基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法

1.本发明涉及石油钻井下环空流道多相流体测量领域，尤其涉及基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法。


背景技术：

2.现今，无论是陆地钻井还是海洋钻井，早期气侵溢流检测都是在环空井控安全的一个重要方面。当大量甲烷气体侵入环空管时，若不能被及时检测到并采取相应的在环空井控措施，则将发生溢流，甚至是井漏等严重事故。2010年美国墨西哥湾“深水地平线”钻井发生井喷事故，其中一个重要的原因就是未能及时发现和确认甲烷气体的侵入。目前钻井过程中所使用的早期溢流检测技术主要以泥浆入口与出口流速变化，管道压力变化等参数为基础，而这些参数大部分在井口处测得，这使得溢流检测结果严重滞后。
3.溢流、井漏等事故是导致石油井下钻井平台生产安全的一个问题来源，目的前国内外都还没有一个很完善的解决方案。研究如何对溢流、井漏等事故进行有效检测，并实现快速预警，对保障钻井平台的安全作业以及保护海洋生态环境的意义重大。为改变这一现状，国内外已开展了大量基于井下数据的溢流检测方法，这些方法能够更及时准确地对气侵规模进行测定，能够为事故处理预留足够的时间。然而这些方法需要对现有钻井工艺，设备进行更新替换改造，成本非常高，因此目前大部分方法都还处于研究阶段。如何在不改变现有钻井工艺的前提下，以低成本的方式提供更为及时可靠的气侵检测技术，从而能够更快的应用于商用钻井应用当中，是当前石油钻井技术发展中一个极具研究意义与商用价值的问题。
4.从装置结构而言，现今电容层析成像技术在单管道中心流域流体检测应用广泛，但未曾应用于多管道环形流域流体检测。在多管道环形流域流中，若采用传统激励方式，存在检测极角范围，使得超过检测范围180
°
外的流域进入检测盲区，会导致电容极板边缘效应增强，更多的电场线穿越场域内边界，造成场域内边界的灵敏度呈现板块化增强，而外场域的灵敏度板块化减弱，不利于改善成像质量。对于多管道环形流域流，则需要改变电容极板检测张角方向、角度和尺寸大小，同时创新激励方案，解决环形流域检测死角问题。
5.此外，另一难点问题是，相比于其他过程层析成像技术，如光学层析成像、辐射层析成像等，电容层析成像技术的空间分辨率较低，成像质量较差。导致ect空间分辨率较低的因素主要有两点：一是独立电容测量值数量远少于重建图像像素单元数量，即“病态”特性，二是传统重建算法对于电容向量与介质分布之间非线性关系的线性简化造成了投影信息的损失。
6.目前ect系统普遍使用8电极、12电极或16电极结构的传感器，单从增加电容测量值数量的角度来提高空间分辨率较难实现。与此同时，用于ect图像重建的算法主要可以分为线性模型和非线性模型两类。线性模型算法是对电容与介质分布之间的非线性映射进行线性简化，通过灵敏场矩阵描述两者之间的物理关系。线性模型算法又可分为直接算法、迭代算法与智能寻优算法三类。直接算法是直接使用灵敏场矩阵的伪逆进行反投影，如lbp算
法、tikhonov算法等，这类算法计算量小，重建速度快，但重建精度低。迭代算法是通过线性迭代计算灵敏场矩阵的近似解，如landweber算法、共轭梯度法等，这类算法精度有所提高，但重建速度较慢。智能寻优算法是将反问题转化为优化问题，通过寻优算法来全局搜索灵敏场逆矩阵的最优近似，如模拟退火算法、遗传算法等，这类算法精度较高，但是结果较难收敛，在实际应用中局限性较大。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法，基于电容层析成像的井下环空流道流体检测方法，其具有非接触性、非侵入性、结构简单灵活、成本低和灵敏度高等优点。
