一種基于電導探針陣列信息融合的垂直井含水率測量方法
【專利說明】一種基于電導探針陣列信息融合的垂直井含水率測量方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于多相流檢測領域，尤其涉及一種基于電導探針陣列信息融合的垂直井 含水率測量方法。 【【背景技術】】
[0002] 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。
[0003] 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-ffater 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 0il-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發明 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 持水率測量的發明專利"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。
[0004] 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。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。本發明采用基于最小均方誤差的線性均方估計的決策級信 息融合方法。
[0005] 本發明提出一種基于電導探針陣列信息融合的垂直井含水率測量方法，屬于多相 流檢測領域。首先，測量電導探針陣列每個探針的電壓響應信號；其次，通過統計分析和小 波分析從每個探針電壓響應信號提取特征量；第三，進行Z-score歸一化，再采用主成分 分析（PCA)技術提取主成分，所提取的主成分稱為PCA特征量；第四，利用支持向量回歸 (SVR)方法分別建立從各探針響應信號的PCA特征量到油水兩相流含水率的回歸模型，稱 為SVR模型；第五，采用粒子群優化算法優化SVR模型參數；最后，對各探針所預測的含水 率進行基于最小均方誤差的線性均方估計的決策級信息融合。相對于基于單探針的垂直井 含水率測量方法，本發明不僅提高了測井的魯棒性和可靠性，而且提高了測量精度。 【
【發明內容】
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[0006] 本發明的目的是提供一種基于電導探針陣列信息融合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。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供的一種基于電導探針陣列信息融合的垂直井含水率 測量方法，采用如下技術方案：
[0008] -種基于電導探針陣列信息融合的垂直井含水率測量方法，其特征在于，包含以 下步驟：
[0009] 步驟一，首先，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（22) 打開電導探針陣列（23)的支撐臂（232)，其次，通過電導遙測電路（24)測量電導探針陣列 (23)各個探針（231)的電壓響應信號，所述測量方法如下：將幅值為1^的雙極性正弦波激 勵信號（31)施加在阻值為R f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R x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U。，則有
[0010]
(!)
[0011] 該探針電壓響應信號以時間序列形式記錄，并以曼碼格式經測井電纜上傳至地 面；
[0012] 步驟二，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S2i ]，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
[0013]
(2)
[0014] 式中，S2,; (k)表示重構序列S2,;的第k個元素，N i表示S 2,;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 ：(3:)
[0015] '
[0016] 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
[0017] (4)
[0018]
[0019] ^
[0020]式中，SFfej)(k)表示S2,;傅里葉變換序列的第k個元素，N2表示SFfe^的長度。
[0021] 步驟三，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；Z-score歸一化方法定義為
[0022]
:(€)
[0023] 上式中，Xu表示在油水兩相流不同總流量和含水率組合下第j支探針的第i個特 征量組成的向量，I? 1表示歸一化后的特征量向量，j = 1，2,…，N，N表示探針的數目，i = 1，2,…，12 ; 1^;和〇 ^分別表不X_u的均值和標準差；PCA技術是分析多個變量間相關性 的一種多元統計方法，通過正交變換將多個可能相關的變量變換成少數幾個線性不相關的 綜合指標，稱之為主成分，在所有正交變換線性組合中選取方差貢獻率最高的綜合指標作 為第一主成分，后續的每個主成分都將是剩余線性組合中方差貢獻率最高的綜合指標，且 與前面的主成分正交；
[0024] 步驟四，利用支持向量回歸（SVR)方法分別建立從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
[0025] (X.u，y.u)，X.UG Rn，[0, 1] (7)
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