CN111997600A - 一种基于分布式光纤声学振动（das）的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法，属于油气开采技术领域。其包括供液模块、供气模块、DAS系统模块、角度调节稳定模块、模拟管柱和液体循环处理模块。本发明可以模拟水平井生产过程中随井筒角度、流体流入位置、流体类型、流量变化时的井筒内流体流动变化情况。通过模拟实验可以观察到水平井不同生产情况下的井筒任意段流态的变化并能测量出任意段的流速，对比直接观测下的流体状态和DAS数据相结合，从而找到不同流体在各种流态下的流速变化和声学振动规律，并对用分布式光纤测量井底流速和判断井底流体流动状态提供了实验依据，提高水平井井筒流体振动规律的认识和水平井开采的工程效果。
Description
技术领域
本发明属于油气开采技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法。
背景技术
目前随着国际油价走低，油气田开发向着高智能低成本的方向不断发展，随着光纤测试技术的进步越来越多的油气田已经开始部署分布式光纤。分布式光纤传感技术具有其他传感技术无法比拟的优势，既可以作为信息传输的通道，同时具备能够应用在油气田开发过程中的特性，如抗高压，抗腐蚀，无需外部供电，还能利用多普勒效应流速测量原理实现各种空间环境的长距离分布式流速传感等。
由于光纤技术的普遍应用，基于分布式光纤声学(DAS)振动的定性判断已经有较好的发展，但却缺乏定量判断其难点在于实际井筒测试过程中环境干扰严重，缺乏可靠的重复性试验导致对振动规律变化的了解和认识有限。
因此建立一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法用以研究不同条件下水平井筒中的流速流态和振动规律显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法，这套装置能模拟在井筒角度、流体流入位置、流体类型和流量变化时的井筒内流体流动情况，通过控制进液温度提高声学多普勒原理推导流速的精确性，将直接观察和DAS数据相结合，为推测和判断井筒流体流速流态提供实验依据，从而提高对井筒内流体流动认识和水平井整体开采效果。
本次发明主要通过以下的技术方案来实现：一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法，该实验装置包括供液模块，供气模块，模拟管柱，DAS系统模块，液体循环模块和角度调节稳定模块：
本发明涉及一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法，属于油气开采技术领域。其包括供液模块、供气模块、DAS系统模块、角度调节稳定模块、模拟管柱和液体循环处理模块。本发明可以模拟水平井生产过程中随井筒角度、流体流入位置、流体类型、流量变化时的井筒内流体振动变化情况，并且能控制进液温度提高声学多普勒原理推导流速的精确度。通过模拟实验可以得到水平井不同生产情况下的井筒任意段流体流速的变化，对比直接观测下的流体状态和DAS数据相结合，从而找到不同流体在各种流态下的流速和振动规律，并对用分布式光纤测量井底流速和判断井底流体流动状态提供了实验依据，从而提高水平井井筒流体振动规律的认识和水平井开采的工程效果。
供液模块：包括单流阀、恒温水箱、恒流泵、缓冲分流器和液体流量计，目的是稳定地提供固定流量的恒温液体，供液模块通过管线与模拟管柱相连；
供气模块：包括空气压缩机、普通阀、气体增压泵、高压气体储集罐、调压阀、流量控制器、单向阀、注气短节和气体流量计，目的是为模拟管柱提供稳定流量的气体，供气模块通过管线与模拟管柱相连；
DAS系统模块：由激光光源、振动传感光纤、振动信号采集处理器和高速摄像头构成，利用光时域原理和背向瑞利散射原理进行流体振动信号的测量，DAS系统模块通振动传感光纤与模拟管柱相连；
角度调节稳定模块：包括水平支撑底座、四杆调节机构、固定式量角器和管柱围托，目的是调节模拟管柱的倾斜角度，减小模拟管柱的振动，角度调节稳定模块通过环形减振绑带与模拟管柱相连；
模拟管柱：包括外套管柱、内接管柱，管柱的长度可以由实际需要模拟的井筒进行相应的比例调整，模拟管柱通过管线与液体循环处理模块相连；
液体循环处理模块：由储液箱构成，便于将液体进行分离、过滤和添加等操作，液体循环处理模块通过管线与供液模块相连。
所述供液模块中液体由恒温储水箱加热至设定温度后通过进泵管线进入恒流泵，再由出泵管线连接以恒定流量进入缓冲分流器，最后缓冲分流器将液体分配并由多个分流器出口连接至模拟外套管柱上；其中，出泵管线和分流器出口由橡胶软管构成用以减少恒流泵产生的振动。