8.本装置无需对钻井设备进行大范围更新替换改造，且能更及时准确地对气侵规模进行测定，是一种能够检测石油井下环空流道多相流的直接手段。如果采用该装置检测环空流道，可及时发现井漏和溢流，最先预警钻井施工人员，极大程度避免井涌，井漏的发生，进而避免更大的损失，为后期井控争取更多的时间，从而降低事故的发生率。
9.同时针对多管道环空流域流体检测存在的问题，提出新型机电容极板设计、激励方案创新，解决场域内边界的灵敏度呈现板块增强、外场域的灵敏度板块减弱的问题，提高检测数据有效性，利于改善成像质量。
10.本装置采用的图像重建算法是基于极限学习机(elm)机器学习方法，结合landweber迭代原理，提出新的机器学习算法：l-elm-landweber算法。l-elm算法改进了elm算法因训练样本数远小于重建图像的像素数，输出权重β是一个病态、稀疏、非正定矩阵的问题。ect正问题的求解是一个非线性问题，基于传统landweber迭代算法重建图像的线性问正问题求解必然引入重建误差，采用elm网络求解ect非线性正问题，预测ect电容测量值，用elm-landweber算法减小图像重建误差。融合l-elm算法和elm-landweber算法成l-elm-landweber算法可以有效解决重建速度较慢、重建精度低和结果较难收敛等问题。
11.本发明采用如下技术方案：
12.基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，包括环空电容检测传感器阵列、测试电路、系统电源、井下微处理器、智能地面分析模块。环空电容检测传感器阵列分别由16个环空电容检测电极板、一个系统电路屏蔽罩、填充材料以及绝缘管道组成，作用是检测敏感场内的介质分布情况。环空电容检测传感器阵列对两相或多相流体的介电常数分布情况进行检测，转化为传感器的输出电容，井下微处理器控制多通道电容切换开关依次选择一个电容极板作为激励电容极板，其余电容极板组作为接收电容极板，对激励电容极板施加激励信号，c/v转换模块是将极板间的微小电容极板值转化为相应的电压值，井下功率放大模块对转化的电压值放大。环空电容信息采集单元将把放大的电压值传送至井下微处理器，井下微处理器根据l-elm-landweber算法将井下环空流道截面重建信息，传输至智能地面分析模块，地面工作人员就能根据实时图像信息，实现对环空流道气体侵入、溢流、井漏等事故的提前监测。
13.系统电源分别给井下微处理器、环空电容检测传感器阵列以及测试电路供电，其中环空电容检测传感器阵列与测试电路相连，测试电路与井下微处理器相连，井下微处理器与智能地面分析模块相连，系统电源测试电路，井下微处理器位于系统电路屏蔽罩和仪
器内壁之间。
14.所述测试电路包含多通道电容切换开关、c/v转换单元、功率放大模块、环空电容信息采集单元，分别是多通道电容切换开关与c/v转换单元相连，c/v转换单元与井下功率放大模块相连，井下功率放大模块与环空电容信息采集单元相连。
15.由于石油钻井井下环境恶劣，温度可超200摄氏度，故绝缘管道是耐高温高压的有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)，且是检测环空流道，系统电路屏蔽罩是安装在绝缘管道与内流道之间的金属(铜或钢)圆筒，在电容层析成像系统工作时要进行接地处理，可有效防止外界电磁场的干扰和随着环境变化产生的介质分布变化对检测电容极板的影响。绝缘管道为透明的薄壁有机玻璃管，在对流型状态进行观察的同时，还可防止壁厚造成检测区域不灵敏而产生严重的非线性失真，从而影响图像重构的质量。电容极板引线一般采用屏蔽线制成且不过长，防止引线间串扰的同时，也防止传输较远时造成的微小电容信号衰减严重而造成采集信号的不准确。
