CN105064993B - 一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法 - Google Patents
一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，属于多相流检测领域。首先，测量电导探针阵列每个探针的电压响应信号；其次，通过统计分析和小波分析从每个探针电压响应信号提取特征量；第三，进行Z‑score归一化，再采用主成分分析(PCA)技术提取主成分，所提取的主成分称为PCA特征量；第四，利用支持向量回归(SVR)方法分别建立从各探针响应信号的PCA特征量到油水两相流含水率的回归模型，称为SVR模型；第五，采用粒子群优化算法优化SVR模型参数；最后，对各探针所预测的含水率进行基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合。相对于基于单探针的垂直井含水率测量方法，本发明不仅提高了测井的鲁棒性和可靠性，而且提高了测量精度。
Description
【技术领域】
本发明属于多相流检测领域，尤其涉及一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法。
【背景技术】
生产测井在石油开采中发挥着不可替代的作用。除流型之外，含水率也是油水两相流的重要参数，指单位时间内流过井筒的水相体积流量占多相流总体积流量的百分比，对其准确测量对于实时监测原油的产量，进而对提高油井采收率和节约能耗具有重要意义。然而，油水两相流流型多变，相间存在复杂的界面效应和滑差，导致含水率的准确测量非常困难，至今仍然是生产测井中亟需解决但仍未很好解决的难题。而且，随着油田开发的深入，多层合采、注水开采被广泛应用，使得传统的含水率/持水率测量仪器和方法难以满足现场需求。
目前，多相流的含水率测量被广泛地研究。含水率测量方法有快关阀门法、差压法、电容法、电导法、探针法、射线法、光学法、超声法、微波法、电学层析成像法、热式法和软测量法。电导探针法不仅对油水两相流的流动参数变化响应迅速，而且成本低，安全、可靠、可实施性强，因而得到了广泛的应用。Zhao等采用了双电导探针研究垂直井油水两相流的含油率及速度的分布(参考文献Zhao D.J.,Guo L.J.,Hu X.W.Experimental Study onLocal Characteristics of Oil-Water Dispersed Flow in a Vertical Pipe[J].International Journal of Multiphase Flow,2006,V32(10-11):1254-1268)。Lucas等采用了双电导探针研究油水两相流在泡状流流型下的含油率(参考文献Lucas G.P.,Panagiotopoulos N.Oil Volume Fraction and Velocity Profiles in VerticalBubbly Oil-in-Water Flows[J].Flow Measurement and Instrumentation,2009,V20:127-135)。国家知识产权局授权了三项有关电导探针阵列传感器及其优化方法的发明专利“一种多环电极阵列成像传感器”(专利号ZL201010110504.0)，“一种环形持水率测井传感器阵列的结构优化方法”(专利号ZL201010543247.X)和“一种基于遗传算法的多环电极阵列传感器结构优化方法”(专利号ZL201210544383.X)。然而，电导探针法还远不成熟，探针响应信号的处理和使用还需要深入研究。将软测量方法与传统多相流传感器相结合可以极大地丰富多相流测量数据的使用，从而提高测量精度。一般地，软测量方法包含如下步骤：数据挖掘，特征提取，数据融合和参数估计等。国家知识产权局公布了两项有关水平井持水率测量的发明专利“一种基于电导探针阵列传感器的水平井多参数估计方法”(申请号201310193498.3)和“一种基于电导探针阵列和信息融合技术的水平井参数检测方法”(申请号201410214392.1)，但不能适用于垂直井含水率测量。
在垂直井中某个同心圆上油和水的分布在统计意义上是对称的。单电导探针的响应信号能指示其所在同心圆上油和水的分布，但只是垂直井整个横截面上油和水分布的一个局部指示。因此，探针所处的同心圆半径将影响油水两相流参数的检测。如果能在径向布置多个电导探针，将有助于提高含水率测量精度。另外，生产测井对测井仪的可靠性、鲁棒性有严苛的要求，而单探针结构往往可靠性低，譬如，探针可能在下井过程中受强烈的震动而损坏，或者在测量时由于沾污而导致测量效果变差。因此，单探针难以满足生产测井的要求，而尽管多探针阵列测井仪增加了电导测量电路的设计难度以及数据的上传和处理难度，但为了满足生产测井对可靠性和鲁棒性的要求和提高含水率测量精度，极有必要研究基于电导探针阵列的垂直井含水率测量方法。根据所处理的信息层次，多传感器融合系统可分为三个层次：数据级信息融合、特征级信息融合和决策级融合。尽管决策级信息融合会损失大量信息，但是有如下优点：1)容错性强，2)通信量小，抗干扰能力强，3)计算量小、实时性高。线性均方(Linear mean square,LMS)估计由于其无偏和均一性而被广泛用于多传感器系统的决策级信息融合。本发明采用基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合方法。
