基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法
阅读说明：本技术 基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法 (Downhole annular flow channel fluid detection device and method based on electromagnetic tomography ) 是由 葛亮 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法,装置包括电磁层析成像传感器阵列模块、通道切换开关、功率放大模块、信号发生模块、信号调理和采集模块、微处理器和信息上传模块。微处理器控制通道切换开关依次选择一个线圈作为激励线圈,其余线圈作为接收线圈,对激励线圈施加激励信号,信号采集单元对放大滤波后的感应电压信号进行采集并发送至微处理器,微处理器根据Tikhonov正则化法将环空流道截面重建信息传输至信息上传模块,地面工作人员根据信息上传模块返回的重建结果实现井下流体监测。本发明实现对井下环空流道的非接触式快速测量,并实现对环空流道内流体的检测,对井下环空流道流体检测和井下溢流监测有十分重要的意义。(The invention provides an underground annular flow channel fluid detection device and method based on electromagnetic tomography. The microprocessor controls the channel change-over switch to sequentially select one coil as an exciting coil and the other coils as receiving coils to apply exciting signals to the exciting coil, the signal acquisition unit acquires the amplified and filtered induced voltage signals and sends the amplified and filtered induced voltage signals to the microprocessor, the microprocessor transmits the reconstruction information of the cross section of the annular flow channel to the information uploading module according to a Tikhonov normalization method, and ground workers realize underground fluid monitoring according to the reconstruction result returned by the information uploading module. The invention realizes the non-contact rapid measurement of the underground annular flow passage and the detection of the fluid in the annular flow passage, and has very important significance for the detection of the fluid in the underground annular flow passage and the monitoring of underground overflow.)
技术领域
本发明涉及管道流体测量领域，尤其涉及基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置及方法。
背景技术
全球石油天然气勘探开发不断朝着层位更深、温度更高、环境更为恶劣的复杂油气藏发展。复杂的地形条件易导致在钻井过程产生更严峻的井控问题，溢流是对与安全钻井作业威胁最大的事故之一，按照溢流事故发展变化的严重程度分，地层流体侵入有以下几个概念：井侵、溢流、井涌、井喷和井喷失控，其中，气侵是最危险，溢流程度演化最快的，溢流的根本原因是井底压力小于地层压力的情况下，地层流体开始侵入。若主要是气体侵入环空则会造成环空静液柱压力的显著降低，进一步加剧井底压力的欠平衡。若不及时处理，在极短的一段时间气侵演化成井喷，若是在气侵早期进行预警，则调整钻井液密度就能恢复对油气井的控制，属于一级和二级井控范畴，若气侵演化为井喷，则达到了需三级井控处理阶段，已经到了危险的境地，处理不好，会演化为井喷失控状态。进行早期气侵监测是井喷事故扼杀在萌芽之中的第一步，当然更需要采取及时和有效的井控措施，恢复对井的控制。常规的溢流监测方法一般使用泥浆池增量法及综合录井仪，但是常规的监测方法存在着严重的滞后性和准确率低的不足。因此，寻找一种适合于井下环空流道流体检测装置及检测方法尤为重要。
电磁层析成像技术是一种新型的基于电磁感应原理的层析成像技术，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，是一种能够检测井下环空流道多相流的直接手段。如果采用电磁层析成像技术的装置检测环空流道，当侵入物质为油气时电导率减小，侵入物质为地层水时电导率增大，及时发现气侵和液侵，最先预警钻井施工人员，极大程度避免井涌、井喷的发生，进而避免更大的损失。通过基于电磁层析成像的井下环空流道测量装置对环空管道截面的电导率进行实时测量可以有效的发现环空流道的早期异常，为后期井控争取更多的时间，从而降低事故的发生率。
