一种基于电导探针阵列和信息融合技术的水平井参数检测
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
一种基于电导探针阵列和信息融合技术的水平井参数检测方法，可用于对中低产液水平井中的多个参数进行同时测量。
背景技术
[0002] 水平井技术是我国二十世纪末期迅速发展起来的新技术，由于在提高产量和开发效益方面表现出了巨大的潜
力和优势，得到了油气田开发领域的普遍重视。理论上来讲，在水平井中可能会出现油水分
层流(ST)、伴有界面
波动的油水分层流(ST&MI)、水包油和水层(Do/w&w)、水包油(o/w)、油包水及水包油(Dw/o&o/w)和油包水(w/o)等多种流型。但每种流型
对流动工况的要求各不相同，分层流(ST)对产液量的要求最低，而油包水流型(w/o)对产液量和含水率的要求都极为苛刻。近期研究结果表明，如果想要在内径为125mm的3
水平圆管中得到上述的全部流型，总流量的调节范围需
覆盖0～500m/d，含水率的调节范围需覆盖0～90％。目前，国内大部分油田已经进入低产液、高含水的开采时期，某些老区
3
油田特高含水、特低产液的油井也很常见。在国内各大油田，总产液量低于30m/d的低产
3
液油井占有一定的比例，而总产液量低于60m/d的中低产液井则占有绝对优势的份额。因此，上述流型在国内各大油田的水平井中并不是普遍存在的，而只有分层流(ST)和分层波状流(ST&MI)比较常见。
[0003] 由于产出剖面
测井采用侵入式的测量方式，一般情况下，仪器测量截面上的面积持水率与井内的实际持水率不等。此外，要获得水平井油水两相的分相流量，还需要了解各相
流体的速度分布。通常情况下，持水率测量装置和流速测量装置安装于测井仪器的不同
位置，它们各自测量截面上的持水率可能不等，但油水界面高度却保持一致。因此，要解决低产液水平井持水率的测量问题，适合采用间接测量策略，即先测量油水分界面的高度，再根据油水界面高度与持水率之间的几何对应关系计算持水率。
发明内容
[0004] 近年来，水平井钻井技术日益完善，多数油田均有较高比例的水平井投入使用。长期的开采虽取得了一定的经济效益，但水平井的生产状态也变得愈发的不稳定。部分油井甚至出现含水率快速上升，产油量显著下降的现象。在这种复杂的条件下，传统的产出剖面测量方法很难直接应用到水平井中。对于油水两相分层流，如果油水界面高度h已知，就可以利用油水界面高度h和持水率之间的几何对应关系计算持水率值。为实现这一目的，本
专利针对中低产液水平井的流型特点，结合电导探针阵列和信息融合技术提出了一种水平井参数检测方法，可实现油水界面高度h，电导探针阵列方位
角θ和水相电导率σ的同时测量。本专利的特征在于包括下列步骤：
[0005] A.利用标定实验建立样本集S；
[0006] 在样本集的标定过程中，保持水相电导率σ＝σc恒定，调整油水界面高度h和电导探针阵列方位角θ；在不同的参数组合(h，θ)下，将电导探针阵列的输出响应记录到s样本集S中，并标记为样本向量C ；
[0008] 将样本集S中的数据排列成一个递增序列{cn}，计算序列{cn}的差分序列{dn}，计算公式为：
[0009] dn＝cn+1-cn，
[0010] 式中，cn和cn+1分别代表序列{cn}中序号为n和n+1的元素；确定序列{dn}中最大元素的序号k，找出序列{cn}中序号分别为k和k+1的元素ck和ck+1，并计算电导阈值ct，计算公式为：
[0011]
[0012] C.对电导探针阵列响应向量C的数据进行预处理，得到预处理向量T；
[0013] 预处理的计算公式为：
[0014]
[0015] 式中，ti和ci分别为向量T和向量C中的第i个元素，ct为预先设定的电导阈值；s m
电导探针阵列的响应向量C可以是样本向量C 或现场测量向量C，对应的预处理向量分别s m
为T 和T ；
[0016] 一般情况下，
原油的相对
介电常数为3～5，即便是电导探针完全浸没于油中，其输出值也不为零，而是略大于零。由于该输出值非常小，很难精确测量。在电导探针阵列的响应向量中，如果这样的分量较多且都参与后续匹配度计算，将不可避免的在一定程度上干扰样本匹配的准确性，进而影响最终的参数估计结果。为了消除这些分量的影响，在执行数据匹配之前需要对样本数据和测量数据进行阈值处理。阈值处理的主要作用是通过具体的阈值判断电导探针的状态，即探针处于油相中还是与水相
