CN110344816B - 一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，包括：在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法、监测所述油气井出砂的方法、DAS油气井出砂监测解释方法。本发明采用分布式光纤声音监测可以实现所有生产层段分布式、实时的出砂状况监测；可以定性判断各层段的出砂程度；可以实现井下出砂临时监测；可以实现出砂层段防砂效果评价，对实践和研究的意义都非常突出。

Description

一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，属于油气开采的技术领域。

背景技术

在油气田开采过程中，储层大量出砂或连续出砂会造成油气层砂埋、油管砂堵、地面管汇砂积、地层亏空垮塌等后果，严重影响油气井正常生产。因此，能够实时了解油气井出砂层位和出砂量，对保证油气井安全、高效、持续生产至关重要。目前现场采用的出砂监测方法主要有超声波法、压电法、加速度传感器法等，这些方法以井口监测为主，得到的是全井的出砂情况，不能实时揭示井下各个生产层段的出砂情况以及井筒中砂粒的流动情况。

近年来，随着分布式光纤声音监测技术，以下简称为DAS技术的发展，为储层出砂和井筒砂粒流动的分布式、实时监测提供了一种重要手段，然而本技术领域还未将其应用至用于检测油气井出砂的工艺当中。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法。

本发明概述

DAS技术的主要原理是利用相干光时域反射测量的原理，将相干短脉冲激光注入到光纤中，当有外界振动作用于光纤上时，由于弹光效应，会微小地改变纤芯内部结构，从而导致背向瑞利散射信号的变化，使得接收到的反射光强发生变化，通过检测井下事件前后的瑞利散射光信号的强度变化，即可探测并精确定位正在发生的井下事件。当储层出砂时，砂粒冲击井下光纤，产生振动事件，根据光纤不同位置处的振动事件和振动强度，即可确定出砂层位以及出砂程度。同时，通过监测进入井筒中的砂粒的运动情况，可以确定在当前生产速度下是否会发生砂粒沉降，进而可以为油气井携砂生产提供指导。由于光纤具有抗电磁干扰、耐腐蚀、实时性好等特点，使得其在井下出砂实时监测方面具有更大的优越性。

本发明的详细技术方案如下：

一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，其特征在于，包括：在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法；

其中，所述分布式光纤声音监测装置包括DAS出砂监测仪和铠装光缆，所述的DAS出砂监测仪包括激光光源、声音信号接收器和计算机控制与显示系统；

所述DAS出砂监测仪用于实时监测并反馈给监测人员声音数据；所述铠装光缆用于垂直设置在油气井中，并将监测到的井下出砂声音数据传输至DAS出砂监测仪；

所述在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法包括：

将铠装光缆垂直且沿油气井轴向方向安装在油气井中；所述铠装光缆的安装深度覆盖待检测油气井的所有出砂层位；

所述铠装光缆的末端设置有保持其自然悬垂的部分；DAS出砂监测仪通过所述铠装光缆实时采集油气井的声音信号，并将所述声音信号传输至计算机控制与显示系统。

根据本发明优选的，所述铠装光缆安装在油气井内油管的外壁上，或者安装在油管和套管之间的环形空间内。

根据本发明优选的，所述基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法还包括监测所述油气井出砂的方法，步骤如下：

所述的激光光源向铠装光缆中的单模感声光纤发送脉冲激光；所述的声音信号接收器接收从铠装光缆中的单模感声光纤反射回来的声音信号；

所述的计算机控制与显示系统控制激光光源和声音信号接收器的信号发射与接收工作。

根据本发明优选的，所述计算机控制与显示系统用于反馈油气井各生产层段的出砂情况。

根据本发明优选的，所述的DAS出砂监测仪的空间分辨率为1米，最高采样频率为15kHz。

根据本发明优选的，所述基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法还包括DAS油气井出砂监测解释方法，实现所述解释方法的计算机控制与显示系统内包括数据预处理模块和出砂监测数据解释模块：

所述数据预处理模块用于得到与储层砂粒进入井筒相关的去噪以后的声音数据，包括步骤1-1)-1-3)：

1-1)采用频率-空间反褶积滤波器对出砂监测过程中采集的声音数据进行处理，得到去除随机尖峰噪声的声音数据；

1-2)采用带通滤波器将声音数据的频率范围限制在砂粒进入井筒流动的冲击能量范围内，从而消除数据中无关的噪声信号；

1-3)得到与储层砂粒进入井筒相关的去噪以后的声音数据；

所述出砂监测解释模块包括：建立声强坐标系和生成声强“瀑布图”，包括：

2-1)建立声强坐标系，油气井深度为横坐标、对油气井声音监测的时间为纵坐标；

2-2)利用与储层砂粒进入井筒相关的声音数据在上述声强坐标系中绘制声强“瀑布图”：

2-3)定义出砂层段：

由于已知油气井中所有生产层段的位置，也即知道油气井生产层段所覆盖的深度范围，因此，从声强“瀑布图”上在生产层段所覆盖的深度范围内提取任意时刻的声强随油气井深度变化的曲线，如图2所示；以在生产层段所覆盖的深度范围内所提取的任意时刻的声强随油气井深度变化曲线的最小声强值为基础作一条水平线，如图2中虚线所示；

