一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法技術

一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，屬于多相流檢測領域。首先，分別測量總流量和每個探針的電壓響應信號；其次，通過統計分析和小波分析兩種技術從每個探針響應信號提取特征量；第三，對所提取的特征量進行Z-score歸一化，再采用主成分分析(PCA)技術提取主成分，成為PCA特征量；第四，利用支持向量回歸(SVR)方法分別建立從總流量和各探針響應信號的PCA特征量到油水兩相流含水率的SVR回歸模型；第五，采用遺傳算法優化SVR模型參數；最后，對各探針所預測的含水率進行基于算術平均的線性均方估計的決策級信息融合。本發明專利技術大幅降低了輸入變量維數，相對于單探針方法，不僅提高了測井的魯棒性和可靠性，而且大幅提高了測量精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于多相流檢測領域，尤其涉及一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法。
技術介紹
生產測井在石油開采中發揮著不可替代的作用。除流型之外，含水率也是油水兩相流的重要參數，指單位時間內流過井筒的水相體積流量占多相流總體積流量的百分比，對其準確測量對于實時監測原油的產量，進而對提高油井采收率和節約能耗具有重要意義。然而，油水兩相流流型多變，相間存在復雜的界面效應和滑差，導致含水率的準確測量非常困難，至今仍然是生產測井中亟需解決但仍未很好解決的難題。而且，隨著油田開發的深入，多層合采、注水開采被廣泛應用，使得傳統的含水率/持水率測量儀器和方法難以滿足現場需求。目前，多相流的含水率測量被廣泛地研究。含水率測量方法有快關閥門法、差壓法、電容法、電導法、探針法、射線法、光學法、超聲法、微波法、電學層析成像法、熱式法和軟測量法。電導探針法不僅對油水兩相流的流動參數變化響應迅速，而且成本低，安全、可靠、可實施性強，因而得到了廣泛的應用。Zhao等采用了雙電導探針研究垂直井油水兩相流的含油率及速度的分布(參考文獻Zhao?D.J.,Guo?L.J.,Hu?X.W.Experimental?Study?on?Local?Characteristics?of?Oil-Water?Dispersed?Flow?in?a?Vertical?Pipe[J].International?Journal?of?Multiphase?Flow,2006,V32(10-11):1254-1268)。Lucas等采用了雙電導探針研究油水兩相流在泡狀流流型下的含油率(參考文獻Lucas?G.P.,Panagiotopoulos?N.Oil?Volume?Fraction?and?Velocity?Profiles?in?Vertical?Bubbly?Oil-in-Water?Flows[J].Flow?Measurement?and?Instrumentation,2009,V20:127-135)。國家知識產權局授權了三項有關電導探針陣列傳感器及其優化方法的專利技術專利“一種多環電極陣列成像傳感器”(專利號ZL201010110504.0)，“一種環形持水率測井傳感器陣列的結構優化方法”(專利號ZL201010543247.X)和“一種基于遺傳算法的多環電極陣列傳感器結構優化方法”(專利號ZL201210544383.X)。然而，電導探針法還遠不成熟，探針響應信號的處理和使用還需要深入研究。將軟測量方法與傳統多相流傳感器相結合可以極大地豐富多相流測量數據的使用，從而提高測量精度。一般地，軟測量方法包含如下步驟：數據挖掘，特征提取，數據融合和參數估計等。國家知識產權局公布了兩項有關水平井持水率測量的專利技術專利“一種基于電導探針陣列傳感器的水平井多參數估計方法”(申請號201310193498.3)和“一種基于電導探針陣列和信息融合技術的水平井參數檢測方法”(申請號201410214392.1)，但不能適用于垂直井含水率測量。在垂直井中某個同心圓上油和水的分布在統計意義上是對稱的。單電導探針的響應信號能指示其所在同心圓上油和水的分布，但只是垂直井整個橫截面上油和水分布的一個局部指示。因此，探針所處的同心圓半徑將影響油水兩相流參數的檢測。如果能在徑向布置多個電導探針，將有助于提高含水率測量精度。另外，生產測井對測井儀的可靠性、魯棒性有嚴苛的要求，而單探針結構往往可靠性低，譬如，探針可能在下井過程中受強烈的震動而損壞，或者在測量時由于沾污而導致測量效果變差。因此，單探針難以滿足生產測井的要求，而盡管多探針陣列測井儀增加了電導測量電路的設計難度以及數據的上傳和處理難度，但為了滿足生產測井對可靠性和魯棒性的要求和提高含水率測量精度，極有必要研究基于電導探針陣列的垂直井含水率測量方法。