CN112881524B - 基于超声波层析成像的气液固三相分相含率的测量方法 - Google Patents

基于超声波层析成像的气液固三相分相含率的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于超声波层析成像的气液固三相分相含率的测量方法，涉及流体检测领域。该方法包括对管道中气相和液相距离的采集，从而获得气相含率；对管道截面进行超声波层析成像，通过优化的TSVD正则化方法进行成像，将成像图通过SURF处理以及二值化后获得固相含率和液相含率。采用本发明的气液固三相流分相含率测量方法能够在无损检测的情况下获得各相含率，提高强干扰环境中测量各相含率的精度。

Description

基于超声波层析成像的气液固三相分相含率的测量方法
技术领域
本发明涉及基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率测量方法，特别涉及气液固三相流分相含率测量方法。
背景技术
多相流中的“相”定义为物质的存在形式，即气态、液态或固态，因此多相流即为两种或两种以上“相”的物质同时流动且具有明确分界面的流体。有时，多相流也被称为“多组分流”，然而两者是不同的，后者指流体中含有多种不同化学性质的物体同时流动。例如蒸汽与水的混合为单组分的两相流，而空气与水则称为两组分流；液/液两相流中的油水混合流，属于两组分流，但却是单一的“液相”，但随着研究的深入与连续相与离散相概念的引入，两种概念逐渐合为一种，即“多相流”。
多相流广泛存在于石汕、化工、冶金、食品和医学等领域。尤其在石油、化工行业中，流体的流动特性往往比较复杂，具有多相混合流动特点。根据混合物的组成成分不同，多相流又分为液/固、气/固、气/液、液/液及气/液/固等形态。在石油、化工行业中，管线内的流体主要包括天然气、钻井液以及岩屑，天然气是气相流体、钻井液是液相流体、岩屑是固相流体。气液固三相流长期存在于管线内称为油田主要检测对象。对气液固三相流分相含率的测量是不可缺少的关键流程。
随着工业水平的不断提高，对工业过程控制精度的要求也在不断提升，而过程参数的检测是实现准确控制的重要基础。现代工业过程正在向高精度、多变量的复杂系统控制方向发展，因此如何解决复杂工业过程中多参数精确检测问题是促进过程控制发展的基础。
作为一种复杂的流动现象，多相流动过程参数的检测一直是工业界亟待解决的问题。例如在海洋石油工业中，一般将多口离岸油井开采的混合物(通常包括天然气、水与原油)输送至平台集中，经过分离等处理后装船或通过混输管道输送至其它地方。因此需要得到各井的流动状态、流量、压力机各分相含率的变化等准确信息，以避免危险情况与经济纠纷的发生。传统的方法是在操作平台上完全或部分分离混合物，并用常规测量手段分相测量。然而，平台的空间与能耗都是极其珍贵的，因此大型分离器的经济性使其应用优势大打折扣。
在工业生产过程中比较多见的是气液、气固、液固、液液两相流，气液固三相流和油气水三相流等；在某些工业过程(如石油工业)中，还有油气水沙同时流动的四相流。与单相流相比，多相流的待测参数多且流动过程十分复杂，难以用数学公式完全描述，因而给测量带来困难。以三相流为例，若想获得各分相流量，需要检测出三相流总流量，以及各分相含率，即至少四个待确定的参数。此外，不同研究领域和工程应用对多相流参数的需求也是不同的，因此待参数更加多种多样。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于超声波层析成像的气液固三相分相含率测量方法，能够在不需要对管道进行破坏的情况下，准确得到气液固三相流各相含率。
本发明采用如下技术方案：
在天然气、钻井液、岩屑并存的气液固三相流管道中，围绕管道一周布置多个完全相同的超声波探头。每个超声波探头都能发射同样频率f和幅值A的超声波信号以及相邻超声波探头间隔相同的角度，其中两个超声波探头须在垂直于水平面的方向安装，围绕管道一周的超声波探头都可以发射相同频率f和幅值A并且接受其他超声波探头发射的超声波数据，相邻两个超声波探头之间间隔相同的角度θ，所述超声波数据包括声压P和声强I以及幅值A；通过图像重建算法，将收集到的超声波数据进行处理并成像，完成层析成像。
所述方法包括以下步骤：
步骤一：测量得到气相和液相距离a；
步骤二：计算气相含率ag；
步骤三：发射和接收超声波信号；
步骤四:利用图像重建算法进行层析成像；
步骤五：计算固相含率和液相含率；
所述步骤一中，通过控制最上方的超声波探头发射信号并且接收回波信号测得气相和液相距离a，若气相和液相距离a小于管道半径r，则气相含率计算公式为：
Figure GDA0003549998520000031
若气相和液相距离a大于管道半径r，
Figure GDA0003549998520000032
