CN103175986B - 一种油气水三相流气液相流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气水三相流气液相流速测量方法，采用基于能量解调算法的多分量信号分离方法对采集的油气水三相流流动噪声信号进行信号分离，分别得到气水两相波动信号和油水两相波动信号。通过对分离得到的上下游气水两相波动信号和上下游油水两相波动信号分别进行时延估计，进而可以得到气相流速和液相流速。采用本发明进行油气水三相流速度测量，降低了需要采用多路采集信号进行流速测量的复杂性，同时减小了采用分离计量模式对三相流进行速度测量造成的测量误差问题，从而使得到的测量结果更为准确实际。

Description

一种油气水三相流气液相流速测量方法

技术领域

本发明涉及油气水三相流测量技术领域，特别涉及一种针对低产液井油气水三相流气液相流速测量方法。

背景技术

在油井生产过程中，从油井采出的原油往往伴有天然气，而且油层中存在有大量的地层水，尤其在油田开发中后期，由于长期注水开发，使得油井采出物常常是原油、天然气和水的混合物。油气水三相流流速的测量对于研究油气水流动机理有着极其重要的作用，如何准确测量油井内流体流速一直是国内外油田开发研究的重要内容。

目前用于流速测量的方法主要有：力学法、相关法、LDV（Laser DopplerVelocimetry，激光多普勒测速）法、热学法、PIV（Particle Image Velocimetry，粒子成像测速）法、PNA（Pulsed Neutron Activation，脉冲中子活化）法和NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振）法。力学法是利用流体的动压、动量矩等流体力学原理进行流速测量，但此方法的动态测量效果不理想。LDV法具有非接触、精确度高、响应快、测速范围宽等优点，但是要求管道透明，价格昂贵，无法在线测量。热学法是应用流体的流动和热量交换的关系测得流体流速的，受外界的环境因素影响比较大。PIV法能进行流场测试，但只能对液相或气相进行测试，且该方法造价高，管路要求可视化，现场应用困难。PNA和NMR技术可以测量流体流速，但只能在实验室条件下应用。相关法的优点是对温度环境等环境因素不敏感，但若流体各相之间存在滑差就会出现测量误差。后来，一种基于独立成分分析的油气水三相流速度测量方法被提出，该方法是将油气水三相流进行盲源分离，然后再应用相关法求得分相流速。但是，发明人在实现本发明时发现：该方法需要使用纵向七电极电导传感器得到上下游共四路油气水流动噪声信号，增加了流速测量的复杂度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对低产液井油气水三相流气液相流速测量方法，以克服现有技术中对于油气水三相流流速测量的缺陷。

为达到上述目的，本发明提供一种油气水三相流气液相流速测量方法，所述方法包括以下步骤：

A、获取两路流体流动噪声信号，所述两路流体流动噪声信号包括上游信号U_S和下游信号D_S；

B、采用基于能量解调算法的多分量信号分离方法对所述两路流体流动噪声信号进行信号分离，得到上游的两个信号分量和下游的两个信号分量；

C、将所述上游的两个信号分量和下游的两个信号分量分别与纯气相信号或者纯液相信号进行相似性对比，确定上游气水波动信号、上游油水波动信号、下游气水波动信号和下游油水波动信号；

D、对所述上游气水波动信号、下游气水波动信号和上游油水波动信号、下游油水波动信号进行互相关运算，得到油气水三相流气相流速和液相流速。

其中，所述步骤A具体包括：通过纵向六电极电导传感器的两个测量电极对，采集两路电导波动信号，经信号处理电路处理得到所述的两路流体流动噪声信号。

其中，所述步骤B具体包括：

B1-1、将所述上游信号U_S经过采样后的上游流动噪声信号表示为x(n)，根据信号分量的单频假设，利用能量算子和差分能量算子得到上游流动噪声信号满足的差分方程的系数表达式；