所述供气模块是由预先设定气体流量，打开空气压缩机和气体增压泵将气体以一定压力储存至高压气体储集罐内，再通过调压阀和流量控制器将罐内气体以恒定流量输出至注气短节，通过注气短节由多个出口连接至模拟管柱的外套管柱；
所述的DAS系统中振动传感光纤采用单模光纤对振动变化更为敏感，按照现场安装工艺将光纤紧贴安装至模拟管柱中内置管柱内壁；其中高速摄像头是为了直接观察某一时刻井筒流动状态，与DAS数据相对应结合；
所述的角度调节稳定模块中水平支撑底座与工作台相连并在接触面设置减振垫片减少外界振动对设备的影响，四连杆机构安装于水平支撑底座上通过固定的管柱围托起到支撑管柱和调节管柱角度的作用，由预装的固定式量角器可测得管柱的倾斜角度。
所述的储液箱由进液管柱经过滤网过气液反应产生的固体杂质，可通过活动盖板对液体进行移除和添加等处理。
所述的模拟管柱在外套管柱上模拟实际水平井射孔完井时的孔径和孔距以及射孔的位置，按照实验比例预留开孔并用封压嘴密封，封压嘴一端连接供液和供气模块，液体和气体进入外套管柱后由内接管柱流出，管柱整体由环形减震绑带与角度调节稳定模块的管柱围托相连接。
所述的基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及其方法，具体步骤包括：
(此处仅以水作为液体为例，但本发明并不限于水作为液体，且模拟管柱长度并未固定，下面对本发明所涉及的模拟实验装置的方法及其实施步骤进行详细说明)
(1)调整四杆调节机构将管柱设定至需要的角度a，将管柱和管柱围托通过环形减振绑带固定牢固；
(2)将供气模块和供液模块按照模拟进气、进液需求连接至外套管柱封压嘴上，打开恒温水箱预加热至温度b，检测好各个设备的连接状态，开始实验；
(3)打开DAS激光光源和高速摄像头，观察振动信号采集处理器，未通入流体时的DAS数据收集作为环境噪音干扰数据，记录并且保存；
(4)启动空气压缩机和气体增压泵将气体储存至高压气体储集罐内，设置调压阀和流量控制器使流量为q,使气体稳定进入外套管柱后保持一段时间，记录好稳定后的进气流量，保存仅进气的DAS数据；
(5)设定供液恒流泵流量Q，通过分流器使水分别由不同位置注入进管柱内，随着管柱的延展气水在管内混合扰动逐渐变为稳定流动，保持相对稳定后记录进液流量、温度、高速摄像头和混合流体DAS数据；
(6)通过调节流量控制器和恒流泵改变进气流量和进液流量，管内流体流型随之改变，重复(4)-(5)；
(7)调整恒温水箱的温度，重复步骤(2)-(6)；
(8)改变管柱角度重复(1)-(7)步骤；
(9)整理数据，通过对高速摄像头的观察选取模拟管柱中某段稳定的流态(长度在0.5至2倍左右的管道直径)，并对应光纤上的启始点位和结束点位记录长度l，根据流体凝固假设，过滤环境噪音后进行流动噪声峰值搜索，计算两个点位到达峰值的时间即可推导出对应流体流速。结合温度、管柱角度、进气进液量的变化，从而记录流体在各种流型下的流速和振动情况找到其中变化规律。
附图说明
图1基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置及结构示意图。
图中：1-空气压缩机，2-普通阀，3-空气增压泵，4,-高压气体储集罐，5-调压阀，6-流量控制器，7-单流阀，8-注气短节，9-气体流量计，10-外套管柱，11-内接管柱，12-管柱围托，13-固定式量角器，14-四杆调节机构，15-水平支撑底座，16-减振垫片，17-振动传感光纤，18-激光光源，19-振动信号采集处理器，20-高速摄像头，21-储液箱，22-恒温水箱，23-恒流泵，24-缓冲分流器，25-液体流量计。
图2为本发明中模拟管柱剖面图
图中：102-环形减振绑带，101-封压嘴，10-外套管柱，11-内接管柱，17-振动传感光纤，12-管柱围托。
图3为本发明的储液箱示意图。
图中：211-进液管柱，212-滤网，213-活动盖板，214-出液管柱。
具体实施方式
实施例1：
一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，如图1所示，包括供液模块，供气模块，模拟管柱，DAS系统模块，液体循环模块和角度调节稳定模块；所述供液模块包括单流阀、恒温水箱、恒流泵和缓冲分流器，所述供气模块包括空气压缩机、气体增压泵、高压气体储集罐、调压阀、流量控制器、单向阀、注气短节，目的是为模拟管柱提供稳定流量的气体，供气模块通过管线与模拟管柱相连；所述DAS系统模块由激光光源、振动传感光纤、振动信号采集处理器和高速摄像头构成；所述角度调节稳定模块包括水平支撑底座、四杆调节机构、固定式量角器和管柱围托，目的是调节模拟管柱的倾斜角度，减小模拟管柱的振动，角度调节稳定模块通过环形减振绑带与模拟管柱相连；
