内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统及数据采集方法与流程

本发明属于测井技术领域，具体涉及一种内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统及数据采集方法。

背景技术：

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

井下光纤传感系统可以用于井下进行压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。目前有多种井下铠装光缆的布设方法，比如安放在井下控制管线内、投放到连续油管内、直接集成到复合材料制成的连续油管管壁中、捆绑固定在油管外侧、投放在套管内和捆绑在套管外并用固井水泥进行永久性固定等布设方法。

当铠装光缆捆绑固定在垂直井、斜井或水平井的套管外侧并用固井水泥永久性固定后，如果要在储层段进行射孔作业，则需要探测铠装光缆在套管外的不同深度位置的具体地理方位，在射孔时采用定向射孔技术，在射孔段避开套管外的铠装光缆。

英国silixa公司利用声学原理，在铠装光缆旁边安放一个由电池驱动的声音发生器，在电池的驱动下定时发出声音信号，然后将铠装光缆的首端连接到放置在井口的分布式光纤声波传感(das)调制解调仪器上，通过测量沿井下铠装光缆分布的声波信号，通过计算井下声音发生器在井下的深度位置和地理方位，可以基本上确定安放在井下声音发生器旁边的铠装光缆在井下的具体深度位置和地理方位。

虽然silixa公司利用井下声音发生器能够基本上确定井下铠装光缆在声音发生器安装点的具体深度位置和地理方位，但是有以下几点缺点：(1)井下声音发生器里面的电池容量有限，只能连续工作30天左右，一旦电池的电能耗尽，井下声音发生器将立即停止工作。因为井下声音发生器与铠装光缆同时被固井水泥永久性的固定在了套管外，无法给声音发生器进行充电或更换电池，井下声音发生器将永久性失效。一旦因为井下固井或完井作业超过30天，则无法利用井下声音发生器来测定套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位；(2)井下声音发生器成本较高，如果沿铠装光缆布设密集的声音发生器，则会造成井下装备成本太高；(3)如果沿铠装光缆布设的声音发生器太少，虽然可以降低井下装备的总体成本，但是对每两个井下声音发生器之间的铠装光缆的定位和定向将会出现较大的误差或无法定位定向。

中国发明专利申请“套管外铠装光缆定位定向系统及其数据采集方法”(201910618067.4)提供一种套管外铠装光缆定位定向系统及其数据采集方法，金属套管外布设铠装光缆；所述的铠装光缆外部设有永磁体；井下磁性探测仪器通过铠装测井电缆与井口地面测井车连接，井口地面测井车通过铠装测井电缆控制井下磁性探测仪器；井下磁性探测仪器包括陀螺仪、三分量磁场传感器。本发明采用带有永磁体的铠装光缆，在金属套管内使用陀螺仪和三分量磁场传感器探测永磁体具体深度位置和地理方位，从而确定铠装光缆沿套管延伸的具体深度位置和地理方位，以保证在直井、斜井和水平井的套管外侧安装的永久性铠装光缆不会在射孔时被射孔弹射断。此方法虽然简单易行，但是如果在安装井下套管和铠装光缆的过程中，不小心造成了永磁体和铠装光缆的分离，或者永磁材料在井下的高温高压环境下发生了退磁现象，会造成井下磁力探测仪器无法准确的探测套管外铠装光缆的位置和地理方位。

中国发明专利申请“基于电磁感应的套管外铠装光缆定向系统及数据采集方法”(201910844751.4)提供了一种基于电磁感应的套管外铠装光缆定向系统及数据采集方法，金属套管外布设铠装光缆；铠装光缆采用连续金属细管和外包的绝缘材料细管封装单模或多模或特种光纤；在井口处给连续金属细管加载交流电；井口地面测井车通过铠装测井电缆控制井下三分量电磁感应探测仪器；井下三分量电磁感应探测仪器包括陀螺仪、三分量感应磁场传感器。本发明采用对连续金属细管上加载交流电使其产生交变感应磁场，通过陀螺仪和三分量感应磁场传感器探测沿铠装光缆分布的感应磁场，从而确定铠装光缆沿套管延伸的具体深度位置和地理方位，以保证在直井、斜井和水平井的套管外侧安装的永久性铠装光缆不会在射孔时被射孔弹射断。此方法虽然简单易行，但是因为沿铠装光缆分布的交变感应磁场，会在金属套管内产生感应电流，此感应电流又会在金属套管周围产生交变感应磁场，此套管周围产生的交变感应磁场会与铠装光缆周围的交变磁场相互叠加，干扰并改变沿铠装光缆分布的交变感应磁场，其结果会造成井下磁力探测仪器无法准确的探测套管外铠装光缆的位置和地理方位。