根据各个生产层段所覆盖的深度范围，采用面积法计算各个生产层段所覆盖的深度范围内由最小声强值为基础作的水平线与声强随油气井深度变化的曲线所包围形成的图形的面积；

然后，计算面积方差：将生产层段所对应的面积大于1倍面积方差的生产层段判断为出砂层段；

2-4)定义严重出砂、中等出砂和轻微出砂：

将各个生产层段所对应的面积除以该生产层段的厚度，得到该生产层段的单位厚度的面积；

将各个生产层段的单位厚度的面积相加求得总的单位厚度的面积，计算各个生产层段所对应的单位厚度的面积百分比；

将单位厚度的面积百分比大于等于50％定义为严重出砂、单位厚度的面积百分比在20％-50％之间定义为中等出砂、单位厚度的面积百分比小于等于20％定义为轻微出砂。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用分布式光纤声音监测可以实现所有生产层段分布式、实时的出砂状况监测；

2、本发明所述分布式光纤声音监测方法可以定性判断各层段的出砂程度；

3、本发明所述分布式光纤声音监测方法可以实现井下出砂长期监测，也可以实现井下出砂临时监测。

4、本发明所述分布式光纤声音监测方法可以实现出砂层段防砂效果评价，对实践和研究的意义都非常突出。

附图说明

图1为本发明所述一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法的工况示意图。

图2为利用本发明所述方法在某一时刻所监测到油气井出砂监测结果的示意图。

图1-2中：1、生产层段I；2、生产层段II；3、生产层段III；4、套管；5、油管；6、井口；7、DAS出砂监测仪；8、铠装光缆；9、保持铠装光缆自然悬垂的重物部分；10、人工井底。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如附图1、2所示。

实施例1、

一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，包括：

在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法；

其中，所述分布式光纤声音监测装置包括DAS出砂监测仪7和铠装光缆8，所述的DAS出砂监测仪7包括激光光源、声音信号接收器和计算机控制与显示系统；

所述DAS出砂监测仪7用于实时监测并反馈给监测人员声音数据；所述铠装光缆8用于垂直设置在油气井中，并将监测到的井下出砂声音数据传输至DAS出砂监测仪7；

所述在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法包括：

将铠装光缆8垂直且沿油气井轴向方向安装在油气井中；所述铠装光缆8的安装深度覆盖待检测油气井的所有出砂层位；

所述铠装光缆8的末端设置有保持其自然悬垂的部分9；DAS出砂监测仪7通过所述铠装光缆8实时采集油气井的声音信号，并将所述声音信号传输至计算机控制与显示系统。

所述铠装光缆8安装在油气井内油管的外壁上，或者安装在油管4和套管5之间的环形空间内。

实施例2、

如实施例1所述的基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法还包括监测所述油气井出砂的方法，步骤如下：

所述的激光光源向铠装光缆8中的单模感声光纤发送脉冲激光；所述的声音信号接收器接收从铠装光缆8中的单模感声光纤反射回来的声音信号；

所述的计算机控制与显示系统控制激光光源和声音信号接收器的信号发射与接收工作。

所述计算机控制与显示系统用于反馈油气井各生产层段的出砂情况。

所述的DAS出砂监测仪的空间分辨率为1米，最高采样频率为15kHz。

所述基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法还包括DAS油气井出砂监测解释方法，实现所述解释方法的计算机控制与显示系统内包括数据预处理模块和出砂监测数据解释模块：

所述数据预处理模块用于得到与储层砂粒进入井筒相关的去噪以后的声音数据，包括步骤1-1)-1-3)：

1-1)采用频率-空间反褶积滤波器对出砂监测过程中采集的声音数据进行处理，得到去除随机尖峰噪声的声音数据；

1-2)采用带通滤波器将声音数据的频率范围限制在砂粒进入井筒流动的冲击能量范围内，从而消除数据中无关的噪声信号；

1-3)得到与储层砂粒进入井筒相关的去噪以后的声音数据；

所述出砂监测解释模块包括：建立声强坐标系和生成声强“瀑布图”，包括：

2-1)建立声强坐标系，油气井深度为横坐标、对油气井声音监测的时间为纵坐标；

2-2)利用与储层砂粒进入井筒相关的声音数据在上述声强坐标系中绘制声强“瀑布图”：

2-3)定义出砂层段：

由于已知油气井中所有生产层段的位置，也即知道油气井生产层段所覆盖的深度范围，因此，从声强“瀑布图”上在生产层段所覆盖的深度范围内提取任意时刻的声强随油气井深度变化的曲线，如图2所示；以在生产层段所覆盖的深度范围内所提取的任意时刻的声强随油气井深度变化曲线的最小声强值为基础作一条水平线，如图2中虚线所示；