发明内容
本发明提供了基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置及检测方法，以实现对环空流道有效，非接触地监测。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案:
基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置，包括电磁层析成像传感器阵列模块、通道切换开关、功率放大模块、信号发生模块、信号调理和采集模块、微处理器和信息上传模块。
所述所信号发生模块和功率放大模块连接，功率放大模块与通道切换开关连接，通道切换开关再与电磁层析成像传感器阵列模块连接，具体的是通道切换开关连接电磁层析成像传感器阵列模块的驱动线圈；信号调理与采集模块与通道切换开关连接；所述信息上传模块与微处理器模块连接；所述微处理器模块与信号发生模块和信号调理、采集模块均连接，具体的信号调理和采集模块包括信号调理单元和信号采集单元，信号调理单元与信号采集单元相连接，信号调理单元与通道切换开关相连接，信号采集单元与微处理器相连接。
所述的电磁层析成像传感器阵列模块包括磁屏蔽层和均匀分布在磁屏蔽层外部的线圈阵列，并且线圈阵列固定在中心流道与环空流道的测量短节中，在以中心流道的圆心为圆点，每个线圈之间间隔的圆心角为45°布置，采用循环激励和循环检测的方式，微处理器控制通道切换开关给每个激励线圈依次通入激励信号，由微处理器根据Tikhonov正则化法进行图像重建和截面含相率计算，得到环空流道内截面电导率分布信息和截面含相率信息，信息上传模块对微处理器的重建信息和环空流道截面信息传输至地面平台，地面工作人员根据信息上传模块传输的重建结果进行后处理，实现井下溢流监测。
作为优选地，线圈阵列由8个线圈构成；电磁层析成像传感器阵列模块均匀的固定在测量短节的支架上，构成线圈阵列的线圈由绝缘导线绕制而成，绕线的直径为0.1mm-1mm，绕线的匝数为100-500匝；
对施加一个低频正弦信号；激励线圈激发的磁场主要分布在环空流道内，环空流道流体检测装置的线圈激发磁场主要在线圈的外部范围。具体是对电磁层析成像传感器阵列模块施加低频正弦激励信号，通道切换开关包含了8个独立通道，依次与电磁层析成像传感器阵列模块中的8个线圈相连接，通道切换开关并使用三个地址线的译码来选择8个输入通道的其中一个与公共输出相连接，使电磁层析成像传感器阵列模块激励线圈激发的磁场分布在环空流道内，环空流道流体检测装置的线圈激发磁场在线圈的外部范围，利用电磁层析成像传感器阵列模块中作为检测线圈的线圈与作为激励线圈的线圈的距离不同，对微弱测量电压信号进行不同程度的放大和滤波，最终将微弱信号测量调理至合理范围。
磁屏蔽层的材料由高磁导率的铝包裹，是电磁层析成像传感器阵列模块最内层，并位于环空流道的最外侧。
本发明同时提供一种采用上述的检测装置实现的环空流道流体检测方法，包括下列步骤：
(1)微处理器控制信号发生模块产生正弦激励信号，经过功率放大模块和通道切换开关，给传感器阵列模块的检测线圈施加激励信号，会在环空流道内产生交变磁场；
(2)该激励磁场作用在环空流道内，由于气体本身不导电，但是气体处于一个导电的环境中，气体所在的区域具有不均匀的导电特征，会与激励磁场叠加，叠加后的磁场作用在检测线圈后会产生感应信号；当入侵的流体为液体时，由于环空流道内电导率增大，叠加后的磁场作用在检测线圈后会产生感应信号；
(3)感应信号通过采集模块采集，再经过信号调理模块放大滤波处理，传输至微处理器；
(4)重复上述步骤，直到采集到28组检测信号为止，微处理器根据检测数据根据图像重建算法和截面含相率计算，得到环空流道截面电导率分部信息和环空流道截面含相率信息，微处理器将截面电导率分部信息传输至信息上传模块；
(5)信息上传模块将微处理器传输的环空流道截面电导率分布信息和截面含相率信息传输至地面平台，地面工作人员根据信息进行后处理并实现井下溢流监测。
上述的图像重建可以包括下列步骤：
(1)将环空流道的电磁层析成像传感器阵列模块安装在环空流道最内层边界的下方，并且固定装在测量短节的支架上；
(2)利用有限元方法求解电磁层析成像系统的先验信息，即灵敏度矩阵S(M×N)，其中M是测量数据个数，N为像素个数，传感器阵列模块的线圈数量为n，那么单个电磁层析成像传感器阵列模块的测量数据个数M为n(n-1)/2，本发明的测量数据个数为28；
(3)根据Tikhonov正则化法进行图像重建，求得环空流道横截面电导率分布矢量矩阵，所述的Tikhonov正则化法如式(1)所示：
G＝(STS+μI)-1STU (1)
其中，G为电导率矢量矩阵，S为灵敏度矩阵，ST为灵敏度矩阵的转置矩阵，μ为正则化因子，I为单位矩阵，U为检测信号矢量矩阵。
(4)环空流道截面含相率β如式(2)所示：
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。
本发明的有益效果：
本发明能够得到环空流道内的截面电导率分布，进而利用截面含相率计算处环空流道截面的含相率；在管道流体测量领域，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电导率图像和截面含相率，对井下环空流道的测量和井下溢流监测有重要的意义。
附图说明
图1本发明基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置原理图；