技术实现要素：

为了保证在直井、斜井和水平井的套管外侧安装的永久性铠装光缆不会在射孔时被射孔弹射断，需要在实施定向射孔前事先测量好套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位，为定向射孔作业提供避射井段铠装光缆的具体深度和地理方位数据。鉴于现有的利用铠装光缆旁边安置声音发生器或永久性磁性材料、或者利用给铠装光缆内保护光纤的不锈钢管供给交流电以生产感应磁场来探测套管外铠装光缆位置和地理方位的缺点，需要一种低成本、高精度、高可靠性探测套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位的方法和技术。本发明提出了采用在井下射孔枪上部安装一个可控声源，通过地面测井车控制射孔枪内内置的可控声源连续发射固定频率和固定振幅的声波信号，同时启动井口附近连接套管外铠装光缆的das仪器连续记录射孔枪内置可控声源发射的声波信号，根据地面das仪器测量到的井下铠装光缆内射孔枪内置可控声源信号的强弱程度来判断射孔枪内置可控声源内的压电晶体声源发生器相对铠装光缆的位置与方位，然后根据射孔枪内置陀螺仪提供的射孔枪方位姿态数据，测量出套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位，为定向射孔作业提供避射井段铠装光缆的具体深度和地理方位数据。也可以在射孔前用此方法测量好射孔井段套管外铠装光缆的方位，从地面直接控制调整射孔枪的避射方位与套管外铠装光缆的方位一致，然后启动定向射孔枪射开套管外没有铠装光缆的套管部位。

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了采用在井下射孔枪上部安装一个可控声源，通过地面测井车控制射孔枪内内置的可控声源连续发射固定频率和固定振幅的声波信号，根据地面das仪器测量到的井下铠装光缆内射孔枪内置可控声源信号的强弱程度来判断射孔枪内置可控声源内的压电晶体声源发生器相对铠装光缆的位置与方位，然后根据射孔枪内置陀螺仪提供的射孔枪方位姿态数据，测量出套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位，为定向射孔作业提供避射井段铠装光缆的具体深度和地理方位的定向系统和方法。

为实现上述目的，本发明提供一种内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统，包括金属套管、井口地面测井车、井口安放的连接套管外铠装光缆的das仪器、井下带内置可控声源的射孔枪、金属套管外布设的铠装光缆。

所述的井下内置可控声源的射孔枪通过铠装测井电缆与井口地面测井车连接，井口地面测井车通过铠装测井电缆控制井下带内置可控声源的射孔枪；地面井口附近同时安放连接套管外铠装光缆的das仪器；所述的井下内置可控声源的射孔枪包括采用金属或复合材料制造的耐高温耐高压外壳，内部包括沿射孔枪体分布的各种组合的射孔弹，井下内置可控声源的射孔枪上部安装的内置可控声源。内置可控声源由压电晶体声源发生器和声源驱动电路组成，压电晶体声源发生器和声源驱动电路分别安装在内置可控声源体内部的两侧，压电晶体声源发生器不位于内置可控声源体的中心部位。

井下内置可控声源的射孔枪内还包括陀螺仪，所述陀螺仪可以为机械陀螺仪，或者是电子陀螺仪，或者是光纤陀螺仪。

还包括放大及模数转换模块、数据存储模块和数据遥传模块，分别对陀螺仪传感器信号进行放大、模数转换、存储和数据遥传，井下内置可控声源的射孔枪在作业时同步向地面测井车里面的控制和记录计算机系统实时传输仪器采集的射孔枪陀螺仪三分量姿态数据。

