石油开发中地应力监测技术研究

刘江南+++李全厚

摘 要：地应力监测是油田开发过程中一项十分重要的工作。传统的方法主要是采用声波信息、井径信息、工程信息等加以判断，这些信息所包含的地应力信息非常有限，而且提取难度大，误差较大。有些方法是在地应力发生改变，造成重大经济损失以后才能进行。本研究所采用的分布式光纤地应力传感系统，随完井套管一起下入井内，并固化到水泥当中，将能够实时监测地应力的变化，对地应力发生明显改变的井区，采取相应的调整措施，减少套损的发生。

主题词：地应力；套损；分布式光纤；油水井

1 引言

地应力[1-3]是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，广义上也指地球体内的应力。在油田开发过程中，尤其是注水开发的油田，由于注入水的温度与地层温度明显不同，造成吸水储集层与围岩的温度产生明显差异，导致岩体发生膨胀或收缩现象，产生地应力异常[4-6]；其次，注入水的矿化度与原始水的矿化度差异较大，地层原有的应力平衡也会发生改变；第三，由于在开发过程中，井间泄压不平衡也会造成地应力的变化等等。当地应力变化较大时，油水井套管将会产生变形或错断，形成套损，严重影响油田生产的正常进行，造成巨大的经济损失。因此，地应力监测对于油田开发而言，至关重要。采用上诉各种方法虽然在一定意义上能够实现对地应力的测量，但这些方法多数都是点测，并且只是瞬时测量，而且测量成本较高。而采用光纤应力传感器技术，能够很好地解决上述问题。不但实现沿井轴剖面的地应力连续测量，而且可以实时测量，时刻监测地层应力变化，以减少套损的发生，为油田开发方案调整提供指导意见，并且监测成本很低。

随着油田开发的不断进行，地层中的流体不断被采出，储层的物理性质在不断地发生变化，导致地层的原有地应力场被破坏，地层发生错动，造成套管损坏。套损影响了油田的正常开发，造成了严重的损失。在套损防治中，能及时地发现潜在的套管损坏-套损预测，并采取有效的预防措施，对油田的可持续开发具有重大的工程和经济意义。

2 分布式光纤应力传感器监测地应力

为了减少由于地应力的变化造成油水井套损，给油田带来的巨大损失，需要实时连续监测钻井剖面中任一深度处地层地应力的大小，在地应力达到或接近套管发生变形或错断之前，采取措施，减小地应力进一步增大。目前所用的地应力测量方法，绝大多数都是定点测量，并且是瞬时测量，无法做到沿钻井剖面任一深度处的实时测量。而分布式光纤地应力传感器，则能够很较好地解决这一问题。

2.1 地应力定位

让线偏振光进入单模保偏光纤的HE 模式中，经深度L后将存在群时延差 ：

（1）

式中？茁x、？茁y分别为HE■■、HE■■的传播常数，当？子1>？子c（？子c为光源的相干时间）时，两模将不能干涉，若使两模的光经迈克尔逊干涉仪产生一个新的时延：

（2）

式中△L为迈克尔逊两臂程差，c为真空中光速，则当两模的总时延？子=？子1-？子1=（■-■）L-2（■）<？子c时出现两模的干涉。此时，干涉信号最大。又由单模光纤的单位长度的群时延时差