B1-2、根据所述差分方程的系数表达式得到上游的两个信号分量的瞬时频率表达式，该瞬时频率表达式为能量算子和差分能量算子的函数；

B1-3、利用所述上游的两个信号分量的瞬时频率和对称差分以及能量算子函数，得到上游的两个信号分量的瞬时幅度表达式；

B1-4、根据所述上游的两个信号分量的瞬时频率和瞬时幅度重构两个信号分量，得到上游的两个信号分量U₁和U₂；

B2-1、将所述下游信号D_S经过采样后的下游流动噪声信号表示为y(n)，根据信号分量的单频假设，利用能量算子和差分能量算子得到下游流动噪声信号满足的差分方程的系数表达式；

B2-2、根据所述差分方程的系数表达式得到下游的两个信号分量的瞬时频率表达式，该瞬时频率表达式为能量算子和差分能量算子的函数；

B2-3、利用所述下游的两个信号分量的瞬时频率和对称差分以及能量算子函数，得到下游的两个信号分量的瞬时幅度表达式；

B2-4、根据所述下游的两个信号分量的瞬时频率和瞬时幅度重构两个信号分量，得到下游的两个信号分量D₁和D₂。

其中，在所述步骤B1-1中，具体包括：

所述上游流动噪声信号x(n)满足的差分方程为：

c₁[x(n-1)+x(n-3)]+c₂x(n-2)+[x(n)+x(n-4)]=0

该差分方程的系数c₁、c₂分别为：

c₁=-2(cosΩ₁₁+cosΩ₁₂)

c₂=4cosΩ₁₁cosΩ₁₂+2

其中Ω₁₁和Ω₁₂分别为上游两个信号分量的瞬时频率；

所述利用能量算子和差分能量算子得到该差分方程的系数表达式为：

$c_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_3\left[x(n-3)\right]-{\mathrm{\γ}}_3\left[x(n-1)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[x(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[x(n-2)\right]}$

$c_2=\frac{\mathrm{\Ψ}\left[x\left(n\right)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[x(n-3)\right]+{\mathrm{\γ}}_4\left[x(n-2)\right]-{\mathrm{\γ}}_4\left[x(n-3)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[x(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[x(n-2)\right]}$

其中，Ψ[x(n)]为上游流动噪声信号的能量算子，其表达式为Ψ[x(n)]=x²(n)-x(n-1)x(n+1)；

γ_k[x(n)]为上游流动噪声信号k阶离散差分能量算子：其表达式为γ_k[x(n)]=x(n)x(n+k-2)-x(n-1)x(n+k-1)。

其中，在所述步骤B1-2中，具体包括：

联立式该差分方程的两个系数表达式，得到上游的两个信号分量的瞬时频率表达式为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{11,12}}=\arccos (-\frac{c_1}{4}\±\frac{\sqrt{{c_1}^2-{4c}_2+8}}{4}).$

其中，在所述步骤B1-3中，具体包括：

根据公式

$a_{\mathrm{11,12}}^2=\frac{S_{\mathrm{2,1}}^4\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{3}x]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[{\mathrm{\Δ}}_{s}x\left]\right]-S_{\mathrm{2,1}}^6\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{2}x]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[x\left]\right]}{S_1^4{S}_2^4[S_1^2-S_2^2{]}^2}$

得到上游的两个信号分量的瞬时幅度表达式；

其中：

S_1,2=sin(Ω_11,12)；Δ_sx=[x(n+1)-x(n-1)]/2，并有Δ_s ^mx=Δ_s(Δ_s ^m-1x)；

Ψ[Δ_s ⁿx]=Ψ[Δ_s ⁿx,Δ_s ⁿx]；

Ψ[Δ_s ^mx,Δ_s ⁿx]=Δ_s ^mx(n)·Δ_s ⁿx(n)-Δ_s ^mx(n-1)·Δ_s ⁿx(n+1)。

其中，在所述步骤B2-1中，具体包括：

所述下游流动噪声信号y(n)满足的差分方程为：

d₁[y(n-1)+y(n-3)]+d₂y(n-2)+[y(n)+y(n-4)]=0

该差分方程的系数d₁、d₂分别为：

d₁=-2(cosΩ₂₁+cosΩ₂₂)

