一种油水气三项流含水率实时检测方法及装置与流程

1.本发明涉及油水气三项流含水率检测技术领域，特别涉及一种油水气三项流含水率实时检测方法及装置。


背景技术：

2.在石油开采过程中，油水气三项流含水率是一项非常重要的技术指标，在估算油水气三项流产量、评价油井开采价值等方面具有极其重要的意义。特别是注水开发油井需要及时、准确了解油井的产出状况，实时油藏潜力进行评估预测，以便有效指导治理措施实施。油井在线含水率测试技术可以分析油井的出油、出水状况，它能够判断油田的含水率情况，从而制定后续的一些开采方案，调整油水气三项流的生产方式。
3.目前常用的动态测试方法可以分为两大类，一类是接触式测量方法，一类是非接触式测量方法，接触式测量方法顾名思义是监测的传感器或者探头需要放入油水液体中，如密度法、电导法、短波射频法等。非接触式的测量方法指传感器探头不直接接触油水，如微波法、伽马射线法、光谱测量法等，以下是几种常用方法的原理：密度法是利用油、水的密度的差异特性来测试油水气三项流含水率，通过压力传感器 测试油水气三项流的密度，利用油水气三项流含水率与油水气三项流密度之间的关系计算油水气三项流含水率。密度法的优点是不受混合液相间变化带来的影响，成本低，维护方便；电导法是利用水电导率远大于气体和油水气三项流的原理进行测量，电导探针与水接 触时，电阻较小，会产生高电压，与气体或油接触时电阻较大，会检测到低电压。通过这些高低电压信号即可计算出一段时间内的含水率；短波射频法是将短波信号经天线传到以油水混合液中，通过电磁波的形式使 电能辐射到混合介质中，其频率范围在 3-30mhz。短波频率段的电磁波与介质作 用主要体现在吸收能力上，根据油、水这两种介质对短波吸收能力的不同，检测 出油、水混合液中水的含量。该方法不受温度、水中矿物质 含量影响，重复性好、响应快、体积小；微波法是一种非接触式测量方法，在微波通过电介质的时候，电介质会被极化，从 而造成微波能量的衰减，从而可以测试出当微波通过待测物质时，前后衰减的变化值会间接反映物质的一些特殊性质。微波法测试含水率是非接触式测试方法，可以较好地防止油水气三项流对传感器造成腐蚀性等影响，而且测试量程宽，测试系统比 较牢固、小巧易携带，对人体的辐射影响也较小，测试精度、运行稳定性、安装方式等方面处于领先的地位；伽马射线法是利用射线测量油中碳元素和水中氧元素的含量计算含水率。该 方法也是一种非接触式测量方法，采用的是非接触测试方式，适合在一些恶劣环 境及条件下工作，不会因为管道内因结垢、结蜡而导致测试误差，除此之外，这种测试仪器工作稳定性好，可长期运作，安全可靠，可以进行连续在线测试，而且易于操作；近红外光谱法是基于油、水对近红外光谱吸收能力的差异特性来实现油水气三项流含水率的测试。油水气三项流中水分子和油水气三项流成分中的 c-h 键对近红外光的
吸收峰不同。只要提取被水吸收的特定波长，并且通过分析被测介质透射光功率的变化情况，就能得到油水气三项流的含水率，该方法灵敏度、准确性高、测试范围大。
4.但上述方法存在下述问题：密度法在含水率较低时，油的密度和油水气三项流的密度相近，导致含水率测试的误差增大，因此该方法不适用于低含水率测试；电导法容易受受到油水矿化度、温度、压力、振动、游离气和油水乳化液 相变等因素的影响，测量精度不稳定；短波射频法在含水率较小时精度较低，另外，该方法所生产出的产品成本特别高，使用和维护困难；微波法是非接触式测量方法，但是由于油气水三相 流是一种非常复杂的非线性时变系统，微波和混合介质的关系理论研究并不完善，其测试结果精度受到影响。而且由于微波系统安装困难，造价较高，目前在国内大多还处于理论研究阶段，实际应用比较少见；伽马射线法仅适用于含水率低于 60%的中低含水油水气三项流， 并且强电磁辐射，造价较高等缺点限制了其应用；近红外光谱法可以较为精确的测量0-100范围的油水气三项流含水率，但油水的形态对测量结果影响较大，同时设备造价昂贵。
5.我国很多油田处于高含水率或特高含水率的阶段，而当下用来测量油水气三项流含水率的方法虽然很多，但适用范围、稳定性和测量精度却千差万别。因此，急需新的方法来解决目前存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种油水气三项流含水率实时检测方法及装置，可以在保证测量精度的条件下稳定的检测出范围较广的高含水率或特高含水率的油水气三项流含水率。
