一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法技术

本发明专利技术属于石油工程与测量技术领域，具体涉及一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法，1、对连续两帧图像进行处理，将图像信息提取转换为数字信息，确定PIV位移测量过程中查询窗口M；2、固定查询窗口大小，计算两帧图像中查询窗口内中心处粒子的互相关系数

An improved PIV based flow velocity measurement method for horizontal oil-water two-phase flow

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法
：本专利技术属于石油工程与测量
，具体涉及一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法。
技术介绍
：目前，我国绝大多数油田开发已进入高含水、低产液阶段。油水两相流的流型表现为油水分层，且上层含少量油泡的混合状态，此状态易导致油水滑脱。水平井、小管径以及化学驱等新技术实施后，油水流动状态受这种滑移影响较大，给测井资料的解释和研究开发中测井仪器的评价带来困难。测井资料的解释和测井仪器的精度很大程度依赖于流动特性，流型、流场、流速和组分是反映流动特性的参数，其中流速测量是油田开发动态监测必不可少的一部分，为油田开采流量计量、提高原油采收率等提供重要的参考依据，故水平井油水两相流的流速准确测量是目前的急需解决的问题。PIV算法是常用的一种流体的流速测量方法，不仅可以定量分析整个管道流动的速度矢量场，而且可以消除传统单点测量的局限性。经典PIV算法是先独立对水平方向和垂直方向进行位移亚像素拟合再将其结合在一起得到某一点的精确位移，这一解决方法得到的位移亚像素拟合效果在单个方向是最好的，但对于某一点而言未必是最好的，因此此方法对位移的计算精度不高。目前油水两相流PIV图像位移空白矢量处是采用线性插值得到的，故其流体流速的精度也会降低。针对这两个现象，若将位移亚像素拟合从一维扩大到二维，精确计算每点的位移变化，同时采用Kriging模型进行位移空白矢量处插值，可提高位移矢量的精确度，从而降低平均流速测量的误差。
技术实现思路
：本专利技术的目的是为了解决采用PIV技术测量水平油水两相流流速过程中，由于PIV算法过程中空白矢量和分向亚像素拟合造成的测量精度不高问题，提出一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法。本专利技术采用的技术方案为：一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：步骤一：对连续两帧图像进行处理，将图像信息提取转换为数字信息，确定PIV位移测量过程中查询窗口M；所述的图像信息提取转换是将两帧图像的有用信息进行裁剪，并进行灰度处理，转换后的两帧灰度图像函数分别用f(x,y)和g(x,y)表示，x,y分别表示图像中水平方向和垂直方向上的像素点位置坐标；查询窗口M的设置可提高位移的分辨率和计算精度，M表示为式中m1～m8均为后续互相关时查询窗口大小，m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8的查询窗口大小分别为128×128、128×128、64×64、64×64、32×32、32×32、16×16、16×16；步骤二：固定查询窗口大小，计算两帧图像中查询窗口内中心处粒子的互相关系数提取最大的互相关系数以及对应的位移整像素值(p,q)；所述两帧图像查询窗口内中心处的相关系数的计算公式为：式中矩阵P,Q分别为第一帧图像查询窗口中心与第二帧图像查询窗口中心在水平方向和垂直方向的位移差；根据互相关性质可知，值越大，两帧图像查询窗口中心越相关；因此，最大的互相关系数对应的位移差即为查询窗口中心的位移；查询窗口中心位移整像素大小的计算公式为：式中p,q分别为查询窗口中心移动的水平方向和垂直方向的位移整像素值；步骤三：根据步骤二中提取最大互相关系数及对应的位移整像素值建立互相关函数R(u,v)，利用最大互相关系数周围与其相邻四个互相关系数及对应的位移整像素值确定粒子的位移亚像素值(u0,v0)；所述互相关函数R(u,v)的建立方式如下：因采集的油水两相流粒子图像属于高斯分布，故计算的互相关函数R(u,v)亦满足高斯分布，互相关函数R(u,v)的计算公式为式中A为相关峰峰值，σu2,σv2分别为相关峰在水平方向和垂直方向上的方差，u,v分别为查询窗口中心移动的水平方向和垂直方向的位移矢量，u0,v0分别为查询窗口中心移动的水平方向和垂直方向的精确位移矢量；根据步骤二确定最大互相关系数为R(p,q)，对应的粒子在水平方向和垂直方向上位移整像素值分别为p,q，以及周围与其相邻四个相关系数R(p-1,q),R(p+1,q),R(p,q-1),R(p,q+1)，将其带入互相关函数R(u,v)表达式中：对上述方程组进行处理，消去参数A,σu2,σv2以获取精确的位移亚像素值：步骤四：改变查询窗口大小，利用Kriging模型对空白位移矢量处进行插值以扩大位移矢量分布；改变查询窗口大小时，查询窗口内部分粒子的位移矢量是空白的；该粒子位置坐标为(xc,yc)，且该处的位移矢量用表示，图像中已知位移矢量的粒子位置坐标为(xn,yn)(n＝1,2,…,h)，且此处的位移矢量用Zn(n＝1,2,…,h)表示，h为已知位移矢量的粒子个数，n为已知位移矢量的粒子序号；Kriging模型的计算方法为：式中λn是指已知位移矢量Zn对应的权重系数；根据Kriging模型的无偏最优性，采用拉格朗日算法估算λi：式中F为一拉格朗日量，k,l均为已知位移矢量的粒子序号，λk,λl分别是指已知位移矢量Zk和Zl对应的权重系数，μ为拉格朗日乘子，γkl为位置坐标为(xk,yk)(k＝1,2,…,h)和(xl,yl)(l＝1,2,…,h)的粒子间的半方差函数，γkc为位置坐标为(xk,yk)(k＝1,2,…,h)和(xc,yc)的粒子间的半方差函数，γcc为位置坐标为(xc,yc)粒子与其自身间的半方差函数；因图像分布满足高斯分布，半方差函数γkl的计算公式为式中C0为粒子与其自身的的半方差，C为随着粒子位置间距离增大基本达到恒定的半方差值，α为具有相关性的位移矢量对应的位置距离范围；对F求偏导得到各个粒子对应的权重系数：步骤五：重复步骤二～四，直至查询窗口循环结束为止，计算所有位移矢量对应的像素点的速度矢量分布V，最终求得的平均值即为油水两相流在此时的平均流速v；所述各粒子的移动速度计算公式为：式中矩阵V为图像中粒子的移动速度矢量分布，其中分别为图像中粒子(xwβ,ywβ)处在水平方向和垂直方向的移动速度，i,j分别为图像中粒子在水平方向和垂直方向的序号，Δxij,Δyij分别为图像中粒子(xij,yij)处在水平方向和垂直方向的移动距离，Δt为两帧图像采集的时间差，β,w分别为图像中粒子在水平方向和垂直方向的个数；最后求得图像中油水两相流的平均流速本专利技术的有益效果：采用二维位移亚像素拟合方法克服了独立对水平方向和垂直方向的亚像素拟合造成的低精度，改进了PIV算法，同时采用Kriging模型对位移进行插值，使得整体的速度矢量分布更为平滑且精确，提高了水平油水两相流流速测量精度。附图说明：图1是实施例一中改进PIV算法的流程图；图2是实施例一中采用经典PIV算法获取的速度矢量图；图3图2中围框部分的局部放大图；图4是实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：/n步骤一：对连续两帧图像进行处理，将图像信息提取转换为数字信息，确定PIV位移测量过程中查询窗口M；/n所述的图像信息提取转换是将两帧图像的有用信息进行裁剪，并进行灰度处理，转换后的两帧灰度图像函数分别用f(x,y)和g(x,y)表示，x,y分别表示图像中水平方向和垂直方向上的像素点位置坐标；/n查询窗口M的设置可提高位移的分辨率和计算精度，M表示为/n

