CN108388848B - 一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，通过电导波动信号采集***采集油气水多相流电导波动信号，对采集到的电导波动信号进行EEMD分解，对各级IMF的求归一化能量和相关系数，根据归一化能量和相关系数剔除噪声模态，然后选择能量较大的前几个模态进行时频分析，以此研究和分析多尺度油、气、水多相流动力学特性。该方法在EEMD分解过程中有效分离了噪声模态和固有模态，避免了模态混叠现象，提高了Hilbert‑Huang变换多尺度频谱特性的准确性和有效性，有助于更加有效和准确地分析油、气、水多相流不同流型的动力学行为特性，为流型识别和多相流参数测量提供更加有效和准确判别依据。
Description
技术领域
本发明属于油、气、水多相流动态参数识别和测量领域，特别涉及以集成经验模式分解(EEMD)进行Hilbert-Huang变换的油、气、水多相流的一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法。
背景技术
石油开采过程中，产出液大多是油、水两相流或是油、气、水多相流，由于对油气井产出液动态信息的掌握不够全面通常会造成开采过程中的早期见水，被迫关闭整个油气井，由此导致油气井寿命缩短和产量下降等问题，严重影响了石油工业的经济效益。因此研究和分析油、气、水多相流的动力学特性，不仅对多相流型识别和多相流动态参数测量，而且对油气井优化开采，有效保护储层，提高采收率均有非常重要的意义。
由于多相流动过程的复杂性和流动型态的随机多变性导致多相流测量信号表现出非线性和非平稳性等特征，信号中包含了复杂的、非平稳的多频谱信息。Hilbert-Huang变换以其自适应性、分辨率高等优点被广泛用于非线性、非平稳随机信号的分析。Hilbert-Huang变换采用经验模态分解EMD(Empirical mode decomposition)，没有固定的先验基底，是一种自适应的多尺度分解方法。然而当信号中包含噪声时，经验模式分解(EMD)分解过程中将会出现噪声与模态之间的混叠现象，严重影响非线性、非平稳信号的Hilbert-Huang变换多尺度频谱特性的准确性和有效性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种以集成经验模式分解(EEMD)进行Hilbert-Huang变换的油、气、水多相流的一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，通过EEMD分解，消除噪声与模态之间的混叠现象，提高油、气、水多相流测量信号Hilbert-Huang变换多尺度频谱特性的准确性和有效性，更加有效和准确地分析油、气、水多相流不同流型的动力学行为特性，为流型识别和多相流参数测量提供更有效的依据，避免了模态混叠现象对Hilbert-Huang变换多尺度频谱特性的影响。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：首先通过电导波动信号采集***获取油、气、水多相流电导波动信号x(t)；
第二步：对采集到的电导波动信号x(t)进行EEMD分解为多个固有模态函数IMF和一个残差项，表达式如下：
其中Cj(t)为第j级IMF，rN(t)为残差项。
第三步：计算各级IMF的能量，公式如下：
第四步：对各级IMF能量作归一化处理，其归一化能量表示如下：
其中
为总能量。
第五步：计算各级IMF信号Cj(t)与原始信号x(t)的相关系数为
表达式如下：
其中Cov(x，IMFj)为x(t)与IMFj的互协方差，Var(x)表示原始信号x(t)的方差，Var(IMFj)表示第j级IMF的方差。
第六步：进行多尺度时频分析，具体步骤如下：
(1)根据公式(3)和(4)计算的归一化能量
和相关系数
剔除噪声模态分量；
