油井井下产液剖面的光纤在线测量系统及方法与流程

本发明涉及多相流流量剖面的测量，特别是涉及到一种油井井下产液剖面的光纤在线测量系统及方法。

背景技术：

1、传统生产剖面测试方法是根据地球岩层的导电特性、电化学特性、放射性以及声学特性等物理特性测量各种所需参数进行测量。利用产液剖面的五种参数(产出流量、含水率、井温、磁定位和压力)来测井能有效地对高含水层进行堵水作业，还能对低产层实施挖潜改造。另外，在工程检测方面、对油田开发利用效果的分析以及油井生产状态的判断上都有着极大的应用。垂直井测井依靠仪器及电缆的重力下放到测量井段，水平井测井需要井下牵引器将仪器输送到测量井段。

2、目前根据油井的举升方式分为3种测井工艺：(1)自喷水平井产液剖面测井工艺。将仪器通过油管下放到造斜段，再利用井下乖引器将仪器送到目的层段，在正常生产状况下上提电缆进行测井。该工艺简单、快捷。(2)抽油机举升的水平井产液剖面测井工艺。该工艺的优点是可以实现低产液量井水平井产液剖面的测量，市场应用广泛；缺点是测井工艺复杂，更换仪器困难，测井成本较高。(3)电泵举升的水平井产液剖面测井工艺。采用气举法水平井产液剖衙测井工艺，即利用气举管柱作为测试通道，水平段利用牵引器输送。该工艺的优点是测井成功率较高，缺点是测井成本高。

3、一种廉价的非侵入式流量计的解决方案，称为虚拟流量计，也可用于多相流估计。虚拟流量计将来自现有传感器的压力、温度和其他过程控制数据与多相流模型相结合，以估计流体流速。然而，虚拟流量计需要广泛的参数调整和有源传感器校准。由于井下环境的复杂性和变量的千变万化，虚拟流量计的参数整定变得非常复杂。因此，虚拟流量计作为多相流量计解决方案尚未得到广泛应用。

4、在油井生产过程中，知道流体从井筒哪个位置产出以及产出的流体类型对于生产管理特别是在水平井的生产管理至关重要。光纤感应监控技术从1993年在荷兰第一次有油井引入用以测量单点的压力和温度算起已在油田中应用了20多年。现在所有海上井都装有永久式井内光纤感应系统，这在国外已成为行业规范。并且陆上井加装光纤系统的油井数量与日俱增。不同类型的光纤技术应用在不同环境的井中。从只有光纤末端的单点传感测量，到一列装在井筒的不同深度的类分布式点式传感器测量，再到一个完全分散在光纤上的传感测量。

5、光纤光缆在井筒中永久布设后，能立即提供一组温度、振动、应变等分布的测量数据，从而成为井筒的传感神经。智能井筒具有实时监测、先进的数据分析和及时的洞察能力，通过监测到的井下流体流动参数的变化，可对井筒流动的水/气突破、一定深度区间内的流体相或速率变化等重大变化向操作人员提供自动报警。任何湍流流体都会产生一种可听的声音，这种声音可以在井眼的单个位置或多个位置用灵敏水听器记录下来。自mckinley和bower(1979)证明其实用性以来，石油和天然气工业中的定量噪声测井分析已经成为可能。van der horstet al.2014、chen et al.2015一种能够将光纤电缆用作分布式声学传感器阵列的技术的出现引发了人们对在生产和其他过程中使用噪声测井实时监测井眼的兴趣。尽管许多公司推广基于分布式声学传感(das)的各种商业服务，但仍没有一种广泛应用的、成熟的技术来定量表征井筒中的流体流动参数。

6、通常，不同的流体具有特定的音质范围。比如，产气的声音信号通常处于高频区域，而产液处于低频区域，产油的频率低于产水。根据这个特性，利用das技术可以实现流动剖面的监测。但当油气水多相混合生产时，其解释工作将变得非常复杂。如果能建立与各种流态对应的声音数据库，则可以准确地确定来自各个射孔孔眼的流量及相组成，从而获得油井生产的流动剖面，这对于判断水气突破的位置、实时控制各井段生产具有重要意义。此外，在注水井、注气井中，das技术利用声音信号同样也能监测各射孔井段的注入剖面。