本发明提出一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，属于多相流检测领域。首先，在垂直井油水两相流不同总流量和含水率组合下，测量电导探针阵列每个探针的电压响应信号；其次，通过统计分析和小波分析从每个探针电压响应信号提取特征量；第三，进行Z-score归一化，再采用主成分分析(PCA)技术提取主成分；第四，利用支持向量回归(SVR)方法分别建立从各探针响应信号的PCA特征量到油水两相流含水率的回归模型；第五，采用粒子群优化算法优化SVR模型参数；最后，对各探针所预测的含水率进行基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合。相对于基于单探针的垂直井含水率测量方法，本发明不仅提高了测井的鲁棒性和可靠性，而且提高了测量精度。而且，本发明的测量精度高于基于算术平均的线性均方估计的决策级信息融合的测量精度。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，以满足生产测井对高鲁棒性、高可靠性和高测量精度的要求。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，采用如下技术方案：
一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，在垂直井多相流实验装置中油水两相流不同总流量和含水率组合下，电机(22)打开电导探针阵列(23)的支撑臂(232)，电导遥测电路(24)测量电导探针阵列(23)各个探针(231)的电压响应信号的方法如下，将幅值为Ui的双极性正弦波激励信号(31)施加在阻值为Rf的取样电阻(32)上，开关(33)依次选通电导探针阵列每个探针(231)，取样电阻Rf与选通的电导探针的针芯(343)的尖端所处位置油水两相流(35)的对地电阻Rx构成分压电路，在激励信号波峰时刻测得电导探针的电压响应信号(36)的幅值为Uo，则有
该探针电压响应信号以时间序列形式记录，并以曼码格式经测井电缆上传至地面；
步骤二，在统计分析中，分别从每个探针电压响应信号提取4个特征量，即均值、标准差、偏度系数、峰度系数；在小波分析中，分别将每个探针响应时间序列进行两层小波包分解，提取8个特征量，即第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量比例及其信息熵；通过小波分析提取特征量的方法如下：重构第二层小波分解得到的四个次频带小波系数，得到相应次频带的重构序列S2,j，j＝0,1,2,3；在第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量为
式中，S2,j(k)表示重构序列S2,j的第k个元素，N1表示S2,j的长度；第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量比例由下式计算得到
在第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的信息熵定义为
式中，
式中，SF(2,j)(k)表示S2,j傅里叶变换序列的第k个元素，N2表示SF(2,j)的长度。
步骤三，分别对电导探针阵列每个探针电压响应信号的特征量进行Z-score归一化，再分别采用主成分分析(PCA)技术提取主成分，降低特征量之间的数据冗余，所得到的主成分称之为PCA特征量；
步骤四，利用支持向量回归(SVR)方法分别建立从电导探针阵列各个探针的PCA特征量到垂直井油水两相流含水率的回归模型，称之为SVR模型，训练集的一个样本被记作
(xj,i,yj,i),xj,i∈Rn,yj,i∈[0,1] (6)
式中，xj,i表示SVR模型的n维输入向量，为第j支探针第i个训练集样本对应的电压响应信号的PCA特征量，n≤12；yj,i表示SVR模型的1维输出向量，为第j支探针第i个训练集样本对应的油水两相流含水率值，j＝1,2,…,N，N表示探针的数目，i＝1,2,…,l，l表示训练集的长度，测试集的数据格式和训练集一致；利用各探针的训练集样本分别对SVR模型进行训练，采用高斯径向基函数，利用各探针的测试集样本分别测试SVR模型的垂直井含水率测量精度；
步骤五，为了能够提高SVR的测量精度和泛化能力，采用遗传算法(GA)优化SVR模型的惩罚因子C和高斯径向基函数核半径σ，其优化步骤如下：(a)设定惩罚因子C、核函数参数σ的搜索范围，设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数，种群规模，交配概率，变异概率，搜索精度，随机生成初始群体P(0)；(b)设定计算群体P(t)中各个个体的适应度Rcv(C，σ)，即SVR模型交叉验证下的垂直井含水率测量精度；(c)进行选择运算、交叉运算、变异运算之后得到下一代群体；(d)若达到搜索精度，则以该次进化得到的个体作为最优解输出，终止计算；否则按达到最大进化代数，以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算；