d₂=4cosΩ₂₁cosΩ₂₂+2

其中Ω₂₁和Ω₂₂分别为下游两个信号分量的瞬时频率；

所述利用能量算子和差分能量算子得到该差分方程的系数表达式为：

$d_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_3\left[y(n-3)\right]-{\mathrm{\γ}}_3\left[y(n-1)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[y(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[y(n-2)\right]}$

$d_2=\frac{\mathrm{\Ψ}\left[y\left(n\right)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[y(n-3)\right]+{\mathrm{\γ}}_4\left[y(n-2)\right]-{\mathrm{\γ}}_4\left[y(n-3)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[y(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[y(n-2)\right]}$

其中，Ψ[y(n)]为下游流动噪声信号的能量算子，其表达式为Ψ[y(n)]=y²(n)-y(n-1)y(n+1)；

γ_k[y(n)]为下游流动噪声信号k阶离散差分能量算子：其表达式为γ_k[y(n)]=y(n)y(n+k-2)-y(n-1)y(n+k-1)。

其中，在所述步骤B2-2中，具体包括：

联立式该差分方程的两个系数表达式，得到下游的两个信号分量的瞬时频率表达式为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{21,22}}=\arccos (-\frac{d_1}{4}\±\frac{\sqrt{{d_1}^2-{4d}_2+8}}{4}).$

其中，在所述步骤B2-3中，具体包括：

根据公式

$a_{\mathrm{21,22}}^2=\frac{S_{\mathrm{2,1}}^4\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{3}y]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[{\mathrm{\Δ}}_{s}y\left]\right]-S_{\mathrm{2,1}}^6\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{2}y]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[y\left]\right]}{S_1^4{S}_2^4[S_1^2-S_2^2{]}^2}$

得到下游的两个信号分量的瞬时幅度表达式；

其中：

S_1,2=sin(Ω_21,22)；Δ_sy=[y(n+1)-y(n-1)]/2，并有Δ_s ^my=Δ_s(Δ_s ^m-1y)；

Ψ[Δ_s ⁿy]=Ψ[Δ_s ⁿy,Δ_s ⁿy]；

Ψ]Δ_s ^my,Δ_s ⁿy]=Δ_s ^my(n)·Δ_s ⁿy(n)-Δ_s ^my(n-1)·Δ_s ⁿy(n+1)。

其中，所述步骤C具体包括：

C1、分别计算上游的两个信号分量与上游纯气相信号或上游纯液相信号的Pearson相关系数r1；

C2、根据所述相关系数r1确定上游气水波动信号U_qs和上游油水波动信号U_ys；

C3、分别计算下游的两个信号分量与下游纯气相信号或下游纯液相信号的Pearson相关系数r2；

C4、根据所述相关系数r2确定下游气水波动信号D_qs和下游油水波动信号D_ys。

其中，所述步骤D具体包括：

D1、对所述上游气水波动信号U_qs和下游气水波动信号D_qs进行时延估计，计算得到气水波动信号之间的延迟时间t_qs；

D2、根据公式v_qs=L/t_qs计算气相流速，其中L为已知的上下游测量电极对间的距离，v_qs为气相流速；

D3、对所述上游油水波动信号U_ys和下游油水波动信号D_ys进行时延估计，计算得到油水波动信号之间的延迟时间t_ys；

D4、根据公式v_ys=L/t_ys计算液相流速，其中L为已知的上下游测量电极对间的距离，v_ys为液相流速。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用基于能量解调算法的多分量信号分离方法，将油气水三相流流动噪声信号分离为气水波动信号和油水波动信号，然后再进行油气水三相流参数检测，缓解了用现有技术对油气水三相流速度测量产生的测量误差。