（3）

（4）

式中：n为纤芯折射率；B为光纤的归一化双折射率，B=■（？茁表示？茁x和？茁y之间的平均值）。将式（4）代人式（3）可得

（5）

由此测出△L ，即知L。对地应力作用点测试的空间位置分辨率RS由光源的相干长度L和B决定，即有

（6）

其中：？姿0为光源的中心波长；△？姿为光源的光谱宽度。在本设计中，？姿0=1.3？滋m，△？姿=40nm，因此对地应力测试点的空间位置分辨率可达到8 cm。

2.2 测量地应力大小

设光纤中传输光的时变解析信号为f（t），其功率谱密度函数为高斯分布

（7）

式中：△？棕为光源光谱半宽；？棕0为光源的中心角频率。设检偏器与HE模偏振方向夹角为？琢、k2为功率耦合系数，则探测器上两电场分量为

（8）

由部分相干光理论，探测器上接收光强为

（9）

式中 ，k1、k2分别为

（10）

令？酌（？子）为复相干度，可由功率谱密度I（？棕）求得

（11）

（12）

可由？酌（？子）求得相位a（？子）=0，则

（13）

与干涉有关的项为

（14）

由光弹理论和弹性力学理论可得

（15）

可见k与地应力扰动的大小有关，除此之外，k还与地应力的扰动长度d、角度？兹？茁等有关。式（15）中c1、c2为受力单元正面和侧面的光弹常数，b为光纤横截面半径。

3 实验模拟结果

在对图1 所示的分布式力传感系统的实验研究中，我们采用高双折射光纤作为传感光纤，其双折射率B=4.38×104（实测值），纤芯折射率n=1.4675。采用宽带多纵模半导体激光器作为光源，光源中心波长为？姿0=1.3？滋m。为了直接研究传感光纤在受外力扰动下的基本传感特性，实验对裸光纤直接加力进行实验，光纤的总长度约150m。图3表示了分别对光纤上z=50m、z=87m位置处的两个压力点的测试结果。从图中可以看出，分布式光纤地应力传感器对应力响应非常敏感，而且采用公式（3-3）～（3-5）对所受应力的位置判断基本准确。运用该套技术，对油田油水井的实际状况，建立生产井固井与光纤分布关系示意图。完井时，将光纤同套管一起下入井中，固井时，光纤连同套管一起固化到水泥中，水泥与地层紧密胶结在一起。当地层中的地应力发生变化时，水泥中的光纤就会感受到，这样我们就可以实时监测到地应力的变化，从而调整注采方案，防止地应力变化过大，造成套损的发生。

4 结束语

文章应用高双折射光纤受外力扰动作用下的模式耦合特性，研究了一种应用于油田地应力监测的分布式光纤地应力传感系统。这种方法具有输出信号强、信噪比高、信号处理简单的特点，进一步深化研究后可用于监测石油开发过程中，由于储层流体的采出和注入以及构造运动等，造成地层的地应力变化，地层发生错动，导致油水井套管大面积套损。同时，应用该项技术，还可以实时测量储层的温度变化，根据温度的变化，判定储层吸入或产出流体特征，为油田开发提供指导意见。

参考文献

[1]李玉峰.地应力及其在地下工程中的应用[J].企业技术开发，2004，23（7）：16-18

[2]陈庆宣，王维囊，孙叶，等.岩石力学与构造应力场分析[M].北京：地质出版社，1998.

[3]谭成轩，孙炜锋.孙叶，等.地应力测量及其地下工程应用的思考[J].地质学报，2006，80（10）：1627-1632

[4] Bulletin on Formulas and Calculations for Casing，Ttubing，DrillPIPe，and Line Pipe ProPerties.API BULLETIN50，6th Edition，1994.

[5]谢荣华，刘继生，张月秋，等.检查套管损坏的电磁探伤测井方法及应用[J].测井技术，2003，27（3）：242-246.

[6]刘积松，淮城油田注水井套管损坏趋势预测[J].断块油气田，1994.

摘 要：地应力监测是油田开发过程中一项十分重要的工作。传统的方法主要是采用声波信息、井径信息、工程信息等加以判断，这些信息所包含的地应力信息非常有限，而且提取难度大，误差较大。有些方法是在地应力发生改变，造成重大经济损失以后才能进行。本研究所采用的分布式光纤地应力传感系统，随完井套管一起下入井内，并固化到水泥当中，将能够实时监测地应力的变化，对地应力发生明显改变的井区，采取相应的调整措施，减少套损的发生。

主题词：地应力；套损；分布式光纤；油水井

1 引言

地应力[1-3]是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，广义上也指地球体内的应力。在油田开发过程中，尤其是注水开发的油田，由于注入水的温度与地层温度明显不同，造成吸水储集层与围岩的温度产生明显差异，导致岩体发生膨胀或收缩现象，产生地应力异常[4-6]；其次，注入水的矿化度与原始水的矿化度差异较大，地层原有的应力平衡也会发生改变；第三，由于在开发过程中，井间泄压不平衡也会造成地应力的变化等等。当地应力变化较大时，油水井套管将会产生变形或错断，形成套损，严重影响油田生产的正常进行，造成巨大的经济损失。因此，地应力监测对于油田开发而言，至关重要。采用上诉各种方法虽然在一定意义上能够实现对地应力的测量，但这些方法多数都是点测，并且只是瞬时测量，而且测量成本较高。而采用光纤应力传感器技术，能够很好地解决上述问题。不但实现沿井轴剖面的地应力连续测量，而且可以实时测量，时刻监测地层应力变化，以减少套损的发生，为油田开发方案调整提供指导意见，并且监测成本很低。

