CN113532523A - 基于碳纤维光纤复合杆的监测系统及监测数据解释方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油气开采技术领域，具体涉及基于碳纤维光纤复合杆的监测系统及监测数据解释方法。本发明所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，将分布式光纤温度监测、分布式光纤声波监测和单点光纤光栅压力监测集于一体，实现井下温度、压力和声波等多参数的同时监测，并满足在高温、高压、腐蚀环境下对井下生产动态实时监测的要求；本发明还公开了一种井筒生产状态监测数据解释方法，可根据井筒中采集的温度信息、声波信息和压力信息得出井筒中流体流量、含水率、抽油泵工作状态、井筒出砂位置、井筒结蜡位置、井筒结垢位置信息，为井下生产动态智能化管理和科学化决策提供了精确的数据支持。
Description
技术领域
本发明属于油气开采技术领域，具体涉及基于碳纤维光纤复合杆的监测系统及监测数据解释方法。
背景技术
近年来，光纤传感和智能计算等技术的发展，推动了智能油田建设的发展。通过实时的井下监测技术，获得井筒设备和流体生产动态，可为现场工程师提供实时生产决策依据，从而提高油田经营管理水平。分布式光纤温度监测技术和分布式光纤声波监测技术作为智能油田建设的关键技术之一，得到了油气领域专业人员广泛关注并在现场得到大量成功应用。
现有的分布式光纤温度监测技术和分布式光纤声波监测技术通常采用无缝不锈钢管、连续油管方式进行光纤封装，通过附着在油管外壁或者利用连续油管下入井筒内，实现临时或者长期井下生产状态监测。无缝不锈钢管封装光纤存在入井过程中铠装光缆保护难、连续油管封装光纤存在设备成本高等问题，并且难以实现多参数集成监测。
近年来兴起的碳纤维技术具有良好的防腐蚀性能、抗压能力、抗拉能力和下入能力，被广泛应用于制备连续抽油杆并在油田得到推广应用。中国专利文献CN104563968A公开了一种复合材料连续管智能采油系统，包括井口接头、复合材料连续管和井下接头，复合材料连续管包括光缆和电缆，复合材料连续管为整根连续管，在套管的内部使用，顶部与井口工具通过井口接头连接，底部与采油泵通过井下接头连接，光缆和电缆都嵌入在复合材料连续管的内部，光缆的顶部与信号解调仪连接，电缆的顶部与电控柜连接，电缆的底部与采油泵连接。上述发明实现无管杆磨损、节能、节省作业时间、减低作业强度、降低维护费用、延长维护周期和智能化。但是上述复合材料连续管智能采油系统只能测试井筒的温度和压力分布，通过对温度变化的分析来判断管内是否发生结蜡、结蜡区域及位置范围，通过一定电流使埋入在外保护层的内部的电缆发热进行除蜡，现有采油系统监测功能有限，无法满足监测井筒中流体流量、含水率、抽油泵工作状态、井筒出砂状态、井筒结蜡、井筒结垢等多参数的要求，无法为井下生产动态智能化管理和科学化决策提供全面的数据支持。
发明内容
本发明公开了一种基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，将分布式光纤温度监测、分布式光纤声波监测和单点光纤光栅压力监测功能集于一体，实现井下温度、压力和声波等多参数的同时监测，利用光纤监测数据处理与解释计算机分析系统对收集到的温度、压力和声波信息进行解释得到井下生产状态，并满足在高温、高压、腐蚀环境下对井下生产动态实时监测的要求。
本发明还公开了一种井筒生产状态监测数据解释方法，根据井筒中采集的温度信息、声波信息和压力信息能够解释得出井筒中流体流量、含水率、抽油泵工作状态、井筒出砂状态、井筒结蜡、井筒结垢信息，并将监测的温度信息、声波信息、压力信息以瀑布图和曲线图方式显示，得出沿井筒深度方向的温度分布、声强分布和压力分布，从而实现对井下生产进行动态智能化的管理。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，包括多功能碳纤维光纤复合杆、抽油泵、地面光纤监测信号采集系统和光纤监测数据处理与解释计算机分析系统；
所述抽油泵连接在多功能碳纤维光纤复合杆底端下入井筒中；
所述地面光纤监测信号采集系统通过地面光缆与多功能碳纤维光纤复合杆顶端相连，所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统通过地面数据通信缆与地面光纤监测信号采集系统相连；
所述地面光纤监测信号采集系统通过多功能碳纤维光纤复合杆实时监测和采集所述抽油泵在工作过程中产生的声波信息以及流体在井筒中流动的声波信息、温度信息和压力信息，所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统将采集到的声波信息、温度信息和压力信息进行处理和解释，得到井筒生产状态。
本发明的技术方案还有：所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统内置有分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件；
所述分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件从地面光纤监测信号采集系统实时获取多功能碳纤维光纤复合杆所采集的温度信息、压力信息及声波信息；