2、本发明对于流速测量只需上游和下游共两路油气水三相流流动噪声信号，就可以得到上游气水波动信号和油水波动信号以及下游气水波动信号和油水波动信号，这样大大简化了油气水三相流流速测量过程。

附图说明

图1是本发明的油气水三相流流速测量方法的流程图；

图2是本发明的油气水流速测量方法的过程原理图；

图3是本发明实施例的油气水三相流气液相流速测量方法的流程图；

图4是本发明实施例采集的上游流体流动噪声信号的波形图；

图5是本发明实施例采集的下游流体流动噪声信号的波形图；

图6是本发明实施例上游油气水流动噪声信号进行信号分离后的气水波动信号的波形图；

图7是本发明实施例上游油气水流动噪声信号进行信号分离后的油水波动信号的波形图；

图8是本发明实施例下游油气水流动噪声信号进行信号分离后的气水波动信号的波形图；

图9是本发明实施例下游油气水流动噪声信号进行信号分离后的油水波动信号的波形图；

图10是本发明实施例上下游气水波动信号进行互相关运算得到的气水波动信号相关函数曲线图；

图11是本发明实施例上下游油水波动信号进行互相关运算得到的油水波动信号相关函数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细地说明。

油气水三相流流动噪声信号可以看作是一个多信号分量信号，该信号实际是由气相所产生的流动噪声信号和油相产生的流动噪声信号两个信号分量的混合信号。本发明中，对于油气水三相流来说，如果能从三相流的混合信号中将气泡、油泡产生的波动信号分离出来，就可以把三相流的测量分解为气水两相流和油水两相流的测量。从一个混合信号中分离出两个分量信号可以看成是单通道的信号分离问题。基于能量解调算法的多分量信号分离方法，可以对含多个信号分量的信号分量进行瞬时频率和瞬时幅度估计，从而进行多信号分量的分离。对于油气水三相流来说，两个信号分量即为气水波动信号和油水波动信号，之后再采用相关法分别测量得到气相流速和液相流速，测量方法流程如图1所示，其测量过程的原理如图2所示。

实施例

本实施例的油气水三相流气液相流速测量方法的流程如图3所示吗，包括以下步骤：

步骤s01、获取两路流体流动噪声信号，所述两路流体流动噪声信号包括上游信号U_S和下游信号D_S。本实施例中，通过纵向六电极电导传感器的两个测量电极对，采集两路电导波动信号，经信号处理电路处理得到所述的两路流体流动噪声信号。

步骤s02、采用基于能量解调算法的多分量信号分离方法对所述两路流体流动噪声信号进行信号分离，得到上游的两个信号分量和下游的两个信号分量。

本实施例中，首先将所述上游信号U_S经过采样后的上游流动噪声信号表示为x(n)，根据信号分量的单频假设，利用能量算子和差分能量算子得到上游流动噪声信号满足的差分方程的系数表达式。具体过程为：

对于上游流动噪声信号U_S经过采样后的上游流动噪声信号表示为x(n)，根据信号分量的单频假设，上游信号x(n)满足差分方程：

c₁[x(n-1)+x(n-3)]+c₂x(n-2)+[x(n)+x(n-4)]=0    (1)

其中：c₁=-2(cosΩ₁₁+cosΩ₁₂)                   (2)

      c₂=4cosΩ₁₁cosΩ₁₂+2                     (3)

Ω₁₁和Ω₁₂分别为上游两个信号分量的瞬时频率。

利用能量算子和差分能量算子可以得到差分方程系数的估计：

$c_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_3\left[x(n-3)\right]-{\mathrm{\γ}}_3\left[x(n-1)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[x(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[x(n-2)\right]}---\left(4\right)$

