Ứng dụng hệ thống giám sát cáp quang phân tán nhiệt độ giếng dầu, áp lực , tốc độ dòng chảy và các giải pháp khác-INNO

Áp lực đáy hố, nhiệt độ và các dữ liệu khác của giếng dầu khí là cơ sở cần thiết để phân tích động lực phát triển mỏ dầu khí và xây dựng kế hoạch điều chỉnh phát triển. Vì thế, cần thực hiện các hoạt động thử nghiệm thường xuyên trong quá trình sản xuất giếng dầu khí để có được dữ liệu liên quan. Tuy nhiên, với sự phát triển sâu rộng của mỏ dầu và khí đốt tinh chế, dữ liệu điểm đơn không liên tục không còn có thể hỗ trợ hiệu quả việc điều chỉnh kịp thời các giếng dầu khí. Công nghệ giám sát áp suất thường trực và giám sát cáp quang có thể giám sát liên tục các giếng dầu khí trong thời gian dài, có được đường cong thời gian thực của áp suất và nhiệt độ đáy lỗ, và hướng dẫn các giếng dầu khí thực hiện khai thác dưới sự chênh lệch áp suất hợp lý trong thời gian thực. Thông qua thử nghiệm giếng ổn định hoặc không ổn định, trữ lượng động, tính thấm, yếu tố da, vân vân. của một giếng có thể được tính toán, và điều khiển đa điểm có thể được sử dụng để kiểm tra khả năng kết nối của các lớp sản xuất giữa các giếng.

Hệ thống giám sát áp suất hạ cấp vĩnh viễn sử dụng cảm biến áp suất và chip điện tử tiên tiến. Sau hơn một thập kỷ ứng dụng tại chỗ ở các mỏ dầu ở các quốc gia như Canada, Hoa Kỳ, Irắc, Iran, Nga, Malaysia, vân vân., đã thể hiện đầy đủ tính ưu việt của mình trong công nghệ thử giếng dầu khí. Vào giữa những năm 1980 và đầu những năm 1990, 12 các đơn vị cùng khởi xướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ cảm biến sợi quang trong giám sát thường xuyên các vỉa dầu. Hiện nay, chất xơ hệ thống giám sát quang học như nhiệt độ và áp suất hệ thống đo lường và hệ thống đo nhiệt độ phân tán đã trưởng thành và được sử dụng để theo dõi nhiệt độ giếng dầu, áp lực , tốc độ dòng chảy, vân vân.

Hiện tại, Hoạt động dây thép cách quãng chủ yếu được sử dụng ở Trung Quốc để đo dữ liệu áp suất và nhiệt độ ở đáy giếng dầu và khí đốt, và công nghệ giám sát liên tục ít được áp dụng. Bài viết này sẽ tập trung tóm tắt các nguyên tắc cơ bản và khả năng thích ứng của các phương pháp thử nghiệm khác nhau, cung cấp tài liệu tham khảo cho việc lựa chọn phương pháp thử nghiệm giếng dầu và khí đốt, đặc biệt đối với các phương pháp kiểm tra giếng dầu và khí đốt quan trọng như nhiệt độ cao và áp suất cao.

Phương pháp kiểm tra định kỳ thông thường kiểm tra các giếng dầu và khí đốt vào những thời điểm cụ thể tùy theo nhu cầu sản xuất. Đồng hồ đo áp suất được đưa vào giếng bằng dây thép hoặc cáp để thu thập dữ liệu áp suất và nhiệt độ đáy giếng trong quá trình thử nghiệm. Sau khi thao tác hoàn tất, đồng hồ đo áp suất được nhấc ra khỏi đầu giếng. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí cho một lần thử nghiệm thấp, nhưng nó không thể thu được dữ liệu nhiệt độ và áp suất liên tục trong thời gian dài. Đồng thời, đồng hồ đo áp suất được sử dụng chủ yếu là đồng hồ đo áp suất điện tử bằng đá quý hoặc thạch anh, với dải áp suất khoảng 105 MPa và khoảng nhiệt độ khoảng 177 oC, không còn có thể đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm của giếng nhiệt độ cao và áp suất cao.