所述步骤三中，在测到气相和液相距离a后，控制和正上方探头相邻的超声探头波按顺时针顺序轮流发射超声波信号，所述按顺时针顺序轮流发射超声波信号为在所有超声波探头都接受到超声波信号后，再进行下一个超声波探头信号得发射，所述发射超声波信号具有相同幅值A和f。
所述步骤四中，通过检测声压P和声强I以及幅值A衰减的采用优化的TSVD正则化方法进行层析成像，所述层析成像本质为解方程组Rm×nx＝b，所述方程组为：
Figure GDA0003549998520000033
其中，λ1和λ2为正则化参数，σi为奇异值，<ui,b>为傅里叶系数，vi为右奇异向量，n为图像重建方程组的列数，k为满足此σk+1≤λ≤σk式子的一个正整数。
所述步骤五中，通过对层析成像后的图像进行SURF处理，所述SURF能更快提取重建图像特征，然后再对SURF处理后的图像进行二值化处理，所述二值化包括图像上的点的灰度值为0或255，也就是将整个层析图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得二值化图像，所述阈值选取一定的常数，所述常数为让固相部分在图像中呈现黑色，其余部分呈现白色，从而测量出固相含率as。
本发明的有益效果：
本发明采用超声波传感器，可以在非接触的情况下获得管道截面分布的信息，根据这些信息可以得到气液固三相的分布情况以及三相含率。钻井现场根据这些数据可以提前得到固相含率的多少，避免固相含率过高带来采油困难的问题。
附图说明
图1为超声波探头布置结构图；
图2为气液固三相流管道截面图；
图3为基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率测量方法实现流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本发明的基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率的测量方法，包括以下步骤：
首先要在天然气、钻井液和岩屑三相流的管道1外壁布置多个超声波探头。(根据管道直径尽可能多的布置探头，探头数量越多得到的数据越精确)每个超声波探头2都能发射同样频率f和幅值A的超声波信号以及相邻超声波探头间隔相同的角度20°，并且发射的顺序是按顺时针进行的，当一个超声波探头发射信号时，其他超声波探头都接受信号，可以多次取样然后取平均值，较少噪声的影响。
超声波探头系统由安装在管壁上的多个超声波探头、激励电源、接受电路、信号预处理电路及数据采集与通讯接口卡等几部分组成。
工作时，激励电路在计算机指令的控制下依次激励各超声波传感器，从最上层的超声波探头获得较为稳定的天然气和钻井液的分界面信息，得到气相和液相的距离a并且通过算出气相含率ag。然后每个传感器发射出的超声波对管界面进行不同角度的扫描，并通过接受气液固三相流中岩屑的反射和透射超声波信号获取投影数据，将这些信号送入计算机。
超声波流动层析成像图像重建算法大多采用的是Tikhonov正则化方法求解成像方程，这里考虑到简单的Tikhonov正则化可能造成图像失真，重建的图像会非常模糊以及相含率精准度非常低，可以在图像重建过程中采取相应的滤波使图像清晰度增加。
本发明采用优化的TSVD正则化方法求解成像方程从而进行层析成像，相比于传统的Tikhonov正则化方法，本方法没有从矩阵的病态性问题出发对矩阵进行重塑，而是直接对原方程的法方程进行重塑，即引入一个良态的满秩系数矩阵取代Tikhonov正则中出现的病态系数矩阵，将原问题转为两个良态两方程组求解，其中一个方程组是引入双参数出现的超定方程，所以优化的TSVD正则化方法更能精准地在屏幕上重建出天然气、钻井液、岩屑在管道截面上分布状况的重建图像，对重建出来的图像用SURF提取特征后在进行二值化处理，从二值化图像就可精准得到固相含率as和液相含率al。
如图3所示，在天然气、钻井液、岩屑并存的气液固三相流管道中，围绕管道一周布置18个完全相同的超声波探头。每个超声波探头都能发射同样频率f和幅值A的超声波信号以及相邻超声波探头间隔相同的角度20°，其中两个超声波探头须在垂直于水平面的方向安装，围绕管道一周的超声波探头都可以发射相同频率f和幅值A并且接受其他超声波探头发射的超声波数据，相邻两个超声波探头之间间隔相同的角度θ，所述超声波数据包括声压P和声强I以及幅值A；通过图像重建算法，将收集到的超声波数据进行处理并成像，完成层析成像。
所述方法包括以下步骤：
步骤一：测量得到气相和液相距离a；
步骤二：计算气相含率ag；
步骤三：发射和接收超声波信号；
步骤四:利用图像重建算法进行层析成像；
步骤五：计算固相含率和液相含率；
所述步骤一种，通过控制最上方的超声波探头发射信号并且接收回波信号测得气相和液相距离a，若气相和液相距离a小于管道半径r，则气相含率计算公式为