步骤六，对电导探针阵列各个探针所预测的垂直井含水率进行基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合；第j支探针预测的含水率值设为Yj，j＝1,2,…,N，N为探针数目，如果Yj是无偏的，且互相独立，则可使用下式进行线性均方估计
式中，Wj表示分配给第j支探针预测值Yj的权重；基于最小均方误差的线性均方估计中，Wj的取值需满足
式中，MSEj表示第j支探针利用训练集样本预测含水率的均方误差，即
式中，和yj,i表示第j支探针第i个训练集样本对应的含水率预测值和真值，i＝1,2,…,l，l表示训练集的长度；本方法获得线性均方估计均方误差的最小值
本发明的一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，相对于基于单探针的垂直井含水率测量方法，本发明不仅提高了测井的鲁棒性和可靠性，而且提高了测量精度。而且，本发明的测量精度高于采用基于算术平均的线性均方估计的决策级信息融合的测量精度。
【说明书附图】
图1是基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法流程图；
图2是侵入式可收缩双环电导探针阵列测井仪示意图，图中扶正器(21)，电机(22)，电导探针阵列(23)，电导探针(231)，支撑臂(232)，电导测量及通信电路(24)，电缆接口(25)；
图3是电导测量电路测量电导探针阵列各个探针电压响应信号的示意图，图中双极性正弦波激励信号(31)，阻值为Rf的取样电阻(32)，开关(33)，电导探针(231)，金属外壳(341)，绝缘层(342)，针芯(343)，垂直井油水两相流(35)，电导探针电压响应信号(36)。
【具体实施方案】
参考图1、2和3，结合实例，对本发明的具体实施方案做进一步描述。
为了验证如图1所示的所发明的一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，利用如图2所示的侵入式可收缩双环电导探针阵列测井仪在大庆石油测井试井检测实验中心大型垂直井多相流实验装置进行了油水两相流实验。垂直模拟井内径125mm，高度24m。双环电导探针阵列测井仪由扶正器(21)、电机(22)、电导探针阵列(23)、电导测量及通信电路(24)和电缆接口(25)组成。扶正器(21)可保证测井仪器在井筒中处于中心位置。电机(22)可打开和收缩探针阵列。双环电导探针阵列24支电导探针(231)等角度分布在与测井仪中轴同心的两个圆周上，呈辐射状，且同一支撑臂(232)上的两支电导探针互相平行。每支电导探针由金属外壳(341)、绝缘层(342)、针芯(343)组成，金属外壳(341)直径3mm，外壳接地，针芯(343)裸露的尖端长度为3mm，绝缘层(342)将针芯(343)与金属外壳(341)分开，如图3所示。每支电导探针可通过电导测量及通信电路(24)来检测直径大于3mm的油泡或水泡且不受连续相的影响，如图3所示。电缆接口(25)连接测井电缆以曼码格式将测量数据上传至地面。
实验用油为柴油，密度0.825g/cm3、粘度3×10-3Pa·s、表面张力28.62×10-3N/m。用水为自来水，密度1g/cm3、粘度0.890×10-3Pa·s、表面张力71.25×10-3N/m。在实验中，设定油水两相流总流量10～200m3/天(调节间隔10m3/天)，含水率0～100％(调节间隔10％)。对于总流量和含水率的各种组合，双环电导探针阵列测井仪24支探针将分别记录电导探针的电压响应信号，获得一份测量样本。由于总流量和含水率共有220种组合，因此每支探针分别获得220份响应信号样本。各探针响应信号采样率均为0.1kHz，每份样本长度为6800。在建模中，220份探针响应电压样本被随机划分为训练集和测试集，两者分别占总样本的80％和20％。重复随机划分过程50次，得到50种训练集和测试集的组合。这些组合被用来在统计意义上评价本发明提出的方法。
一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，在垂直井多相流实验装置中油水两相流不同总流量和含水率组合下，电机(22)打开电导探针阵列(23)的支撑臂(232)，电导遥测电路(24)测量电导探针阵列(23)各个探针(231)的电压响应信号的方法如下，将幅值为Ui的双极性正弦波激励信号(31)施加在阻值为Rf的取样电阻(32)上，开关(33)依次选通电导探针阵列每个探针(231)，取样电阻Rf与选通的电导探针的针芯(343)的尖端所处位置油水两相流(35)的对地电阻Rx构成分压电路，在激励信号波峰时刻测得电导探针的电压响应信号(36)的幅值为Uo，则有
该探针电压响应信号以时间序列形式记录，并以曼码格式经测井电缆上传至地面；
