CN101963055A - 一种多相流的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相流的测量方法，包括如下步骤：第一步：对测得的时域信号变换得到水油气三项流功率谱；第二步：油水与气水的分离，用两相流的功率谱曲线特征拟合油气水三项流率谱，从而得到对应的油水功率谱和气水功率谱；第三步：根据标定的功率谱积分面积-流量或/和功率谱中心频率-流量关系得到实际流量。由于本发明采用曲线拟合分离，很好地解决了油水气的分离问题，克服了长期以来困扰多项流测量问题。经过实际多次试验测量，两相流测量误差5-10％左右，三项流误差在15％左右，完全能满足生产需求。

Description

一种多相流的测量方法

技术领域

本发明涉及石油天然气生产技术领域，尤其是一种油水气多相流测量方法。

背景技术

近些年，国内某些特大油田，有60-70％的油井脱气(即随着油层压力减小，油气分离)，即出现了油、气、水三相流，因此急需多相流测量方法，而多相流测量目前在国内国外都是一个空白，几年前，国内也曾有人申请过超声三相流量测试的实用新型专利，但经过3-4年的转换实验，最终未能实现多项(即两相流和三相流)流的井下测试，最主要的原因就是无法分开多相流信号中的油和气各自的信号，无法确定各自含量。

发明内容

本发明解决的问题是如何有效进行井下多相流的测试问题。

本发明的目的是提供一种多相流的测量方法，包括如下步骤：

第一步：对测得的时域信号变换得到水油气三项流功率谱。其中可以使用直接FFT变换得到；也可以时域信号进行时域分割为多个窗口，对每个信号进行短时傅利叶变换(STFT)，然后对短时傅利叶变换(STFT)变换累加得到功率谱。

第二步：油水与气水的分离，用两相流的功率谱曲线特征拟合油气水三项流的水油气三项流功率谱，从而得到对应的油水功率谱和气水功率谱。

第三步：根据标定的功率谱积分面积-流量或/和功率谱中心频率-流量关系得到实际流量。

由于本发明采用曲线拟合分离，很好地解决了油水气的分离问题，克服了长期以来困扰多项流测量问题。经过实际多次试验测量，两相流测量误差5-10％左右，三项流误差在15％左右，完全能满足生产需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是井下测试示意图。

图2是原始时域信号波形。

图3是功率谱(幅度-频率图)生成过程示意图。

图4是三项流信号、气信号和水信号示意图。

图5是两相流面积与流量标定版图。

图6是两相流频率与流量标定版图。

图7标定示意图

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图1所示的井下测量示意图，流量计101，位于井筒103的中央，流量计101的探头正对着待测流体102。井下待测流体中油、气、水在套管中为泡状流时，油泡和气泡分别对水有不同的滑脱速度，即油泡和气泡相对于水向上流动。所以发射探头向待测混合泡状流(注水开发油田井下的油或油气在水中一般都呈泡状流)发射超声波束，流动的油泡和气泡会分别产生反射的超声波，油泡和气泡产生不同的多谱勒频移。如图1所示的测量示意图，则油泡和气泡的平均多普勒频移分别为：

$\mathrm{\Δ}{f}_O=\frac{{2v}_O}{v_S}\×\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}{f}_G=\frac{{2v}_G}{v_S}\×\cos \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中，Δf_O是油泡的平均多普勒频移。Δf_G是气泡的平均多普勒频移，v_O是油泡相对于水的平均运动速度，v_G是气泡相对于水的平均运动速度，v_S是超声波在水中的声速，θ是发射超声波束与垂直向下方向的夹角。

接收探头接收混合泡状流反射的超声波信号，得到原始的时域频移信号，即多普勒频移信号(参见图2)。通过对原始的时域频移信号进行系列处理，就可以得到三相流测量结果。下面是三相流测量的详细步骤：

第一步：确定三项流复合功率谱图(幅度-频率图)。如具体过程见图3，由于井下流体的流态多变，信号不稳定，在时域分析难度很大，为了处理准确，将原始时域信号分成多个短时信号，可以认为有限时间宽度内信号是平稳信号。然后分别进行短时傅利叶变换(STFT)。计算出各个短时信号的功率谱(幅度-频率图)，将各个功率谱相加得到分析信号的油气水三项流的复合功率谱(幅度-频率图)。经过这样的处理将多个原始时域信号转换为对应的多个信号功率谱。需要说明的是，在精度要求不太高的情况下，或时间窗口取比较大，甚至就一个时间窗口，即直接进行FTT变换得到复合功率谱。为了减小计算误差，在时域分割时最好保证每个信号中至少包含4个数据样本。