所述分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件分别将收集到的沿井筒井深方向上随时间变化的温度场和压力场信息利用井筒多相流计算方法进行反演计算得到流量和含水率；所述分布式光纤声波监测解释软件用于将收集到的沿井筒井深方向上随时间变化的声波数据通过二维傅立叶变换及多普勒效应求解声速和流速；最后将利用温度场和压力场反演计算的流量、含水率与利用声波数据计算的流量、含水率进行综合解释得到最终的流体流量和含水率；
所述分布式光纤声波监测解释软件用于将声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，然后与通过已建立的抽油泵工作状态典型工况特征数据库进行对比，解释得到抽油泵工作状态；
所述分布式光纤声波监测解释软件用于将声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，然后与通过已建立的井筒出砂、结蜡、结垢的典型工况特征数据库进行对比，解释得到井筒中出砂、结蜡、结垢的位置；
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统最终将监测的温度信息、声波信息、压力信息以瀑布图和曲线图方式显示出沿井筒井深方向的温度分布、声强分布和压力分布。
本发明的技术方案还有：所述地面光纤监测信号采集系统包括DTS测温单元、DAS测声单元和光纤光栅测压单元；
所述多功能碳纤维光纤复合杆包括STA温声监测单元和SP压力监测单元，所述STA温声监测单元和SP压力监测单元两部分封装在碳纤维材料内部；
所述STA温声监测单元用于采集所述抽油泵在工作过程中产生的声波信息以及流体在井筒中流动的声波信息和温度信息；
所述SP压力监测单元用于采集井筒内流体压力信息；
所述DTS测温单元、DAS测声单元分别用于接收STA温声监测单元采集的温度和声波信号；所述光纤光栅测压单元用于接收SP压力监测单元采集的压力信号；
优选的，所述DTS测温单元的传感距离为10千米、空间分辨率为1米、温度分辨率为0.01℃；所述DAS测声单元的传感距离为10千米、空间分辨率为1米、应变灵敏度为1纳应变、响应带宽为15kHz；所述光纤光栅测压单元的压力灵敏度大于等于240pm/MPa。
本发明的技术方案还有：所述STA温声监测单元包括单模光纤、多模光纤和无缝不锈钢管，多对所述单模光纤和多模光纤封装在无缝不锈钢管内；
所述单模光纤通过地面光缆与DTS测温单元连接；
所述多模光纤通过地面光缆与DAS测声单元连接；
优选的，所述单模光纤选用波长1550nm、衰减指标小于0.4dB/km或者波长1310nm、衰减指标小于0.6dB/km的高灵敏度工程光纤；所述多模光纤选用波长850nm、衰减指标小于3.0dB/km或者波长1300nm、衰减指标小于1.0dB/km的高灵敏度工程光纤；所述单模光纤和多模光纤的耐温范围在-50℃到300℃之间，光纤余长大于3‰。
本发明的技术方案还有：所述SP压力监测单元包括光纤光栅压力计和光纤光栅测压缆，多个所述光纤光栅压力计从上到下依次连接在光纤光栅测压缆上；
所述光纤光栅测压缆通过地面光缆与光纤光栅测压单元连接。
本发明还公开了一种井筒生产状态监测数据解释方法，具体步骤如下：
1)实时采集井筒中流体流动时产生的声波信息、温度信息和压力信息；
2)利用声波信息、温度信息和压力信息综合解释井筒生产状态：井筒流体流量和含水率的不同会影响流体温度、压力和声波的变化，井筒中流体流动的温度场和压力场会受到流体的流量、流体中的油气水含率影响，井筒中流体的声速会受到流体中的油气水含率影响；
另外由于井筒中流体成分和各自的含量不确定，可能同时存在油水两相也可能存在油气水三相，单独利用温度信息和压力信息解释流体流量和含水率存在多解性，同样单独利用声波信息解释流体流量和含水率也存在多解性，为了降低流体流量和含水率的多解性，需要将温度信息、压力信息和声波信息进行多参数融合解释，从多角度去解释流量和含水率情况，达到相互印证、减少多解性的目的，使求得的流体流量和含水率更精确，具体步骤如下：
A)将收集到的沿井筒深度方向上随时间变化的声波信息进行二维傅立叶变换，得到沿井筒深度方向上分布的频率和波数信息，所述频率和波数信息在频率和波数二维平面图中呈现出由两条交叉线构成的V字形图形，再通过对频率和波数二维平面图中的两条交叉线进行线性拟合求得两条交叉线各自的斜率值，两条交叉线中的大斜率值和小斜率值即为沿井筒深度方向上分布的声波在井筒流体中的上行声速和下行声速；
其次，利用多普勒效应计算出沿井筒中P点处及以上深度方向上分布的井筒中流体的流速V1，根据井筒流体流动管道的横截面积计算出沿井筒中P点处及P点以上深度方向上分布的井筒中流体的流量，提取P点处的流量值Q1；
最后，将求得的沿井筒中P点处及P点以上深度方向上分布的声波在井筒流体中的上行声速和下行声速求平均得到沿井筒中P点处及以上深度方向上分布的平均声速，提取P点处的平均声速值C1；
B)假设一个含水率αw，根据公式(E-1)，以含水率αw、含油率αo和含气率αg三者之和等于1为约束，通过假设一系列的含油率αo，得到对应的含气率αg，将某一时刻收集到的沿井筒井深方向上随井深变化的温度和压力信息利用井筒多相流计算方法进行多次反演迭代计算，直到P点处的温度、压力计算结果与温度、压力监测结果之差小于预设误差ΔT和ΔP，并保证求得的井筒中光纤光栅压力计对应位置P点处流体的流量Q2与步骤A)求得的流量值Q1相等，则得到井筒中P点处流体的含油率α0和含气率αg，其中，所述井筒多相流计算方法选用Beggs-Brill方法、Mukherjee-Brill方法、Orkiszewski方法、Duns-Ros方法等常用井筒多相流计算方法中的一种；