$c_2=\frac{\mathrm{\Ψ}\left[x\left(n\right)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[x(n-3)\right]+{\mathrm{\γ}}_4\left[x(n-2)\right]-{\mathrm{\γ}}_4\left[x(n-3)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[x(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[x(n-2)\right]}---\left(5\right)$

其中，Ψ[x(n)]为上游流动噪声信号的能量算子，其表达式为Ψ[x(n)]=x²(n)-x(n-1)x(n+1)。

γ_k[x(n)]为上游流动噪声信号k阶离散差分能量算子，其表达式为：γ_k[x(n)]=x(n)x(n+k-2)-x(n-1)x(n+k-1)。

联立式公式(2)(3)可以得到上游两个信号分量的瞬时频率估计也是能量算子和差分能量算子的函数，即为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{11,12}}=\arccos (-\frac{c_1}{4}\±\frac{\sqrt{{c_1}^2-{4c}_2+8}}{4})---\left(6\right)$

然后利用求得的上游两个信号分量的瞬时频率和对称差分以及能量算子函数，可得信号分量的瞬时幅度估计表达式为：

$a_{\mathrm{11,12}}^2=\frac{S_{\mathrm{2,1}}^4\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{3}x]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[{\mathrm{\Δ}}_{s}x\left]\right]-S_{\mathrm{2,1}}^6\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{2}x]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[x\left]\right]}{S_1^4{S}_2^4[S_1^2-S_2^2{]}^2}---\left(7\right)$

其中S_1,2=sin(Ω_11,12)，Δ_sx=[x(n+1)-x(n-1)[/2，并有Δ_s ^mx=Δ_s(Δ_s ^m-1x)，

Ψ[Δ_s ⁿx]=Ψ[Δ_s ⁿx,Δ_s ⁿx]，Ψ[Δ_s ^mx,Δ_s ⁿx]定义如下：

Ψ[Δ_s ^mx,Δ_s ⁿx]=Δ_s ^mx(n)·Δ_s ⁿx(n)-Δ_s ^mx(n-1)·Δ_s ⁿx(n+1)

最后根据得到的两个信号分量的瞬时频率和瞬时幅度重构两个信号分量，这样就得到上游流动噪声信号的两个信号分量U₁和U₂。

对于下游流动噪声信号D_S经过采样后的下游流动噪声信号表示为y(n)，根据信号分量的单频假设，下游信号y(n)满足差分方程：

d₁[y(n-1)+y(n-3)]+d₂y(n-2)+[y(n)+y(n-4)]=0    (8)

其中：d₁=-2(cosΩ₂₁+cosΩ₂₂)                        (9)

      d₂=4cosΩ₂₁cosΩ₂₂+2                          (10)

Ω₂₁和Ω₂₂分别为下游两个信号分量的瞬时频率。

利用能量算子和差分能量算子可以得到差分方程系数的估计为:

$d_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_3\left[y(n-3)\right]-{\mathrm{\γ}}_3\left[y(n-1)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[y(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[y(n-2)\right]}---\left(11\right)$

$d_2=\frac{\mathrm{\Ψ}\left[y\left(n\right)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[y(n-3)\right]+{\mathrm{\γ}}_4\left[y(n-2)\right]-{\mathrm{\γ}}_4\left[y(n-3)\right]}{\mathrm{\Ψ}\left[y(n-1)\right]-\mathrm{\Ψ}\left[y(n-2)\right]}---\left(12\right)$

其中，Ψ[y(n)]为下游流动噪声信号的能量算子，其表达式为Ψ[y(n)]=y²(n)-y(n-1)y(n+1)。

γ_k[y(n)]为下游流动噪声信号k阶离散差分能量算子，其表达式为γ_k[y(n)]=y(n)y(n+k-2)-y(n-1)y(n+k-1)。

联立式公式(9)(10)可以得到下游两个信号分量的瞬时频率估计也是能量算子和差分能量算子的函数，即为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{21,22}}=\arccos (-\frac{d_1}{4}\±\frac{\sqrt{{d_1}^2-{4d}_2+8}}{4})---\left(13\right)$

