基于分布式光纤声传感技术的水泥环流体泄漏工况诊断

来源：石油科学通报杂志2025年第6期北京时间：

作者：李晓蓉, 苏飞宇, 李仨兴, 赵杨, 司晓宇, 冯永存

单位：1 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院， 北京 102249 2 中国石油大学(北京)石油工程学院， 北京 102249 3 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院， 北京 102249

摘要：水泥环完整性对油气井安全高效生产至关重要。随着油田开发的深入，增产增注等作业可能导致水泥环产生微裂隙，削弱其封隔油气水层的能力。传统固井检测方法只能提供单点或瞬时状态，难以实现全井段的实时监测。分布式光纤声传感技术为水泥环泄漏的实时监测提供了全新方法。基于自主搭建的分布式光纤监测井筒完整性实验平台，开展了不同泄漏通道尺寸、位置和泄漏量下的水泥环失效监测实验，获取了光纤监测数据。在传统谱减降噪方法中引入过减因子，有效解决了谱减过程的负值问题，通过结合短时傅里叶变换和连续小波变换提取泄漏信号的时频域特征，从而确定泄漏位置。同时，通过计算光纤信号的功率谱分布和声压级，建立了泄漏流量与声波能量之间的关系。最后，提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)和双向门控循环单元(Bidirectional Gated Recurrent Unit, BiGRU)的特征识别方法，实现了对泄漏工况的精准分类。研究结果表明，改进的谱减法在低频区域(0~100 Hz)能有效抑制宽频带噪声和脉冲噪声，抑制幅度可达 100 dB 至 120 dB。泄漏流量与声波能量呈正相关，流量仅改变特征频率的峰值，不影响频率分布特征。构建的CNN-BiGRU模型能有效识别光纤信号的空间和时序特征，表现出较高的准确性和良好的泛化能力，为分布式声光纤监测水泥环完整性的数据解释提供了支持。

关键词：分布式声光纤传感器,水泥环完整性,时频分析方法,CNN-BiGRU,深度学习模型

基金资助：国家自然科学基金面上项目“应力—腐蚀耦合作用下CCUS井水泥环密封失效机理研究”(5247040354);国家自然科学基金青年项目“分布式光纤声传感(DAS)监测水泥环完整性研究”(52004298)