(2)按照归一化能量
由大到小的次序对各级模态IMF进行排序；
(3)选择IMF1-IMF4进行时频分析，表达式如下：
对IMF1-IMF4作Hilbert变换可得：
其中，P为柯西主值。
由Cj(t)和Yj(t)构成如下复数：
其中，瞬时相位：
根据相位和瞬时频率的关系，可IMF1-IMF4的瞬时频率，即
第七步：根据公式(7)得到IMF1-IMF4的时频特性，由此分析油、气、水多相流不同流型下的动力学行为特性。
所述的归一化能量
和相关系数
时，判断该模态为固有模态，反之则为噪声模态，将其剔除。
本发明所述的一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，通过电导波动信号采集***采集油气水多相流电导波动信号，对采集到的电导波动信号进行EEMD分解，对各级IMF的求归一化能量和相关系数，根据归一化能量和相关系数剔除噪声模态，然后选择能量较大的前几个模态进行时频分析，以此研究和分析多尺度油、气、水多相流动力学特性。该方法在EEMD分解过程中有效分离了噪声模态和固有模态，避免了模态混叠现象，提高了Hilbert-Huang变换多尺度频谱特性的准确性和有效性，有助于更加有效和准确地分析油、气、水多相流不同流型的动力学行为特性，为流型识别和多相流参数测量提供更加有效和准确判别依据。
附图说明
图1为本发明实施例中一种多尺度油、气、水多相流动力学特性分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中多尺度时频分析的流程图；
图3为EMD分解的效果；
图4为本发明中EEMD消除模态混叠的效果；
图5为图1中电导波动信号采集***示意图；
图6(a)为本发明实施例中泡状流的EEMD分解效果；
图6(b)为本发明实施例中塞状流的EEMD分解效果；
图6(c)为本发明实施例中弹状流的EEMD分解效果；
图7(a)为本发明实施中泡状流的IMF1时频图；
图7(b)为本发明实施中塞状流的IMF1时频图；
图7(c)为本发明实施中弹状流的IMF1时频图；
图8(a)为本发明实施中泡状流的IMF2时频图；
图8(b)为本发明实施中塞状流的IMF2时频图；
图8(c)为本发明实施中弹状流的IMF2时频图；
图9(a)为本发明实施中泡状流的IMF3时频图；
图9(b)为本发明实施中塞状流的IMF3时频图；
图9(c)为本发明实施中弹状流的IMF3时频图；
图10(a)为本发明实施中泡状流的IMF4时频图；
图10(b)为本发明实施中塞状流的IMF4时频图；
图10(c)为本发明实施中弹状流的IMF4时频图。
具体实施方式
结合图1和图2一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：首先通过电导波动信号采集***获取油、气、水多相流电导波动信号x(t)；
第二步：对采集到的电导波动信号x(t)进行EEMD分解为多个固有模态函数IMF和一个残差项，表达式如下：
其中Cj(t)为第j级IMF，rN(t)为残差项。
第三步：计算各级IMF的能量，公式如下：
第四步：对各级IMF能量作归一化处理，其归一化能量表示如下：
其中
为总能量。
第五步：计算各级IMF信号Cj(t)与原始信号x(t)的相关系数为
表达式如下：
其中Cov(x，IMFj)为x(t)与IMFj的互协方差，Var(x)表示原始信号x(t)的方差，Var(IMFj)表示第j级IMF的方差。
第六步：进行多尺度时频分析，具体步骤如下：
(1)根据公式(3)和(4)计算的归一化能量
和相关系数
剔除噪声模态分量；
(2)按照归一化能量
由大到小的次序对各级模态IMF进行排序；
(3)选择IMF1-IMF4进行时频分析，表达式如下：
对IMF1-IMF4作Hilbert变换可得：
其中，P为柯西主值。
由Cj(t)和Yj(t)构成如下复数：
其中，瞬时相位：
根据相位和瞬时频率的关系，可IMF1-IMF4的瞬时频率，即