然后利用求得的下游两个信号分量的瞬时频率和对称差分以及能量算子函数，可得信号分量的瞬时幅度估计表达式为：

$a_{\mathrm{21,22}}^2=\frac{S_{\mathrm{2,1}}^4\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{3}y]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[{\mathrm{\Δ}}_{s}y\left]\right]-S_{\mathrm{2,1}}^6\left[\mathrm{\Ψ}\right[{{\mathrm{\Δ}}_s}^{2}y]-S_1^2{S}_2^2\mathrm{\Ψ}[y\left]\right]}{S_1^4{S}_2^4[S_1^2-S_2^2{]}^2}---\left(14\right)$

其中S_1,2=sin(Ω_21,22),Δ_sy=[y(n+1)-y(n-1)]/2，并有Δ_s ^my=Δ_s(Δ_s ^m-1y)，

Ψ[Δ_s ⁿy]=Ψ[Δ_s ⁿy,Δ_s ⁿy]，Ψ[Δ_s ^my,Δ_s ⁿy]定义如下：

Ψ[Δ_s ^my,Δ_s ⁿy]=Δ_s ^my(n)·Δ_s ⁿy(n)-Δ_s ^my(n-1)·Δ_s ⁿy(n+1)

最后根据得到的两个信号分量的瞬时频率和瞬时幅度重构两个信号分量，这样就得到下游流动噪声信号的两个信号分量D₁和D₂。

综上所述，上游和下游两路流动噪声信号通过利用基于能量解调算法的多分量信号分离方法被分离为上游信号分量U₁、信号分量U₂和下游信号分量D₁、信号分量D₂，共四个信号分量。

步骤s03、将所述上游的两个信号分量和下游的两个信号分量分别与纯气相信号或者纯液相信号进行相似性对比，确定上游气水波动信号、上游油水波动信号、下游气水波动信号和下游油水波动信号。

本实施例中，以与纯气相信号进行相似性对比为例：首先分别计算上游流动噪声信号分离出的两个信号分量与上游纯气相信号的相关系数，根据所述相关系数确定上游气水波动信号和油水波动信号。具体为：相关系数绝对值越大，则与上游气相信号相关强度越强，即可以确定此信号分量为上游气水波动信号U_qs，反之，与气相信号相关系数小的信号分量即为上游油水波动信号U_ys；再分别计算下游流动噪声信号分离出的两个信号分量与下游纯气相信号的相关系数。根据所述相关系数确定下游气水波动信号和油水波动信号。相关系数绝对值越大，则与下游气相信号相关强度越强，即可以确定此信号分量为下游气水波动信号D_qs，反之，与气相信号相关系数小的信号分量即为下游油水波动信号D_ys。

类似的，本发明也可以将所述上游的两个信号分量和下游的两个信号分量分别与纯液相信号进行相似性对比，从而确定上游气水波动信号、上游油水波动信号、下游气水波动信号和下游油水波动信号。

步骤s04、对所述上游气水波动信号、下游气水波动信号和上游油水波动信号、下游油水波动信号进行互相关运算，得到油气水三相流气相流速和液相流速。

本实施例中，所述的测量油气水三相流气液相流速的方法，其具体步骤为：对所述上游气水波动信号U_qs和下游气水波动信号D_qs进行时延估计，计算得到气水波动信号之间的延迟时间t_qs，根据公式v_qs=L/t_qs计算气相流速，其中t_qs为上下游气水波动信号之间的延迟时间，L为已知的上下游测量电极对间的距离，v_qs为气相流速；对所述上游油水波动信号U_ys和下游油水波动信号D_ys进行时延估计，计算得到油水波动信号之间的延迟时间t_ys，根据公式v_ys=L/t_ys计算液相流速，其中t_ys为上下游油水波动信号之间的延迟时间，L为已知的上下游测量电极对间的距离，v_ys为液相流速。