根据各个生产层段所覆盖的深度范围，采用面积法计算各个生产层段所覆盖的深度范围内由最小声强值为基础作的水平线与声强随油气井深度变化的曲线所包围形成的图形的面积；

然后，计算面积方差：将生产层段所对应的面积大于1倍面积方差的生产层段判断为出砂层段；

2-4)定义严重出砂、中等出砂和轻微出砂：

将各个生产层段所对应的面积除以该生产层段的厚度，得到该生产层段的单位厚度的面积；

将各个生产层段的单位厚度的面积相加求得总的单位厚度的面积，计算各个生产层段所对应的单位厚度的面积百分比；

将单位厚度的面积百分比大于等于50％定义为严重出砂、单位厚度的面积百分比在20％-50％之间定义为中等出砂、单位厚度的面积百分比小于等于20％定义为轻微出砂。

应用例1、

利用本发明所述一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法得到不同工作制度下井筒各生产层段的出砂情况具体步骤：

步骤1：按照油气井生产工艺确定油气井生产管柱，确定经无缝不锈钢管铠装而成的铠装光缆8的长度，确保铠装光缆8的长度超过油管5的长度并能延伸到人工井底10；将加重物9连接在铠装光缆8的下端；将小于油管5长度的铠装光缆8的部分固定在油管5外壁卡槽内；将铠装光缆8随油气井生产管柱下入生产井中；

步骤2：将铠装光缆8穿越井口6后与置于地面的DAS出砂监测仪7相连；

步骤3：启动DAS出砂监测仪7，开井生产；

步骤4：观察DAS出砂监测仪7中计算机控制与显示系统上所显示的声音数据，待声音数据稳定后，记录下该声音数据，得到如图2所示示意图；

步骤5：利用DAS出砂监测仪7中计算机控制与显示系统内置的DAS油气井出砂监测解释方法对步骤4所采集的声音数据进行实时解释，得到井筒各生产层段的出砂情况；

步骤6：改变油气井工作制度，重复步骤4和步骤5，得到不同工作制度下井筒各生产层段的出砂情况。

应用例2、

利用本发明所述一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法完成油气井井下出砂临时监测的步骤：

步骤1：根据油气井人工井底10的深度，确定经无缝不锈钢管铠装而成或者经可分解的铝合金铠装而成的铠装光缆8的长度，确保铠装光缆8的长度超过油管5的长度并能延伸到人工井底10；将加重物9连接在铠装光缆8的下端；将铠装光缆8从油管5和套管4之间的环形空间下入油气井中；

步骤2：将铠装光缆8穿越井口6后与置于地面的DAS出砂监测仪7相连；

步骤3：启动DAS出砂监测仪7，开井生产；

步骤4：观察DAS出砂监测仪7中计算机控制与显示系统上所显示的声音数据，待声音数据稳定后，记录下该声音数据，得到如图2所示示意图；

步骤5：利用DAS出砂监测仪7中计算机控制与显示系统内置的DAS油气井出砂监测解释方法对步骤4所采集的声音数据进行实时解释，得到井筒各生产层段的出砂情况；

步骤6：改变油气井工作制度，重复步骤4和步骤5，得到不同工作制度下井筒各生产层段的出砂情况；

步骤7：测试完毕，关闭DAS出砂监测仪7；若采用经无缝不锈钢管铠装而成的铠装光缆8，则从油管5和套管4之间的环形空间取出铠装光缆8和加重物9，完成油气井井下出砂临时监测作业；若采用经可分解的铝合金铠装而成的铠装光缆8，则在井口切割铠装光缆8，完成油气井井下出砂临时监测作业。

应用例3、

利用本发明所述一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法获得的防砂后井筒各生产层段的出砂情况，进行油气井防砂效果评价的步骤：

步骤1：根据油气井人工井底10的深度，确定经无缝不锈钢管铠装而成或者经可分解的铝合金铠装而成的铠装光缆8的长度，确保铠装光缆8的长度超过油管5的长度并能延伸到人工井底10；将加重物9连接在铠装光缆8的下端；将铠装光缆8从油管5和套管4之间的环形空间入生产井中；