步骤二，在统计分析中，分别从每个探针电压响应信号提取4个特征量，即均值、标准差、偏度系数、峰度系数；在小波分析中，分别将每个探针响应时间序列进行两层小波包分解，提取8个特征量，即第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量比例及其信息熵；通过小波分析提取特征量的方法如下：重构第二层小波分解得到的四个次频带小波系数，得到相应次频带的重构序列S2,j，j＝0,1,2,3；在第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量为
式中，S2,j(k)表示重构序列S2,j的第k个元素，N1表示S2,j的长度；第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量比例由下式计算得到
在第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的信息熵定义为
式中，
式中，SF(2,j)(k)表示S2,j傅里叶变换序列的第k个元素，N2表示SF(2,j)的长度。
步骤三，分别对电导探针阵列每个探针电压响应信号的特征量进行Z-score归一化，再分别采用主成分分析(PCA)技术提取主成分，降低特征量之间的数据冗余，所得到的主成分称之为PCA特征量；
步骤四，利用支持向量回归(SVR)方法分别建立从电导探针阵列各个探针的PCA特征量到垂直井油水两相流含水率的回归模型，称之为SVR模型，训练集的一个样本被记作
(xj,i,yj,i),xj,i∈Rn,yj,i∈[0,1] (6)
式中，xj,i表示SVR模型的n维输入向量，为第j支探针第i个训练集样本对应的电压响应信号的PCA特征量，n≤12；yj,i表示SVR模型的1维输出向量，为第j支探针第i个训练集样本对应的油水两相流含水率值，j＝1,2,…,N，N表示探针的数目，i＝1,2,…,l，l表示训练集的长度，测试集的数据格式和训练集一致；利用各探针的训练集样本分别对SVR模型进行训练，采用高斯径向基函数，利用各探针的测试集样本分别测试SVR模型的垂直井含水率测量精度；
步骤五，为了能够提高SVR的测量精度和泛化能力，采用遗传算法(GA)优化SVR模型的惩罚因子C和高斯径向基函数核半径σ，其优化步骤如下：(a)设定惩罚因子C、核函数参数σ的搜索范围，设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数，种群规模，交配概率，变异概率，搜索精度，随机生成初始群体P(0)；(b)设定计算群体P(t)中各个个体的适应度Rcv(C，σ)，即SVR模型交叉验证下的垂直井含水率测量精度；(c)进行选择运算、交叉运算、变异运算之后得到下一代群体；(d)若达到搜索精度，则以该次进化得到的个体作为最优解输出，终止计算；否则按达到最大进化代数，以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算；
步骤六，对电导探针阵列各个探针所预测的垂直井含水率进行基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合；第j支探针预测的含水率值设为Yj，j＝1,2,…,N，N为探针数目，如果Yj是无偏的，且互相独立，则可使用下式进行线性均方估计
式中，Wj表示分配给第j支探针预测值Yj的权重；基于最小均方误差的线性均方估计中，Wj的取值需满足
式中，MSEj表示第j支探针利用训练集样本预测含水率的均方误差，即
式中，和yj,i表示第j支探针第i个训练集样本对应的含水率预测值和真值，i＝1,2,…,l，l表示训练集的长度；本方法获得线性均方估计均方误差的最小值
生产测井对测井仪的可靠性、鲁棒性有严苛的要求，而单探针结构往往可靠性低，譬如，某探针可能在下井过程中受强烈的震动而损坏，或者在测量时由于沾污而导致测量效果变差。因此，发明的基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法提高了测井的鲁棒性和可靠性。当双环电导探针阵列的24支探针各自进行基于单探针的垂直井含水率测量，均方根误差为0.1012±0.0289(均值±标准差)，平均引用误差为6.12％±1.39％。当双环电导探针阵列采用基于算术平均的线性均方估计的决策级信息融合方法，均方根误差降至0.0647±0.0189，平均引用误差降至3.97％±0.93％。而本发明中双环电导探针阵列采用基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合方法，均方根误差进一步降至0.0582±0.0173，平均引用误差进一步降至3.60％±0.82％。
因此，本发明的一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，相对于基于单探针的垂直井含水率测量方法，本发明不仅提高了测井的鲁棒性和可靠性，而且提高了测量精度。而且，本发明的测量精度高于采用基于算术平均的线性均方估计的决策级信息融合的测量精度。
以上所述仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。
Claims (1)
