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基于光纤传感的套管应力监测系统关键技术研究

作　者: 魏源
导　师: 王武义
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 套损监测光纤传感网络 ANSYS 轴向应力周向应力
分类号: TP274.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着油田开采的不断进行和新开发方案的不断实施,尤其是高压注水开采的实施,套管损坏问题已日趋严重,成为困扰世界石油行业的重大难题。其中,地质的构造应力以及地层的滑动、延展、抬升和沉降是引起套管损坏的主要原因。以往的套损监测技术仅局限于管内查套,损后治理,这给石油行业带来了巨大的经济损失。因此,及时掌握套管的变形和应力应变状态,提前预防和治理就成为了一个急需解决的问题。根据大庆油田的套损特点,本文提出了基于光纤传感网络的套管应力实时监测方法,以实现管外查套、提前预警、损前治理的目的。本文通过ANSYS分析,探索关键层段套管在不同生产阶段及不同载荷条件下的周向、轴向应力变化规律。最后,基于光纤传感网络进行套管周向、轴向应力实时监测实验,理论和实验数据基本吻合。通过对光纤光栅传感器和光纤布里渊传感器的应力应变传感原理理论分析,表明该两种传感器与应变均具有良好的线性关系。通过温度和应变标定实验获取了该两种光纤传感器的性能参数,参数结果表明该两种光纤传感器具有较高的测试精度和良好的重复性、稳定性。对套管的挤毁压力进行了修正计算,获得了套管在非均匀地应力载荷下的修正数学模型。利用ANSYS,建立了套管-水泥环-地层有限元分析模型,分析了关键层段套管在不同生产阶段及不同载荷条件下的周向、轴向应力变化规律。完善了套损监测系统的光纤传感网络的布设和下井工艺,并对套管进行了实时监测实验,通过理论和实验数据的对比分析得到了关键层段套管在不同生产阶段的应力应变状态。通过套管周向、轴向应力实时监测实验表明,基于光纤传感网络的套损实时监测系统能够实时、准确的反映套管的周向、轴向应力应变状态。对准确预测套损,降低油田由于套损而造成的经济损失,具有重大的意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 国内外油田套管损坏现状  10-12
    1.2.1 国内油田套管损坏现状  10-12
    1.2.2 国外油田套管损坏现状  12
  1.3 套损检测方法研究现状  12-13
  1.4 光纤传感器的研究现状  13-15
  1.5 论文研究主要内容  15-16
第2章基于光纤传感网络的套损监测原理  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 光纤布拉格光栅传感器  16-18
    2.2.1 光纤布拉格光栅传感器的基本传感原理  16-17
    2.2.2 光纤布拉格光栅传感器的应变传感原理  17-18
  2.3 光纤布里渊传感器  18-20
    2.3.1 光纤布里渊传感器的基本传感原理  18-19
    2.3.2 光纤布里渊传感器的应变传感原理  19-20
  2.4 光纤传感器的温度补偿  20-21
  2.5 套管的挤毁压力修正计算  21-25
    2.5.1 套管的挤毁压力API 标准数学模型  21-22
    2.5.2 非均匀地应力场中套管挤毁压力修正数学模型  22-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章各生产阶段油井套管应力的有限元分析  26-50
  3.1 引言  26
  3.2 套管模型的建立依据  26-28
    3.2.1 非油层段套管模型的建立依据  26-27
    3.2.2 油层段套管模型的建立依据  27-28
  3.3 基于ANSYS 的套管模型技术处理  28-29
    3.3.1 套管有限元模型的建立原则  28
    3.3.2 套管有限元模型的技术处理  28-29
  3.4 固井阶段套管应力分析  29-36
    3.4.1 固化过程套管受力分析与计算  29-32
    3.4.2 嫩二底部油井层段套管应力分析  32-34
    3.4.3 葡一组底部油井层段套管应力分析  34-36
  3.5 开采阶段套管-水泥环-地层模型的应力分析  36-49
    3.5.1 嫩二底部油井层段套管-水泥环-地层模型的应力分析  37-43
    3.5.2 葡一组底部油井层段套管-水泥环-地层模型的应力分析  43-49
  3.6 本章小结  49-50
第4章基于光纤传感网络的套损实时监测实验  50-67
  4.1 引言  50
  4.2 光纤传感器的温度和应变标定实验  50-55
    4.2.1 光纤光栅传感器标定实验  50-52
    4.2.2 光纤布里渊传感器标定实验  52-55
  4.3 套损监测系统的光纤传感网络的布设和下井工艺  55-60
  4.4 基于光纤传感网络的套损实时监测实验的数据采集和处理  60-64
    4.4.1 套管周向应变的数据采集和处理  60-62
    4.4.2 套管轴向应变的数据采集和处理  62-64
  4.5 基于光纤传感网络的套损实时监测实验的数据对比分析  64-65
    4.5.1 套管周向应变的数据结果对比  64-65
    4.5.2 套管轴向应变的数据结果对比  65
  4.6 非均匀地应力场中套管的抗挤毁压力校核  65-66
  4.7 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-72
致谢  72

基于光纤传感的套管应力监测系统关键技术研究

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