放大及模数转换模块的多通道信号放大器为低噪声低频放大器，多通道模数转换器模块为采样率为4000hz的32位模数转换器。数据存储模块为多通道耐高温固态存储器。

所述的铠装光缆系采用连续金属细管和外包铠装不锈钢丝封装单模或多模或特种光纤来制作的铠装光缆。

还包括环形金属卡子，所述的环形金属卡子安装固定在两根金属套管相连接的金属套管靴处，保护铠装光缆在下套管和固井作业时不会移动和/或被损坏。

该内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统的数据采集方法，包括以下步骤：

(a)把金属套管和铠装光缆同步缓慢的下入完钻的井孔里；

(b)、在井口把所述的环形金属卡子安装在两根金属套管的连接处，固定并保护铠装光缆在下套管过程中不会移动和/或被损坏；

(c)用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把金属套管、铠装光缆和地层永久性的固定在一起；

(d)先在井口对下井的井下内置可控声源的射孔枪里面的陀螺仪进行标定，然后将井下内置可控声源的射孔枪从金属套管轴心线处缓慢的下放到预定的射孔井段或井底，将铠装光缆在井口处与放置在井口附近记录井下铠装光缆内声源发射的声波信号的das仪器相连接；

(e)、井口地面测井车发出指令启动内置可控声源发射固定频率和固定振幅的声波信号，同时启动井口附近的das仪器连续记录内置可控声源发射的声波信号，此时缓慢的将井下内置可控声源的射孔枪向上提升；在地面das仪器连续记录内置可控声源发射的声波信号的同时，井下内置可控声源的射孔枪内的陀螺仪则沿着金属套管内壁连续测量井下内置可控声源的射孔枪的实时姿态；测量完成全井段或计划射孔段金属套管内井下内置可控声源的射孔枪的姿态数据(姿态轨迹)后，将井下内置可控声源的射孔枪提出井口；

(f)、对地面das仪器记录的沿套管外铠装光缆分布的内置可控声源发射的声波信号进行声源场强和位置的处理，其最强声源信号指示的方位和位置就是金属套管外侧固定铠装光缆的地理方位和位置；铠装测井电缆在井下的长度就是其测量深度；

(g)、把井下内置可控声源的射孔枪沿金属套管内壁测量到的最强声源场强矢量投影到与井下测量深度相对应的陀螺仪的井轨迹上去，即可以绘制铠装光缆在井下的不同深度位置和其对应的地理方位。

井下内置可控声源的射孔枪的上下方都安装了扶正器，保证井下内置可控声源的射孔枪在作业时一直处于套管的中心位置。井下内置可控声源的射孔枪里面的陀螺仪沿着套管内壁连续测量内置可控声源的射孔枪三分量姿态数据。对地面das仪器记录的沿套管外铠装光缆分布的射孔枪内置可控声源发射的声波信号进行声源场强和位置的处理，其最强声源信号指示的方位和位置就是金属套管外侧固定铠装光缆的地理方位和位置；铠装测井电缆在井下的长度就是其测量深度。把内置可控声源的射孔枪沿金属套管内壁测量到的最强声源场强矢量投影到与井下测量深度相对应的陀螺仪的井轨迹上去，即可以绘制铠装光缆在井下的不同深度位置和其对应的地理方位。

本发明提供的内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统及其数据采集方法，为低成本、高精度、高可靠性探测套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位的方法和技术。本发明提出了采用在井下射孔枪上部安装一个可控声源，通过地面测井车控制射孔枪内内置的可控声源连续发射固定频率和固定振幅的声波信号，根据地面das仪器测量到的井下铠装光缆内射孔枪内置可控声源信号的强弱程度来判断射孔枪内置可控声源内的压电晶体声源发生器相对铠装光缆的位置与方位，然后根据射孔枪内置陀螺仪提供的射孔枪方位姿态数据，测量出套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位，为定向射孔作业提供避射井段铠装光缆的具体深度和地理方位的定向系统和方法。在定向射孔前事先测量出的套管外铠装光缆的具体深度位置和地理方位，可以为定向射孔作业提供避射井段铠装光缆的具体深度和地理方位数据，以保证在直井、斜井和水平井的套管外侧安装的永久性铠装光缆后不会在射孔时被射孔弹射断。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的井下内置可控声源的射孔枪的结构示意图。

图3是本发明的铠装光缆的套管外安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的一种内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统的具体实施方式，如下所示：