接触，并将油中的探针响应用“0”进行替换，使得电导探针阵列的实际响应与其数学模型保持一致。
[0017] D.对电导探针阵列预处理向量T的数据进行标准化，得到标准化响应向量R；
[0018] 标准化的计算公式为：
[0019]
[0020] 式中，ri和ti分别为向量T和向量R中的第i个元素，tmax为向量T中的最大元s m s素；向量T可以由样本向量C 或现场测量向量C 计算得到，对应的标准化向量分别为R 和m
R ；
[0021]
地层水中富含矿物质，其电导率通常不是恒定的，而是随着井深、井温和井压不断发生变化。当地层水的矿化度升高时，电导探针阵列响应向量中各分量的绝对值也会成比例增大。由于电导探针阵列的响应向量与水相电导率成正比，在标定过程中，可保持水相电导率恒定。在现场测量时，可以通过数据标准化得到电导探针阵列的标准化响应，消除水相电导率的变化对数据相似性匹配的影响。标准化响应向量R仅与油水界面高度h和方位角θ有关；数据标准化改变了向量T中各分量的绝对值，却保持各分量间的比例关系不变。
[0022] E.结合基于信任度函数的信息融合方法，对电导探针阵列标准化响应向量R的数据进行相似性匹配，得到匹配样本M；
[0023] 在样本集中找出与测量数据所对应的油水界面高度和方位角相一致的样本，是一个数据相似度匹配问题。数据的相似度，是指两个数据对象之间的相似程度，数据匹配则是数据之间按照某种内在联系进行配准。要进行数据相似度匹配，需要选择合适的相似度测度函数。在进行水平井参数检测时，也需要考虑测量方法的可靠性。由于井下测量条件复杂、苛刻，测井仪器的故障率通常很高。在下井过程中或者测量过程中，如果部分探针出现故障，那么测量数据的真实性将会受到影响。这样，常规的相似度测度函数将不能满足要求，而是需要定义一个新的相似度测度函数：
[0024]
[0025] 式中，xi＝|ris-rim|，wi为xi的权系数，ris和rim分别为标准化响应向量Rs和Rm的第i个元素；匹配样本M为样本集S中使得相似度测度函数dfus取最小值的样本；
[0026] 权系数wi的确定过程如下：
[0027] 首先，定义xi和xj之间的信任度函数为：
[0028]
[0029] 式中，M2>M1>0；
[0030] 然后，建立信任度矩阵B
[0031]
[0032] 最后，确定矩阵B的最大特征值所对应的
特征向量A，利用向量A计算wi，计算公式为：
[0033]
[0034] 式中，ai和aj分别为向量A中的第i个和第j个元素；
[0035] F.利用匹配样本M得到油水界面高度、电导探针阵列方位角和水相电导率的估计值h、θ和σ；
[0036] 油水界面高度的估计值h和电导探针阵列方位角的估计值θ分别为匹配样本M所对应的油水界面高度和电导探针阵列方位角；水相电导率的估计值σ为：
[0037]
[0038] 式中，σc为标定实验中的水相电导率，mi为匹配样本M的第i个分量， 为向量mT 的第i个元素。
[0039] 本发明的有益效果是可以利用电导探针阵列对中低产液水平井内的油水界面高度、电导探针阵列方位角和水相电导率同时在线测量。弥补了常规测井方法在水平井中应用的不足，测量
精度高、可靠性好。
附图说明
[0041] 图2为具体实施方式中电导探针阵列的测量截面图，图中：油水分界面(201)，电导探针(202)，金属
套管(203)，仪器壁(204)，
支撑臂(205)；
[0042] 图3为具体实施方式中实验装置的结构图，图中：注水孔(301)，测量
电极(302)，金属圆筒(303)，标尺(304)，
开关切换
电路(305)，
硬件测量电路(306)，上位机程序(307)。
具体实施方式
[0043] 图1为本发明的流程图，图2为具体实施方式中电导探针阵列的测量截面图，电导探针阵列由分布在内外两环上的24个电导探针(202)组成，分别安装在12个等角度分布的支撑臂(205)上，仪器壁(204)与水平井同轴，用于固定和安装电导探针；水平井内径为125mm，仪器壁(204)的外径为50mm；电导探针阵列的方位角为其绕轴线逆
时针转过的角度，且
