探針法在石油井內(nèi)持氣率測量中的應(yīng)用

時 博

（中國石油俄羅斯公司，俄羅斯 莫斯科 117198）

在油氣資源開采的過程中，石油井下情況的準確探測是提高工作效率和開采產(chǎn)量的重要前提[1]。但是，石油井下的情況通常非常復(fù)雜，形成多種氣體、多種液體混合交融、各自占比不明且動態(tài)變化的混合情況。在該情況下，必須通過有效的探測方法、可靠的探測工具，對石油井內(nèi)的各種物質(zhì)存在和配比情況進行探測，得到準確的數(shù)據(jù)信息后，設(shè)計相應(yīng)的開采方案才能得到最大的收益比[2]。從石油井內(nèi)的物質(zhì)配比情況看，一般存在石油物質(zhì)、水物質(zhì)和氣體物質(zhì)3類成分。在探測工具的選擇上，還要充分考慮工具材料在這3種物質(zhì)中的穩(wěn)定性。光纖材料在這3種物質(zhì)中的穩(wěn)定性較好，不導(dǎo)電、絕緣且不會被周圍環(huán)境的強電場和強磁場干擾[3]。如果用光纖材料制成探針，深入井內(nèi)對各種物質(zhì)尤其是氣體含有比率（即持氣率）進行測量，會提升石油資源開采效率。為此，該文考慮一種多光纖探針組合的方法，通過詳細的設(shè)計和實驗地驗證，探尋其在石油井內(nèi)完成持氣率測量的可行性。

1 持氣率多探針測量方法設(shè)計

根據(jù)石油井內(nèi)的探測經(jīng)驗可知，石油井內(nèi)的物質(zhì)配置情況十分復(fù)雜，并隨著開采進程的延續(xù)會呈現(xiàn)出不斷的動態(tài)變化，會對包括光纖探針在內(nèi)的各種傳感器造成極大影響，從而導(dǎo)致測量結(jié)果不準確、不全面。因此該文設(shè)計了多光纖探針的測量方案，以適應(yīng)石油井內(nèi)物質(zhì)的不均衡性，從而徹底改變單光纖探針可能造成的測量結(jié)果不確定性和低可信性，該測量方案的實施框圖如圖1所示。

圖1 多光纖探針完成石油井內(nèi)測量的技術(shù)方案

從圖1給出的多光纖探針完成石油井內(nèi)測量的技術(shù)方案可知，該技術(shù)實施大致分為如下階段。

第一個階段，將多個探針同時使用，探針的數(shù)目至少要多余2個，也可能是3個、4個，乃至更多。這些探針一起進入石油井下，完成各自區(qū)域內(nèi)的測量任務(wù)。

第二個階段，石油井內(nèi)的情況是復(fù)雜和未知的，井上也無法實現(xiàn)遠程全面監(jiān)控，因此會存在大量未知因素的干擾，從而給探針的測量結(jié)果造成干擾。為了確保各探針采集到信號的可用性，該階段要進行噪聲去除的預(yù)處理。

第三個階段，每個探針在井下的工作過程都是一個跨越一定時間范圍的測量過程，因此會得到多個時間點的測量數(shù)據(jù)。但考慮石油井下情況的動態(tài)波動，各時間點的數(shù)據(jù)可能會存在較大差異，同一類數(shù)據(jù)的測量幅度也會參差不齊。為了增強數(shù)據(jù)的可信度，對多個時間點的測量數(shù)據(jù)進行均值計算，用均值代替最后的測量結(jié)果。

第四個階段，要同時考慮多個探針反饋的測量結(jié)果，避免單一探針測量結(jié)果不準確。最終持氣率結(jié)果的生成要綜合多個探針的測量結(jié)果，從而提高石油井下測量的可信度和可用性。

2 光纖探針的工作過程分析

運用光纖探針完成石油井內(nèi)物質(zhì)配置尤其是持氣率的測量，先要明確其工作過程。光纖測量要用到光測量的各種原理。石油井下含有不同類型的物質(zhì)，這些物質(zhì)對光會形成不同的反射，從而引起探針電流各項參數(shù)的變化。通過將這些變化進行測量、記錄、運算，就可以得到測量結(jié)果。

氣體物質(zhì)的測量過程如圖2所示，液體物質(zhì)的測量過程如圖3所示。

圖2 氣體物質(zhì)的測量過程

圖3 液體物質(zhì)的測量過程

圖2、圖3中，參數(shù)I代表光纖內(nèi)容許通過的整體平行光束，參數(shù)θ0代表光線的入射角度，參數(shù)θf代表介質(zhì)給光線造成的折射角度，參數(shù)n0代表光纖材料自身形成的折射率，參數(shù)β代表探針最底部尖銳處形成的角度。

根據(jù)光纖的測量原理，石油井下的氣態(tài)物質(zhì)會形成光纖探針內(nèi)光纖的全反射，對應(yīng)形成高電壓輸出。相對地，石油井下的液態(tài)物質(zhì)會形成光纖探針內(nèi)光纖的折射，對應(yīng)形成低電壓輸出。這樣就可以完成持氣率的測量。