实施例1

如图1到图3，内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统，包括金属套管3外布设铠装光缆1、井口地面测井车2、井下内置可控声源的射孔枪5、连接井下内置可控声源射孔枪的套管外铠装光缆定向系统的铠装测井电缆4；铠装光缆1由连续不锈钢细管和外包铠装不锈钢丝封装的单模或多模或特种光纤构成；在铠装光缆1中的光纤连接到放置在井口附近的分布式光纤声波传感调制解调仪器das系统9；铠装光缆1在金属套管3外布设；井下内置可控声源的射孔枪5采用金属或复合材料制造的耐高温耐高压外壳，里面安装有陀螺仪、内置可控声源6，内置可控声源6内部有压电晶体声源发生器7和可控声源驱动电路8，还有对陀螺仪信号进行放大及模数转换的模块、数据存储模块、数据遥传模块；陀螺仪固定在井下内置可控声源的射孔枪5上方；井下内置可控声源的射孔枪5通过铠装测井电缆4与井口地面测井车2连接，井口地面测井车2上的铠装测井电缆4井下内置可控声源的射孔枪5作业及其在井中的深度位置。

内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统，还包括环形金属卡子20，环形金属卡子20安装固定在金属套管3靴处，保护铠装光缆1在下套管过程中不移动和/或被损坏。

为了适应井下高温高压的恶劣环境，井下布设的光缆大都采用了不同材质和不同结构的铠装，其目的是增强下井光纤的耐高温、耐高压、抗拉伸、抗挤压和抗冲击能力，保证其在井下作业时的完整性和通畅性。其中一种比较常用的铠装技术就是把单根或数根耐高温的单模或多模或特种光纤放置到密封的细小不锈钢管里面保护起来。根据井下压力的大小和井下作业过程中的外力强度，有时会在安放有单根或数根耐高温光纤的细小不锈钢管外面套上一层或数层稍大直径的不锈钢管，甚至在数层不锈钢管外面再缠绕上一层或数层铠装不锈钢丝以增强铠装光缆的抗拉伸、抗挤压和抗冲击能力。

实施例提出了采用连续不锈钢细管和外包的铠装不锈钢丝封装的单模或多模或特种光纤来制作铠装光缆1，在井口附近铠装光缆1中的光纤链接到放置在井口附近的分布式光纤声波传感调制解调仪器das系统9，采集井下铠装光缆1内接收到的声波信号。在金属套管3内使用井下内置可控声源的射孔枪5，通过测量沿铠装光缆1分布的可控声源发出的固定频率和固定振幅的声源信号，以及内置可控声源6的压电晶体声源发生器7在金属套管3内的轨迹，通过对das仪器9记录的铠装光缆1内声源信号的场强和其相对应的压电晶体声源发生器7在金属套管3内的轨迹，从而确定金属套管3外永久布设的铠装光缆1沿金属套管3延伸的具体深度位置和地理方位。

通过铠装测井电缆4连接井口地面测井车2和井下内置可控声源的射孔枪5。作业时将井口附近铠装光缆1中的光纤链接到放置在井口附近的分布式光纤声波传感调制解调仪器das系统9，采集井下铠装光缆1内接收到的声波信号。井下内置可控声源的射孔枪5在连续发射固定频率固定振幅声波信号的同时也向井口地面测井车2里面的控制和记录计算机系统实时传输射孔枪采集的三分量陀螺仪数据。

所述陀螺仪可以为机械陀螺仪，或者是电子陀螺仪，或者是光纤陀螺仪。

所述可控声源可以是压电晶体声源信号发生器，也可以是其它远距离可控的声源信号发生器。

井下内置可控声源的射孔枪5的上下方都安装了扶正器，保证井下内置可控声源的射孔枪5在作业时一直处于套管的中心位置。井下内置可控声源的射孔枪5里面的陀螺仪沿着套管内壁连续测量井下内置可控声源的射孔枪5的实时姿态数据。通过地面测井车2控制内置可控声源6连续发射固定频率和固定振幅的声波信号，根据地面das仪器9测量到的井下铠装光缆1内内置可控声源6信号的强弱程度来确定内置可控声源6内的压电晶体声源发生器7相对铠装光缆1的位置与方位，然后根据射孔枪内置陀螺仪提供的射孔枪5方位姿态数据，测量出套管外铠装光缆1的具体深度位置和地理方位，为定向射孔作业提供避射井段铠装光缆的具体深度和地理方位的定向系统和方法。