随着油田开发的不断进行，地层中的流体不断被采出，储层的物理性质在不断地发生变化，导致地层的原有地应力场被破坏，地层发生错动，造成套管损坏。套损影响了油田的正常开发，造成了严重的损失。在套损防治中，能及时地发现潜在的套管损坏-套损预测，并采取有效的预防措施，对油田的可持续开发具有重大的工程和经济意义。

2 分布式光纤应力传感器监测地应力

为了减少由于地应力的变化造成油水井套损，给油田带来的巨大损失，需要实时连续监测钻井剖面中任一深度处地层地应力的大小，在地应力达到或接近套管发生变形或错断之前，采取措施，减小地应力进一步增大。目前所用的地应力测量方法，绝大多数都是定点测量，并且是瞬时测量，无法做到沿钻井剖面任一深度处的实时测量。而分布式光纤地应力传感器，则能够很较好地解决这一问题。

2.1 地应力定位

让线偏振光进入单模保偏光纤的HE 模式中，经深度L后将存在群时延差 ：

（1）

式中？茁x、？茁y分别为HE■■、HE■■的传播常数，当？子1>？子c（？子c为光源的相干时间）时，两模将不能干涉，若使两模的光经迈克尔逊干涉仪产生一个新的时延：

（2）

式中△L为迈克尔逊两臂程差，c为真空中光速，则当两模的总时延？子=？子1-？子1=（■-■）L-2（■）<？子c时出现两模的干涉。此时，干涉信号最大。又由单模光纤的单位长度的群时延时差

（3）

（4）

式中：n为纤芯折射率；B为光纤的归一化双折射率，B=■（？茁表示？茁x和？茁y之间的平均值）。将式（4）代人式（3）可得

（5）

由此测出△L ，即知L。对地应力作用点测试的空间位置分辨率RS由光源的相干长度L和B决定，即有

（6）

其中：？姿0为光源的中心波长；△？姿为光源的光谱宽度。在本设计中，？姿0=1.3？滋m，△？姿=40nm，因此对地应力测试点的空间位置分辨率可达到8 cm。

2.2 测量地应力大小

设光纤中传输光的时变解析信号为f（t），其功率谱密度函数为高斯分布

（7）

式中：△？棕为光源光谱半宽；？棕0为光源的中心角频率。设检偏器与HE模偏振方向夹角为？琢、k2为功率耦合系数，则探测器上两电场分量为

（8）

由部分相干光理论，探测器上接收光强为

（9）

式中 ，k1、k2分别为

（10）

令？酌（？子）为复相干度，可由功率谱密度I（？棕）求得

（11）

（12）

可由？酌（？子）求得相位a（？子）=0，则

（13）

与干涉有关的项为

（14）

由光弹理论和弹性力学理论可得

（15）

可见k与地应力扰动的大小有关，除此之外，k还与地应力的扰动长度d、角度？兹？茁等有关。式（15）中c1、c2为受力单元正面和侧面的光弹常数，b为光纤横截面半径。

3 实验模拟结果

在对图1 所示的分布式力传感系统的实验研究中，我们采用高双折射光纤作为传感光纤，其双折射率B=4.38×104（实测值），纤芯折射率n=1.4675。采用宽带多纵模半导体激光器作为光源，光源中心波长为？姿0=1.3？滋m。为了直接研究传感光纤在受外力扰动下的基本传感特性，实验对裸光纤直接加力进行实验，光纤的总长度约150m。图3表示了分别对光纤上z=50m、z=87m位置处的两个压力点的测试结果。从图中可以看出，分布式光纤地应力传感器对应力响应非常敏感，而且采用公式（3-3）～（3-5）对所受应力的位置判断基本准确。运用该套技术，对油田油水井的实际状况，建立生产井固井与光纤分布关系示意图。完井时，将光纤同套管一起下入井中，固井时，光纤连同套管一起固化到水泥中，水泥与地层紧密胶结在一起。当地层中的地应力发生变化时，水泥中的光纤就会感受到，这样我们就可以实时监测到地应力的变化，从而调整注采方案，防止地应力变化过大，造成套损的发生。