如图2所示，所述的模拟管柱在外套管柱上模拟实际水平井射孔完井时的孔径和孔距以及射孔的位置，按照实验比例预留开孔并用封压嘴密封，封压嘴一端连接供液和供气模块，管柱整体由环形减震绑带与角度调节稳定模块的管柱围托相连接。
如图3所示，液体循环处理模块：由储液箱构成，便于将液体进行分离、过滤和添加等操作，液体循环处理模块通过管线与供液模块相连。
所述供液模块中液体由恒温储水箱加热至设定温度后通过进泵管线进入恒流泵，再由出泵管线连接以恒定流量进入缓冲分流器，最后缓冲分流器将液体分配并由多个分流器出口连接至模拟外套管柱上；其中，出泵管线和分流器出口由橡胶软管构成用以减少恒流泵产生的振动。
所述供气模块是由预先设定气体流量，打开空气压缩机和气体增压泵将气体以一定压力储存至高压气体储集罐内，再通过调压阀和流量控制器将罐内气体以恒定流量输出至注气短节，通过注气短节由多个出口连接至模拟管柱的外套管柱；
所述的DAS系统中振动传感光纤采用单模光纤对振动变化更为敏感，按照现场安装工艺将光纤紧贴安装至模拟管柱中内置管柱内壁；其中高速摄像头是为了直接观察某一时刻井筒流动状态，与DAS数据相对应结合；
所述的角度调节稳定模块中水平支撑底座与工作台相连并在接触面设置减振垫片减少外界振动对设备的影响，四连杆机构安装于水平支撑底座上通过固定的管柱围托起到支撑管柱和调节管柱角度的作用，由预装的固定式量角器可测得管柱的倾斜角度。
实施例2
实施例1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置的方法，具体包含以下步骤：
(此处仅以水作为液体为例，但本发明并不限于水作为液体，且模拟管柱长度并未固定，下面对本发明所涉及的模拟实验装置的方法及其实施步骤进行详细说明)
(1)调整四杆调节机构将管柱设定至需要的角度a，将管柱和管柱围托通过环形减振绑带固定牢固；
(2)将供气模块和供液模块按照模拟进气、进液需求连接至外套管柱封压嘴上，打开恒温水箱预加热至温度b，检测好各个设备的连接状态，开始实验；
(3)打开DAS激光光源和高速摄像头，观察振动信号采集处理器，未通入流体时的DAS数据收集作为环境噪音干扰数据，记录并且保存；
(4)启动空气压缩机和气体增压泵将气体储存至高压气体储集罐内，设置调压阀和流量控制器使流量为q,使气体稳定进入外套管柱后保持一段时间，记录好稳定后的进气流量，保存仅进气的DAS数据；
(5)设定供液恒流泵流量Q，通过分流器使水分别由不同位置注入进管柱内，随着管柱的延展气水在管内混合扰动逐渐变为稳定流动，保持相对稳定后记录进液流量、温度、高速摄像头和混合流体DAS数据；
(6)通过调节流量控制器和恒流泵改变进气流量和进液流量，管内流体流型随之改变，重复(4)-(5)；
(7)调整恒温水箱的温度，重复步骤(2)-(6)；
(8)改变管柱角度重复(1)-(7)步骤；
(9)整理数据，通过对高速摄像头的观察选取模拟管柱中某段稳定的流态(长度在0.5至2倍左右的管道直径)，并对应光纤上的启始点位和结束点位记录长度l，根据流体凝固假设，过滤环境噪音后进行流动噪声峰值搜索，计算两个点位到达峰值的时间即可推导出对应流体流速。结合温度、管柱角度、进气进液量的变化，从而记录流体在各种流型下的流速和振动情况找到其中变化规律。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，该实验装置包括供液模块、供气模块、DAS系统模块、角度调节稳定模块、模拟管柱和液体循环模块：
供液模块：包括单流阀、恒温水箱(22)、恒流泵(23)、缓冲分流器(24)和液体流量计(25)，目的是稳定地提供固定流量的恒温液体，供液模块通过管线与模拟管柱相连；
供气模块：包括空气压缩机(1)、普通阀(2)、气体增压泵(3)、高压气体储集罐(4)、调压阀(5)、流量控制器(6)、单向阀(7)、注气短节(8)和气体流量计(9)，目的是为模拟管柱提供稳定流量的气体，供气模块通过管线与模拟管柱相连；
DAS系统模块：由激光光源(18)、振动传感光纤(17)、振动信号采集处理器(19)和高速摄像头(20)构成，目的是同步采集图像和振动信号，利用光时域原理和背向瑞利散射原理进行流体振动信号的测量，DAS系统模块通过振动传感光纤与模拟管柱相连；
角度调节稳定模块：包括水平支撑底座(15)、四杆调节机构(14)、固定式量角器(13)和管柱围托(12)，目的是调节模拟管柱的倾斜角度，减小模拟管柱的振动，角度调节稳定模块通过环形减振绑带与模拟管柱相连；
模拟管柱：包括外套管柱(10)、内接管柱(11)，管柱的长度可以由实际需要模拟的井筒进行相应的比例调整，模拟管柱通过管线与液体循环处理模块相连；
