基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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，包括包括环空电容检测传感器阵列、系统电路屏蔽罩、系统电源、测试电路、井下微处理器、智能地面分析模块，测试电路包含多通道电容切换开关、C/V转换单元、井下功率放大模块、环空电容信息采集单元，系统电源分别给井下微处理器、环空电容检测传感器阵列、测试电路供电，环空电容检测传感器阵列与测试电路相连。本发明专利技术实现对石油钻井过程中井下环空流道的非接触式快速测量，根据成像结果可对石油钻井下环空流道内发生气侵、油侵和水侵情况及时判定，可对溢流、井漏等事故提前监测和预判，对石油钻井过程中井下环空流道钻井液检测和井下溢流、井漏监测有十分重要的意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
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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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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
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ELM
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landweber算法。L
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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
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landweber算法减小图像重建误差。融合L
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ELM算法和ELM
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landweber算法成L
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ELM
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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。
[0011]本专利技术采用如下技术方案：
[0012]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
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ELM
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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。
[0013]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。
[0014]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.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、系统电路屏蔽罩、系统电源、测试电路、井下微处理器、智能地面分析模块，其特征在于，测试电路包含多通道电容切换开关、C/V转换单元、井下功率放大模块、环空电容信息采集单元，系统电源分别给井下微处理器、环空电容检测传感器阵列、测试电路供电，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，井下微处理器利用L
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ELM
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landweber算法对石油钻井过程中井下环空流道流体的检测信息进行图像重建，完成对石油钻井环空流道内发生气侵、油侵和水侵情况及时判定。2.根据权利要求1所述的1所述的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，其特征在于，环空电容检测传感器阵列由16个电容极板、1个系统电路屏蔽罩、填充材料以及绝缘管道组成，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
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，16个环空电容检测极板位于系统电路屏蔽罩和绝缘管道之间，系统电路屏蔽罩和绝缘管道之间还填充有填充材料。3.根据权利要求2所述的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，其特征在于，环空电容检测传感器阵列中，按石油井径的长度与填充材料厚度比68:1的比例，安排填充材料的厚度；半径为6.75英寸的石油井嵌入填充材料5毫米；电容极板应朝管道外弯曲并设置极板张角为25
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，其中按石油井径的周长与电容极板宽度比71:1的比例，布置电容极板的宽度，半径为6.75英寸的石油井极板宽度为15mm。4.根据权利要求2所述的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，其特征在于，环空电容检测传感器阵列，激励电容极板与检测电容极板之间相隔角度在
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范围内，若超过该范围，检测电容极板的采集数据误差大，成像效果失真，故对16个电容极板的环空电容检测传感器阵列采用新型二维ECT传感器激励测量模式，使用8组电容轮切激励测量方案进行数据采集。5.根据权利要求4所述的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，其特征在于，8组电容轮切激励测量方案：选择1个电容极板组作为激励电容极板，剩余在
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范围内的4个电容极板组作为检测电容极板，测得4个电容测量值，以相邻电容极板组作为激励电容极板，其余3个电容极板组作为检测电容极板，获得3个电容测量值，如此循环，直至最后两个电容极板组测得1个电容值，至此获得16个电容测量值，然后轮切22.5
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进行新的分组同理测量，最终获得32组数据。6.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，其特征在于，绝缘管道是耐高温高压的有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯，系统电路屏蔽罩是安装在绝缘管道与内流道之间的铜或钢制成的圆筒。7.根据权利要求1所述的基于电容层析成像的井下环空流道流体检测装置，其特征在于，重建图像速度要求不低于每秒...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛亮，袁一萍，曾文，白洋，王思进，王静岚，周帅，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：