Hiện tại có ba quy trình thử nghiệm được sử dụng phổ biến:

(1) Loại nâng và lưu trữ dây thép: Đầu tiên, lập trình đồng hồ đo áp suất điện tử và kết nối với nguồn điện. Sử dụng thiết bị dây thép để hạ đồng hồ đo áp suất vào lớp mục tiêu. Sau khi bài kiểm tra hoàn tất, đồng hồ đo áp suất được nhấc ra khỏi đầu giếng cùng với dây thép, và dữ liệu áp suất và nhiệt độ được phát lại trên mặt đất.

(2) Loại lưu trữ cứu hộ dây thép: Sau khi lập trình đồng hồ đo áp suất điện tử và kết nối với nguồn điện, nó được hạ xuống lớp mục tiêu bằng dây thép, thoát ra khỏi đồng hồ đo áp suất, và nhấc ra khỏi dây thép. Vào cuối bài kiểm tra, sử dụng các công cụ dây thép để trục vớt đồng hồ đo áp suất và phát lại dữ liệu áp suất và nhiệt độ trên mặt đất.

(3) Loại nâng cáp và đọc trực tiếp: Kết nối đồng hồ đo áp suất điện tử với cáp lõi đơn, sử dụng tời để đưa nó đến lớp mục tiêu dưới đáy giếng, và cấp điện cho đồng hồ đo áp suất ngầm trên mặt đất. Dữ liệu thử nghiệm được truyền trở lại bề mặt theo thời gian thực thông qua cáp, và đồng hồ đo áp suất được nâng lên sau khi quá trình kiểm tra hoàn tất.

Phương pháp kiểm tra lưu trữ sử dụng pin để cấp nguồn cho đồng hồ đo áp suất, trong khi phương pháp kiểm tra đọc trực tiếp sử dụng dây cáp để cấp nguồn cho đồng hồ đo áp suất ngầm. Thời gian thử nghiệm không còn bị giới hạn bởi năng lượng pin, nhưng có vấn đề với việc bịt kín đầu giếng thử nghiệm. Hiện tại, phương pháp chính để kiểm tra hoạt động là sử dụng phương pháp nâng và cất giữ dây thép, chuyển đổi áp suất và nhiệt độ ở độ sâu của lớp dầu dựa trên đường cong gradient áp suất giếng đo được trong quá trình nâng dây thép.

Hoạt động thử nghiệm là hoạt động áp lực đầu giếng, và hoạt động kiểm tra giếng ở nhiệt độ cao và áp suất cao đòi hỏi mức áp suất cao đối với các thiết bị kiểm soát giếng như thiết bị ngăn chặn phun trào và ống phun. Do trọng lượng nặng của dây dụng cụ dây thép, yêu cầu cao cũng được đặt vào hiệu suất kéo của dây thép, Điều này gây ra rủi ro cao cho hoạt động thử nghiệm.

Hệ thống giám sát lỗ khoan vĩnh viễn (PDMS) là công nghệ đặt đồng hồ đo áp suất điện tử vào giá đỡ đồng hồ đo áp suất nối với ống dẫn dầu, và hạ nó xuống giếng cùng với ống dẫn dầu. Các cảm biến có độ chính xác cao trong đồng hồ đo áp suất sẽ cảm nhận áp suất và nhiệt độ dưới lòng đất, và các tín hiệu áp suất và nhiệt độ đã xử lý được truyền tới bề mặt thông qua dây cáp. Hệ thống thu thập dữ liệu bề mặt điều khiển và lưu trữ các tín hiệu áp suất và nhiệt độ dưới lòng đất được truyền lên bề mặt, và dữ liệu áp suất và nhiệt độ thời gian thực được ghi lại. PDMS có thể sử dụng khả năng đọc trực tiếp trên mặt đất để giám sát các bể chứa dầu và tình trạng giếng trong thời gian thực, liên tục, và lâu dài, tạo điều kiện hiểu biết kịp thời về động lực sản xuất giếng dầu và khí đốt, tối ưu hóa hệ thống làm việc giếng dầu khí và các thông số nâng.