αo+αw+αg＝1(αo,αw,αg≤1) (E-1)
式中，αo为含油率，αw为含水率，αg为含气率；
C)根据声速与流体密度、体积模量之间的关系，将步骤B)计算出的P点处的含油率α0和含气率αg以及假设的含水率αw代入声速公式(E-2)中计算出井筒中P点处的流体的声速Cm：
式中，Cm为声速，ρo为原油密度，ρw为地层水密度，ρg为气体密度，αo为含油率，αw为含水率，αg为含气率，Ko为原油体积模量，Kw为地层水体积模量，Kg为气体体积模量，d为井筒中流体流动管道的管径，E为井筒中流体流动管道的杨氏模量，h为井筒中流体流动管道的管壁厚度；
D)将步骤C)计算出的井筒中P点处的声速Cm与步骤A)求得的沿井筒深度方向上分布的声波在井筒中P点处的平均声速C1进行比较：
如果两者的误差小于预设误差ΔC，则得到该井的含水率解释结果；
如果两者的误差大于等于预设误差ΔC，则返回步骤B)，重新调整含水率αw的赋值，重复步骤B)～步骤D)，直到两者的误差小于预设误差ΔC为止，得到最终的流体流量Q1和含水率αw解释结果；
3)利用声波信息解释井筒生产状态：将收集到的沿井筒井深度方向上随时间变化的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的各种井筒生产状态典型工况特征数据库进行对比，得到井筒生产状态信息，建立井筒生产状态特征数据库的具体实验方法不在本发明的保护范围内，在此不做赘述。
本发明的技术方案还有：还包括利用声波信息解释井筒出砂信息的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒出砂的典型工况特征数据库进行对比，得到井筒出砂位置，建立井筒出砂特征数据库的具体实验方法不在本发明的保护范围内，在此不做赘述。
本发明的技术方案还有：还包括利用声波信息解释井筒结蜡信息的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒结蜡的典型工况特征数据库进行对比，得到井筒结蜡位置，建立井筒结蜡特征数据库的具体实验方法不在本发明的保护范围内，在此不做赘述。
本发明的技术方案还有：还包括利用声波信息解释井筒结垢信息的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒结垢的典型工况特征数据库进行对比，得到井筒结垢位置，建立井筒结垢特征数据库的具体实验方法不在本发明的保护范围内，在此不做赘述；
本发明的技术方案还有：还包括利用声波信息解释抽油泵工作状态的的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒井深度方向上随时间变化的抽油泵在工作过程中产生的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，抽油泵不同的工作状态对应不同的声波频率，将提取的特征频率与已建立的各种抽油泵工作状态典型工况特征数据库进行对比，得到抽油泵工作状态，建立抽油泵工作状态特征数据库的具体实验方法不在本发明的保护范围内，在此不做赘述。
所述泵工作状态包括气体影响、泵充不满影响、游动阀漏失、固定阀漏失、柱塞遇卡，泵活塞脱出工作筒、泵活塞碰固定阀。
本发明的有益效果：
1、本发明所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统将分布式光纤温度监测、分布式光纤声波监测和单点光纤光栅压力监测功能集于一体，实现井下多参数监测，并满足在高温、高压、腐蚀环境下对井下生产动态实时监测的要求；
2、本发明所述井筒生产状态监测数据解释方法根据井筒中采集的温度信息、声波信息和压力信息能获得井筒中流体流量、含水率、抽油泵工作状态、井筒出砂状态、井筒结蜡、井筒结垢信息，为井下生产动态智能化管理和科学化决策提供了精确的数据支持；
3、本发明所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统中所用的多功能碳纤维光纤复合杆同时能起到抽油杆的作用和井下多参数监测的作用，简化了井下设备的布置流程，提高了生产效率；
4、本发明所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统容易布置，适用于不同抽油工况，能用于抽油井、自喷井，同时适用于不同油井结构，能用于直井、水平井、斜井、多分枝井；
5、本发明所述多功能碳纤维光纤复合杆能作为临时入井监测工具使用，也能作为永久性入井监测工具使用。
附图说明
图1为本发明所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统的结构示意图；
图2为本发明所述多功能碳纤维光纤复合杆结示意图；
图3为本发明所述多功能碳纤维光纤复合杆横截面示意图；
图4为本发明所述利用声波信息、温度信息和压力信息综合解释井筒生产状态的流程图；
图5为本发明所述利用声波信息解释井筒生产状态的流程图；
图中：1-井筒、2-多功能碳纤维光纤复合杆、3-抽油泵、6-地面光缆、7-地面光纤监测信号采集系统、8-地面数据通信缆、9-光纤监测数据处理与解释计算机分析系统；