16.所述的环空电容检测传感器阵列是16个电容检测极板、一个系统电路屏蔽罩、填充材料以及绝缘管道组成。电容极板阵列固定在外流道与内流道的测量短节中，在以内流道的圆心为圆点，每个电容极板之间间隔的圆心角为22.5
°
布置，其中按石油井径的长度与填充材料厚度比68:1的比例，适当增加或减少需填充材料的厚度，半径为6.75英寸的石油井建议要嵌入填充材料5毫米。由于检测流域是环空流道而不是内流道，极板应朝管道外弯曲并设置极板张角为25
°
，其中，按石油井径的周长与极板宽度比71:1的比例，适当增加或减少需极板宽度，半径为6.75英寸的石油井建议极板宽度为15mm，可达到最佳测量效果。
17.采用新型二维ect传感器激励测量模式，采用传统单电容极板激励测量方案，对电容极板1施加激励电压，测量1-2,1-3，
……
，1-8电容极板间的电容值，依次类推共有28组数据。在环空流道流体检测，16个电容检测极板间的电容值，依次类推共有28组数据。在环空管道流体检测，16电极板环空电容检测传感器阵列采用8组电容环空轮切激励测量方案。激励电容极板与检测电容极板之间相隔角度在-90
°‑
90
°
范围内，若超过该范围，检测极板的采集数据误差大，成像效果失真。
18.第一轮激励时，将16个极板分为8组，每2个电容极板视为一个新的电容，1-2极板为新电容1
*
，3-4极板为新电容2
*
，
……
，15-16极板为新电容8
*
，对新电容1
*
施加激励电压，测量其在-90
°‑
90
°
范围内的新电容的电容值，即测量电容值。接着激励新电容2
*
时，测量其在-90
°‑
90
°
范围内的新电容的电容值，以此类推共测的16组数据。
19.第二轮激励时，2-3极板为新电容1”，4-5极板为新电容2”，
……
，16-1为新电容8”，对新电容1”施加激励电压，测量其在-90
°‑
90
°
范围内的新电容的电容值；以此类推，相当于每轮激励时将16个电极板环空电容检测传感器阵列切换一个电容极板，每个切换角度相隔22.5
°
，然后进行两两分组，重新激励检测，一共轮切了16次，最终此方法检测数据共32组。
20.井下微处理器控制多通道电容切换开关控制数据采集顺序，多通道电容切换开关包括单片的cmos芯片，单片的cmos芯片结构保证了切换电路的低功耗，将激励信号分配到需要的激励电容极板上，单片的cmos芯片包含了16个独立通道，依次与环空电容层析成像传感器阵列模块中的16个电容极板相连接，并使用四个地址线的译码来选择16个输入通道的其中一个与公共输出相连接。
21.环空电容检测传感器阵列中作为检测电容的电容极板与作为激励电容的距离应不同。溢流、井漏等事故信息包括溢流\井漏时刻、溢流\井漏速率、溢流\井漏发生位置和溢流\井漏类型中的一种或几种，井下微处理器在当前时刻重建环空管道内流体图在智能地面分析模块显示分析，工作人员则可根据当前图像将当前时刻确定为溢流、井漏等事故发生时刻并根据介电常数确定事故类型。进行微处理器利用采集的数据利用l-elm-landweber算法，进行图像重建和截面含相率计算，得到环空流道截面电导率分布信息和截面含相率信息，并传输至智能地面分析模块，以下为图像重建步骤：
22.以油气水三相流为介质进行设置，油相的相对介电常数设置为8，气相的相对介电常数设置为1，水的介电常数为81；
23.步骤1.利用comsol软件对环空流道进行ect有限元仿真，仿真对象为油/气两相分布、水/气两相分布。空场和满场样本生成。选取单泡、两泡、三泡、分层流以环形流体5中油\气两相分布模型进行仿真。5中分布模型各设850个样本，总计4250个样本，计算获得4250个分布模型对应的仿真电压测量值。
24.步骤2.将每种分布模型的前800个样本作为训练样本，后50个样本作为测试样本。将4000个训练样本的介电常数分布作为l-elm网络的输入，将测量电容值作为l-elm网络的输出，完成l-elm网络的训练。