4 结束语

文章应用高双折射光纤受外力扰动作用下的模式耦合特性，研究了一种应用于油田地应力监测的分布式光纤地应力传感系统。这种方法具有输出信号强、信噪比高、信号处理简单的特点，进一步深化研究后可用于监测石油开发过程中，由于储层流体的采出和注入以及构造运动等，造成地层的地应力变化，地层发生错动，导致油水井套管大面积套损。同时，应用该项技术，还可以实时测量储层的温度变化，根据温度的变化，判定储层吸入或产出流体特征，为油田开发提供指导意见。

参考文献

[1]李玉峰.地应力及其在地下工程中的应用[J].企业技术开发，2004，23（7）：16-18

[2]陈庆宣，王维囊，孙叶，等.岩石力学与构造应力场分析[M].北京：地质出版社，1998.

[3]谭成轩，孙炜锋.孙叶，等.地应力测量及其地下工程应用的思考[J].地质学报，2006，80（10）：1627-1632

[4] Bulletin on Formulas and Calculations for Casing，Ttubing，DrillPIPe，and Line Pipe ProPerties.API BULLETIN50，6th Edition，1994.

[5]谢荣华，刘继生，张月秋，等.检查套管损坏的电磁探伤测井方法及应用[J].测井技术，2003，27（3）：242-246.

[6]刘积松，淮城油田注水井套管损坏趋势预测[J].断块油气田，1994.

摘 要：地应力监测是油田开发过程中一项十分重要的工作。传统的方法主要是采用声波信息、井径信息、工程信息等加以判断，这些信息所包含的地应力信息非常有限，而且提取难度大，误差较大。有些方法是在地应力发生改变，造成重大经济损失以后才能进行。本研究所采用的分布式光纤地应力传感系统，随完井套管一起下入井内，并固化到水泥当中，将能够实时监测地应力的变化，对地应力发生明显改变的井区，采取相应的调整措施，减少套损的发生。

主题词：地应力；套损；分布式光纤；油水井

1 引言

地应力[1-3]是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，广义上也指地球体内的应力。在油田开发过程中，尤其是注水开发的油田，由于注入水的温度与地层温度明显不同，造成吸水储集层与围岩的温度产生明显差异，导致岩体发生膨胀或收缩现象，产生地应力异常[4-6]；其次，注入水的矿化度与原始水的矿化度差异较大，地层原有的应力平衡也会发生改变；第三，由于在开发过程中，井间泄压不平衡也会造成地应力的变化等等。当地应力变化较大时，油水井套管将会产生变形或错断，形成套损，严重影响油田生产的正常进行，造成巨大的经济损失。因此，地应力监测对于油田开发而言，至关重要。采用上诉各种方法虽然在一定意义上能够实现对地应力的测量，但这些方法多数都是点测，并且只是瞬时测量，而且测量成本较高。而采用光纤应力传感器技术，能够很好地解决上述问题。不但实现沿井轴剖面的地应力连续测量，而且可以实时测量，时刻监测地层应力变化，以减少套损的发生，为油田开发方案调整提供指导意见，并且监测成本很低。

随着油田开发的不断进行，地层中的流体不断被采出，储层的物理性质在不断地发生变化，导致地层的原有地应力场被破坏，地层发生错动，造成套管损坏。套损影响了油田的正常开发，造成了严重的损失。在套损防治中，能及时地发现潜在的套管损坏-套损预测，并采取有效的预防措施，对油田的可持续开发具有重大的工程和经济意义。

2 分布式光纤应力传感器监测地应力

为了减少由于地应力的变化造成油水井套损，给油田带来的巨大损失，需要实时连续监测钻井剖面中任一深度处地层地应力的大小，在地应力达到或接近套管发生变形或错断之前，采取措施，减小地应力进一步增大。目前所用的地应力测量方法，绝大多数都是定点测量，并且是瞬时测量，无法做到沿钻井剖面任一深度处的实时测量。而分布式光纤地应力传感器，则能够很较好地解决这一问题。

2.1 地应力定位

让线偏振光进入单模保偏光纤的HE 模式中，经深度L后将存在群时延差 ：

（1）

式中？茁x、？茁y分别为HE■■、HE■■的传播常数，当？子1>？子c（？子c为光源的相干时间）时，两模将不能干涉，若使两模的光经迈克尔逊干涉仪产生一个新的时延：

