基于碳纤维光纤复合杆的监测系统及监测数据解释方法与流程

技术特征：
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α
w
，根据公式(e
‑
1)，以含水率α
w
、含油率α
o
和含气率α
g
三者之和等于1为约束，通过假设一系列的含油率α
o
，得到对应的含气率α
g
，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α
g
；α
o
α
w
α
g
＝1(α
o
,α
w
,α
g
≤1) (e
‑
1)式中，α
o
为含油率，α
w
为含水率，α
g
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α
g
以及假设的含水率α
w
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c
m
：式中，c
m
为声速，ρ
o
为原油密度，ρ
w
为地层水密度，ρ
g
为气体密度，α
o
为含油率，α
w
为含水率，α
g
为含气率，k
o
为原油体积模量，k
w
为地层水体积模量，k
g
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c
m
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α
w
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α
w
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。

技术总结
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。支持。支持。


技术研发人员：刘均荣 王迪 吕广平 张锦杰
受保护的技术使用者：朴牛（山东）能源科技发展有限责任公司
技术研发日：2021.07.12
技术公布日：2021/10/23