie ciśnienia, ale także umożliwia jednoczesne monitorowanie w czasie rzeczywistym pojedynczych odwiertów i wielowarstwowych danych podziemnych. W dodatku, można wybrać monitorowanie ciśnienia wewnątrz obudowy na zewnątrz rury nośnej lub ciśnienia wewnątrz rury olejowej wewnątrz rury nośnej.

Technologia stałego monitorowania światłowodów Technologia wykrywania światłowodów to nowy rodzaj technologii wykrywania, która wykorzystuje fale świetlne jako nośniki, a światłowody jako media do odbierania i przesyłania zewnętrznych sygnałów pomiarowych. Technologia stałego światłowodowego monitorowania ciśnienia/temperatury polega na opuszczeniu czujnika światłowodowego do studni wraz z ciągiem wykończeniowym. Laser głowicy odwiertu emituje laser, a sygnał optyczny dociera do czujnika odwiertu poprzez światłowód. Czujnik moduluje informacje o temperaturze i ciśnieniu w widmie odbicia. Detektor głowicy odwiertu odbiera widmo odbite od czujnika i uzyskuje dane dotyczące temperatury i ciśnienia poprzez analizę widma zakłóceń. Stały monitoring światłowodowy może odbywać się w czasie rzeczywistym, długofalowy, oraz stabilne monitorowanie danych dotyczących ciśnienia i temperatury w odwiertach dennych w odwiertach ropy i gazu. Poprzez monitorowanie danych regionalnych i wielopunktowych, może stanowić podstawę do formułowania planów zagospodarowania złóż ropy i gazu.

Powszechnie stosowane pod ziemią czujniki światłowodowe obejmują rozproszone światłowodowe czujniki temperatury (DTS (Biblioteka DTS) i światłowodowe czujniki ciśnienia (P.T). Podstawą pomiaru DTS jest wpływ temperatury na współczynnik rozpraszania światła. Poprzez wykrywanie informacji o zakłóceniu rozkładu temperatury zewnętrznej na włóknie, informacje o temperaturze uzyskuje się w celu uzyskania rozproszonego pomiaru temperatury. Podstawą techniczną pomiarów jest technologia światłowodowego rozpraszania Ramana. Laser emituje impulsy świetlne wzdłuż światłowodu, które są podzielone na dwie wiązki za pomocą rozdzielacza. Dwa filtry o różnych długościach fal środkowych są połączone poniżej, aby odfiltrować światło Stokesa i światło anty Stokesa, które są przetwarzane przez fotodetektory na sygnały elektryczne i przesyłane do jednostki zbierającej i przetwarzającej dane. Po wykryciu i przetworzeniu, na końcu wyświetlana jest wartość temperatury.

Oparty na zasadzie stałej prędkości światła, można precyzyjnie zmierzyć głębokość odbitych sygnałów świetlnych ze światłowodów

Większość światłowodowych czujników ciśnienia wykorzystuje manometry oparte na zasadzie interferometru Fabry'ego Perota. Wnęka utworzona przez dwie powierzchnie końcowe światłowodu nazywana jest w optyce wnęką Fabry'ego Perota, w skrócie wnęka Fabry’ego Perota. Kiedy laser wchodzi do wnęki Fabera z jednego końca włókna, część energii świetlnej odbija się na powierzchni czołowej światłowodu na tym końcu; Pozostała energia optyczna nadal rozprzestrzenia się do przodu, następnie odbija się od drugiej powierzchni czołowej włókna i wchodzi do pierwszej sekcji włókna w przeciwnym kierunku. Laser odbity dwukrotnie tworzy interferencję na powierzchni detektora, a widmo interferencyjne jest jednoznacznie określone przez długość wnęki Fabry'ego, która jest falą sinusoidalną w dziedzinie częstotliwości. Mierząc okres i fazę fali sinusoidalnej, długość wnęki można dokładnie określić. Ciśnienie zewnętrzne P będzie ściskać wnękę Fabera, powodując zmianę długości wnęki Fabera utworzonej pomiędzy dwiema powierzchniami końcowymi włókna wraz ze zmianą ciśnienia zewnętrznego. Więc, poprzez pomiar długości wnęki Fabera, można wywnioskować ciśnienie zewnętrzne P.

Skład stałego światłowodowego systemu monitorowania ciśnienia/temperatury

Część naziemna obejmuje głównie zakopane kable optyczne i modulatory, natomiast część podziemna obejmuje głównie czujniki światłowodowe, wsporniki czujnika, optyczne, i osłony kabli. Demodulator widma naziemnego emituje laser skanujący o ciągłej długości fali 1510-1590nm. Laser jest przesyłany do podziemnego czujnika ciśnienia F-P i czujnika temperatury FBG za pośrednictwem światłowodu, a następnie laser jest odbijany przez wnękę F-P i FBG, tworząc widmo odbicia. Widmo odbicia przenosi informacje o ciśnieniu i temperaturze w pobliżu czujnika z powrotem do demodulatora wzdłuż tego samego światłowodu, a demodulator wysyła sygnał widmowy do komputera. Komputer oblicza wartości ciśnienia i temperatury pod ziemią zgodnie z programem demodulacji, i wyświetla, przechowuje lub zdalnie przesyła je w czasie rzeczywistym zgodnie z wymaganym formatem bazy danych.