第七步：根据公式(7)得到IMF1-IMF4的时频特性，由此分析油、气、水多相流不同流型下的动力学行为特性。
所述的归一化能量
和相关系数
时，判断该模态为固有模态，反之则为噪声模态，将其剔除。
本发明不仅适用于多相流电导波动信号的分析，也适用于差压多相流测量信号的分析。
本发明选择的多尺度模态不局限于IMF1-IMF4，既可以选择更少的模态分析，也可以推广到更多尺度模态的时频分析，如可分析IMF1-IMF3，IMF1-IMF5，IMF1-IMF6。
本发明不仅适用于油、气、水多相流的动力学特性分析，也适用于油、水两相流，气、水两相流，气、固、液三相流的动力学特性分析。
本发明所述的一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，通过电导波动信号采集***采集油气水多相流电导波动信号，对采集到的电导波动信号进行EEMD分解，对各级IMF的求归一化能量和相关系数，根据归一化能量和相关系数剔除噪声模态，然后选择能量较大的前几个模态进行时频分析，以此研究和分析多尺度油、气、水多相流动力学特性。该方法在EEMD分解过程中有效分离了噪声模态和固有模态，避免了模态混叠现象，提高了Hilbert-Huang变换多尺度频谱特性的准确性和有效性，有助于更加有效和准确地分析油、气、水多相流不同流型的动力学行为特性，为流型识别和多相流参数测量提供更加有效和准确判别依据。
结合图3和图4分析EEMD抗模态混叠的效果。设正弦信号频率f＝120Hz，幅度A＝1V，加性噪声为高斯调制正弦脉冲，幅度Ap＝0.2V。分别对包含随机脉冲干扰的信号x(t)进行EMD和EEMD分解，结果分别如图3和图4所示。图3中，含有脉冲干扰的正弦信号经过EMD分解后，IMF1中既包含了正弦信号同时也包含了脉冲干扰成分，产生了典型的模态混叠现象，噪声和有用信号不能很好的分离。图4中，含有脉冲干扰的正弦信号经过EEMD分解后，IMF1对应原信号中的脉冲干扰，IMF2对应正弦信号。显然EEMD克服了EMD分解中脉冲干扰和正弦信号的模态混叠现象，实现了脉冲干扰和固有模态之间的完全分离。
结合图5，本发明所述的电导波动信号采集***包括电导传感器，激励源，放大、滤波电路，A/D采集电路。其中电导传感器由两对电极构成，其中外侧电极E1和E2为激励电极，内侧电极H1和H2为测量电极。当电极E1和E2上施加激励时，激励电流通过激励电极施加到被测流体区域，从而在管道内部建立敏感电流场。若测量管道内为油、气、水多相混合流体时，由于油相和气相导电性差且多相流中油泡和气泡的分布具有随机性，导致敏感场的不规则变化，因此通过测试测量电极对H1和H2上的电导波动信号可获取管道内流体的流型、空间分布等流动信息。
结合图6(a)～(c)本发明实施例中泡状流、塞状流、弹状流3种流型的EEMD分解效果，同时根据公式(3)～(4)分别计算出其各级IMF信号对应的归一化能量和相关系数，如表1～3所示。结合图6(a)和表1中可以看出，泡状流经过EEMD分解的各级IMF信号特征，IMF1与原始信号的相关性很强，信号幅度也很高，占总能量的42.25％，显然IMF1表现出了泡状流的重要特征信息，而IMF2和IMF3显然为脉冲噪声。同样，可以观察出，图6(b)塞状流中，IMF1与原始信号的相关性很强，信号幅度也很高，占总能量的46.05％，IMF1表现出了塞状流的重要特征信息。而IMF2-IMF4均为数据中包含的噪声。图6(c)弹状流中，IMF1与原始信号的相关性很强，信号幅度也很高，占总能量的46.23％，IMF1表现出了弹状流的重要特征信息。而IMF2和IMF3为数据中包含的噪声。通过上述泡状流、塞状流、弹状流3种流型的电导波动信号EEMD分解的各级IMF特征分析可知，显然EEMD分解能够将噪声和固有模态进行有效分离，从而避免了模态混叠现象，有利于提高Hilbert-Huang变换多尺度频谱的准确性和有效性。