7.本发明提供了一种油水气三项流含水率实时检测装置，包括：石英玻璃管；多个铟镓砷光电传感器，并排布置于石英玻璃管的一侧，多个铟镓砷光电传感器呈阵列式排布；多个滤光片，一一对应的固定于铟镓砷光电传感器的表面；多个led光源，与铟镓砷光电传感器的个数相同，led光源与铟镓砷光电传感器一一对应的设置于石英玻璃管的另一侧；可见光摄像机，固定安装于石英玻璃管的一侧，可见光摄像机与铟镓砷光电传感器同侧设置，可见光摄像机靠近铟镓砷光电传感器，可见光摄像机对石英玻璃管中流动的油水气三项流图像进行拍摄；图像识别分析模块，对可见光摄像机拍摄的油水气三项流图片进行识别分析，分析油水气三项流的形态、估计油水气三项流的流速；计算模块，根据铟镓砷光电传感器检测的光谱响应拟合出光谱测定的含水率值，同时根据图像识别分析模块分析的结果对最终测定值进行补偿。
8.可选的，还包括白光光源，白光光源与led光源同侧设置于石英玻璃管的另一侧，白光光源与可见光摄像机位置对应。
9.可选的，铟镓砷光电传感器为小靶面铟镓砷光电传感器。
10.可选的，铟镓砷光电传感器的个数不少于两个。
11.可选的，滤光片的带通均不相同，滤光片带通为800-2500nm，滤光片的带宽为10-50nm。
12.本发明还提供了一种油水气三项流含水率实时检测方法，包括：s1：制作多窄带阵列检测装置；s2：用可见光摄像机对检测装置中的石英玻璃管中流动的油水气三项流图像进行拍摄；s3：对s2中的油水气三项流图像进行分析，分析油水气三项流的形态、估计油水气三项流的流速；s4：对不同形态、不同流速的油水气三项流含水率进行补偿。
13.可选的，s1包括：在石英玻璃管的一侧使用多个铟镓砷光电传感器，设计不同带通的滤光片，每个铟镓砷光电传感器表面贴不同带通的滤光片，多个铟镓砷光电传感器以阵列形式排列，在铟镓砷光电传感器对侧的石英玻璃管的另一侧对应位置使用全光谱led或窄带led光源照射，每个铟镓砷光电传感器采集不同窄带上的对应油水气三项流对光谱的吸收率，其数学表达为：，其中，i0表示入射光强度，和表示油和水的吸收系数，l1和l2表示油水厚度，在使用过程中，i0是固定的值，和为已知，需要在不知道l1和l2情况下来测定吸收率i， 对于光谱测量而言，不需要关注油水吸收系数，仅需要测量出固定的光强的光线通过油水混合物后光强的损失即油水对光的吸收。
14.可选的，s2包括：在靠近滤光片阵列的位置上安装一个可见光摄像机，使用白光光源进行补光，实时拍摄石英玻璃管中的液体。
15.可选的，s3包括：设计卷积神经网络模型来对流动的液体进行识别，分别识别不同油水形态，对流速进行估计。
16.可选的，s4包括：s41：采集大量不同状态下不同含水率的光谱响应曲线，并用最小二乘法回归出含水率值、使用重多分支卷积神经网络模型来训练补偿回归模型，该模型设计一个多分支输出的网络结构，含水率以及不同油水状态输入网络中进行训练，得到一个不同状态下此含水率值的权重；s42：根据光谱检测的光谱响应使用最小二乘法拟合出光谱测定的含水率值；s43：根据补偿模型对光谱结果进行加权校正；s44：人工干预对误差较大的结果进行半监督学习，对偏差大的结果进行人工校对并将数据输入到模型中进行回归来更新模型参数，用来更新补偿回归模型。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用光谱阵列及可见光视频融合的方法能够实时较为精确的计算在不同形态下的含水率，通过可见光对油水气三项流形
态及流速进行识别分析，得到实时流过油水气三项流的形态及速度，通过光谱阵列实时分析得到当前光谱测到的含水率的值，接着利用卷积神经网络对当前形态的油水气三项流进行含水率补偿，可以解决目前含水率在不同形态油水气三项流下不准确的问题，同时采用小靶面铟镓砷光电传感器搭建阵列光谱大幅度降低了设备成本，与动辄数十万的设备相比，成本可降低到千元级别。
附图说明
18.图1为本发明实施例提供的一种油水气三项流含水率实时检测方法及装置的结构示意图。
19.附图标记说明：1-石英玻璃管，2-铟镓砷光电传感器，3-滤光片，4-led光源，5-可见光摄像机，6-白光光源，7-图像识别分析模块，8-计算模块。