Hệ thống chủ yếu bao gồm hai phần: dưới lòng đất và bề mặt. Phần nối đất bao gồm một thiết bị dẫn ra đầu giếng cáp, một hệ thống thu thập dữ liệu, và hệ thống cung cấp điện tự động bằng năng lượng mặt trời. Phần ngầm gồm đồng hồ đo áp suất điện tử, một xi lanh hỗ trợ đồng hồ đo áp suất, cáp bọc thép, và bảo vệ cáp.

Hệ thống thu thập dữ liệu mặt đất được sử dụng để cấp nguồn cho đồng hồ đo áp suất ngầm và ra lệnh điều khiển cho nó, thay đổi khoảng thời gian lấy mẫu của đồng hồ đo áp suất điện tử ngầm, và thu thập, lưu trữ dữ liệu áp suất, nhiệt độ được truyền bởi đồng hồ đo áp suất ngầm. Dữ liệu được lưu trữ bằng thẻ SD, với dung lượng lưu trữ lên tới 15 triệu bộ dữ liệu. Hệ thống cung cấp điện tự động bằng năng lượng mặt trời cung cấp nguồn điện đáng tin cậy cho hệ thống thu thập dữ liệu bề mặt và đồng hồ đo áp suất dưới lòng đất. Dự trữ các lỗ thoát cáp trên móc treo ống và cây thông Noel, lắp đặt thiết bị dẫn cáp đầu giếng, và chức năng chính là bịt kín các dây cáp đi qua đầu giếng. Áp suất niêm phong là 20kPsi, and the material is Inconel 718. It adopts full metal sealing, which can ensure long-term sealing effect and is suitable for high-pressure and high-temperature oil and gas wells.

A cable is a transmission channel for power and data, with solid copper wires inside, an inner insulation layer and an insulation filling layer in the middle, and a metal packaging layer on the outermost layer. The steel pipe material is Incoloy 825 (high nickel alloy), with a maximum working pressure of 25kPsi, a maximum working temperature of 200 oC, a tensile strength of 1000kg, and a core wire specification of 18 AWG. It has good resistance to compression, abrasion, and corrosion, and is suitable for long-term use underground. Cable protectors are used to attach cables to oil pipes and provide protection for cables at pipe couplings. Có các tùy chọn cho thiết bị bảo vệ nhẹ loại dập và thiết bị bảo vệ cáp hạng nặng bằng thép đúc. Các thiết bị bảo vệ cáp nặng thường được sử dụng ở đầu dưới của dây ống dẫn dầu và trong các kết cấu giếng khoan đặc biệt.. Chúng có thể chống mài mòn và chịu được lực tác động lớn từ bên ngoài, bảo vệ cáp khỏi bị hư hỏng hoàn toàn bởi môi trường ngầm khắc nghiệt; Bộ bảo vệ cáp nhẹ thường được sử dụng ở phần trên của dây ống dầu, không chỉ có thể cố định cáp mà còn chịu được lực tác động xuống lỗ thông thường.

Đồng hồ đo áp suất điện tử là bộ phận cốt lõi của hệ thống PDMS dưới lòng đất, sử dụng cảm biến nhiệt độ và áp suất thạch anh có độ chính xác cao và độ phân giải cao. Thiết kế sản xuất mạch dựa trên công nghệ mạch hybrid mới nhất và được đóng gói bằng công nghệ hàn chân không. Việc bịt kín giữa cảm biến đo áp suất điện tử và xi lanh bên ngoài của mạch được thực hiện bằng công nghệ hàn chùm tia ion. Vật liệu xi lanh bên ngoài được làm bằng hợp kim Inconel gốc niken chống ăn mòn siêu bền 718, với đường kính ngoài tối đa là 0.875 inch và mức áp suất tối đa là 25000 Psi. Nó có thể hoạt động liên tục trong hơn 10 năm ở nhiệt độ cao 200 oC/392 ℉, và có thể làm việc trong thời gian dài trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và áp suất cao.