井下数百到数千米长的连续金属套管3是通过把几十到几百根长度在10米左右的金属套管连续下放到井孔里来实现的。每根长度在10米左右的金属套管底部有直径略大于金属套管3的套管靴，用来把两根金属套管3的首尾固定在一起，同时保证上下两根金属套管3在对接点不会出现偏心或对不齐的现象。为了保护铠装光缆1不会在和金属套管3同时下井的作业过程中被磨损坏或者在套管靴的部位被挤压断或撞断，在每根金属套管靴的位置上安装固定一个环形金属卡子20，用于保护金属套管3外穿过套管靴位置处的铠装光缆1不移动和/或被损坏。

当把铠装光缆1布设到直井、斜井或水平井的金属套管3外侧并且用固井水泥把金属套管3与外侧的铠装光缆1和地层永久固定在一起后，在井口处把铠装光缆1里面的光纤连接到放置在井口附近的分布式光纤声波传感调制解调das仪器9上。通过地面测井车2控制内置可控声源6连续发射固定频率和固定振幅的声波信号，根据地面的das仪器9测量到的井下铠装光缆1内的内置可控声源6信号的强弱程度来判断内置可控声源6内的压电晶体声源发生器7相对铠装光缆1的位置与方位，然后根据陀螺仪提供的井下内置可控声源的射孔枪5方位姿态数据，测量出套管外铠装光缆1的具体深度位置和地理方位。

采用上述内置可控声源的套管外铠装光缆定向系统的数据采集方法，包括以下步骤：

a、采用连续金属细管和外包的不锈钢铠装钢丝封装单模或多模或特种光纤来制作铠装光缆1；

b、把固定在金属套管3外侧的铠装光缆1和金属套管3同步同时缓慢的下入完钻的井孔里；

c、在井口把所述的环形金属卡子20安装在两根金属套管3的连接处，固定并保护铠装光缆1在下套管过程中不会移动和/或被损坏；

d、用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿金属套管3外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，就把金属套管3、铠装光缆1和地层永久性的固定在一起了；

e、先在井口对下井的内置可控声源的射孔枪5里面的陀螺仪进行标定，然后将内置可控声源的射孔枪5从金属套管3轴心线处缓慢的下放到预定的射孔井段或井底，将铠装光缆1在井口处与放置在井口附近记录井下铠装光缆内声源发射的声波信号的das仪器9相连接；

f、井口地面测井车2发出指令启动井下内置可控声源6发射固定频率和固定振幅的声波信号，同时启动井口附近的das仪器9连续记录内置可控声源6发射的声波信号，此时缓慢的将井下内置可控声源的射孔枪5向上提升；在地面的das仪器9连续记录内置可控声源6发射的声波信号的同时，井下内置可控声源的射孔枪5内的陀螺仪则沿着金属套管3内壁连续测量井下内置可控声源的射孔枪5的实时姿态；测量完成全井段或计划射孔段金属套管3内井下内置可控声源的射孔枪5的姿态数据(姿态轨迹)后，将井下内置可控声源的射孔枪5提出井口；

g、对地面das仪器记录的沿套管外铠装光缆1分布的内置可控声源6发射的声波信号进行声源场强和位置的处理，其最强声源信号指示的方位和位置就是金属套管3外侧固定铠装光缆1的地理方位和位置；铠装测井电缆4在井下的长度就是其测量深度；

h、把井下内置可控声源的射孔枪5沿金属套管3内壁测量到的最强声源场强矢量投影到与井下测量深度相对应的陀螺仪的井轨迹上去，即可以绘制铠装光缆1在井下的不同深度位置和其对应的地理方位。

实施例2

实施例2的前部分步骤和实施例1一样，不同之处只是在于实施例2采用的是边测量金属套管33外铠装光缆1的位置与方位，边进行定向射孔作业，实时避开铠装光缆1进行定向射孔。具体实施步骤是在定向射孔作业前用此方法测量好射孔井段金属套管3外铠装光缆1的方位和具体位置，从地面直接控制调整定向内置可控声源的射孔枪5，使定向内置可控声源的射孔枪5的避射方位与金属套管3外铠装光缆1的方位一致，然后启动定向井下内置可控声源的射孔枪5射开套管3外没有铠装光缆1的套管部位。这样依次进行预先设计定向射孔井段的避射作业，直到完成所有预先设计的定向射孔井段为止。