25.步骤3.使用lbp算法计算获得样本所对应的重建图像灰度矩阵，并将其归一化，获取5中油/气两相分布模型图像初值。
26.步骤4.使用l-elm网络预测电压值，将其代入式(1)、(2)中，进行图像重建。
27.g
k+1
＝gk+αks
t
(ν
m-ν
elm
)
ꢀꢀꢀ
(1)
28.g0＝g
lbp
ꢀꢀꢀ
(2)
29.gk为第k步迭代的图像灰度矩阵；g0为迭代初值，并由lbp算法得到；αk为第k步的迭代因子。ν
elm
为l-elm网络预测得到的电压值；vm为测量电压值。
30.步骤5.采用图像相对误差式(3)作为评价指标，修订误差后，井下微处理器根据l-elm-landweber算法，利用环空信息检测单元采集的电压值，将井下环空流道截面重建信息，传输至智能地面分析模块。
[0031][0032]g*
为计算得到的电导率分布；g为设定的电导率分布。
[0033]
步骤6.地面工作人员根据实时图像信息，可知道石油井下流体中油气实时分布，则可检测流体分布异常情况。
[0034]
步骤7.同理进行水/气两相分布、油气水三相分布有限元仿真实验和l-elm网络训练，利用环空信息检测单元采集的电压值，将井下环空流道截面重建信息，传输至智能地面分析模块。
[0035]
井下微处理器根据检测数据、将环空流道截面含相率信息传输至智能地面分析模块，由它进行环空流道截面的实时动态含相率δ的计算，公式如下：
[0036]
[0037]
其中：δ为含相率，gi为截面的第i个像素点的灰度值，n为界面像素点的个数。
[0038]
地面工作人员根据环空智能地面分析模块监测环空流域内的实时图像信息，以环空流道截面的实时动态含相率δ观测判定标准，实现对环空流道流体异常监测，可达到气体侵入、溢流、井漏等事故的提前监测。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
本发明能够得到石油井下环空流道内的截面重建图，进而利用截面含相率公式计算环空流道截面的含相率，进而知道固、液、气、流的分布情况；在石油井下管道流体测量领域，对于环空流道的截面含相率检测没有有效的测量手段。由于井下工况复杂，无法对其进行直接测量。本发明在非接触式的情况下能够得到环空流道内的介电常数图像和截面含相率，对井下环空流道的测量和井下气侵、溢流监测有重要的意义。
附图说明
[0041]
图1为本发明检测装置原理图；
[0042]
图2为本发明检测装置结构图；
[0043]
图3为本发明检测装置结构俯视图；
[0044]
图4为本发明检测装置的重建图像算法流程框图；
[0045]
图5为本发明检测装置检测的电压信息表。
[0046]
图中：1-井壁、2-仪器内壁、3-仪器外壁、4-系统电路屏蔽罩、5-环空电容检测传感器阵列、6-系统电源、7-测试电路、8-井下微处理器、9-智能地面分析模块、10-内流道、11-填充材料、12-环空流道、13-绝缘管道；
[0047]
70-多通道电容切换开关、71-c/v转换单元、72-井下功率放大模块、73-环空电容信息采集单元。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
如图1-2所示，本发明的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，包括仪器内壁2、仪器外壁3、系统电路屏蔽罩4、环空电容检测传感器阵列5、系统电源6、测试电路7、井下微处理器8、智能地面分析模块9。
[0050]