7、分布式声波传感器系统在石油工业有广泛的应用前景。das的应用包括整个井身的流动剖面测试、蒸汽辅助重力排放测定、注入剖面测试、垂向微地震剖面测量等。井眼中的das数据和流量通过多个物理关系阶段相关，这些物理关系取决于与地层、井筒、流体流动和光纤相关的各种参数。井筒中多相流体流动复杂，因此建模求解极富挑战。分布式光纤传感器正受到越来越多的关注。传感器由无源光纤和位于光线一端的询问器单元组成。这种系统能够在安装光纤电缆的每个位置测量参数。它们已被开发用于测量温度、压力、声学甚至化学参数，例如湿度和油的分散状态。传感器的工作原理是使用询问器将激光脉冲与光纤一起发送。当光脉冲传播时，它们以几种不同的方式与玻璃纤维相互作用，从而产生三种不同类型的散射光(传播回到询问器)，称为瑞利散射拉曼散射和布里渊散射。每种背向散射类型都可以通过其频率含量来区分，并受不同物理参数的影响，形成了不同分布式传感器(ds)的基础，如分布式温度传感器(dts)和分布式声传感器(das)。分布式光纤声波检测系统(di stributed acoust ic sens ing，das)是目前最前沿的光纤声波检测技术，其特点是把通讯光纤同时作为信号传输介质和传感媒介，不需要另外连接传感器，只需在光纤一端连接测试仪器，就能够检测出沿光纤的声场连续分布。

8、光纤声波测试技术利用光纤本身作为传感器进行信号采集,凭借其高密度、全井段、高效、耐高温高压等优势，成为一项重要的新兴油藏监测技术。目前油田光纤声波测试技术已经在压裂裂缝监测及识别中进行了应用，取得了一定认识，但针对油田正常生产的油井，如何在油井产液、井筒有管柱的条件下实现弱振动信号采集、识别、解释仍然面临较大的挑战，尤其是缺乏成熟的光纤声波流量数据的理论模型和解释软件。

9、在申请号：cn202110531730.4的中国专利申请中，涉及到基于分布式光纤水听器的井下流体监测系统及监测方法，把声敏热敏传感铠装光缆用金属卡子捆绑在垂直井、斜井或水平井的油气管外侧，构建了一个对油气生产井或注水井进行产液剖面或吸水剖面测量和长期动态监测系统的井下传感单元，加上井口附近的das和dts调制解调仪器，共同组成井下产液剖面或吸水剖面测量和流体分布动态监测系统，对油气生产井或注水井的产液剖面或吸水剖面进行长期动态监测。该发明为低成本、高精度、高可靠性的井下流体分布动态综合监测方法，便于在垂直井或水平井中测量和监测产液剖面或吸水剖面及其变化。

10、在申请号：cn201910640346.0的中国专利申请中，涉及到一种基于分布式光纤声音监测和分布式光纤温度监测的生产剖面监测方法，对单模感声光纤反射回来的声音信号和多模感温光纤反射回来的温度信号利用dts/das注采井生产剖面解释模块进行处理，最终得到注采井各生产层段的实时流量和含水情况。该发明相比于现有的生产剖面测试技术而言，采用本发明中的生产剖面监测方法可以完成“一次入井作业实现全井段生产剖面测试”；可以实现注采井生产剖面的实时、长期或临时监测；可以实时获得各生产井段的流量、含水参数；可以实时判断各井段的生产贡献情况；可以实时评价注采井井下作业措施以及生产参数调整的生产效果。