具体实施方式
20.下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在石油开采过程中，油水气三项流含水率是一项非常重要的技术指标，在估算油水气三项流产量、评价油井开采价值等方面具有极其重要的意义。特别是注水开发油井需要及时、准确了解油井的产出状况，实时油藏潜力进行评估预测，以便有效指导治理措施实施。油井在线含水率测试技术可以分析油井的出油、出水状况，它能够判断油田的含水率情况，从而制定后续的一些开采方案，调整油水气三项流的生产方式。
23.目前常用的动态测试方法可以分为两大类，一类是接触式测量方法，一类是非接触式测量方法，接触式测量方法顾名思义是监测的传感器或者探头需要放入油水液体中，如密度法、电导法、短波射频法等。非接触式的测量方法指传感器探头不直接接触油水，如微波法、伽马射线法、光谱测量法等。
24.我国很多油田处于高含水率或特高含水率的阶段，而当下用来测量油水气三项流含水率的方法虽然很多，但适用范围、稳定性和测量精度却千差万别。因此，急需新的方法来解决目前存在的问题。
25.基于上述问题，本发明提供了一种油水气三项流含水率实时检测方法及装置，可以在保证测量精度的条件下稳定的检测出范围较广的高含水率或特高含水率的油水气三项流含水率，以下将结合附图对本发明技术方案进行详细说明，其中，图1为本发明实施例提供的一种油水气三项流含水率实时检测方法及装置的结构示意图。
26.如图1所示，本发明实施例提供的一种油水气三项流含水率实时检测装置，包括：石英玻璃管1、铟镓砷光电传感器2、滤光片3、led光源4、可见光摄像机5、图像识别分析模块
7和计算模块8，多个铟镓砷光电传感器2并排布置于石英玻璃管1的一侧，多个铟镓砷光电传感器2呈阵列式排布，多个滤光片3一一对应的固定于铟镓砷光电传感器2的表面，多个led光源4与铟镓砷光电传感器2的个数相同，led光源4与铟镓砷光电传感器2一一对应的设置于石英玻璃管1的另一侧，可见光摄像机5固定安装于石英玻璃管1的一侧，可见光摄像机5与铟镓砷光电传感器2同侧设置，可见光摄像机5靠近铟镓砷光电传感器2，可见光摄像机5对石英玻璃管1中流动的油水气三项流图像进行拍摄，图像识别分析模块7对可见光摄像机5拍摄的油水气三项流图片进行识别分析，分析油水气三项流的形态、估计油水气三项流的流速，计算模块8根据铟镓砷光电传感器2检测的光谱响应拟合出光谱测定的含水率值，同时根据图像识别分析模块7分析的结果对最终测定值进行补偿以提高准确度。
27.可选的，还包括白光光源6，白光光源6与led光源4同侧设置于石英玻璃管1的另一侧，白光光源6与可见光摄像机5位置对应，使用白光光源6对可见光摄像机5进行补光。
28.可选的，铟镓砷光电传感器2为小靶面铟镓砷光电传感器，采用小靶面铟镓砷光电传感器搭建阵列光谱大幅度降低了设备成本，与动辄数十万的设备相比，成本可降低到千元级别。
29.可选的，铟镓砷光电传感器2的个数不少于两个。
30.可选的，滤光片3的带通均不相同，滤光片3带通为800-2500nm，滤光片3的带宽为10-50nm，进一步提高检测精度。
31.使用方法及工作原理：油水气三项流从石英玻璃管1流过，led光源4持续发光，光线透过油水气三项流，首先通过处于石英玻璃管1另外一侧的的滤光片3滤除掉不需要的波长的光，然后进入到铟镓砷光电传感器2，同时可见光摄像机5拍摄石英玻璃管1中流动的油水气三项流，采集到的实时图像进入到图像识别分析模块7进行三项流形态、流速识别分析，铟镓砷光电传感器2的数据进入到计算模块8中进行含水率拟合，同时分析模块7分析的图像结果也进入到计算模块8对最终含水率结果进行补偿。
32.本发明采用光谱阵列及可见光视频融合的方法能够实时较为精确的计算在不同形态下的含水率，通过可见光对油水气三项流形态及流速进行识别分析，得到实时流过油水气三项流的形态及速度，通过光谱阵列实时分析得到当前光谱测到的含水率的值，接着利用卷积神经网络对当前形态的油水气三项流进行含水率补偿，可以解决目前含水率在不同形态油水气三项流下不准确的问题，同时采用小靶面铟镓砷光电传感器搭建阵列光谱大幅度降低了设备成本，与动辄数十万的设备相比，成本可降低到千元级别。