Figure GDA0003549998520000051
若气相和液相距离a大于管道半径r，
Figure GDA0003549998520000052
所述步骤三中，在测到气相和液相距离a后，控制和正上方探头相邻的超声探头波按顺时针顺序轮流发射超声波信号，所述按顺时针顺序轮流发射超声波信号为在所有超声波探头都接受到超声波信号后，再进行下一个超声波探头信号得发射，所述发射超声波信号具有相同幅值A和f。
所述步骤四中，通过检测声压P和声强I以及幅值A衰减的采用优化的TSVD正则化方法进行层析成像，所述层析成像本质为解方程组Rm×nx＝b，所述方程组为：
Figure GDA0003549998520000061
其中，λ1和λ2为正则化参数，σi为奇异值，<ui,b>为傅里叶系数，vi为右奇异向量，n为图像重建方程组的列数，k为满足此σk+1≤λ≤σk式子的一个正整数。
所述步骤五中，通过对层析成像后的图像进行SURF处理，所述SURF能更快提取重建图像特征，然后再对SURF处理后的图像进行二值化处理，所述二值化包括图像上的点的灰度值为0或255，也就是将整个层析图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得二值化图像，所述阈值选取一定的常数，所述常数为让固相部分在图像中呈现黑色，其余部分呈现白色，从而测量出固相含率as。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.测量得到气相和液相距离a；
步骤2.利用气相和液相距离a计算气相含率ag；
步骤3.利用超声波探头发射和接受超声波信号；
步骤4.利用图像重建算法进行层析成像；
步骤5.得到重建的图像后计算出固相含率as和液相含率al；
在步骤1测量之前，需执行以下步骤：
S1.在天然气、钻井液、岩屑并存的气液固三相流管道中，围绕管道一周布置多个完全相同的超声波探头；
S2.相邻两个超声波探头之间间隔相同的角度；
S3.两个超声波探头须在垂直于水平面的方向安装；
S4.围绕管道一周的超声波探头都发射相同频率f和幅值A并且接收其他超声波探头发射的超声波数据；
S1中围绕管道一周布置18个完全相同的超声波探头，S2中相邻两个超声波探头之间间隔相同的角度，所述角度为20°；
通过采集声压P和声强I以及幅值A衰减数据后，采用优化的TSVD正则化方法进行层析成像，所述层析成像本质为解方程组Rm×nx＝b，所述方程组解为：
Figure FDA0003549998510000011
其中，λ1和λ2为正则化参数，σi为奇异值，<ui,b>为傅里叶系数，vi为右奇异向量，n为图像重建方程组的列数，k为满足此σk+1≤λ≤σk式子的一个正整数。
2.根据权利要求1所述的基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率的测量方法，其特征在于，S4中，所述超声波数据包括声压P和声强I以及幅值A。
3.根据权利要求1所述的基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率的测量方法，其特征在于，控制最上方的超声波探头发射信号，并且接收回波信号测得气相和液相距离a。
4.根据权利要求1所述的基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率的测量方法，其特征在于，若气相和液相距离a小于管道半径r，则气相含率计算公式为：
Figure FDA0003549998510000021
若气相和液相距离a大于管道半径r，则气相含率计算公式为：
Figure FDA0003549998510000022
5.根据权利要求1所述的基于超声波层析成像的气液固三相含率的测量方法，其特征在于，在测到气相和液相距离a后，控制正上方相邻超声波探头按顺时针顺序轮流发射超声波信号，所述按顺时针顺序轮流发射超声波信号为在所有超声波探头都接受到超声波信号后，再进行下一个超声波探头信号的发射。
6.根据权利要求2所述的基于超声波层析成像的气液固三相流分相含率的测量方法，其特征在于，通过对层析成像后的图像进行SURF处理，所述SURF能更快提取重建图像特征，再对SURF处理后的图像进行二值化处理，所述二值化包括图像上的点的灰度值为0或255，也就是将整个层析图像呈现出明显的黑白效果；
即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得二值化图像，所述阈值选取一定的常数，所述常数为让固相部分在图像中呈现黑色，其余部分呈现白色，从而测量出固相含率as。
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