701-DTS测温单元、702-DAS测声单元、703-光纤光栅测压单元；
21-STA温声监测单元、211-单模光纤、212-多模光纤、213-无缝不锈钢管；22-SP压力监测单元、221-光纤光栅压力计、222-光纤光栅测压缆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明作进一步说明，但并不因此将本发明局限在实施实例描述的范围之内。
实施例1
如图1所示，基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，包括多功能碳纤维光纤复合杆2、抽油泵3、地面光纤监测信号采集系统7和光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9。
所述抽油泵3连接在多功能碳纤维光纤复合杆2底端下入井筒1中。
所述地面光纤监测信号采集系统7通过地面光缆6与多功能碳纤维光纤复合杆2顶端相连，所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9通过地面数据通信缆8与地面光纤监测信号采集系统7相连。
所述地面光纤监测信号采集系统7通过多功能碳纤维光纤复合杆2实时监测和采集所述抽油泵3在工作过程中产生的声波信息以及流体在井筒1中流动的声波信息、温度信息和压力信息，所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9将采集到的声波信息、温度信息和压力信息进行处理和解释，得到井筒生产状态。
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9内置有分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件。
所述分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件从地面光纤监测信号采集系统7实时获取多功能碳纤维光纤复合杆2所采集的温度信息、压力信息及声波信息。
所述分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件分别将收集到的沿井筒1井深方向上随时间变化的温度场和压力场信息利用井筒多相流计算方法进行反演计算得到流量和含水率；所述分布式光纤声波监测解释软件用于将收集到的沿井筒1井深方向上随时间变化的声波数据通过二维傅立叶变换及多普勒效应求解声速和流速；最后将利用温度场和压力场反演计算的流量、含水率与利用声波数据计算的流量、含水率进行综合解释得到最终的流体流量和含水率。
所述分布式光纤声波监测解释软件用于将声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，然后与通过已建立的抽油泵工作状态典型工况特征数据库进行对比，解释得到抽油泵3工作状态。
所述分布式光纤声波监测解释软件用于将声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，然后与通过已建立的井筒出砂、结蜡、结垢的典型工况特征数据库进行对比，解释得到井筒1中出砂、结蜡、结垢的位置。
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9最终将监测的温度信息、声波信息、压力信息以瀑布图和曲线图方式显示出沿井筒1井深方向的温度分布、声强分布和压力分布。
所述地面光纤监测信号采集系统7包括DTS测温单元701、DAS测声单元702和光纤光栅测压单元703。
如图2和图3所示，所述多功能碳纤维光纤复合杆2包括STA温声监测单元21和SP压力监测单元22，所述STA温声监测单元21和SP压力监测单元22两部分封装在碳纤维材料内部。
所述STA温声监测单元21用于采集所述抽油泵3在工作过程中产生的声波信息以及流体在井筒1中流动的声波信息和温度信息。
所述SP压力监测单元22用于采集井筒1内流体压力信息。
所述DTS测温单元701、DAS测声单元702分别用于接收STA温声监测单元21采集的温度和声波信号；所述光纤光栅测压单元703用于接收SP压力监测单元22采集的压力信号。
优选的，所述DTS测温单元701的传感距离为10千米、空间分辨率为1米、温度分辨率为0.01℃；所述DAS测声单元702的传感距离为10千米、空间分辨率为1米、应变灵敏度为1纳应变、响应带宽为15kHz；所述光纤光栅测压单元703的压力灵敏度大于等于240pm/MPa。
所述STA温声监测单元21包括单模光纤211、多模光纤212和无缝不锈钢管213，两对所述单模光纤211和多模光纤212封装在无缝不锈钢管213内。
所述单模光纤211通过地面光缆6与DTS测温单元701连接。
所述多模光纤212通过地面光缆6与DAS测声单元702连接。
优选的，所述单模光纤211选用波长1550nm、衰减指标小于0.4dB/km或者波长1310nm、衰减指标小于0.6dB/km的高灵敏度工程光纤；所述多模光纤212选用波长850nm、衰减指标小于3.0dB/km或者波长1300nm、衰减指标小于1.0dB/km的高灵敏度工程光纤；所述单模光纤211和多模光纤212的耐温范围在-50℃到300℃之间，光纤余长大于3‰。