步骤2：将铠装光缆8穿越井口6后与置于地面的DAS出砂监测仪7相连；

步骤3：启动DAS出砂监测仪7，开井生产；

步骤4：观察DAS出砂监测仪7中计算机控制与显示系统上所显示的声音数据，待声音数据稳定后，记录下该声音数据，得到如图2所示示意图；

步骤5：利用DAS出砂监测仪7中计算机控制与显示系统内置的DAS油气井出砂监测解释方法对步骤4所采集的声音数据进行实时解释，得到防砂前井筒各生产层段的出砂情况；

步骤6：测试完毕，关闭DAS出砂监测仪7；若采用经无缝不锈钢管铠装而成的铠装光缆8，则从油管5和套管4之间的环形空间取出铠装光缆8和加重物9，完成油气井井下出砂临时监测作业；若采用经可分解的铝合金铠装而成的铠装光缆8，则在井口切割铠装光缆8，完成油气井井下出砂临时监测作业；

步骤7：实施砾石充填防砂工艺过程；

步骤8：待砾石充填防砂工艺完成后，取出砾石充填防砂管柱；

步骤9：重复步骤1到步骤6，得到防砂后井筒各生产层段的出砂情况；

步骤10：将步骤5获得的防砂前井筒各生产层段的出砂情况与步骤9获得的防砂后井筒各生产层段的出砂情况进行对比，为评价油气井防砂效果提供依据。

Claims (3)

1.一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，其特征在于，包括：在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法；

所述在待监测出砂油气井安装分布式光纤声音监测装置的方法包括：

将铠装光缆垂直且沿油气井轴向方向安装在油气井中；所述铠装光缆的安装深度覆盖待检测油气井的所有出砂层位；

所述铠装光缆的末端设置有保持其自然悬垂的部分；DAS出砂监测仪通过所述铠装光缆实时采集油气井的声音信号，并将所述声音信号传输至计算机控制与显示系统；

所述计算机控制与显示系统用于反馈油气井各生产层段的出砂情况；所述的DAS出砂监测仪的空间分辨率为1米，最高采样频率为15kHz；

所述基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法还包括DAS油气井出砂监测解释方法，实现所述解释方法的计算机控制与显示系统内包括数据预处理模块和出砂监测数据解释模块：

所述数据预处理模块用于得到与储层砂粒进入井筒相关的去噪以后的声音数据，包括步骤1-1）-1-3）：

1-1）采用频率-空间反褶积滤波器对出砂监测过程中采集的声音数据进行处理，得到去除随机尖峰噪声的声音数据；

1-2）采用带通滤波器将声音数据的频率范围限制在砂粒进入井筒流动的冲击能量范围内，从而消除数据中无关的噪声信号；

1-3）得到与储层砂粒进入井筒相关的去噪以后的声音数据；

所述出砂监测数据解释模块包括：建立声强坐标系和生成声强“瀑布图”，包括：

2-1）建立声强坐标系，油气井深度为横坐标、对油气井声音监测的时间为纵坐标；

2-2）利用与储层砂粒进入井筒相关的声音数据在上述声强坐标系中绘制声强“瀑布图”：

2-3）定义出砂层段：

从声强“瀑布图”上在生产层段所覆盖的深度范围内提取任意时刻的声强随油气井深度变化的曲线，以在生产层段所覆盖的深度范围内所提取的任意时刻的声强随油气井深度变化曲线的最小声强值为基础作一条水平线；

根据各个生产层段所覆盖的深度范围，采用面积法计算各个生产层段所覆盖的深度范围内由最小声强值为基础作的水平线与声强随油气井深度变化的曲线所包围形成的图形的面积；

然后，计算面积方差：将生产层段所对应的面积大于1倍面积方差的生产层段判断为出砂层段；

2-4）定义严重出砂、中等出砂和轻微出砂：

将各个生产层段所对应的面积除以该生产层段的厚度，得到该生产层段的单位厚度的面积；

将各个生产层段的单位厚度的面积相加求得总的单位厚度的面积，计算各个生产层段所对应的单位厚度的面积百分比；

将单位厚度的面积百分比大于等于50%定义为严重出砂、单位厚度的面积百分比在20%-50%之间定义为中等出砂、单位厚度的面积百分比小于等于20%定义为轻微出砂。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，其特征在于，所述铠装光缆安装在油气井内油管的外壁上，或者安装在油管和套管之间的环形空间内。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤声音监测的油气井出砂监测方法，其特征在于，该监测还包括监测所述油气井出砂的方法，步骤如下：

激光光源向铠装光缆中的单模感声光纤发送脉冲激光；声音信号接收器接收从铠装光缆中的单模感声光纤反射回来的声音信号；

所述的计算机控制与显示系统控制激光光源和声音信号接收器的信号发射与接收工作。

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