33.本发明实施例提供的一种油水气三项流含水率实时检测方法，包括：s1：制作多窄带阵列检测装置；s2：用可见光摄像机对检测装置中的石英玻璃管1中流动的油水气三项流图像进行拍摄；s3：对s2中的油水气三项流图像进行分析，分析油水气三项流的形态、估计油水气三项流的流速；s4：对不同形态、不同流速的油水气三项流含水率进行补偿。
34.可选的，s1包括：在石英玻璃管1的一侧使用多个铟镓砷光电传感器2，设计不同带通的滤光片3，每个铟镓砷光电传感器2表面贴不同带通的滤光片3，多个铟镓砷光电传感器2以阵列形式排
列，在铟镓砷光电传感器2对侧的石英玻璃管1的另一侧对应位置使用全光谱led或窄带led光源照射，每个铟镓砷光电传感器2采集不同窄带上的对应油水气三项流对光谱的吸收率，其数学表达为：，其中，i0表示入射光强度，和表示油和水的吸收系数，l1和l2表示油水厚度，在使用过程中，i0是固定的值，和为已知，需要在不知道l1和l2情况下来测定吸收率i，对于光谱测量而言，不需要关注油水吸收系数，仅需要测量出固定的光强的光线通过油水混合物后光强的损失即油水对光的吸收。
35.可选的，s2包括：在靠近滤光片3阵列的位置上安装一个可见光摄像机5，使用白光光源6进行补光，实时拍摄石英玻璃管1中的液体。
36.可选的，s3包括：设计卷积神经网络模型来对流动的液体进行识别，分别识别不同油水形态，对流速进行估计。
37.可选的，s4包括：s41：采集大量不同状态下不同含水率的光谱响应曲线，并用最小二乘法回归出含水率值、使用重多分支卷积神经网络模型来训练补偿回归模型，该模型设计一个多分支输出的网络结构，含水率以及不同油水状态输入网络中进行训练，得到一个不同状态下此含水率值的权重；s42：根据光谱检测的光谱响应使用最小二乘法拟合出光谱测定的含水率值；s43：根据补偿模型对光谱结果进行加权校正；s44：人工干预对误差较大的结果进行半监督学习，对偏差大的结果进行人工校对并将数据输入到模型中进行回归来更新模型参数，用来更新补偿回归模型。
38.实施例1：一、采用 800-1700nm 小靶面铟镓砷光电传感器和窄带光学滤光片设计制作多窄带阵列检测装置【分别设计850nm，900nm，1100nm，1300nm，1500nm，1650nm 窄带滤光装置，带宽50nm】，极大降低成本。具体做法为：使用多个铟镓砷传感器，设计不同带通滤光片，每个传感器表面贴不同带通滤光片，传感器以阵列形式排列，在石英玻璃管的对侧对应的位置使用全光谱led或窄带led光源照射。每个铟镓砷传感器采集不同窄带上的对应油水气三项流对光谱的吸收率。其数学表达为： ，其中，i0表示入射光强度，和表示油和水的吸收系数，l1和l2表示油水厚度，在使用过程中，i0是固定的值，和为已知，我们需要在不知道l1和l2情况下来测定吸收率i。对于光谱测量而言，不需要关注油水吸收系数，仅需要测量出固定的光强的光线通过油水混合物后光强的损失即油水对光的吸收。
39.二、设计采用一个高灵敏度可见光摄像机对油气水三项流图像识别分析，分析液体形态、估计液体流速。采用 cnn(卷积神经网络)对管道中流动的油水气三项流图像进行识别分析。具体做法为：在靠近光谱阵列的位置上安装一个高灵敏度可见光相机，使用白光光源进行补光，实时拍摄石英玻璃管中的液体；设计卷积神经网络模型【可以是任意结构】来对流动的液体进行识别，分别识别不同油水形态，如 清晰分层、水包油、油包水等。对流
速进行估计。
40.三、采用权重多分支卷积神经网络模型来对不同形态、不同流速的油水气三项流含水率进行补偿，同时采用半监督方法 对融合机制中的参数进行自学习更新。具体做法是：1、采集大量不同状态下不同含水率的光谱响应曲线，并用最小二乘等方法回归出含水率值、使用重多分支卷积神经网络模型来训练补偿回归模型，该模型设计一个多分支输出的网络结构，含水率以及不同油水状态输入网络中进行训练，得到一个不同状态下此含水率值的权重。
41.2、根据光谱检测的光谱响应使用最小二乘法或其他方法及拟合出光谱测定的含水率值。
42.3、根据补偿模型对光谱结果进行加权校正。
43.4、对误差较大的结果进行半监督学习及人工干预【偏差较大结果的进行人工校对并将数据输入到模型中进行回归来更新模型参数】，用来更新补偿回归模型。
44.以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。