Xy lanh hỗ trợ đồng hồ đo áp suất cung cấp vị trí lắp đặt và bảo vệ cơ học cho đồng hồ đo áp suất. The seal between the pressure gauge and the support cylinder is a metal seal. The pressure inside the outer casing of the support cylinder can be monitored or the pressure inside the oil pipe can be sensed and monitored through the pressure transmission hole. Two pressure gauges can also be installed simultaneously on one support cylinder.

The permanent downhole monitoring system can continuously monitor the bottomhole pressure and temperature of oil and gas wells for a long time. It is used for dynamic analysis of oil and gas well production, well testing analysis, numerical simulation of oil and gas reservoirs, optimization of artificial lifting working parameters, prevention of formation sand production, and other research issues. Its main characteristics are: (1) it has long-term stability in operation. Hệ thống cung cấp điện năng lượng mặt trời có thể đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và tin cậy; Áp dụng thiết kế mạch tích hợp quy mô cực lớn, nó có khả năng địa chấn và chống nhiễu mạnh mẽ; Công nghệ cảm biến áp suất và công nghệ mạch mới nhất được áp dụng, và thời gian giám sát liên tục có thể đạt hơn 10 năm, với độ ổn định và độ tin cậy làm việc cao.

(2) Thích hợp để theo dõi giếng nhiệt độ cao và áp suất cao. Mức áp suất tối đa của đồng hồ đo áp suất điện tử có thể đạt tới 25kPsi, và nó có thể hoạt động liên tục trong hơn 10 năm ở nhiệt độ cao 200 oC/392 ℉. Nó có thể được sử dụng để theo dõi các điều kiện khắc nghiệt của giếng như nhiệt độ cao, áp suất cao, và độ ăn mòn cao.

(3) Giám sát thời gian thực liên tục áp suất nhiều lớp. Hệ thống giám sát ngầm vĩnh viễn không chỉ có thể đạt được giám sát áp suất một lớp, mà còn đạt được sự giám sát đồng thời và theo thời gian thực đối với dữ liệu ngầm đơn giếng và nhiều lớp. Ngoài ra, có thể chọn theo dõi áp suất bên trong vỏ ngoài ống đỡ hoặc áp suất bên trong ống dầu bên trong ống đỡ.

Công nghệ giám sát sợi quang vĩnh viễn Công nghệ cảm biến sợi quang là một loại công nghệ cảm biến mới sử dụng sóng ánh sáng làm sóng mang và sợi quang làm phương tiện để nhận biết và truyền tín hiệu đo được bên ngoài. Công nghệ giám sát nhiệt độ/áp suất sợi quang vĩnh viễn là hạ cảm biến sợi quang xuống giếng cùng với dây hoàn thiện. Laser đầu giếng phát ra tia laser, và tín hiệu quang đến cảm biến downhole thông qua cáp quang. Cảm biến điều chỉnh thông tin nhiệt độ và áp suất trên phổ phản xạ. Máy dò đầu giếng nhận phổ phản xạ trở lại từ cảm biến và thu được dữ liệu nhiệt độ và áp suất thông qua phân tích phổ nhiễu. Giám sát cáp quang vĩnh viễn có thể đạt được thời gian thực, lâu dài, và giám sát ổn định dữ liệu áp suất và nhiệt độ lỗ khoan trong giếng dầu và khí đốt. Thông qua giám sát dữ liệu khu vực và đa điểm, nó có thể cung cấp cơ sở cho việc xây dựng kế hoạch phát triển mỏ dầu khí.

Các cảm biến sợi quang được sử dụng phổ biến dưới lòng đất bao gồm cảm biến nhiệt độ sợi quang phân tán (DTS) và cảm biến áp suất sợi quang (PT). Cơ sở đo lường của DTS là ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số tán xạ ánh sáng. Bằng cách phát hiện thông tin nhiễu loạn phân bố nhiệt độ bên ngoài trên sợi, thông tin nhiệt độ thu được để đạt được phép đo nhiệt độ phân tán. Cơ sở kỹ thuật đo lường là công nghệ tán xạ Raman sợi quang. Tia laser phát ra các xung ánh sáng dọc theo sợi quang, được chia thành hai chùm thông qua bộ chia. Hai bộ lọc có bước sóng trung tâm khác nhau được kết nối bên dưới để lọc ánh sáng Stokes và ánh sáng phản Stokes, được chuyển đổi thành tín hiệu điện bằng bộ tách sóng quang và gửi đến bộ phận thu thập và xử lý dữ liệu. Sau khi phát hiện và xử lý, giá trị nhiệt độ cuối cùng là đầu ra.