11、在申请号：cn201910640705.2的中国专利申请中，涉及到一种基于分布式光纤声音、温度监测的井筒生产剖面监测模拟实验装置，包括：分布式光纤声音、温度监测集成系统、井筒与储层模拟系统、供液与控制系统和集液系统；所述分布式光纤声音、温度监测集成系统通过管外光缆和管内光缆与井筒与储层模拟系统相连；在所述井筒与储层模拟系统的轴向外壁上对称设置有左侧流体入口和右侧流体入口分别与所述供液系统相连；所述集液系统通过排液管线与井筒与储层模拟系统相连。该发明实现模拟多层段直井、水平井、多分支井以及斜井的生产剖面连续、实时的产液状况监测，还可以模拟不同液量、不同含水率、不同温度和不同生产层位情况下井筒生产的温度和声音响应情况，为井筒生产剖面测试提供技术思路。

12、在申请号：cn201810521146.9的中国专利申请中，涉及到一种生产井产剖测井的测量工艺，包括步骤：井筒准备；工具测试；施工设备安装；安装节箍保护器及光缆保护器；安装光缆穿越封隔器；高压动态打压试验和光缆信号检测；段管柱入井和光缆固定安装；光缆穿入；光缆接续及地面设备安装调试；光缆采集数据，检测设备分析处理数据，确认井下液面状态。该发明保证了数据采集的可靠性和精准性；不受外部环境的限制，保证获得完整真实的数据；实现对各种现有孔径生产井在不破坏生产井自身的基础上完成测量；不对生产井自身产生影响，在便于施工的同时还可以降低施工成本；一次施工既可以实现连续油管全井筒测井，实现生产井全生命周期监测；能够实现高温或高含硫生产测井等特殊生产井的检测。

13、以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的油井井下产液剖面的光纤在线测量系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种通过建立井筒-油藏模型，得到了基于光纤声波的流量剖面解释方法，形成油井产液流量监测及解释技术的油井井下产液剖面的光纤在线测量系统及方法。

2、本发明的目的可通过如下技术措施来实现：油井井下产液剖面的光纤在线测量系统，该油井井下产液剖面的光纤在线测量系统包括das信号处理器、光纤及光缆固定扶正器，该光纤在地面上与该das信号处理器连接，通过井口下入井筒中，该光纤通过该光缆固定扶正器固定在抽油泵及管柱外侧，下入到油层的底部，将采集的声波数据信号传回地面的该das信号处理器进行收集处理。

3、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

4、该油井井下产液剖面的光纤在线测量系统还包括热敏封隔器，该光纤穿过该热敏封隔器直至下入到油层的底部。

5、该光纤固定在套管外侧进行测量，套管外侧是固井水泥。

6、在套管完井的情况下，该光纤固定在油管外侧进行测量。

7、油管内的生产管柱增加了文丘里喷嘴或孔板，来增益信号的强度，生产管柱内的主要情况通过射孔孔眼或筛管网眼传播到该光纤，该光纤再将增益后的信号传播到地面的该das信号处理器。

8、该das信号处理器将收集的声波数据信号处理成标准化的声波信号，通过减去相邻信号，再进行二维的傅里叶函数变换，经过二维的傅里叶函数变换后，进行分析计算形成声速估计，通过声速估计与流速估计关系，最终形成流速估计。

9、该das信号处理器在进行分析计算形成声速估计时，通过阈值滤波器，去除背景噪音，再进行互相关，最后形成声速估计。

10、该das信号处理器在进行分析计算形成声速估计时，通过k-means聚类分析方法进行信号的边缘检测，经过边缘检测后的声波信号，再通过霍夫变换形成声速估计。

11、该das信号处理器在进行分析计算形成声速估计时，经过二维的傅里叶函数变换处理后的声波信号进行径向积分，通过径向积分形成声速估计。

12、该das信号处理器将采集到的声波测试信号进行不同频率段的数据筛选，将筛选出不同区间的频率能量进行计算。根据频带能量与流量的关系，换算出流量的大小，进而可以分析油井井下产液剖面的实际情况。

13、本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：油井井下产液剖面的光纤在线测量方法，该油井井下产液剖面的光纤在线测量方法采用了油井井下产液剖面的光纤在线测量系统，包括：