液体循环处理模块：由储液箱(21)构成，便于将液体进行分离、过滤和添加等操作，液体循环处理模块通过管线与供液模块相连。
2.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，其特征在于，所述供液模块中液体由恒温水箱(22)加热至设定温度后通过进泵管线进入恒流泵(23)，再由出泵管线连接以恒定流量进入缓冲分流器(24)，最后缓冲分流器(24)将液体分配并由多个分流器出口连接至模拟外套管柱上；其中，出泵管线和分流器出口由橡胶软管构成用以减少恒流泵产生的振动。
3.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，其特征在于所述供气模块是由预先设定气体流量，打开空气压缩机(1)和气体增压泵(3)将气体以一定压力储存至高压气体储集罐内(4)，再通过调压阀(5)和流量控制器(6)将罐内气体以恒定流量输出至注气短节(8)，通过注气短节由多个出口连接至模拟管柱的外套管柱(10)。
4.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，其特征在于，所述的DAS系统中振动传感光纤采用对振动变化更为敏感的单模光纤，按照现场安装工艺将光纤紧贴安装至模拟管柱中内置管柱(11)内壁；其中高速摄像头(20)是为了直接观察某一时刻井筒流动状态，与DAS数据相对应结合。
5.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，其特征在于，所述的角度调节稳定模块中水平支撑底座(15)与工作台相连并在接触面设置减振垫片减少外界振动对设备的影响，四连杆机构(14)安装于水平支撑底座上通过固定的管柱围托(12)起到支撑管柱和调节管柱角度的作用，由预装的固定式量角器(13)可测得管柱的倾斜角度。
6.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，其特征在于，所述的模拟管柱在外套管柱(10)上模拟实际水平井射孔完井时的孔径和孔距以及射孔的位置，按照实验比例预留开孔并用封压嘴(101)密封，封压嘴一端连接供液模块和供气模块，液体和气体进入外套管柱(10)后由内接管柱(11)流出，管柱整体由环形减震绑带(102)与角度调节稳定模块的管柱围托(12)相连接。
7.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置，其特征在于，所述的储液箱(21)中液体由进液管柱(211)经过滤网(212)过滤出反应产生的絮状杂质后流出，通过活动盖板(213)可以对液体进行移除和添加等处理，且设置有隔板能提供充足的处理空间和时间。
8.根据权利要求1所述一种基于分布式光纤声学振动(DAS)的井筒流体流速和流态监测模拟实验装置的方法，其特征在于，具体步骤包括：此处仅以水作为液体为例，但本发明并不限于水作为液体，且模拟管柱长度并未固定，下面对本发明所涉及的模拟实验装置的方法及其实施步骤包括：
(1)调整四杆调节机构将管柱设定至需要的角度a，将管柱和管柱围托通过环形减振绑带固定牢固；
(2)将供气模块和供液模块按照模拟进气、进液需求连接至外套管柱封压嘴上，打开恒温水箱预加热至温度b，检测好各个设备的连接状态，开始实验；
(3)打开DAS激光光源和高速摄像头，观察振动信号采集处理器，未通入流体时的DAS数据收集作为环境噪音干扰数据，记录并且保存；
(4)启动空气压缩机和气体增压泵将气体储存至高压气体储集罐内，设置调压阀和流量控制器使流量为q,使气体稳定进入外套管柱后保持一段时间，记录好稳定后的进气流量，保存仅进气的DAS数据；
(5)设定供液恒流泵流量Q，通过分流器使水分别由不同位置注入进管柱内，随着管柱的延展气水在管内混合扰动逐渐变为稳定流动，保持相对稳定后记录进液流量、温度、高速摄像头和混合流体DAS数据；
(6)通过调节流量控制器和恒流泵改变进气流量和进液流量，管内流体流型随之改变，重复(4)-(5)；
(7)调整恒温水箱的温度，重复步骤(2)-(6)；
(8)改变管柱角度重复(1)-(7)步骤；
(9)整理数据，通过对高速摄像头的观察选取模拟管柱中某段稳定的流态(长度在0.5至2倍左右的管道直径)，并对应光纤上的启始点位和结束点位记录长度l，根据流体凝固假设，过滤环境噪音后进行流动噪声峰值搜索，计算两个点位到达峰值的时间即可推导出对应流体流速，结合温度、管柱角度、进气进液量的变化，从而记录流体在各种流型下的流速和振动情况找到其中变化规律。
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