Naziemna jednostka sterująca składa się z demodulatora i laptopa, a oprogramowanie pasujące do demodulatora jest wbudowane w komputer. Demodulator to urządzenie, które interpretuje sygnał widmowy odbity przez czujnik temperatury i ciśnienia w odwiercie na widoczną dla użytkownika wartość temperatury i ciśnienia. Może sekwencyjnie demodulować sygnały ciśnienia i temperatury 16 czujniki kanałowe, oraz wyświetla i przechowuje aktualną temperaturę i ciśnienie. Zakopane kable optyczne służą głównie do przesyłania sygnałów optycznych z głowicy odwiertu do urządzeń, i są zazwyczaj zbudowane w sposób zakopany. Opancerzone kable optyczne stanowią kanał do transmisji sygnału pomiędzy czujnikami a demodulatorami naziemnymi. Zewnętrzny materiał pancerza to 316L lub Inconel825, a środkowa warstwa metalu odpornego na wodór może opóźnić utratę wodoru o około 140 czasy, znacznie wydłużając żywotność kabli optycznych w warunkach wysokiej temperatury. Żywotność kabli optycznych może sięgać ponad 10 lata.

Czujniki światłowodowe to podstawowe elementy stałego, światłowodowego systemu monitorowania ciśnienia/temperatury znajdującego się pod ziemią, o maksymalnym ciśnieniu roboczym 15 kPsi i maksymalnej temperaturze roboczej 300 °C.

Do zalet technologii stałego monitoringu światłowodowego zalicza się przede wszystkim::

(1) Czujnik ma niewielkie rozmiary, lekki, z bardzo małą liczbą elementów i bez ruchomych części. Czujnik optyczny ma żywotność ponad 15 lata.

(2) Światłowód jest zarówno czujnikiem, jak i środkiem transmisji sygnału, bez podziemnych urządzeń elektronicznych, odporny na silne zakłócenia elektromagnetyczne, i wysoce niezawodne.

(3) Cała struktura kwarcowa, stabilne właściwości chemiczne, technologia mikroobróbki laserowej, niezawodne działanie.

(4) Opancerzony kabel optyczny wykonany jest ze stopu 316L lub Inconel825, który jest odporny na korozję H2S/CO2.

(5) Istnieje wiele punktów pomiarowych, które można łączyć szeregowo lub równolegle w celu monitorowania ciśnienia i temperatury w wielu warstwach w jednej studni. A 1/4 “Kabel światłowodowy w jednej studni może zapewnić do 12 sygnały ciśnienia i temperatury, i można podłączyć zestaw wyposażenia głowicy odwiertu 16 jednocześnie czujniki temperatury i ciśnienia.

(6) Może być stosowany do studni wysokotemperaturowych/wysokociśnieniowych: może wytrzymać 300 ˚ Wysoka temperatura, 15000Ciśnienie psi, oraz wibracje i uderzenia generowane przez wysokowydajny przepływ powietrza.

Praca z drutem stalowym jest odpowiednia do testowania studni pionowych i studni o małym nachyleniu. Jego zaletą jest niski koszt pojedynczej operacji, ale późniejsze koszty rosną wraz z liczbą operacji. Można go stosować do tymczasowego monitoringu studni niskotemperaturowych i niskociśnieniowych zwykłych zagospodarowania przestrzennego. Stałe monitorowanie ciśnienia i monitorowanie światłowodowe są odpowiednie dla studni pionowych i poziomych, z wysoką inwestycją początkową, ale bez późniejszych kosztów operacyjnych. Studnie klastrowe/platformowe mogą współużytkować sprzęt powierzchniowy, znacznie zmniejszając koszty ogólne. Można je stosować do ciągłego monitorowania wysokiej temperatury w czasie rzeczywistym, odwierty wysokociśnieniowe lub kluczowe.

(1) Technologia ciągłego monitorowania zapewnia solidne wsparcie danych dla udoskonalonego zarządzania odwiertami naftowymi i gazowymi, co pomaga w terminowej optymalizacji systemu pracy odwiertów naftowych i gazowych, zapobiegać tworzeniu się piasku w zbiornikach, i tłumią szybkie stożkowanie wody krawędziowej i dennej.

(2) Technologia stałego monitorowania ciśnienia i technologia monitorowania światłowodów mogą skutecznie rozwiązać problem dynamicznego monitorowania studni wysokotemperaturowych i wysokociśnieniowych, i może zmniejszyć wskaźnik wypadków inżynieryjnych podczas operacji testowych, zapewniając jednocześnie dynamiczne dane dotyczące odwiertów ropy i gazu.

(3) Biorąc pod uwagę czynniki techniczne i ekonomiczne, zaleca się prowadzenie długoterminowego, ciągłego monitoringu kluczowych odwiertów. W przypadku studni wysokociśnieniowych należy zastosować technologię stałego monitorowania ciśnienia, a w przypadku odwiertów wysokotemperaturowych należy zastosować technologię monitorowania światłowodowego.