探针法在石油井内持气率测量中的应用

时 博

（中国石油俄罗斯公司，俄罗斯 莫斯科 117198）

在油气资源开采的过程中，石油井下情况的准确探测是提高工作效率和开采产量的重要前提[1]。但是，石油井下的情况通常非常复杂，形成多种气体、多种液体混合交融、各自占比不明且动态变化的混合情况。在该情况下，必须通过有效的探测方法、可靠的探测工具，对石油井内的各种物质存在和配比情况进行探测，得到准确的数据信息后，设计相应的开采方案才能得到最大的收益比[2]。从石油井内的物质配比情况看，一般存在石油物质、水物质和气体物质3类成分。在探测工具的选择上，还要充分考虑工具材料在这3种物质中的稳定性。光纤材料在这3种物质中的稳定性较好，不导电、绝缘且不会被周围环境的强电场和强磁场干扰[3]。如果用光纤材料制成探针，深入井内对各种物质尤其是气体含有比率（即持气率）进行测量，会提升石油资源开采效率。为此，该文考虑一种多光纤探针组合的方法，通过详细的设计和实验地验证，探寻其在石油井内完成持气率测量的可行性。

1 持气率多探针测量方法设计

根据石油井内的探测经验可知，石油井内的物质配置情况十分复杂，并随着开采进程的延续会呈现出不断的动态变化，会对包括光纤探针在内的各种传感器造成极大影响，从而导致测量结果不准确、不全面。因此该文设计了多光纤探针的测量方案，以适应石油井内物质的不均衡性，从而彻底改变单光纤探针可能造成的测量结果不确定性和低可信性，该测量方案的实施框图如图1所示。

图1 多光纤探针完成石油井内测量的技术方案

从图1给出的多光纤探针完成石油井内测量的技术方案可知，该技术实施大致分为如下阶段。

第一个阶段，将多个探针同时使用，探针的数目至少要多余2个，也可能是3个、4个，乃至更多。这些探针一起进入石油井下，完成各自区域内的测量任务。

第二个阶段，石油井内的情况是复杂和未知的，井上也无法实现远程全面监控，因此会存在大量未知因素的干扰，从而给探针的测量结果造成干扰。为了确保各探针采集到信号的可用性，该阶段要进行噪声去除的预处理。

第三个阶段，每个探针在井下的工作过程都是一个跨越一定时间范围的测量过程，因此会得到多个时间点的测量数据。但考虑石油井下情况的动态波动，各时间点的数据可能会存在较大差异，同一类数据的测量幅度也会参差不齐。为了增强数据的可信度，对多个时间点的测量数据进行均值计算，用均值代替最后的测量结果。

第四个阶段，要同时考虑多个探针反馈的测量结果，避免单一探针测量结果不准确。最终持气率结果的生成要综合多个探针的测量结果，从而提高石油井下测量的可信度和可用性。

2 光纤探针的工作过程分析

运用光纤探针完成石油井内物质配置尤其是持气率的测量，先要明确其工作过程。光纤测量要用到光测量的各种原理。石油井下含有不同类型的物质，这些物质对光会形成不同的反射，从而引起探针电流各项参数的变化。通过将这些变化进行测量、记录、运算，就可以得到测量结果。

气体物质的测量过程如图2所示，液体物质的测量过程如图3所示。

图2 气体物质的测量过程

图3 液体物质的测量过程

图2、图3中，参数I代表光纤内容许通过的整体平行光束，参数θ0代表光线的入射角度，参数θf代表介质给光线造成的折射角度，参数n0代表光纤材料自身形成的折射率，参数β代表探针最底部尖锐处形成的角度。

根据光纤的测量原理，石油井下的气态物质会形成光纤探针内光纤的全反射，对应形成高电压输出。相对地，石油井下的液态物质会形成光纤探针内光纤的折射，对应形成低电压输出。这样就可以完成持气率的测量。