垂直井中油水兩相流分布依賴于總流量和含水率，而總流量易于在集流后由渦輪流量計獲得。如果總流量作為一個參數來幫助描述油水兩相流分布，那么含水率的測量精度將會提高。根據所處理的信息層次，多傳感器融合系統可分為三個層次：數據級信息融合、特征級信息融合和決策級融合。盡管決策級信息融合會損失大量信息，但是有如下優點：1)容錯性強，2)通信量小，抗干擾能力強，3)計算量小、實時性高。線性均方(Linear?mean?square,LMS)估計由于其無偏和均一性而被廣泛用于多傳感器系統的決策級信息融合。由于總流量的加入可大幅提高垂直井含水率測量精度，因而在進行決策級信息融合時，本專利技術無需采用復雜的基于最小均方誤差的線性均方估計，只需采用簡單的基于算術平均的線性均方估計即可達到非常高的測量精度。本專利技術提出一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，屬于多相流檢測領域。首先，分別測量總流量和每個探針的電壓響應信號；其次，通過統計分析和小波分析兩種技術從每個探針響應信號提取特征量；第三，對所提取的特征量進行Z-score歸一化，再采用主成分分析(PCA)技術提取主成分，成為PCA特征量；第四，利用支持向量回歸(SVR)方法分別建立從總流量和各探針響應信號的PCA特征量到油水兩相流含水率的SVR回歸模型；第五，采用遺傳算法優化SVR模型參數；最后，對各探針所預測的含水率進行基于算術平均的線性均方估計的決策級信息融合。本專利技術大幅降低了輸入變量維數，相對于單探針方法，不僅提高了測井的魯棒性和可靠性，而且大幅提高了測量精度。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，以滿足生產測井對高魯棒性、高可靠性和高測量精度的要求。為實現上述目的，本專利技術提供的一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，采用如下技術方案：一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，其特征在于，包含以下步驟：步驟一，在垂直井中油水兩相流不同總流量和含水率組合下，通過電機(24)打開集流傘(25)，利用渦輪流量計(26)測量油水兩相流總流量；步驟二，在垂直井中油水兩相流不同總流量和含水率組合下，通過電機(24)打開電導探針陣列(22)的支撐臂(222)，通過電導測量電路(23)測量電導探針陣列(22)各個探針(221)的電壓響應信號，測量方法如下，將幅值為Ui的雙極性正弦波激勵信號(31)施加在阻值為Rf的取樣電阻(32)上，開關(33)依次選通電導探針陣列每個探針(34)，取樣電阻Rf與選通的電導探針的針芯(343)的尖端所處位置油水兩相流(35)的對地電阻Rx構成分壓電路，在激勵信號波峰時刻測得電導探針的電壓響應信號(36本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，其特征在于，包含以下步驟：步驟一，在垂直井中油水兩相流不同總流量和含水率組合下，通過電機(24)打開集流傘(25)，利用渦輪流量計(26)測量油水兩相流總流量；步驟二，在垂直井中油水兩相流不同總流量和含水率組合下，通過電機(24)打開電導探針陣列(22)的支撐臂(222)，通過電導測量電路(23)測量電導探針陣列(22)各個探針(221)的電壓響應信號，測量方法如下，將幅值為Ui的雙極性正弦波激勵信號(31)施加在阻值為Rf的取樣電阻(32)上，開關(33)依次選通電導探針陣列每個探針(34)，取樣電阻Rf與選通的電導探針的針芯(343)的尖端所處位置油水兩相流(35)的對地電阻Rx構成分壓電路，在激勵信號波峰時刻測得電導探針的電壓響應信號(36)的幅值為Uo，則有該探針電壓響應信號以時間序列形式記錄，由存儲及遙測通信電路(27)存儲測得數據，并編譯成曼碼，通過電纜接口(28)連接測井電纜上傳至地面；步驟三，在統計分析中，分別從每個探針電壓響應信號提取4個特征量，即均值、標準差、偏度系數、峰度系數；在小波分析中，分別將每個探針響應時間序列進行兩層小波包分解，提取8個特征量的方法如下：重構第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數，得到相應次頻帶的重構序列S2,j，j＝0,1,2,3；在第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數的能量為式中，S2,j(k)表示重構序列S2,j的第k個元素，N1表示S2,j的長度；第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數的能量比例由下式計算得到在第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數的信息熵定義為式中，式中，SF(2,j)(k)表示S2,j傅里葉變換序列的第k個元素，N2表示SF(2,j)的長度。