所述SP压力监测单元22包括光纤光栅压力计221和光纤光栅测压缆222，3个所述光纤光栅压力计221从上到下依次连接在光纤光栅测压缆222上。
两个相邻所述光纤光栅压力计221之间的最小距离大于等于20米，最大距离小于等于300米。
所述光纤光栅测压缆222通过地面光缆6与光纤光栅测压单元703连接。
实施例2
本实施例是一种针对单油层抽油机井的井筒生产状态监测数据解释方法，采用实施例1所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统对井下生产动态进行综合解释为例，对本发明所涉及监测数据解释方法进行详细说明，具体步骤如下：
1)启动抽油泵3进行排液工作，通过多功能碳纤维光纤复合杆2实时采集井筒1中流体流动时产生的声波信息、温度信息和压力信息。
2)针对单油层抽油机井流体流量和含水率的监测数据解释方法：为了降低流体流量和含水率的多解性，需要将温度信息、压力信息和声波信息进行多参数融合解释，从多角度去解释流量和含水率情况，达到相互印证、去伪存真、最大限度地减少多解性的目的，使求得的流体流量和含水率更精确，具体步骤如下：
A)如图4所示，将收集到的沿井筒1深度方向上随时间变化的声波信息进行二维傅立叶变换，得到沿井筒1深度方向上分布的频率和波数信息，所述频率和波数信息在频率和波数二维平面图中呈现出由两条交叉线构成的V字形图形，再通过对频率和波数二维平面图中的两条交叉线进行线性拟合求得两条交叉线各自的斜率值，两条交叉线中的大斜率值和小斜率值即为沿井筒1深度方向上分布的声波在井筒1流体中的上行声速和下行声速。
其次，利用多普勒效应计算出沿井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处及以上深度方向上分布的井筒1中流体的流速V1，根据井筒流体流动管道的横截面积计算出沿井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处及P点以上深度方向上分布的井筒1中流体的流量，提取光纤光栅压力计221对应位置P点处的流量值Q1。
最后，将求得的沿井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处及P点以上深度方向上分布的声波在井筒1流体中的上行声速和下行声速求平均得到沿井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处及以上深度方向上分布的平均声速，提取光纤光栅压力计221对应位置P点处的平均声速值C1。
B)假设一个含水率αw，根据公式(E-1)，以含水率αw、含油率αo和含气率αg三者之和等于1为约束，通过假设一系列的含油率αo，得到对应的含气率αg，将某一时刻收集到的沿井筒1井深方向上随井深变化的温度和压力信息利用井筒多相流计算方法进行多次反演迭代计算，直到光纤光栅压力计221对应位置P点处的温度、压力计算结果与温度、压力监测结果之差小于预设误差ΔT和ΔP，并保证求得的井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处流体的流量Q2与步骤A)求得的流量值Q1相等，则得到井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处流体的含油率α0和含气率αg。
αo+αw+αg＝1(αo,αw,αg≤1) (E-1)
式中，αo为含油率，αw为含水率，αg为含气率。
C)根据声速与流体密度、体积模量之间的关系，将步骤B)计算出的光纤光栅压力计221对应位置P点处的含油率α0和含气率αg以及假设的含水率αw代入声速公式(E-2)中计算出井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处的流体的声速Cm：
式中，Cm为声速，ρo为原油密度，ρw为地层水密度，ρg为气体密度，αo为含油率，αw为含水率，αg为含气率，Ko为原油体积模量，Kw为地层水体积模量，Kg为气体体积模量，d为井筒中流体流动管道的管径，E为井筒中流体流动管道的杨氏模量，h为井筒中流体流动管道的管壁厚度。
D)将步骤C)计算出的井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处的声速Cm与步骤A)求得的沿井筒1深度方向上分布的声波在井筒1中光纤光栅压力计221对应位置P点处的平均声速C1进行比较：
如果两者的误差小于预设误差ΔC，则得到该井的含水率解释结果；
如果两者的误差大于等于预设误差ΔC，则返回步骤B)，重新调整含水率αw的赋值，重复步骤B)～步骤D)，直到两者的误差小于预设误差ΔC为止，得到最终的流体流量Q1和含水率αw解释结果。
并将监测的温度信息、声波信息、压力信息以瀑布图和曲线图方式显示出沿井筒1深度方向的温度分布、声强分布和压力分布。
3)利用声波信息解释井筒生产状态：如图5所示，将收集到的沿井筒1井深度方向上随时间变化的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的各种井筒生产状态典型工况特征数据库进行对比，当提取的特征频率与特征数据库中的特征对应时，则得到井筒1生产状态信息，建立井筒1生产状态特征数据库的具体实验方法不在本发明的保护范围内，在此不做赘述。
实施例3