根据折射关系的存在，介质间存在如公式（1）所示的角度关系。

式中：参数nf代表不同介质材料形成的折射率；参数n0代表光纤材料自身形成的折射率；参数θf代表介质给光线造成的折射角度；参数θ0代表光线的入射角度。

进一步换算出角度的关系，如公式（2）所示。

式中：参数θ0代表光线的入射角度；参数β代表探针最底部尖锐处形成的角度。

继而，存在如公式（3）所示的角度关系。

式中：参数nfr代表不同介质界面间形成的全反射折射率；参数n0代表光纤材料自身形成的折射率；参数β代表探针最底部尖锐处形成的角度。

3 四组探针的配置结构

该文在多探针测量方案中最终选择了同时使用4个探针，这些探针的空间布局和位置关系如图4所示。

图4 探针的空间布局和位置关系

从图4的3种空间布局展示结果来看，4个探针并不是均衡排列的，而是存在明显的非对称性。这种排布增加了与随机环境、随机测量过程的符合程度，更适用于未知的石油井下环境测量。

该文最终确定探针数量为4个的原因如下：第一，如果探针数量过少，就失去了多探针测量增强结果可行性的意义。第二，如果探针数量过多，又会增加测量结构整体的复杂性、增大测量体积和功率消耗，不利于在井下长时间作业测量。

这些探针的测量效果由3个关键参数决定，第一个参数ri，代表第i个位置上光纤探针的径向参数，第二个参数Si代表第i个位置上光纤探针的测量面积，第三个参数αi代表第i个位置上光纤探针的测量面积占自身外表总面积的比例。这4个探针对应的关键参数情况见表1。

表1 4个探针对应的关键参数情况

4 探针采集信号的去噪处理

该文在采用多探针组合测量方案的过程中发现，石油井下的情况复杂、测量环境条件变化多端，从而导致4个探针的测量结果都会出现不同程度的电平抖动，即输出电压不稳定，这就给最终测量结果的准确性带来了非常不利的影响。通过取样研究和综合分析发现，石油井下环境中的噪声类型非常多，如高斯噪声、椒盐噪声和随机噪声等。这些噪声同时存在，并复合在一起，形成对测量设备的综合影响。因此，要实现探针的准确测量，就必须执行预处理，即去除可能存在的噪声。

该文选择了一个目前比较常用的去噪方法，即基于小波分析的去噪方法。其去噪的具体实施流程如图5所示。

图5 基于小波分析的去噪过程

图5中的去噪过程包括4个核心去噪环节：第一个环节，正确选择小波基函数，要和噪声特性相对应。第二个环节，对选定的小波函数进行多分辨率分析，解析出噪声和有用信号。第三个环节，对存在噪声的光谱位置进行细节处理。第四个环节，通过重构小波函数，恢复有用信号。经过上述处理，4个探针测量结果中的噪声被去除，可以有效地完成测量。

5 石油井内持气率测量试验

上述研究详细阐述了石油井下复杂物质尤其是持气率测量过程中存在的问题，提出了多探针组合测量方案，进而分析了光纤探针的测量原理和测量过程，给出了四探针组合的具体测量方案，明确4个探针所在的位置和空间布局，设计了基于小波分析的测量信号去噪方案。接下来将对测量方案进行试验验证。根据上述测量方案进行多次测量，得到的结果见表2。

表2 试验中得到的测量结果

根据表2的测量结果，在不同的测量时间内，2个光纤探针都得到了对应的测量结果。为了进一步增加结果的可信度，该文同时采用了自适应算法和算数平均算法分别计算持气率。从2种方法的对比结果可以看出，自适应算法的计算结果更可信，与石油井下复杂环境的持续波动相符合。因此，该文最终选择自适应算法进行最终持气率的计算，并作为井下的测量数据输出。

6 结论

对石油井下复杂物质构成尤其是持气率进行测量，对提升石油开采效率和开采质量具有十分重要的意义。该文详细阐述了石油井下复杂物质尤其是持气率测量过程中存在的问题，提出了多探针组合测量方案，进而分析了光纤探针的测量原理和测量过程，给出了四探针组合的具体测量方案，明确了4个探针所在的位置和空间布局，设计了基于小波分析的测量信号去噪方案。试验结果表明，该文提出的测量方案可以有效测量石油井下的持气率。