14、步骤1：将光纤通过井口下入井筒中，并下入到油层的底部；

15、步骤2:将光纤从井筒中引出，穿越井口后与地面的das信号处理器相连；

16、步骤3:启动das信号处理器，开井生产；

17、步骤4:将采集到的声波数据信号通过das信号处理器进行收集存储；

18、步骤5:das信号处理器将采集的声振动信号进行分析。

19、本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

20、该油井井下产液剖面的光纤在线测量方法还包括，在步骤1之前，按照油井井下产液剖面的光纤在线测量工艺确定测试生产管柱，根据生产测试要求确定光纤的下入位置，结合测试生产管柱的长度来确定光纤的长度，确保光纤的长度能够延伸到井口，并与地面的das信号处理器相连。

21、在步骤1，光纤在下入过程中需要通过光缆扶正器固定在抽油泵及管柱外侧，并通过穿越器穿过热敏封隔器直至下入到油层的底部。

22、在步骤4，观察das信号处理器中计算机控制与显示系统上所显示的声波数据，将采集到的声波数据信号通过das信号处理器进行收集存储。

23、在步骤5，das信号处理器将收集的声波数据信号处理成标准化的声波信号，通过减去相邻信号，再进行二维的傅里叶函数变换，经过二维的傅里叶函数变换后，进行分析计算形成声速估计，通过声速估计与流速估计关系，最终形成流速估计。

24、在步骤5，das信号处理器在进行分析计算形成声速估计时，通过阈值滤波器，去除背景噪音，再进行互相关，最后形成声速估计。

25、在步骤5，das信号处理器在进行分析计算形成声速估计时，通过k-means聚类分析方法进行信号的边缘检测，经过边缘检测后的声波信号，再通过霍夫变换形成声速估计。

26、在步骤5，das信号处理器在进行分析计算形成声速估计时，经过二维的傅里叶函数变换处理后的声波信号进行径向积分，通过径向积分形成声速估计。

27、在步骤5，das信号处理器将采集到的声波测试信号进行不同频率段的数据筛选，将筛选出不同区间的频率能量进行计算。根据频带能量与流量的关系，换算出流量的大小，进而可以分析油井井下产液剖面的实际情况。

28、本发明中的油井井下产液剖面的光纤在线测量系统及方法，开展光纤声波测试解释技术研究，通过室内实验，分析不同流量、含水条件下的声波响应规律，确定了产液流量、含水与声波特征值的关系，通过建立井筒-油藏模型，得到了基于光纤声波的流量剖面解释方法，形成油井产液流量监测及解释技术，实现了油井全生命周期监测和动态调整提供技术支撑。

29、本发明具有以下优点及特点：光纤声波测试技术利用光纤本身作为传感器进行信号采集,凭借其高密度、全井段、高效、耐高温高压等优势，成为一项重要的新兴油藏监测技术。目前油田光纤声波测试技术已经在压裂裂缝监测及识别中进行了应用，取得了一定认识，但针对油田正常生产的油井，如何在油井产液、井筒有管柱的条件下实现弱振动信号采集、识别、解释仍然面临较大的挑战，尤其是缺乏成熟的光纤声波流量数据的理论模型和解释软件。分布式光纤声波检测系统(di str ibuted acoust ic sens ing，das)是目前最前沿的光纤声波检测技术，其特点是把通讯光纤同时作为信号传输介质和传感媒介，不需要另外连接传感器，只需在光纤一端连接测试仪器，就能够检测出沿光纤的声场连续分布。传统的使用振动信号来确定井下流体的运动状态的方法很早就存在，从传感器接收到的信号进行卷积处理，得到信号的频率及波长，进一步计算井筒涡流的流速以及声音在流体中的声速。但这种方法只适用于流量在200方/天以上的油井或者产量在10000方/天以上的气井井况，而对于产量流量低于100方/天油水井，还没有相应的解决办法，本发明结合节流的方式并采用fbe能量累计算法，实现了小流星下的产液剖面的测量。