区别于实施例2，本实施例是一种针对多油层抽油机井流体流量解释的一种监测数据解释方法，与实施例2不同之处在于，需要在相邻两个油层之间的深度范围内，多功能碳纤维光纤复合杆2中所对应的位置至少布置一个光纤光栅压力计221。
因为单个油层生产，整个井筒1中的流体流量保持不变，多个油层生产时，从下往上流量是逐渐增加的，并且各个产油层之间温度、压力不同，因此至少需要布置一个光纤光栅压力计221测出相邻两个油层之间的压力、温度数据。
实施例4
本实施例是一种利用声波信息解释井筒出砂信息的方法，采用实施例1所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统对油井出砂位置进行解释为例，具体步骤如下：
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9从地面光纤监测信号采集系统7中提取抽油泵3以上井筒1中的声波信息，由于砂粒作用在光纤上会产生一定的声波强度，不同出砂量产生的声波强度不同，从而产生不同的声波频率。
将收集到的沿井筒1井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒1出砂的典型工况特征数据库进行对比，当提取的特征频率与井筒1出砂的典型工况特征数据库中的某一频率相同时，则提取特征频率对应的井筒1位置即出现出砂情况，从而得到井筒1出砂位置，并将监测的声波信息以瀑布图方式显示出沿井筒1深度方向的声强分布。
实施例5
本实施例是一种利用声波信息解释井筒结蜡信息的方法，采用实施例1所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统对油井结蜡位置进行解释为例，具体步骤如下：
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9从地面光纤监测信号采集系统7中提取抽油泵3以上井筒1中的声波信息，由于结蜡导致井筒流体的过流断面减少，相当于起到一个节流作用，会产生特定频谱和强度的声波，过流断面越小，产生的声波强度越大，同时节流作用也会引起流体温度的变化。
将收集到的沿井筒1井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒1结蜡的典型工况特征数据库进行对比，当提取的特征频率与井筒1结蜡的典型工况特征数据库中的某一频率相同时，则提取特征频率对应的井筒1位置即出现结蜡情况，从而得到井筒1结蜡位置，并将监测的温度信息和声波信息以瀑布图和曲线图方式显示出沿井筒1深度方向的温度分布和声强分布。
实施例6
本实施例是一种利用声波信息解释井筒结垢信息的方法，采用实施例1所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统对油井结垢位置进行解释为例，具体步骤如下：
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9从地面光纤监测信号采集系统7中提取抽油泵3以上井筒1中的声波信息，由于结垢导致井筒流体的过流断面减少，相当于起到一个节流作用，会产生特定频谱和强度的声波，过流断面越小，产生的声波强度越大，同时节流作用也会引起流体温度的变化。
将收集到的沿井筒1井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒1结垢的典型工况特征数据库进行对比，当提取的特征频率与井筒1结垢的典型工况特征数据库中的某一频率相同时，则提取特征频率对应的井筒1位置即出现结垢情况，从而得到井筒1结垢位置，并将监测的温度信息和声波信息以瀑布图和曲线图方式显示出沿井筒1深度方向的温度分布和声强分布。
实施例7
本实施例是一利用声波信息解释抽油泵工作状态的的方法，采用实施例1所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统对抽油泵3工作状态进行解释为例，具体步骤如下：
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统9从地面光纤监测信号采集系统7中提取抽油泵3以上50米距离范围内的声波信息，所述抽油泵3的工作状态包括气体影响、泵充不满影响、游动阀漏失、固定阀漏失、柱塞遇卡，泵活塞脱出工作筒、泵活塞碰固定阀，上述抽油泵3的不同工作状态会产生不同频率的声波。
将收集到的沿井筒1井深度方向上随时间变化的抽油泵3在工作过程中产生的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，抽油泵3不同的工作状态对应不同的声波频率，将提取的特征频率与已建立的各种抽油泵工作状态典型工况特征数据库进行对比，当提取的特征频率与已建立的各种抽油泵工作状态典型工况特征数据库中的某一频率相同时，则能判定出抽油泵3具体的工作状态，并将监测的声波信息以瀑布图方式显示出沿井筒1深度方向的声强分布。
实施例8
本实施例是一种针对自喷井流体流量、含水率、井筒1出砂信息、井筒1结蜡信息、井筒1结垢信息的监测数据解释方法，与实施例2-实施7不同之处在于，多功能碳纤维光纤复合杆2下端没有设置抽油泵3。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，其特征在于：包括多功能碳纤维光纤复合杆(2)、抽油泵(3)、地面光纤监测信号采集系统(7)和光纤监测数据处理与解释计算机分析系统(9)；