1.一种基于电导探针阵列信息融合的垂直井含水率测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，在垂直井多相流实验装置中油水两相流不同总流量和含水率组合下，电机(22)打开电导探针阵列(23)的支撑臂(232)，电导遥测电路(24)测量电导探针阵列(23)各个探针(231)的电压响应信号的方法如下，将幅值为Ui的双极性正弦波激励信号(31)施加在阻值为Rf的取样电阻(32)上，开关(33)依次选通电导探针阵列每个探针(231)，取样电阻Rf与选通的电导探针的针芯(343)的尖端所处位置油水两相流(35)的对地电阻Rx构成分压电路，在激励信号波峰时刻测得电导探针的电压响应信号(36)的幅值为Uo，则有
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该探针电压响应信号以时间序列形式记录，并以曼码格式经测井电缆上传至地面；
步骤二，在统计分析中，分别从每个探针电压响应信号提取4个特征量，即均值、标准差、偏度系数、峰度系数；在小波分析中，分别将每个探针响应时间序列进行两层小波包分解，提取8个特征量，即第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量比例及其信息熵；通过小波分析提取特征量的方法如下：重构第二层小波分解得到的四个次频带小波系数，得到相应次频带的重构序列S2,j，j＝0,1,2,3；在第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量为
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式中，S2,j(k)表示重构序列S2,j的第k个元素，N1表示S2,j的长度；第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的能量比例由下式计算得到
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在第二层小波分解得到的四个次频带小波系数的信息熵定义为
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式中，SF(2,j)(k)表示S2,j傅里叶变换序列的第k个元素，N2表示SF(2,j)的长度；
步骤三，分别对电导探针阵列每个探针电压响应信号的特征量进行Z-score归一化，再分别采用主成分分析(PCA)技术提取主成分，降低特征量之间的数据冗余，所得到的主成分称之为PCA特征量；
步骤四，利用支持向量回归(SVR)方法分别建立从电导探针阵列各个探针的PCA特征量到垂直井油水两相流含水率的回归模型，称之为SVR模型，训练集的一个样本被记作
(xj,i,yj,i),xj,i∈Rn,yj,i∈[0,1] (6)
式中，xj,i表示SVR模型的n维输入向量，为第j支探针第i个训练集样本对应的电压响应信号的PCA特征量，n≤12；yj,i表示SVR模型的1维输出向量，为第j支探针第i个训练集样本对应的油水两相流含水率值，j＝1,2,…,N，N表示探针的数目，i＝1,2,…,l，l表示训练集的长度，测试集的数据格式和训练集一致；利用各探针的训练集样本分别对SVR模型进行训练，采用高斯径向基函数，利用各探针的测试集样本分别测试SVR模型的垂直井含水率测量精度；
步骤五，为了能够提高SVR的测量精度和泛化能力，采用遗传算法(GA)优化SVR模型的惩罚因子C和核函数参数σ，其优化步骤如下：(a)设定惩罚因子C、核函数参数σ的搜索范围，设置进化代数计数器t＝0，设置最大进化代数，种群规模，交配概率，变异概率，搜索精度，随机生成初始群体P(0)；(b)设定计算群体P(t)中各个个体的适应度Rcv(C，σ)，即SVR模型交叉验证下的垂直井含水率测量精度；(c)进行选择运算、交叉运算、变异运算之后得到下一代群体；(d)若达到搜索精度，则以该次进化得到的个体作为最优解输出，终止计算；否则按达到最大进化代数后进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算；
步骤六，对电导探针阵列各个探针所预测的垂直井含水率进行基于最小均方误差的线性均方估计的决策级信息融合；第j支探针预测的含水率值设为Yj，j＝1,2,…,N，N为探针数目，如果Yj是无偏的，且互相独立，则使用下式进行线性均方估计
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式中，Wj表示分配给第j支探针预测值Yj的权重；基于最小均方误差的线性均方估计中，Wj的取值需满足
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式中，MSEj表示第j支探针利用训练集样本预测含水率的均方误差，即
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</mrow>
</mrow>
式中，和yj,i表示第j支探针第i个训练集样本对应的含水率预测值和真值，i＝1,2,…,l，l表示训练集的长度；本方法获得线性均方估计均方误差的最小值
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