其中，测试电路7包括多通道电容切换开关70、c/v转换单元71、井下功率放大模块72、环空电容信息采集单元73。井下微处理器8控制测试电路7里的多通道电容切换开关70选择环空电容检测传感器阵列5中的一个电容极板作为激励电容，其余电容极板作为检测电容极板，检测信号通过测试电路7里的c/v转换单元71将极板间变化的微小电容值转化为相应的电压值，并经过测试电路7里的环空电容信息采集单元73采集，再传送至井下微处理器8；井下微处理器8根据l-elm-landweber算法，利用环空信息检测单元采集的电压值，采用图像相对误差式(3)作为评价指标，将井下环空流道截面重建信息，传输至智能地面分析模块9；地面工作人员根据智能地面分析模块9监测环空流域内的实时图像信息，以环空流
道截面的实时动态含相率δ观测，可达到气体侵入、溢流、井漏等事故的提前监测。
[0051]
系统电源6产生激励信号，同时系统电源6给装个装置供电。井壁1、仪器内壁3、仪器外壁2将环空电容检测传感器阵列5、系统电源6、测试电路7、井下微处理器8与内流道管道液体隔绝，具有耐压防辐射作用，且为非导磁材料。环空电容层析成像传感器阵列5通过其系统电路屏蔽罩4将系统电源6、测试电路7和井下微处理器8隔绝开，系统电源6、测试电路7和井下微处理器8均安装在系统电路屏蔽罩4与仪器内壁2之间，防止电路运行对环空电容层析成像传感器阵列5产生干扰，影响溢流、井漏等事故的监测效果。
[0052]
如图3所示，其中在环空电容检测传感器阵列5中，16个环空电容检测电极板固定在内流道与环空流道的测量短节中，以内流道的圆心为圆点，每个电容极板之间间隔的圆心角为22.5
°
布置。其中，16个环空电容检测电极板位于系统电路屏蔽罩4和绝缘管道13之间，系统电路屏蔽罩4和绝缘管道13之间还填充有填充材料11。环空电容检测电极板由铜箔或不锈钢等制作，可以根据不同的需求安置在管道内部。16个环空电容检测电极板、一个系统电路屏蔽罩4、填充材料11以及绝缘管道13组成了环空电容检测传感器。
[0053]
环空电容检测传感器阵列5采用8组电容轮切激励测量方案。第一轮激励时，将16个极板分为8组，每2个电容极板视为一个新的电容，1-2极板为新电容1
*
，3-4极板为新电容2
*
，
……
，15-16极板为新电容8
*
，对新电容1
*
施加激励电压，测量其在-90
°‑
90
°
范围内的新电容的电容值，即测量电容值。接着激励新电容2
*
时，测量其在-90
°‑
90
°
范围内的新电容的电容值，以此类推共测的16组数据。
[0054]
第二轮激励时，2-3极板为新电容1”，4-5极板为新电容2”，
……
，16-1为新电容8”，对新电容1”施加激励电压，测量其在-90
°‑
90
°
范围内的新电容的电容值；依次类推，相当于每轮激励时将16电极板环空电容检测传感器阵列切换一个电容极板，每个切换角度相隔22.5
°
，然后进行两两分组，重新激励检测，一共轮切了16次。最终此方法检测数据共32组。
[0055]
井下微处理器8控制多通道电容切换开关70控制数据采集顺序，多通道电容切换开关70包括单片的cmos芯片，单片的cmos芯片结构保证了切换电路的低功耗，将激励信号分配到需要的激励电容极板上，单片的cmos芯片包含了16个独立通道，依次与环空电容检测传感器阵列5中的16个电容极板相连接，并使用四个地址线的译码来选择16个输入通道的其中一个与公共输出相连接。
[0056]
环空电容检测传感器阵列5中作为检测电容的电容极板与作为激励电容的距离应不同。溢流、井漏等事故信息包括溢流\井漏时刻、溢流\井漏速率、溢流\井漏发生位置和溢流\井漏类型中的一种或几种，井下微处理器8在当前时刻重建环空管道内流体图在智能地面分析模块9显示分析，工作人员则可根据当前图像将当前时刻确定为溢流、井漏等事故发生时刻并根据介电常数确定事故类型。井下微处理器8采集的数据利用l-elm-landweber算法，进行图像重建和截面含相率计算，得到环空流道截面电导率分布信息和截面含相率信息，并传输至智能地面分析模块9，以下为图像重建步骤：