图4和图5所示为采集到的油流量为2m³/d，气流量为2m³/d，水流量为6m³/d的上游和下游两路三相流流动噪声信号；图6图7所示为上游流动噪声信号经过基于能量解调算法的多分量信号分离方法计算后分离出的结果；图8和图9所示为下游流动噪声信号经过基于能量解调算法的多分量信号分离方法计算后分离出的结果；经过对比确定气水波动信号和油水波动信号之后，将上、下游气水波动信号和上、下游油水波动信号分别进行时延估计，图10所示为气水波动信号的相关函数曲线图；图11所示为油水波动信号的相关函数曲线图，通过得到的气水和油水波动的时延值进而可以求得油气水三相流动的气相流速和液相流速。

本发明采用基于能量解调算法的多分量信号分离方法，将油气水三相流流动噪声信号分离为气水波动信号和油水波动信号，然后再进行油气水三相流参数检测，缓解了用现有技术对油气水三相流流速测量产生的测量误差。而且，本发明对于流速测量只需上下游两路油气水三相流流动噪声信号，就可以得到上游气水波动信号和油水波动信号以及下游气水波动信号和油水波动信号，这样大大简化了油气水三相流流速测量过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

A、获取两路流体流动噪声信号，所述两路流体流动噪声信号包括上游信号U_S和下游信号D_S； 

B、采用基于能量解调算法的多分量信号分离方法对所述两路流体流动噪声信号进行信号分离，得到上游的两个信号分量和下游的两个信号分量； 

C、将所述上游的两个信号分量和下游的两个信号分量分别与纯气相信号或者纯液相信号进行相似性对比，确定上游气水波动信号、上游油水波动信号、下游气水波动信号和下游油水波动信号； 

D、对所述上游气水波动信号、下游气水波动信号和上游油水波动信号、下游油水波动信号进行互相关运算，得到油气水三相流气相流速和液相流速； 

所述步骤B具体包括： 

B1-1、将所述上游信号U_S经过采样后的上游流动噪声信号表示为x(n)，根据信号分量的单频假设，利用能量算子和差分能量算子得到上游流动噪声信号满足的差分方程的系数表达式； 

B1-2、根据所述差分方程的系数表达式得到上游的两个信号分量的瞬时频率表达式，该瞬时频率表达式为能量算子和差分能量算子的函数； 

B1-3、利用所述上游的两个信号分量的瞬时频率和对称差分以及能量算子函数，得到上游的两个信号分量的瞬时幅度表达式； 

B1-4、根据所述上游的两个信号分量的瞬时频率和瞬时幅度重构两个信号分量，得到上游的两个信号分量U₁和U₂； 

B2-1、将所述下游信号D_S经过采样后的下游流动噪声信号表示为y(n)，根据信号分量的单频假设，利用能量算子和差分能量算子得到下游流动噪声信号满足的差分方程的系数表达式； 

B2-2、根据所述差分方程的系数表达式得到下游的两个信号分量的瞬时频率表达式，该瞬时频率表达式为能量算子和差分能量算子的函数； 

B2-3、利用所述下游的两个信号分量的瞬时频率和对称差分以及能量算子函数，得到下游的两个信号分量的瞬时幅度表达式； 

B2-4、根据所述下游的两个信号分量的瞬时频率和瞬时幅度重构两个信号分量，得到下游的两个信号分量D₁和D₂。 

2.如权利要求1所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：通过纵向六电极电导传感器的两个测量电极对，采集两路电导波动信号，经信号处理电路处理得到所述的两路流体流动噪声信号。 

