本發(fā)明提供一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，屬于油氣井勘探。

背景技術(shù)：

1、對于油氣井氣液界面的識別，井下多相流量計或壓力計只能提供井筒中離散位置的信息，不能同時覆蓋整個井筒區(qū)間。使用測井技術(shù)進行界面跟蹤檢測成本高昂，且在測井期間必須中斷生產(chǎn)導(dǎo)致產(chǎn)量損失。最近幾年在油氣井中部署光纖利用分布式聲波傳感(distributedacoustic?sensing，das)技術(shù)進行流體流動特征分析變得越來越普遍。與基于傳統(tǒng)點式傳感器的生產(chǎn)測井相比，分布式光纖傳感器的一大優(yōu)勢在于能夠沿著井筒或光纖的整個長度提供空間和時間上連續(xù)的信息，無需額外安裝任何電子設(shè)備。das能夠檢測由井筒內(nèi)流體流動引起的振動和多相流情況下聲速(sos，speedofsound)變化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服上述局限性和挑戰(zhàn)，本發(fā)明提出了一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，該方法利用提出的分速能量提取過程，處理das采集的振動數(shù)據(jù)，從das數(shù)據(jù)中提取的速度譜用于識別氣液界面。

2、本發(fā)明考慮多相流中某一相態(tài)流體的聲速，以提取該相流體特有的聲學能量或信號。這有助于估算該相流體的流動特征。由于das數(shù)據(jù)量可能很大(井筒監(jiān)測每天可達數(shù)tb)，基于分速能量的氣液界面識別方法還具有在不損失有價值信息的情況下壓縮數(shù)據(jù)的實際優(yōu)勢。由于das可以沿光纖全長提供空間連續(xù)的信息，這種方法不受流動狀態(tài)限制，適用于向上或向下的垂直流或傾斜流，也適用于小直徑和大直徑管柱。該方法考慮了某一相態(tài)流體的聲速，以過濾出多相介質(zhì)中該相態(tài)貢獻的聲學能量或信號。通過基于分速能量的氣液界面識別方法工作流程處理das數(shù)據(jù)，可以識別氣液界面。

3、具體技術(shù)方案為：

4、一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，包括以下步驟：

5、(1)根據(jù)鏡像邊界條件以消除輸入數(shù)據(jù)上的邊界偽影。

6、使用鏡像邊界條件主要用于處理有限長度數(shù)據(jù)集的邊緣效應(yīng)。通過在數(shù)據(jù)邊界處創(chuàng)建虛擬的鏡像數(shù)據(jù)來擴展原始數(shù)據(jù)集。對于采集的二維das數(shù)據(jù)，鏡像邊界條件被應(yīng)用于深度維度。

7、具體來說，在數(shù)據(jù)的頂部和底部邊界添加了鏡像數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)頂部：將原始數(shù)據(jù)的前25％上下翻轉(zhuǎn)后添加到數(shù)據(jù)頂部。在數(shù)據(jù)底部：將原始數(shù)據(jù)的后25％上下翻轉(zhuǎn)后添加到數(shù)據(jù)底部。

8、(2)對二維數(shù)據(jù)應(yīng)用一階梯度濾波器，以消除數(shù)據(jù)中觀察到的水平噪聲，隨后進行頻率和波數(shù)濾波。在本發(fā)明中，f-k濾波計算為先后進行頻率濾波和波數(shù)濾波。對于頻率濾波，在時間方向上應(yīng)用高通巴特沃斯濾波器，以去除信號中的直流噪聲(即零頻率處)和電潛泵噪聲。

9、(3)f-k濾波之后，應(yīng)用自動增益控制增強數(shù)據(jù)中的微弱信號；自動增益控制計算涉及將das數(shù)據(jù)乘以縮放因子h(x)，該因子在公式(1)中估算為每個考慮的時間窗口內(nèi)該深度處所有das數(shù)據(jù)的均方根的倒數(shù)，表示為：

10、

11、其中ki是二維矩陣中給定行的das數(shù)據(jù)，m是記錄時間窗口內(nèi)每個深度的總樣本數(shù)。

12、(4)進行分速能量提取，包括相速度濾波。相速度濾波步驟以自動增益控制濾波后的數(shù)據(jù)作為輸入。然后應(yīng)用二維快速傅里葉變換，如公式(2)所示，將自動增益控制處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)(f-k)域。

13、g(ω,λ)＝∫∫f(τ,ξ)e-(λξ-ωτ)dξdτ?(2)

14、其中ω表示角頻率，λ表示角波數(shù)，τ表示時間，ξ表示空間坐標。

15、(5)根據(jù)f-k域數(shù)據(jù)的特性，創(chuàng)建二維頻率矩陣和二維波數(shù)矩陣，通過對這兩個矩陣中每個對應(yīng)單元的頻率與波數(shù)比值，創(chuàng)建速度譜圖。然后，給定速度范圍以創(chuàng)建速度屏蔽矩陣。所選擇的速度范圍取決于目標流體。如果關(guān)注氮氣和水的混合物，為了檢測氣-水兩相區(qū)域，根據(jù)氮氣-水混合物中的聲速，則指定270～360米/秒的速度范圍。為了檢測單相水區(qū)域，則指定1500～1600米/秒的速度范圍。f-k域數(shù)據(jù)與速度屏蔽數(shù)據(jù)相乘，得到速度濾波數(shù)據(jù)(在f-k空間中)，即分速能量數(shù)據(jù)。