其中离散信号STFT变换公式见公式3。

$X(n,k)=\underset{m=-\∞}{\overset{m=+\∞}{\mathrm{\Σ}}}x\left(m\right)w(n-m)e^{-j2\mathrm{\πkm}/N}---\left(3\right)$

其中w(n)是窗函数，{x(n)}_n∈Z是待变换的数字信号(由图2所示信号经A/D变换得到)，N是STFT点数。。

第二步：多次采集信号，再对所得各次信号的复合功率谱数据进行平均，去除偶然干扰影响，得到一个平均的信号功率谱，为了获得更好的处理效果，可以用滤波器对所得信号功率谱滤波，去除有用信号带宽外噪声，得到干净平滑的信号曲线。需要说明的是，步骤二只是一个可选步骤，在精度要求比较高才需要，一般可以采集一次得到功率谱就可以。同样，对所得信号功率谱滤波也是一个可选步骤。

第三步：油水与气水的分离，用两相流的功率谱曲线特征拟合油气水三项流的复合功率谱(如果多次采集了信号，复合功率谱是平均后的复合功率谱；如果经过了滤波，复合功率谱是滤波后的功率谱)，从而得到对应的油水功率谱和气水功率谱。

通过对大量实验数据的分析，建立了油水和气水功率谱的函数模型，油水两相时的功率谱接近对称，可以用高斯函数建模：

$f\left(x\right)=a_1{e}^{-{(x/b_1)}^2/{c_1}^2}---\left(4\right)$

其中a₁表征信号幅度，b₁表征均值，c₁表征方差。

而气水两相的功率谱是非对称图形，经过分析我们用两个幅度、均值、方差线性相关的高斯函数之和建模：

$f\left(x\right)=a_2{e}^{-{(x/b_2)}^2/{c_2}^2}+a_3{e}^{-{(x/b_3)}^2/{c_3}^2}---\left(5\right)$

其中a₂、a₃表征幅度，b₂、b₃表征均值，c₂、c₃表征方差。

然后采用曲线拟合法，比如最好二乘拟合法或其他一般拟合法均可，以油水两相函数模型(4)和气水两相函数模型(5)为函数原型对井下三相流信号功率谱曲线进行拟合，从而求得油水两相函数和气水两相函数，即得到油水功率谱和气水功率谱。图4为分离结果的一个示意图(其中低频段信号为所得油水信号功率谱，位于高频段信号为所得气水信号功率谱)。

第五步：对得到的井下油水功率谱和气水功率谱的幅度分别进行最大值检测，得到Amax，Amax所对应的频率即为两相流中心频率Fc。然后对所得两相流功率谱进行曲线积分，既对所有数据点Fn，An(N整数)进行积分运算：

$S=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n{A}_n---\left(6\right)$

得到曲线积分面积S。其中N为积分数据点数，F_N为频移功率谱的频率点，A_N为频率点对应的幅度值。

第六步：标定。由于功率谱曲线的积分面积的实际意义代表多普勒信号的强度，随着实际流量的增加，井筒中气泡和油泡密度增大，多普勒反射信号随之增强，则流量计获取的原始时域信号(见图2)的平均幅度增大，根据公式(3)，x(t)幅度增大，窗函数ω(t-τ)不变，则STFT得到的多普勒信号功率谱的幅度A_N增大，根据公式(6)，A_N增大，F_N不变，则曲线的积分面积S也就增大，可以确定积分面积与实际流量之间是单调递增的函数关系。

同样，中心频率与水流量之间的关系也可以确定，因为管道横截面积不变，如果水流量增加，则水速增大，而油泡和气泡处在水中，因此油泡和气泡的速度变随之增大，根据公式(1)和公式(2)，θ不变，v_S不变，v_O、v_G增大时，则Δf_O、Δf_G便随之增大，所以曲线的中心频率与实际水流量之间也是单调递增的函数关系。

因此通过实际标定便可得到油水和气水标定版图。标定示意图如图7，通过设定装置中的水泵、气泵、油泵的实际流量得到确定流量的三相流，然后采用本方法测量方法的步骤一到步骤五，实测得到对应的测量结果——油水信号功率谱积分面积、气水信号功率谱积分面积、油水信号功率谱中心频率和气水信号功率谱中心频率。经过对一系列确定流量的三相流进行实测，得到对应的一系列油水信号功率谱积分面积、气水信号功率谱积分面积、油水信号功率谱中心频率和气水信号功率谱中心频率，这样就可以得到如表(1)的数据表。