3.如权利要求1所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，在所述步骤B1-1中，具体包括： 

所述上游流动噪声信号x(n)满足的差分方程为： 

c₁[x(n-1)+x(n-3)]+c₂x(n-2)+[x(n)+x(n-4)]＝0 

该差分方程的系数c₁、c₂分别为： 

c₁＝-2(cosΩ₁₁+cosΩ₁₂) 

c₂＝4cosΩ₁₁cosΩ₁₂+2 

其中Ω₁₁和Ω₁₂分别为上游两个信号分量的瞬时频率； 

所述利用能量算子和差分能量算子得到该差分方程的系数表达式为： 

其中，Ψ[x(n)]为上游流动噪声信号的能量算子，其表达式为Ψ[x(n)]＝x²(n)-x(n-1)x(n+1)； 

γ_k[x(n)]为上游流动噪声信号k阶离散差分能量算子：其表达式为γ_k[x(n)]＝x(n)x(n+k-2)-x(n-1)x(n+k-1)。 

4.如权利要求3所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，在所述步骤B1-2中，具体包括： 

联立式该差分方程的两个系数表达式，得到上游的两个信号分量的瞬时频率表达式为： 

5.如权利要求4所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，在所述步骤B1-3中，具体包括： 

根据公式 

得到上游的两个信号分量的瞬时幅度表达式； 

其中： 

S_1,2＝sin(Ω_11,12)；Δ_sx＝[x(n+1)-x(n-1)]/2，并有

6.如权利要求1所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，在所述步骤B2-1中，具体包括： 

所述下游流动噪声信号y(n)满足的差分方程为： 

d₁[y(n-1)+y(n-3)]+d₂y(n-2)+[y(n)+y(n-4)]＝0 

该差分方程的系数d₁、d₂分别为： 

d₁＝-2(cosΩ₂₁+cosΩ₂₂) 

d₂＝4cosΩ₂₁cosΩ₂₂+2 

其中Ω₂₁和Ω₂₂分别为下游两个信号分量的瞬时频率； 

所述利用能量算子和差分能量算子得到该差分方程的系数表达式为： 

其中，Ψ[y(n)]为下游流动噪声信号的能量算子，其表达式为Ψ[y(n)]＝y²(n)-y(n-1)y(n+1)； 

γ_k[y(n)]为下游流动噪声信号k阶离散差分能量算子：其表达式为γ_k[y(n)]＝y(n)y(n+k-2)-y(n-1)y(n+k-1)。 

7.如权利要求6所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，在所述步骤B2-2中，具体包括： 

联立式该差分方程的两个系数表达式，得到下游的两个信号分量的瞬时频率表达式为： 

8.如权利要求7所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，在所述步骤B2-3中，具体包括： 

根据公式 

得到下游的两个信号分量的瞬时幅度表达式； 

其中： 

S_1,2＝sin(Ω_21,22)；Δ_sy＝[y(n+1)-y(n-1)]/2，并有

9.如权利要求1至8任一项所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，所述步骤C具体包括： 

C1、分别计算上游的两个信号分量与上游纯气相信号或上游纯液相信号的Pearson相关系数r1； 

C2、根据所述相关系数r1确定上游气水波动信号U_qs和上游油水波动信号U_ys； 

C3、分别计算下游的两个信号分量与下游纯气相信号或下游纯液相信号的Pearson相关系数r2； 

C4、根据所述相关系数r2确定下游气水波动信号D_qs和下游油水波动信号D_ys。 

10.如权利要求9所述的油气水三相流气液相流速测量方法，其特征在于，所述步骤D具体包括： 

D1、对所述上游气水波动信号U_qs和下游气水波动信号D_qs进行时延估计，计算得到气水波动信号之间的延迟时间t_qs； 

D2、根据公式v_qs＝L/t_qs计算气相流速，其中L为已知的上下游测量电极对间的距离，v_qs为气相流速； 

D3、对所述上游油水波动信号U_ys和下游油水波动信号D_ys进行时延估计，计算得到油水波动信号之间的延迟时间t_ys； 

D4、根据公式v_ys＝L/t_ys计算液相流速，其中L为已知的上下游测量电极对间的距离，v_ys为液相流速。