16、(6)應(yīng)用逆二維快速傅里葉變換將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在時間-空間域中。之后基于分速能量數(shù)據(jù)計算自相關(guān)系數(shù)。自相關(guān)函數(shù)用于獲得時間序列與自身的相似度，這有助于獲取數(shù)據(jù)中嵌入的周期性信息。分析函數(shù)s(t)的自相關(guān)函數(shù)如公式(3)：

17、

18、其中s(t)表示時間域的信號，δ表示時間延遲。

19、計算信號s(t)的自相關(guān)等同于頻域中振幅譜的平方。換句話說，在頻域中計算x(t)的功率譜是計算自相關(guān)函數(shù)的另一種方法，如公式(4)

20、

21、其中a(δ)為公式3中的自相關(guān)函數(shù)表示，s(f)是信號s(t)的傅里葉變換，f是角頻率。

22、本發(fā)明根據(jù)特定相態(tài)的聲速范圍，篩選出由該相態(tài)貢獻的聲學能量或信號，稱為“分速能量”。分速能量隨后用于多相流的特征分析。本發(fā)明展示了所提出的分速能量的工作流程在實時跟蹤井筒全長的氣液界面的應(yīng)用。分速能量技術(shù)采用了一系列信號處理和調(diào)整步驟，以降低噪聲并增強目標信號。這種新方法所得到的結(jié)果將進一步有助于驗證基于das的流動監(jiān)測算法、泄漏檢測和量化，以及儲層特征分析。

23、本發(fā)明技術(shù)方案具有的技術(shù)效果：

24、本發(fā)明可以實時跟蹤氣液界面的變化，提供動態(tài)的井筒流動信息。有助于及時發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對井下流動問題。通過準確識別氣液界面，可以優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，如泵速和注氣量。

25、可以對整個井筒進行連續(xù)監(jiān)測，而不僅限于離散點的測量。提供了更全面的井筒流動圖像。及時發(fā)現(xiàn)異常氣體涌入，預(yù)防井噴等安全事故。

技術(shù)特征：

1.一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，步驟(1)具體方法為：在數(shù)據(jù)的頂部和底部邊界添加了鏡像數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)頂部：將原始數(shù)據(jù)的前25％上下翻轉(zhuǎn)后添加到數(shù)據(jù)頂部；在數(shù)據(jù)底部：將原始數(shù)據(jù)的后25％上下翻轉(zhuǎn)后添加到數(shù)據(jù)底部。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，步驟(2)具體方法為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，步驟(3)具體方法為：自動增益控制計算將das數(shù)據(jù)乘以縮放因子h(x)，該縮放因子在公式(1)中估算為每個考慮的時間窗口內(nèi)該深度處所有das數(shù)據(jù)的均方根的倒數(shù)，表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，步驟(4)中相速度濾波步驟以自動增益控制濾波后的數(shù)據(jù)作為輸入；然后應(yīng)用二維快速傅里葉變換，如公式(2)所示，將自動增益控制處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)(f-k)域；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，步驟(5)中，所選擇的速度范圍取決于目標流體；如果關(guān)注氮氣和水的混合物，為了檢測氣-水兩相區(qū)域，根據(jù)氮氣-水混合物中的聲速，則指定270～360米/秒的速度范圍；為了檢測單相水區(qū)域，則指定1500～1600米/秒的速度范圍；f-k域數(shù)據(jù)與速度屏蔽數(shù)據(jù)相乘，得到速度濾波數(shù)據(jù)，即分速能量數(shù)據(jù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，其特征在于，步驟(6)中自相關(guān)函數(shù)用于獲得時間序列與自身的相似度，分析函數(shù)s(t)的自相關(guān)函數(shù)如公式(3)：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種利用分布式聲波傳感數(shù)據(jù)速度譜識別氣液界面的方法，屬于油氣井勘探技術(shù)領(lǐng)域；根據(jù)鏡像邊界條件以消除輸入數(shù)據(jù)上的邊界偽影；對二維數(shù)據(jù)應(yīng)用一階梯度濾波，隨后進行頻率和波數(shù)濾波；應(yīng)用自動增益控制增強數(shù)據(jù)中的微弱信號；進行分速能量提取；根據(jù)F?K域數(shù)據(jù)的特性，創(chuàng)建二維頻率矩陣和二維波數(shù)矩陣，通過對這兩個矩陣中每個對應(yīng)單元的頻率與波數(shù)比值，創(chuàng)建速度譜圖；給定速度范圍以創(chuàng)建速度屏蔽矩陣；應(yīng)用逆二維快速傅里葉變換將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在時間?空間域中；基于分速能量數(shù)據(jù)計算自相關(guān)系數(shù)。本發(fā)明可以實時跟蹤氣液界面的變化，提供動態(tài)的井筒流動信息。

技術(shù)研發(fā)人員：趙爭光,郭浩然,徐行,楊東曉,王春蕾,田益博,付占文,湯繼周
受保護的技術(shù)使用者：華北科技學院（中國煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23