所述抽油泵(3)连接在多功能碳纤维光纤复合杆(2)底端下入井筒(1)中；
所述地面光纤监测信号采集系统(7)通过地面光缆(6)与多功能碳纤维光纤复合杆(2)顶端相连，所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统(9)通过地面数据通信缆(8)与地面光纤监测信号采集系统(7)相连；
所述地面光纤监测信号采集系统(7)通过多功能碳纤维光纤复合杆(2)实时监测和采集所述抽油泵(3)在工作过程中产生的声波信息以及流体在井筒(1)中流动的声波信息、温度信息和压力信息，所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统(9)将采集到的声波信息、温度信息和压力信息进行处理和解释，得到井筒生产状态。
2.根据权利要求1所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，其特征在于：所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统(9)内置有分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件；
所述分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件从地面光纤监测信号采集系统(7)实时获取多功能碳纤维光纤复合杆(2)所采集的温度信息、压力信息及声波信息；
所述分布式光纤温度监测解释软件和分布式光纤声波监测解释软件分别将收集到的沿井筒(1)井深方向上随时间变化的温度场和压力场信息利用井筒多相流计算方法进行反演计算得到流量和含水率；所述分布式光纤声波监测解释软件用于将收集到的沿井筒(1)井深方向上随时间变化的声波数据通过二维傅立叶变换及多普勒效应求解声速和流速；最后将利用温度场和压力场反演计算的流量、含水率与利用声波数据计算的流量、含水率进行综合解释得到最终的流体流量和含水率；
所述分布式光纤声波监测解释软件用于将声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，然后与通过已建立的抽油泵工作状态典型工况特征数据库进行对比，解释得到抽油泵(3)工作状态；
所述分布式光纤声波监测解释软件用于将声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，然后与通过已建立的井筒出砂、结蜡、结垢的典型工况特征数据库进行对比，解释得到井筒(1)中出砂、结蜡、结垢的位置；
所述光纤监测数据处理与解释计算机分析系统(9)最终将监测的温度信息、声波信息、压力信息以瀑布图和曲线图方式显示出沿井筒(1)井深方向的温度分布、声强分布和压力分布。
3.根据权利要求1或2所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，其特征在于：所述地面光纤监测信号采集系统(7)包括DTS测温单元(701)、DAS测声单元(702)和光纤光栅测压单元(703)；
所述多功能碳纤维光纤复合杆(2)包括STA温声监测单元(21)和SP压力监测单元(22)，所述STA温声监测单元(21)和SP压力监测单元(22)两部分封装在碳纤维材料内部；
所述STA温声监测单元(21)用于采集所述抽油泵(3)在工作过程中产生的声波信息以及流体在井筒(1)中流动的声波信息和温度信息；
所述SP压力监测单元(22)用于采集井筒(1)内流体压力信息；
所述DTS测温单元(701)、DAS测声单元(702)分别用于接收STA温声监测单元(21)采集的温度和声波信号；所述光纤光栅测压单元(703)用于接收SP压力监测单元(22)采集的压力信号；
优选的，所述DTS测温单元(701)的传感距离为10千米、空间分辨率为1米、温度分辨率为0.01℃；所述DAS测声单元(702)的传感距离为10千米、空间分辨率为1米、应变灵敏度为1纳应变、响应带宽为15kHz；所述光纤光栅测压单元(703)的压力灵敏度大于等于240pm/MPa。
4.根据权利要求3所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，其特征在于：所述STA温声监测单元(21)包括单模光纤(211)、多模光纤(212)和无缝不锈钢管(213)，多对所述单模光纤(211)和多模光纤(212)封装在无缝不锈钢管(213)内；
所述单模光纤(211)通过地面光缆(6)与DTS测温单元(701)连接；
所述多模光纤(212)通过地面光缆(6)与DAS测声单元(702)连接；
优选的，所述单模光纤(211)选用波长1550nm、衰减指标小于0.4dB/km或者波长1310nm、衰减指标小于0.6dB/km的高灵敏度工程光纤；所述多模光纤(212)选用波长850nm、衰减指标小于3.0dB/km或者波长1300nm、衰减指标小于1.0dB/km的高灵敏度工程光纤；所述单模光纤(211)和多模光纤(212)的耐温范围在-50℃到300℃之间，光纤余长大于3‰。
5.根据权利要求3所述基于碳纤维光纤复合杆的监测系统，其特征在于：所述SP压力监测单元(22)包括光纤光栅压力计(221)和光纤光栅测压缆(222)，多个所述光纤光栅压力计(221)从上到下依次连接在光纤光栅测压缆(222)上；