表1 泡状流中IMF各级能量和相关系数
表2 塞状流中IMF各级能量和相关系数
表3 弹状流中IMF各级能量和相关系数
根据所述的一种多尺度油气水多相流动力学特征分析方法的第六步多尺度频谱分析，按照归一化能量由大到小的次序，取前四个模态进行时频分析，结果如图7～10所示。由表1～3可知，IMF1与原始信号的相关性很强，归一化能量约为0.45，因此分析和研究IMF1频谱就有重要的意义。从图7(a)～(c)可以看出，泡状流中，IMF1中信号频率主要集中在0～5Hz，塞状流中，IMF1中信号频率主要集中在0～7Hz，弹状流中，IMF1中信号频率主要集中在0～10Hz，且均伴有大量波动。这是由于泡状流中，气相和油相的流速较小，而水相流速较大，在管道内气相和油相以小气泡和小油滴的形式分散在连续的水相中，运动相对平缓，波动信号频率较低。而随着气相和油相的流速的增加，在水平管道顶部的小气泡和小油泡逐渐形成较大气泡和油泡，逐渐形成塞状流。塞状流中气泡和油泡的聚并、破裂等，运动变得剧烈、频繁，使得电导波动信号的频率增加。随着气相流速的继续增加，在水平管道顶部形成更大的气弹，且气弹之间是泡沫状的液塞，气泡的聚并和成长周期变短，多相流运动过程更加剧烈，电导波动信号的频率成分更加复杂，波动更加明显。
从图8(a)～(c)可以看出，泡状流在IMF2尺度下的几乎表现为直流信号，波动非常缓慢；塞状流在IMF2尺度下的能量集中在1～4Hz；弹状流在IMF2尺度下的能量集中在2～10Hz，且伴有少量的11～15Hz波动。从图9(a)～(c)可以看出，泡状流在IMF3尺度下能量集中在1～5Hz，且伴有10～15Hz的波动；塞状流在IMF3尺度下的能量集中在3～7Hz，且伴有少量10～20Hz波动；弹状流在IMF3尺度下的能量集中在1～5Hz。从图10(a)～(c)可以看出，泡状流在IMF4尺度下表现为直流，波动非常缓慢；塞状流在IMF4尺度下的能量集中在1～2Hz；弹状流在IMF4尺度下的能量集中在3～12Hz，且伴随有大量15～30Hz的波动。由以上分析可知，在IMF1～IMF4不同尺度上，泡状流、塞状流、弹状流3种流型表现出了不同的频谱特征，反映了3种流型不同的动力学行为特性。
Claims (1)
1.一种多尺度油气水多相流动力学特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：首先通过电导波动信号采集***获取油、气、水多相流电导波动信号x(t)；
第二步：对采集到的电导波动信号x(t)进行EEMD分解为多个固有模态函数IMF和一个残差项，表达式如下：
其中Cj(t)为第j级IMF，rN(t)为残差项；
第三步：计算各级IMF的能量，公式如下：
第四步：对各级IMF能量作归一化处理，其归一化能量表示如下：
其中
为总能量；
第五步：计算各级IMF信号Cj(t)与原始信号x(t)的相关系数为
表达式如下：
其中Cov(x，IMFj)为x(t)与第j级IMF的互协方差，Var(x)表示原始信号x(t)的方差，Var(IMFj)表示第j级IMF的方差；
第六步：进行多尺度时频分析，具体步骤如下：
(1)根据公式(3)和(4)计算的归一化能量
和相关系数
剔除噪声模态分量；归一化能量
和相关系数
时，判断该模态为固有模态，反之则为噪声模态，将其剔除；
(2)按照归一化能量
由大到小的次序对各级模态IMF进行排序；
(3)选择IMF1-IMF4进行时频分析，表达式如下：
对IMF1-IMF4作Hilbert变换可得：
其中，P为柯西主值；
由Cj(t)和Yj(t)构成如下复数：
其中，瞬时相位：
根据相位和瞬时频率的关系，可得IMF1-IMF4的瞬时频率，即
第七步：根据公式(7)得到IMF1-IMF4的时频特性，由此分析油、气、水多相流不同流型下的动力学行为特性。
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