【技术特征摘要】
20191223 CN 20191133450651.一种基于改进PIV的水平油水两相流流速测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：
步骤一：对连续两帧图像进行处理，将图像信息提取转换为数字信息，确定PIV位移测量过程中查询窗口M；
所述的图像信息提取转换是将两帧图像的有用信息进行裁剪，并进行灰度处理，转换后的两帧灰度图像函数分别用f(x,y)和g(x,y)表示，x,y分别表示图像中水平方向和垂直方向上的像素点位置坐标；
查询窗口M的设置可提高位移的分辨率和计算精度，M表示为



式中m1～m8均为后续互相关时查询窗口大小，m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8的查询窗口大小分别为128×128、128×128、64×64、64×64、32×32、32×32、16×16、16×16；
步骤二：固定查询窗口大小，计算两帧图像中查询窗口内中心处粒子的互相关系数提取最大的互相关系数以及对应的位移整像素值(p,q)；
所述两帧图像查询窗口内中心处的相关系数的计算公式为：



式中矩阵P,Q分别为第一帧图像查询窗口中心与第二帧图像查询窗口中心在水平方向和垂直方向的位移差；
根据互相关性质可知，值越大，两帧图像查询窗口中心越相关；因此，最大的互相关系数对应的位移差即为查询窗口中心的位移；查询窗口中心位移整像素大小的计算公式为：



式中p,q分别为查询窗口中心移动的水平方向和垂直方向的位移整像素值；
步骤三：根据步骤二中提取最大互相关系数及对应的位移整像素值建立互相关函数R(u,v)，利用最大互相关系数周围与其相邻四个互相关系数及对应的位移整像素值确定粒子的位移亚像素值(u0,v0)；
所述互相关函数R(u,v)的建立方式如下：
因采集的油水两相流粒子图像属于高斯分布，故计算的互相关函数R(u,v)亦满足高斯分布，互相关函数R(u,v)的计算公式为



式中A为相关峰峰值，σu2,σv2分别为相关峰在水平方向和垂直方向上的方差，u,v分别为查询窗口中心移动的水平方向和垂直方向的位移矢量，u0,v0分别为查询窗口中心移动的水平方向和垂直方向的精确位移矢量；
根据步骤二确定最大互相关系数为R(p,q)，对应的粒子在水平方向和垂直方向上位移整像素值分别为p,q，以及周围与其相邻四个相关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩连福，王海霞，付长凤，刘超，刘兴斌，宋鸿梅，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23