所述光纤光栅测压缆(222)通过地面光缆(6)与光纤光栅测压单元(703)连接。
6.一种井筒生产状态监测数据解释方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)实时采集井筒(1)中流体流动时产生的声波信息、温度信息和压力信息；
2)利用声波信息、温度信息和压力信息综合解释井筒生产状态，具体步骤如下：
A)将收集到的沿井筒(1)深度方向上随时间变化的声波信息进行二维傅立叶变换，得到沿井筒(1)深度方向上分布的频率和波数信息，所述频率和波数信息在频率和波数二维平面图中呈现出由两条交叉线构成的V字形图形，再通过对频率和波数二维平面图中的两条交叉线进行线性拟合求得两条交叉线各自的斜率值，两条交叉线中的大斜率值和小斜率值即为沿井筒(1)深度方向上分布的声波在井筒(1)流体中的上行声速和下行声速；
其次，利用多普勒效应计算出沿井筒(1)中P点处及以上深度方向上分布的井筒(1)中流体的流速V1，根据井筒流体流动管道的横截面积计算出沿井筒(1)中P点处及P点以上深度方向上分布的井筒(1)中流体的流量，提取P点处的流量值Q1；
最后，将求得的沿井筒(1)中P点处及P点以上深度方向上分布的声波在井筒(1)流体中的上行声速和下行声速求平均得到沿井筒(1)中P点处及以上深度方向上分布的平均声速，提取P点处的平均声速值C1；
B)假设一个含水率αw，根据公式(E-1)，以含水率αw、含油率αo和含气率αg三者之和等于1为约束，通过假设一系列的含油率αo，得到对应的含气率αg，将某一时刻收集到的沿井筒(1)井深方向上随井深变化的温度和压力信息利用井筒多相流计算方法进行多次反演迭代计算，直到P点处的温度、压力计算结果与温度、压力监测结果之差小于预设误差ΔT和ΔP，并保证求得的井筒(1)中P点处流体的流量Q2与步骤A)求得的流量值Q1相等，则得到井筒(1)中P点处流体的含油率α0和含气率αg；
αo+αw+αg＝1(αo,αw,αg≤1) (E-1)
式中，αo为含油率，αw为含水率，αg为含气率；
C)根据声速与流体密度、体积模量之间的关系，将步骤B)计算出的P点处的含油率α0和含气率αg以及假设的含水率αw代入声速公式(E-2)中计算出井筒(1)中P点处的流体的声速Cm：
式中，Cm为声速，ρo为原油密度，ρw为地层水密度，ρg为气体密度，αo为含油率，αw为含水率，αg为含气率，Ko为原油体积模量，Kw为地层水体积模量，Kg为气体体积模量，d为井筒中流体流动管道的管径，E为井筒中流体流动管道的杨氏模量，h为井筒中流体流动管道的管壁厚度；
D)将步骤C)计算出的井筒(1)中P点处的声速Cm与步骤A)求得的沿井筒(1)深度方向上分布的声波在井筒(1)中P点处的平均声速C1进行比较：
如果两者的误差小于预设误差ΔC，则得到该井的含水率解释结果；
如果两者的误差大于等于预设误差ΔC，则返回步骤B)，重新调整含水率αw的赋值，重复步骤B)～步骤D)，直到两者的误差小于预设误差ΔC为止，得到最终的流体流量Q1和含水率αw解释结果；
3)利用声波信息解释井筒生产状态：将收集到的沿井筒(1)井深度方向上随时间变化的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的各种井筒生产状态典型工况特征数据库进行对比，得到井筒(1)生产状态信息。
7.根据权利要求6所述井筒生产状态监测数据解释方法，其特征在于：还包括利用声波信息解释井筒出砂信息的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒(1)井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒(1)出砂的典型工况特征数据库进行对比，得到井筒(1)出砂位置。
8.根据权利要求6所述井筒生产状态监测数据解释方法，其特征在于：还包括利用声波信息解释井筒结蜡信息的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒(1)井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒(1)结蜡的典型工况特征数据库进行对比，得到井筒(1)结蜡位置。
9.根据权利要求6所述井筒生产状态监测数据解释方法，其特征在于：还包括利用声波信息解释井筒结垢信息的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒(1)井深度方向上随时间变化的流体流动的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，将提取的特征频率与已建立的井筒(1)结垢的典型工况特征数据库进行对比，得到井筒(1)结垢位置。
10.根据权利要求6所述井筒生产状态监测数据解释方法，其特征在于：还包括利用声波信息解释抽油泵工作状态的的方法，具体步骤如下：
将收集到的沿井筒(1)井深度方向上随时间变化的抽油泵(3)在工作过程中产生的声波信息进行Butterworth滤波，然后进行频谱分析，提取特征频率，抽油泵(3)不同的工作状态对应不同的声波频率，将提取的特征频率与已建立的各种抽油泵工作状态典型工况特征数据库进行对比，得到抽油泵(3)工作状态。
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