指定图2中显示的为电导探针阵列的初始方位角；在进行测量时，套管(203)和仪器壁(204)电位相等，被认为是整个测量系统的地。图3为具体实施方式中实验装置的结构图，测试部分由金属圆筒(303)和内置的同心金属轴组成，分别用来模拟油井套管和测量仪器外壁，长度为300mm。金属筒的顶部预留注水孔(301)用来调整水位。金属筒的一侧安装有标尺(304)用来读取水面高度；在另一侧，安装有24个
测量电极(302)，用来模拟电导探针阵列。测量电极通过开关切换电路(305)依次选通连接到硬件测量电路(306)，上位机程序(307)用来同步开关切换电路和硬件测量电路，实现数据的采集与存储。现结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0044] A.利用标定实验建立样本集S；
[0045] 由于空气和油具有相似的电学特性，为便于开展标定实验，实验中用空气代替油，利用气水分界面模拟水平井分层流条件下的油水分界面。利用电导探针阵列在几何结构上的对称性简化标定过程，方位角θ仅在0°～15°范围内调节，调节步长为3°；在某个固定的方位角下，调节测试管段内气水分界面的高度，调节增量是测试管段直径的2％。标定过程中使用普通民用
自来水，电导率为0.078S/m，在不同的参数组合(h，θ)下，将电导探s针阵列的输出响应记录到样本集S中，并标记为样本向量C。因为电极的数量为24，所以电导探针阵列的响应向量中包括24个元素。
[0046] B.利用样本集S确定电导阈值ct；
[0047] 要对测试数据或样本数据进行阈值处理，首先需要确定电导阈值ct。将样本集S中的数据排列成一个递增序列{cn}，计算序列{cn}的差分序列{dn}，dn的计算公式为：
[0048] dn＝cn+1-cn，
[0049] 式中，cn和cn+1分别代表序列{cn}中序号为n和n+1的元素；确定序列{dn}中最大元素的序号k，找出序列{cn}中序号分别为k和k+1的元素ck和ck+1，并计算电导阈值ct，计算公式为：
[0050]-5
[0051] 根据计算，最终确定ct＝1.32×10 S。
[0052] C.对电导探针阵列的响应向量C进行数据预处理，得到预处理向量T；
[0053] 数据预处理的计算公式为：
[0054]
[0055] 式中，ti和ci分别为向量T和向量C中的第i个元素，ct为预先设定的电导阈值；s m
电导探针阵列的响应向量C可以是样本向量C 或现场测量向量C，对应的预处理向量分别s m
为T 和T。
[0056] D.对电导探针阵列的预处理向量T进行数据标准化，得到标准化响应向量R；
[0057] 数据标准化的计算公式为：
[0058]
[0059] 式中，ri和ti分别为向量T和向量R中的第i个元素，tmax为向量T中的最大元s m s素；向量T可以由样本向量C 或现场测量向量C 计算得到，对应的标准化向量分别为R 和m
R ；
[0060] E.对电导探针阵列的标准化响应向量R进行数据相似性匹配，得到匹配样本M；
[0061] 定义相似度测度函数为：
[0062]
[0063] 式中，xi＝|ris-rim|，wi为xi的权系数，ris和rim分别为标准化响应向量Rs和Rm的第i个元素；匹配样本M为样本集S中使得相似度测度函数dfus取最小值的样本；
[0064] 权系数wi的确定过程如下：
[0065] 首先，定义xi和xj之间的信任度为：
[0066]
[0067] 式中，M2>M1>0；
[0068] 然后，建立信任度矩阵B
[0069]
[0070] 最后，确定矩阵B的最大特征值所对应的特征向量A，利用向量A计算wi，计算公式为：
[0071]
[0072] 式中，ai和aj分别为向量A中的第i个和第j个元素；
[0073] F.利用匹配样本M得到油水界面高度、电导探针阵列方位角和水相电导率的估计值h、θ和σ；
[0074] 油水界面高度的估计值h和电导探针阵列方位角的估计值θ分别为匹配样本M所对应的油水界面高度和电导探针阵列方位角；水相电导率的估计值σ为：
[0075]c
[0076] 式中，σ 为标定实验中的水相电导率，mi为匹配样本M的第i个分量， 为向量mT 的第i个元素。测试结果表明h、θ和σ的误差分别为2.00％、3.00°、1.89％，说明该方法是可行的，具有较高的测量精度和可靠性。
[0077] 以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或
实施例，均属本发明保护范围。