Dựa trên nguyên lý tốc độ ánh sáng không đổi, Có thể đo được độ sâu chính xác của tín hiệu ánh sáng phản xạ từ sợi quang

Hầu hết các cảm biến áp suất sợi quang đều sử dụng đồng hồ đo áp suất dựa trên nguyên lý giao thoa kế Fabry Perot. Khoang được hình thành bởi hai mặt đầu sợi được gọi là khoang Fabry Perot trong quang học, viết tắt là khoang Fabry Perot. Khi tia laser đi vào khoang Faber từ một đầu của sợi quang, một phần năng lượng ánh sáng được phản xạ trên mặt cuối của sợi ở đầu đó; Năng lượng quang học còn lại tiếp tục truyền về phía trước, sau đó được phản xạ từ mặt đầu sợi thứ hai và đi vào phần đầu tiên của sợi theo hướng ngược lại. Tia laser phản xạ hai lần tạo thành nhiễu trên bề mặt máy dò, và phổ giao thoa được xác định duy nhất bởi chiều dài của khoang Fabry, đó là một sóng hình sin trong miền tần số. Bằng cách đo chu kỳ và pha của sóng hình sin, chiều dài khoang có thể được xác định chính xác. Áp suất bên ngoài P sẽ nén khoang Faber, làm cho chiều dài khoang của khoang Faber hình thành giữa hai mặt đầu sợi thay đổi theo sự thay đổi của áp suất bên ngoài. Vì thế, bằng cách đo chiều dài khoang Faber, áp suất bên ngoài P có thể được suy ra.

Thành phần của hệ thống giám sát nhiệt độ/áp suất sợi quang cố định

Phần nối đất chủ yếu bao gồm cáp quang và bộ điều biến được chôn dưới đất, trong khi phần ngầm chủ yếu bao gồm các cảm biến cáp quang, hỗ trợ cảm biến, optical cables, và bảo vệ cáp. Bộ giải điều chế quang phổ mặt đất phát ra tia laser quét bước sóng liên tục 1510-1590nm. Tia laser được truyền tới cảm biến áp suất khoang F-P và cảm biến nhiệt độ FBG dưới lòng đất thông qua sợi tín hiệu, và sau đó tia laser được phản xạ bởi khoang F-P và FBG để tạo thành phổ phản xạ. Phổ phản xạ mang thông tin áp suất và nhiệt độ gần cảm biến trở lại bộ giải điều chế dọc theo cùng một sợi quang, và bộ giải điều chế gửi tín hiệu quang phổ đến máy tính. Máy tính tính toán giá trị áp suất, nhiệt độ dưới lòng đất theo chương trình giải điều chế, và hiển thị, lưu trữ hoặc gửi chúng từ xa theo thời gian thực theo định dạng cơ sở dữ liệu được yêu cầu.

Bộ điều khiển mặt đất bao gồm bộ giải điều chế và máy tính xách tay, và phần mềm phù hợp với bộ giải mã được tích hợp sẵn trong máy tính. Bộ giải điều chế là thiết bị diễn giải tín hiệu quang phổ được phản xạ lại bởi cảm biến nhiệt độ và áp suất trong lỗ khoan thành giá trị nhiệt độ và áp suất có thể nhìn thấy được cho người dùng.. Nó có thể giải điều chế tuần tự các tín hiệu áp suất và nhiệt độ của 16 cảm biến kênh, và hiển thị và lưu trữ nhiệt độ và áp suất hiện tại. Cáp quang chôn chủ yếu được sử dụng để truyền tín hiệu quang từ đầu giếng đến thiết bị, và thường được xây dựng theo cách chôn. Cáp quang bọc thép cung cấp kênh truyền tín hiệu giữa cảm biến và bộ giải điều chế mặt đất. Chất liệu áo giáp bên ngoài là 316L hoặc Inconel825, và lớp kim loại kháng hydro ở giữa có thể trì hoãn sự mất hydro khoảng 140 lần, kéo dài đáng kể tuổi thọ của cáp quang trong điều kiện nhiệt độ cao. Tuổi thọ của cáp quang có thể đạt hơn 10 năm.