步驟四，分別對電導探針陣列每個探針電壓響應信號的特征量進行Z?score歸一化，再分別采用主成分分析(PCA)技術提取主成分，降低特征量之間的數據冗余，所得到的主成分稱之為PCA特征量；步驟五，利用支持向量回歸(SVR)方法分別建立從總流量和電導探針陣列各個探針的PCA特征量到垂直井油水兩相流含水率的回歸模型，稱之為SVR模型，訓練集的一個樣本被記作(xj,i,yj,i),xj,i∈Rn+1,yj,i∈[0,1]????????????????(6)?式中，xj,i表示SVR模型的n+1維輸入向量，其中n維輸入向量為第j支探針第i個訓練集樣本對應的電?壓響應信號的PCA特征量，n≤12，另1維輸入向量為渦輪流量計測得的總流量；yj,i表示SVR模型的1維輸出向量，表示第j支探針第i個訓練集樣本對應的油水兩相流含水率值，j＝1,2,…，N表示探針的數目，i＝1,2,…，l表示訓練集的長度，測試集的數據格式和訓練集一致；利用各探針的訓練集樣本分別對SVR模型進行訓練，采用高斯徑向基函數，利用各探針的測試集樣本分別測試SVR模型的垂直井含水率測量精度；步驟六，采用遺傳算法(GA)來優化SVR模型的懲罰因子C和高斯徑向基函數核半徑σ，以提高SVR模型的測量精度和泛化能力，所述優化的步驟如下：(a)設定懲罰因子C、核函數參數σ的搜索范圍，設置進化代數計數器t＝0，設置最大進化代數，種群規模，交配概率，變異概率，搜索精度，隨機生成初始群體P(0)；(b)設定計算群體P(t)中各個個體的適應度Rcv(C，σ)，即SVR模型交叉驗證下的垂直井含水率測量精度；(c)進行選擇運算、交叉運算、變異運算之后得到下一代群體；(d)若達到搜索精度，則以該次進化得到的個體作為最優解輸出，終止計算；否則按達到最大進化代數，以進化過程中所得到的具有最大適應度個體作為最優解輸出，終止計算；步驟七，對電導探針陣列各個探針所預測的垂直井含水率進行基于算術平均的線性均方估計的決策級信息融合；第j支探針預測的含水率值設為Yj，j＝1,2，…，N為探針數目，如果Yj是無偏的，且互相獨立，則可使用下式進行線性均方估計式中，Wj表示分配給第j支探針預測值Yj的權重；基于算術平均的線性均方估計中，Wj的取值需滿足。...

【技術特征摘要】
1.一種基于總流量與電導探針陣列信號的垂直井含水率測量方法，其特征在于，包含以下步驟：
步驟一，在垂直井中油水兩相流不同總流量和含水率組合下，通過電機(24)打開集流傘(25)，利用渦輪流量計(26)測量油水兩相流總流量；
步驟二，在垂直井中油水兩相流不同總流量和含水率組合下，通過電機(24)打開電導探針陣列(22)的支撐臂(222)，通過電導測量電路(23)測量電導探針陣列(22)各個探針(221)的電壓響應信號，測量方法如下，將幅值為Ui的雙極性正弦波激勵信號(31)施加在阻值為Rf的取樣電阻(32)上，開關(33)依次選通電導探針陣列每個探針(34)，取樣電阻Rf與選通的電導探針的針芯(343)的尖端所處位置油水兩相流(35)的對地電阻Rx構成分壓電路，在激勵信號波峰時刻測得電導探針的電壓響應信號(36)的幅值為Uo，則有
該探針電壓響應信號以時間序列形式記錄，由存儲及遙測通信電路(27)存儲測得數據，并編譯成曼碼，通過電纜接口(28)連接測井電纜上傳至地面；
步驟三，在統計分析中，分別從每個探針電壓響應信號提取4個特征量，即均值、標準差、偏度系數、峰度系數；在小波分析中，分別將每個探針響應時間序列進行兩層小波包分解，提取8個特征量的方法如下：重構第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數，得到相應次頻帶的重構序列S2,j，j＝0,1,2,3；在第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數的能量為
式中，S2,j(k)表示重構序列S2,j的第k個元素，N1表示S2,j的長度；第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數的能量比例由下式計算得到
在第二層小波分解得到的四個次頻帶小波系數的信息熵定義為
式中，
式中，SF(2,j)(k)表示S2,j傅里葉變換序列的第k個元素，N2表示SF(2,j)的長度。
步驟四，分別對電導探針陣列每個探針電壓響應信號的特征量進行Z-score歸一化，再分別采用主成分分析(PCA)技術提取主成分，降低特征量之間的數據冗余，所得到的主成分稱之為PCA特征量；
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐立軍，陳健軍，曹章，王友嶺，張文，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11