根據(jù)折射關(guān)系的存在，介質(zhì)間存在如公式（1）所示的角度關(guān)系。

式中：參數(shù)nf代表不同介質(zhì)材料形成的折射率；參數(shù)n0代表光纖材料自身形成的折射率；參數(shù)θf代表介質(zhì)給光線造成的折射角度；參數(shù)θ0代表光線的入射角度。

進一步換算出角度的關(guān)系，如公式（2）所示。

式中：參數(shù)θ0代表光線的入射角度；參數(shù)β代表探針最底部尖銳處形成的角度。

繼而，存在如公式（3）所示的角度關(guān)系。

式中：參數(shù)nfr代表不同介質(zhì)界面間形成的全反射折射率；參數(shù)n0代表光纖材料自身形成的折射率；參數(shù)β代表探針最底部尖銳處形成的角度。

3 四組探針的配置結(jié)構(gòu)

該文在多探針測量方案中最終選擇了同時使用4個探針，這些探針的空間布局和位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 探針的空間布局和位置關(guān)系

從圖4的3種空間布局展示結(jié)果來看，4個探針并不是均衡排列的，而是存在明顯的非對稱性。這種排布增加了與隨機環(huán)境、隨機測量過程的符合程度，更適用于未知的石油井下環(huán)境測量。

該文最終確定探針數(shù)量為4個的原因如下：第一，如果探針數(shù)量過少，就失去了多探針測量增強結(jié)果可行性的意義。第二，如果探針數(shù)量過多，又會增加測量結(jié)構(gòu)整體的復(fù)雜性、增大測量體積和功率消耗，不利于在井下長時間作業(yè)測量。

這些探針的測量效果由3個關(guān)鍵參數(shù)決定，第一個參數(shù)ri，代表第i個位置上光纖探針的徑向參數(shù)，第二個參數(shù)Si代表第i個位置上光纖探針的測量面積，第三個參數(shù)αi代表第i個位置上光纖探針的測量面積占自身外表總面積的比例。這4個探針對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)情況見表1。

表1 4個探針對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)情況

4 探針采集信號的去噪處理

該文在采用多探針組合測量方案的過程中發(fā)現(xiàn)，石油井下的情況復(fù)雜、測量環(huán)境條件變化多端，從而導(dǎo)致4個探針的測量結(jié)果都會出現(xiàn)不同程度的電平抖動，即輸出電壓不穩(wěn)定，這就給最終測量結(jié)果的準確性帶來了非常不利的影響。通過取樣研究和綜合分析發(fā)現(xiàn)，石油井下環(huán)境中的噪聲類型非常多，如高斯噪聲、椒鹽噪聲和隨機噪聲等。這些噪聲同時存在，并復(fù)合在一起，形成對測量設(shè)備的綜合影響。因此，要實現(xiàn)探針的準確測量，就必須執(zhí)行預(yù)處理，即去除可能存在的噪聲。

該文選擇了一個目前比較常用的去噪方法，即基于小波分析的去噪方法。其去噪的具體實施流程如圖5所示。

圖5 基于小波分析的去噪過程

圖5中的去噪過程包括4個核心去噪環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)，正確選擇小波基函數(shù)，要和噪聲特性相對應(yīng)。第二個環(huán)節(jié)，對選定的小波函數(shù)進行多分辨率分析，解析出噪聲和有用信號。第三個環(huán)節(jié)，對存在噪聲的光譜位置進行細節(jié)處理。第四個環(huán)節(jié)，通過重構(gòu)小波函數(shù)，恢復(fù)有用信號。經(jīng)過上述處理，4個探針測量結(jié)果中的噪聲被去除，可以有效地完成測量。

5 石油井內(nèi)持氣率測量試驗

上述研究詳細闡述了石油井下復(fù)雜物質(zhì)尤其是持氣率測量過程中存在的問題，提出了多探針組合測量方案，進而分析了光纖探針的測量原理和測量過程，給出了四探針組合的具體測量方案，明確4個探針所在的位置和空間布局，設(shè)計了基于小波分析的測量信號去噪方案。接下來將對測量方案進行試驗驗證。根據(jù)上述測量方案進行多次測量，得到的結(jié)果見表2。

表2 試驗中得到的測量結(jié)果

根據(jù)表2的測量結(jié)果，在不同的測量時間內(nèi)，2個光纖探針都得到了對應(yīng)的測量結(jié)果。為了進一步增加結(jié)果的可信度，該文同時采用了自適應(yīng)算法和算數(shù)平均算法分別計算持氣率。從2種方法的對比結(jié)果可以看出，自適應(yīng)算法的計算結(jié)果更可信，與石油井下復(fù)雜環(huán)境的持續(xù)波動相符合。因此，該文最終選擇自適應(yīng)算法進行最終持氣率的計算，并作為井下的測量數(shù)據(jù)輸出。

6 結(jié)論

對石油井下復(fù)雜物質(zhì)構(gòu)成尤其是持氣率進行測量，對提升石油開采效率和開采質(zhì)量具有十分重要的意義。該文詳細闡述了石油井下復(fù)雜物質(zhì)尤其是持氣率測量過程中存在的問題，提出了多探針組合測量方案，進而分析了光纖探針的測量原理和測量過程，給出了四探針組合的具體測量方案，明確了4個探針所在的位置和空間布局，設(shè)計了基于小波分析的測量信號去噪方案。試驗結(jié)果表明，該文提出的測量方案可以有效測量石油井下的持氣率。