Cảm biến sợi quang là thành phần cốt lõi của hệ thống giám sát nhiệt độ/áp suất sợi quang vĩnh viễn dưới lòng đất, với áp suất làm việc tối đa là 15kPsi và nhiệt độ làm việc tối đa là 300 oC.

Ưu điểm của công nghệ giám sát cáp quang vĩnh viễn chủ yếu bao gồm:

(1) Cảm biến có kích thước nhỏ, nhẹ, với rất ít thành phần và không có bộ phận chuyển động. Cảm biến quang học có tuổi thọ hơn 15 năm.

(2) Sợi quang vừa là cảm biến vừa là phương tiện truyền tín hiệu, không có thiết bị điện tử ngầm, chống nhiễu điện từ mạnh, và có độ tin cậy cao.

(3) Tất cả các cấu trúc thạch anh, tính chất hóa học ổn định, công nghệ xử lý vi mô laser, hiệu suất đáng tin cậy.

(4) Cáp quang bọc thép được làm bằng vật liệu hợp kim 316L hoặc Inconel825, có khả năng chống ăn mòn H2S/CO2.

(5) Có nhiều điểm đo, có thể được kết nối nối tiếp hoặc song song để theo dõi áp suất và nhiệt độ của nhiều lớp trong một giếng. MỘT 1/4 “cáp quang trong một giếng có thể cung cấp tới 12 tín hiệu áp suất và nhiệt độ, và một bộ thiết bị đầu giếng có thể kết nối 16 cảm biến nhiệt độ và áp suất đồng thời.

(6) Có thể sử dụng cho giếng nhiệt độ cao/áp suất cao: có thể chịu được 300 ˚ Nhiệt độ cao, 15000áp suất psi, và các rung động và tác động được tạo ra bởi luồng không khí năng suất cao.

Vận hành dây thép phù hợp để kiểm tra giếng đứng và giếng nghiêng nhỏ. Ưu điểm của nó là chi phí cho một lần phẫu thuật thấp, nhưng chi phí tiếp theo tăng theo số lượng hoạt động. Nó có thể được sử dụng để giám sát tạm thời các giếng phát triển thông thường ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Giám sát áp suất thường trực và giám sát cáp quang phù hợp cho giếng đứng và giếng ngang, với mức đầu tư ban đầu cao nhưng không có chi phí vận hành tiếp theo. Giếng cụm/sàn có thể dùng chung thiết bị bề mặt, giảm đáng kể chi phí tổng thể. Chúng có thể được sử dụng để theo dõi thời gian thực và liên tục nhiệt độ cao, giếng áp suất cao hoặc giếng quan trọng.

(1) Công nghệ giám sát liên tục cung cấp hỗ trợ dữ liệu mạnh mẽ cho việc quản lý giếng dầu và khí đốt một cách tinh tế, giúp kịp thời tối ưu hóa hệ thống làm việc của giếng dầu khí, ngăn chặn việc sản xuất cát trong hồ chứa, và ngăn chặn sự hình thành nhanh chóng của nước ở rìa và đáy.

(2) Công nghệ giám sát áp suất vĩnh viễn và công nghệ giám sát sợi quang có thể giải quyết hiệu quả vấn đề giám sát động của giếng nhiệt độ cao và áp suất cao, và có thể giảm tỷ lệ tai nạn kỹ thuật của hoạt động thử nghiệm trong khi cung cấp dữ liệu động của giếng dầu và khí đốt.

(3) Có tính đến các yếu tố kỹ thuật và kinh tế, nên tiến hành giám sát liên tục lâu dài các giếng quan trọng. Nên sử dụng công nghệ giám sát áp suất vĩnh viễn cho giếng áp suất cao, và công nghệ giám sát cáp quang nên được sử dụng cho giếng nhiệt độ cao.