[0057]
以油气水三相流为介质进行设置，油相的相对介电常数设置为8，气相的相对介电常数设置为1，水的介电常数为81；
[0058]
步骤1.利用comsol软件对环空流道进行ect有限元仿真，仿真对象为油/气两相分布、水/气两相分布。空场和满场样本生成。选取单泡、两泡、三泡、分层流及环形流体5种油/气两相分布模型进行仿真。5种分布模型各设850个样本，总计4250个样本，计算获得4250个
分布模型对应的仿真电压测量值；
[0059]
步骤2.将每种分布模型的前800个样本作为训练样本，后50个样本作为测试样本。将4000个训练样本的介电常数分布作为l-elm网络的输入，将测量电容值作为l-elm网络的输出，完成l-elm网络的训练。
[0060]
步骤3.使用lbp算法计算获得样本所对应的重建图像灰度矩阵，并将其归一化，获取5种油/气两相分布模型图像初值。
[0061]
步骤4.使用l-elm网络预测电压值，将其代入式(1)、(2)中，进行图像重建。
[0062]gk+1
＝gk+αks
t
(ν
m-ν
elm
)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0063]
g0＝g
lbp
ꢀꢀꢀ
(2)
[0064]gk
为第k步迭代的图像灰度矩阵；g0为迭代初值，并由lbp算法得到；αk为第k步的迭代因子；s为灵敏度矩阵；ν
elm
为l-elm网络预测得到的电压值；νm为测量电压值，s
t
是灵敏度矩阵s的转置。
[0065]
步骤5.采用图像相对误差ie式(3)作为评价指标，修订误差后，井下微处理器根据l-elm-landweber算法，利用环空信息检测单元采集的电压值，将井下环空流道截面重建信息，传输至智能地面分析模块。
[0066][0067]g*
为计算得到的电导率分布；g为设定的电导率分布。
[0068]
步骤6.地面工作人员根据实时图像信息，可知道石油井下流体中油气实时分布，则可检测流体分布异常情况。
[0069]
步骤7.同理进行水/气两相分布、油气水三相分布有限元仿真实验和l-elm网络训练，利用环空信息检测单元采集的电压值，将井下环空流道截面重建信息，传输至智能地面分析模块。
[0070]
地面工作人员根据智能地面分析模块9监测环空流域内的实时图像信息，以环空流道截面的实时动态含相率δ观测，可达到气体侵入、溢流、井漏等事故的提前监测。
[0071]
本实施例提供了基于电容层析成像的井下环空流道流体检测方法，包括：系统电源6产生交流激励信号通过井下微处理器8控制测试电路7里的多通道电容切换开关70选环空电容检测传感器阵列5中的一个电容极板作为激励电容，其余电容极板作为检测电容极板，检测信号通过测试电路7里的c/v转换单元71将极板间变化的微小电容值转化为相应的电压值，并经过测试电路7里的环空电容信息采集单元73采集，再传送至井下微处理器8。
[0072]
本发明使用基于l-elm-landweber算法和电容层析成像的井下环空流道流体检测方法，通过将环空流道的介电常数改变量和含相率信息传输至地面地面工作人员根据信息进行后处理，实现井下溢流监测。
[0073]
实施例
[0074]
基于仿真软件，对聚合物驱采油的注水井进行气/液流体仿真建模，得到检测电信号，如图5所示，将检测数据发送至微处理器；根据l-elm-landweber算法进行图像重建，整个被测环空截面域包含1014000个像素点，灰度值大小为55060，利用电容层析成像的井下环空流道流体检测方法求中的含相率δ式(4)求得出井下环空流道含相率为5.43％。
[0075]
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。