（2）

式中△L为迈克尔逊两臂程差，c为真空中光速，则当两模的总时延？子=？子1-？子1=（■-■）L-2（■）<？子c时出现两模的干涉。此时，干涉信号最大。又由单模光纤的单位长度的群时延时差

（3）

（4）

式中：n为纤芯折射率；B为光纤的归一化双折射率，B=■（？茁表示？茁x和？茁y之间的平均值）。将式（4）代人式（3）可得

（5）

由此测出△L ，即知L。对地应力作用点测试的空间位置分辨率RS由光源的相干长度L和B决定，即有

（6）

其中：？姿0为光源的中心波长；△？姿为光源的光谱宽度。在本设计中，？姿0=1.3？滋m，△？姿=40nm，因此对地应力测试点的空间位置分辨率可达到8 cm。

2.2 测量地应力大小

设光纤中传输光的时变解析信号为f（t），其功率谱密度函数为高斯分布

（7）

式中：△？棕为光源光谱半宽；？棕0为光源的中心角频率。设检偏器与HE模偏振方向夹角为？琢、k2为功率耦合系数，则探测器上两电场分量为

（8）

由部分相干光理论，探测器上接收光强为

（9）

式中 ，k1、k2分别为

（10）

令？酌（？子）为复相干度，可由功率谱密度I（？棕）求得

（11）

（12）

可由？酌（？子）求得相位a（？子）=0，则

（13）

与干涉有关的项为

（14）

由光弹理论和弹性力学理论可得

（15）

可见k与地应力扰动的大小有关，除此之外，k还与地应力的扰动长度d、角度？兹？茁等有关。式（15）中c1、c2为受力单元正面和侧面的光弹常数，b为光纤横截面半径。

3 实验模拟结果

在对图1 所示的分布式力传感系统的实验研究中，我们采用高双折射光纤作为传感光纤，其双折射率B=4.38×104（实测值），纤芯折射率n=1.4675。采用宽带多纵模半导体激光器作为光源，光源中心波长为？姿0=1.3？滋m。为了直接研究传感光纤在受外力扰动下的基本传感特性，实验对裸光纤直接加力进行实验，光纤的总长度约150m。图3表示了分别对光纤上z=50m、z=87m位置处的两个压力点的测试结果。从图中可以看出，分布式光纤地应力传感器对应力响应非常敏感，而且采用公式（3-3）～（3-5）对所受应力的位置判断基本准确。运用该套技术，对油田油水井的实际状况，建立生产井固井与光纤分布关系示意图。完井时，将光纤同套管一起下入井中，固井时，光纤连同套管一起固化到水泥中，水泥与地层紧密胶结在一起。当地层中的地应力发生变化时，水泥中的光纤就会感受到，这样我们就可以实时监测到地应力的变化，从而调整注采方案，防止地应力变化过大，造成套损的发生。

4 结束语

文章应用高双折射光纤受外力扰动作用下的模式耦合特性，研究了一种应用于油田地应力监测的分布式光纤地应力传感系统。这种方法具有输出信号强、信噪比高、信号处理简单的特点，进一步深化研究后可用于监测石油开发过程中，由于储层流体的采出和注入以及构造运动等，造成地层的地应力变化，地层发生错动，导致油水井套管大面积套损。同时，应用该项技术，还可以实时测量储层的温度变化，根据温度的变化，判定储层吸入或产出流体特征，为油田开发提供指导意见。

参考文献

[1]李玉峰.地应力及其在地下工程中的应用[J].企业技术开发，2004，23（7）：16-18

[2]陈庆宣，王维囊，孙叶，等.岩石力学与构造应力场分析[M].北京：地质出版社，1998.

[3]谭成轩，孙炜锋.孙叶，等.地应力测量及其地下工程应用的思考[J].地质学报，2006，80（10）：1627-1632

[4] Bulletin on Formulas and Calculations for Casing，Ttubing，DrillPIPe，and Line Pipe ProPerties.API BULLETIN50，6th Edition，1994.

[5]谢荣华，刘继生，张月秋，等.检查套管损坏的电磁探伤测井方法及应用[J].测井技术，2003，27（3）：242-246.

[6]刘积松，淮城油田注水井套管损坏趋势预测[J].断块油气田，1994.