表1

表中数据仅做示意，实际标定时，是在整个测量范围内，三种流体流量从最小以一定的间隔变化到最大的所有情况进行标定。例如从最小油气水流量的情况——水5方/天、油2方/天、气2方/天变化到最大油气水流量的情况——水25方/天、油10方/天、气10方/天。如果水以5方为步进、油以2方为步进、气以2方为步进，这样共有5*5*5＝125组数据。

得到所有的标定数据后，以对应的实际流量为横坐标，以对应的测量值为纵坐标，将所有情况的标定数据绘制得到标定版图，分别为实际油(气)流量与油(气)信号功率谱积分面积标定图(如图5)，以及水流量与中心频率标定图(如图6)。这样就得到标定版图，需要说明的是，在测得一系列标定数据后，除了可以标定版图外，也可以把这些数据直接得到标定表格，在实际测量中可以用查询表格的方式，另外也可以用函数拟合得到标定函数，然后把测量值带入标定函数得到对应的值。其中图5、图6只是一个示意，在实际中会分别有标定得到油水信号功率谱积分面积、气水信号功率谱积分面积、油水信号功率谱中心频率和气水信号功率谱中心频率分别与测得流量的一一对应关系。

需要特别说明的是，标定不是每次测量都需要，只需要标定一次就可以进行测量了。

第七步：输出测量结果。对一个未知的三相流，则按照步骤一到步骤五的过程，计算得到油(气)功率谱曲线积分面积以及中心频率，然后根据曲线积分面积在油(气)积分面积与油(气)流量图版上逆向查得三相流体中实际油(气)流量(如图5)，或查询标定表格，或者代入标定函数得到。再根据曲线中心频率在中心频率与含水(油水或气水)流量图版上逆向查得井下三相流体中实际水流量(如图6)或查询标定表格，或者代入标定函数得到。至此，三相流中油气水含量均已确定，测量完成。

特别需要注意的是，上述步骤中提高了用功率谱面积与流量关系、功率谱中心频率两种方法测得流量，实际工作中可以用其中任意一种，也可以两种测得结果求平均。

两相流测量步骤只需将三相测量步骤中的第四步去掉即可得到，即对于两相流，没有油水和气水分离过程；当然也可以采用曲线拟合分离，只是其中一个曲线拟合后幅度很小甚至为0，其不影响测量结果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种多相流的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

对测得的时域信号变换得到水油气三项流功率谱；

油水与气水的分离，用两相流的功率谱曲线特征拟合油气水的三项流功率谱，从而得到对应的油水功率谱和气水功率谱；

根据标定的功率谱积分面积-流量或/和功率谱中心频率-流量关系得到实际流量。

2.如权利要求1所述的的测量方法，其特征在于，该方法进一步包括标定，通过测量一系列数据得到油水信号功率谱积分面积、气水信号功率谱积分面积、油水信号功率谱中心频率和气水信号功率谱中心频率与被测流量的关系。

3.如权利要求1至2之一所述的的测量方法，其特征在于，所述两相流的功率谱曲线包括油水和气水功率谱曲线，

其中油水功率谱曲线为

$f\left(x\right)=a_1{e}^{-{(x/b_1)}^2/{c_1}^2}$

其中a₁表征信号幅度，b₁表征均值，c₁表征方差；

其中气水两相的功率谱是非对称图形，用两个幅度、均值、方差线性相关的高斯函数之和，即：

$f\left(x\right)=a_2{e}^{-{(x/b_2)}^2/{c_2}^2}+a_2{e}^{-{(x/b_3)}^2/{c_3}^2}$

其中a₂、a₃表征幅度，b₂、b₃表征均值，c₂、c₃表征方差。

4.如权利要求1至3之一所述的的测量方法，其特征在于，所述对测得的时域信号变换得到水油气三项流功率谱包括：

将时域信号分成多个短时信号，然后分别进行短时傅利叶变换，计算出各个短时信号的功率谱，将各个功率谱相加得到分析信号的油气水三项流的复合功率谱，把复合功率谱作为水油气三项流功率谱。

5.如权利要求1至4之一所述的的测量方法，其特征在于，所述对测得的时域信号变换得到水油气三项流功率谱进一步包括：多次采集信号，再对所得各次信号的复合功率谱数据进行平均，把得到平均功率谱作为水油气三项流功率谱。

6.如权利要求1至5之一所述的的测量方法，其特征在于，所述对测得的时域信号变换得到水油气三项流功率谱进一步包括：对所述水油气三项流率谱进行滤波。

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