图2本发明基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置结构图；
图3本发明电磁层析成像传感器阵列模块骨架结构图；
图4本发明基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测方法的重建结果；
图5本发明基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置的电压信息表；
图中，1-电磁层析成像传感器阵列模块、2-通道切换开关、3-功率放大模块、4-信号发生模块、5-信号调理单元、6-信号采集单元、7-微处理器、8-信息上传模块、10-线圈、20-磁屏蔽层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
实施例1
图1中，基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置，包括电磁层析成像传感器阵列模块1、通道切换开关2、功率放大模块3、信号发生模块4、信号采集单元6、信号调理单元5、微处理器7和信息上传模块8。
如图3所示，其中在电磁层析成像传感器阵列模块1中，8个线圈形成的线圈阵列固定在中心流道与环空流道的测量短节中，在以中心流道的圆心为圆点，每个线圈之间间隔的圆心角为45°布置，组成线圈阵列中的线圈由多匝绝缘铜导线绕制于耐高温的线圈骨架而成。线圈阵列与磁屏蔽层组成了电磁层析成像传感器阵列模块1。
微处理器7控制通道切换开关2控制数据采集顺序，通道切换开关2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线圈上，单片的CMOS芯片包含了8个独立通道，依次与电磁层析成像传感器阵列模块1中的8个线圈相连接，并使用三个地址线的译码来选择8个输入通道的其中一个与公共输出相连接。
功率放大模块3的作用是放大信号发生模块4产生的激励信号，使信号发生模块4输出足够大的正弦激励信号，以使线圈产生足够大的交变磁场，其中信号发生模块4是低功耗、低成本的DDS芯片。信号调理单元5由微处理器7控制对电磁层析成像传感器阵列模块1的感应信号进行放大滤波，信号调理单元5主要包括可编程控放大模块和滤波模块，根据电磁层析成像传感器阵列模块1中作为检测线圈的线圈与作为激励线圈的线圈的距离不同，对微弱测量电压信号进行不同程度的放大和滤波，最终将微弱信号测量调理至合理范围内。信号采集单元6由微处理器7控制对信号调理单元5的数据进行采集，信号采集单元6主要包括数据采集板。微处理器7利用采集的数据利用Tikhonov正则化法，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，并传输至信息上传模块8；信息上传模块8将微处理器7的重建信息和环空流道截面信息传输至地面平台，地面工作人员根据信息上传模块8传输的重建结果进行后处理，实现井下溢流监测。信号调理单元5与信号采集单元6构成了信号调理和采集模块。
如图2所示，图中：线圈10，磁屏蔽层20，磁屏蔽层是电磁层析成像传感器阵列模块最内层，用于将基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测装置包裹起来。磁屏蔽层20可以减小外界磁场对系统的干扰。并且并位于环空流道的最外侧。
本实施例提供了基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测方法，包括：信号发生模块4产生正弦激励信号通过功率放大模块3放大后，微处理器7控制通道切换开关2选通电磁层析成像传感器阵列模块1中的一个线圈作为激励线圈，其余线圈作为检测线圈，检测信号通过信号调理单元5的放大和滤波，并经过信号采集单元6采集，再传送至微处理器7；
重复以上步骤，直至检测到28组检测信号，微处理器7根据Tikhonov正则化法，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，并传输至信息上传模块8，信息上传模块8对微处理器7的重建信息和环空流道截面信息传输至地面平台，地面工作人员根据信息上传模块8传输的重建结果进行后处理，实现井下溢流监测。
进一步地，微处理器7根据Tikhonov正则化法，进行图像重建，根据Tikhonov正则化法进行图像重建，求得环空流道横截面电导率分布矢量矩阵，所述的Tikhonov正则化法如下式所示：
G＝(STS+μI)-1STU
其中，G为电导率矢量矩阵，S为灵敏度矩阵，ST为灵敏度矩阵的转置矩阵，μ为正则化因子，I为单位矩阵，U为检测信号矢量矩阵。
进一步地，微处理器7根据Tikhonov正则化法，进行截面含相率计算包括：
环空流道截面含相率β如下式所示：
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。
本发明使用一种基于电磁层析成像的井下环空流道流体检测方法，通过将环空流道的电导率分布信息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。基于仿真软件得到28组检测信号，如图5所示，将检测信号发送至微处理器；根据图像重建算法重建出环空流道的电导率分布和含相率信息，如图4所示；根据一种基于电磁层析成像的井下环空检测方法求解得出井下环空流道含相率为4.93％。
尽管本发明的内容已通过上述实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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