发明内容

针对上述技术问题，本发明公开了一种井筒流量监测系统，将分布式光纤温度监测、分布式光纤声波监测以及单点热激励功能集于一体，实现井下温度和声波多参数的同时监测，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和声波信息进行解释得到流体流量和含水率、含气率，并满足高温、高压、腐蚀环境下井下流体流量和含水率的实时监测要求。

本发明还公开了一种流量、含水率解释方法，特别是针对油井油水气三相流体，将流体脉冲加热后的温度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、含气率情况，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、含气率更精确，为实际生产提供了更准确的数据支持，有助于节省开采成本，减少开采风险。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种井筒流量监测系统，包括多功能碳纤维光纤复合杆、抽油泵、地面脉冲加热控制系统、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，所述地面脉冲加热控制系统通过地面加热控制集成缆与多功能碳纤维光纤复合杆顶端相连；

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；

所述地面脉冲加热控制系统通过地面加热控制集成缆控制多功能碳纤维光纤复合杆对井筒中流动的流体进行单点加热；

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流体在井筒中流动的声波信息和温度信息，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和温度信息进行处理和解释得到流体流量和含水率。

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及声波信息；

所述分布式光纤温度监测解释软件利用脉冲加热后的温度变化计算流体流量；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进行二维傅立叶变换求解声速；所述分布式光纤温度监测解释软件利用热力学公式和声学公式计算出含水率与声速，最后将温度场的计算结果与声波数据计算结果进行综合解释得到最终的流体流量和含水率。

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测温单元和DAS测声单元；

所述多功能碳纤维光纤复合杆包括STA温声监测单元、HT热激励单元，所述STA温声监测单元和HT热激励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流体在井筒中流动的声波信息和温度信息；

所述HT热激励单元用于对井筒中流动的流体进行单点加热；

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信号和声波信号。

本发明的技术方案还有：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。

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地面光纤监测信号采集系统中的DTS测温单元连接；

所述多模光纤通过地面光缆与地面光纤监测信号采集系统中的DAS测声单元连接。

本发明的技术方案还有：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HT热激励单元包括发热装置和加热导线缆，多个所述发热装置从上到下依次连接在加热导线缆上；

所述加热导线缆通过地面加热控制集成缆与地面脉冲加热控制系统连接。

本发明所述井筒流量监测系统容易布置，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；另外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。

本发明还公开一种流量、含水率解释方法，具体步骤如下：

1)实时采集井筒中流体稳定流动时产生的背景温度信息和声波信息，所述背景温度信息是指在加热之前测得的井筒流体温度随井深变化形成的温度曲线；

2)通过所述地面脉冲加热控制系统控制多功能碳纤维光纤复合杆对井筒Y点处流体进行间隔脉冲加热，使得Y点下游的流体温度呈现脉冲变化，同时记录加热功率P和加热时间t；

3)将Y点处测得的温度脉冲曲线A与Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X测得的温度脉冲曲线B分别与步骤1)测得的对应位置处的背景温度进行相减，以消除背景温度信息的影响，分别得到加热后Y点处和Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X处相对于背景温度信息的温度变化曲线A1和温度变化曲线B1，通过同一脉冲周期内温度变化曲线A1的峰值达到时间和温度变化曲线B1的峰值达到时间计算出时滞值，根据公式(E-0)从而解释出流体流速V₁，然后根据井筒中流体流动管道横截面积进而计算出流量Q₁；

V₁＝L_s/T_s(E-0)

式中：V₁为流速；Ls为Y点与Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X之间的距离；Ts为同一脉冲周期内温度变化曲线A1的峰值达到时间和温度变化曲线B1的峰值达到时间之间的时滞值；

4)井筒流体流量和含水率的不同会影响流体温度和声波的变化，井筒中流体流动的温度场、流体中声速均会受到流体的流量、流体中的油气水含率影响；

并且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，为了降低流量和含水率解释的多解性，需要将流体脉冲加热后的温度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，求取含水率或含气率的具体步骤如下：

A)将收集到的Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X到井口范围内的沿井筒井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Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X到井口范围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Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X到井口范围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；

然后，将求得的沿Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X到井口范围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深度方向上分布的平均声速，提取X点处的平均声速值C₁；

B)提取步骤3)确定的温度变化曲线B1中的单个加热周期的峰值点温度信息，得到单个加热周期的加热功率和加热时间以及油气水各自的比热和步骤3)确定的流量Q₁；假设一个含水率α_w，根据公式(E-1)，以含水率α_w、含油率α₀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α₀，得到对应的含气率α_g，将上述求得的参数代入经典传热学中功率、温度和流量之间的理论公式(E-2)，使上述公式成立，则得到在假设含水率α_w的条件下满足该加热时间内热量守恒的含油率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，P为加热功率，t为加热时间，W为热量，c为流体总的比热容，m为流体总的质量，ΔT为温度变化值，c_w为水的比热容，c_o为原油的比热容，c_g为气体的比热容，Q₁为流量；

C)根据声速与流体密度、体积模量之间的关系，如下方的声速公式(E-3)所示，将步骤B)计算出的含油率α₀和含气率α_g以及假设的含水率α_w代入式(E-3)中计算出井筒中流体的声速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Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X处的声速C_m与步骤A)求得的Y点对应位置下游20米距离范围内某一点X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α_w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)，重新假设含水率α_w，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。

与现有的井下流量和含水率测量方法相比，本发明的有益效果为：

1)本发明所述井筒流量监测系统将分布式光纤温度监测、分布式光纤声波监测以及单点热激励功能集于一体，实现井下多参数监测，并满足在高温、高压、腐蚀环境下对井下流体状态动态实时监测的要求；

并通过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和温度信息进行处理和解释得到流体流量和含水率，相比与单独利用声波信息或单独利用温度信息求解，更加精准的解释出流体的流量和含水率、含气率；

2)本发明所述流量、含水率解释方法，针对油井油水气三相流体，将流体脉冲加热后的温度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、含气率更精确，为实际生产提供了更准确的数据支持，从而针对出水、气侵做出有效应对，有助于节省开采成本，减少开采风险；

3)本发明所述井筒流量监测系统容易布置，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；

4)本发明所述井筒流量监测系统中所用的多功能碳纤维光纤复合杆同时可起到抽油杆的作用和井下多参数监测的作用。