張 宇 （中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028）

李曉平，周 軍，王鵬宇 段紀(jì)淼，劉慧姝，宮 敬 中國(guó)石油大學(xué) （北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249

不可視環(huán)境下用聲音信號(hào)測(cè)定間歇頻率的新方法

張 宇 （中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028）

李曉平，周 軍，王鵬宇 段紀(jì)淼，劉慧姝，宮 敬 中國(guó)石油大學(xué) （北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249

針對(duì)不可視環(huán)境下的氣液兩相流動(dòng)，開(kāi)發(fā)了分析聲音信號(hào)的方法，利用這兩種流型下聲音信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)輔助辨識(shí)分層流流型和間歇流流型。由于聲音信號(hào)采集頻率高，對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)的變化更加敏感，故其不但能準(zhǔn)確地反映出間歇流的周期波動(dòng)特性，而且還能通過(guò)及時(shí)地捕捉由液塞通過(guò)時(shí)造成的聲音信號(hào)的振幅變化來(lái)準(zhǔn)確地確定間歇頻率；此外，通過(guò)對(duì)聲音信號(hào)的分析，分別得到了間歇頻率隨液體折算速度和氣體折算速度的變化規(guī)律。

氣液兩相；聲音信號(hào)；分層流；間歇流；間歇頻率

在氣液兩相流流型的試驗(yàn)研究中，為了可以用肉眼清楚地觀察到氣液兩相在管道中的流動(dòng)分布從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流型的辨識(shí)，通常會(huì)在試驗(yàn)環(huán)道中安裝可對(duì)流型進(jìn)行觀測(cè)的透明管段［1～5］。此外，采用的試驗(yàn)油樣也須具有良好的透光性，從而不會(huì)因其附著在透明管段而導(dǎo)致無(wú)法辨識(shí)流型。

目前，為了更準(zhǔn)確地反映出實(shí)際的油氣混輸情況，在試驗(yàn)中往往須采用從現(xiàn)場(chǎng)搜集的真實(shí)原油進(jìn)行試驗(yàn)。然而，由于多數(shù)原油為不透明黑色液體且在較低溫度下具有較強(qiáng)的黏滯性，因此，即使在試驗(yàn)環(huán)路的測(cè)試段安裝有機(jī)玻璃透明管段，用肉眼也無(wú)法對(duì)氣－液兩相流流型進(jìn)行觀察，從而也就無(wú)法用觀測(cè)的方法對(duì)流型進(jìn)行辨識(shí)。此外，在間歇流流動(dòng)特性的研究中，將單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一管道截面處的液塞個(gè)數(shù)定義為間歇頻率。間歇頻率的確定一直是間歇流流動(dòng)特性研究的重點(diǎn)之一，因此，如何準(zhǔn)確地確定間歇頻率至關(guān)重要。在以往的研究中，前人通常通過(guò)對(duì)試驗(yàn)環(huán)道中的透明管段進(jìn)行高速攝像及統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的差壓波動(dòng)峰值個(gè)數(shù)來(lái)直接或間接的測(cè)定間歇頻率［6～10］。顯然，這些方式的準(zhǔn)確性極大程度上受制于油品透光性和差壓信號(hào)采集頻率的影響。該次研究中涉及到的試驗(yàn)所用油品均為現(xiàn)場(chǎng)采集的原油，因此，針對(duì)不可視環(huán)境下的氣液兩相流動(dòng)，開(kāi)發(fā)了利用分析聲音信號(hào)的方法來(lái)輔助辨識(shí)分層流流型和間歇流流型，并準(zhǔn)確地測(cè)定出了間歇流的間歇頻率。

1 聲音信號(hào)的采集

為了在試驗(yàn)中能夠得到高質(zhì)量且數(shù)據(jù)量適中的聲音信號(hào)，該次試驗(yàn)聲音信號(hào)采集的參數(shù)選取如下：① 采樣頻率，44100Hz；② 量化級(jí)，16位；③ 通道個(gè)數(shù)，立體聲 （雙聲道）；④ 格式，Wav格式。

聲音采集器放置在緊貼測(cè)試段進(jìn)口的管外壁處，外面用隔音棉將其與管壁緊密包裹，從而最大程度地減少外界環(huán)境中聲音的干擾。將聲音采集器與電腦設(shè)備連接，利用專業(yè)的聲音處理軟件Adobe Audition 3.0，根據(jù)上述選擇的聲音信號(hào)采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集。

2 聲音信號(hào)辨識(shí)流型的原理

聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，氣－液兩相流體在不同的流型下流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)狀態(tài)的不同 （即聲源振動(dòng)形式的不同），會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的聲波信號(hào)出現(xiàn)不同。根據(jù)分層流流型的流動(dòng)特點(diǎn)，氣相在管道上部流動(dòng)，液相在管道下部流動(dòng)，流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，因此，聲音信號(hào)應(yīng)表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的特征；當(dāng)氣－液兩相流流型為間歇流時(shí)，整個(gè)管道中液塞與氣塞順序交替流動(dòng)，這種流動(dòng)特性會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的沖擊，因此，聲音信號(hào)應(yīng)出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的波動(dòng)，并表現(xiàn)出明顯的周期性特征。由聲音采集系統(tǒng)采集到的典型分層流和間歇流的聲音信號(hào)如圖1所示。

圖1 聲音采集系統(tǒng)采集到的聲音信號(hào)

3 聲音信號(hào)的處理

原始的聲音信號(hào)需要進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)處理才能更好地用于對(duì)比和分析。為此，筆者在時(shí)域方面對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行了處理和分析。

如圖1所示，由于采集到的原始聲音信號(hào)是上下對(duì)稱的，為了使其更為直觀便于研究，僅選用其上部的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。以某一組間歇流流型的聲音信號(hào)為例，將原始的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，記原始聲音信號(hào)為序列｛x（n）｝，n＝0，1，…，N－1，其隨時(shí)間序列｛t（n）｝的變化曲線如圖2所示。

3.1 最大值過(guò)濾

取t（n）左右固定個(gè)數(shù)點(diǎn)中的最大值作為該點(diǎn)的值，即對(duì)其進(jìn)行最大值過(guò)濾處理：

式中，y（n）為經(jīng)過(guò)最大值過(guò)濾處理后得到了序列；nl為t（n）左邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，將其設(shè)定為nl＝250；nr為t（n）右邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，將其設(shè)定為nr＝250。這樣，經(jīng)過(guò)最大值過(guò)濾處理后得到了序列｛y（n）｝，其隨時(shí)間序列｛t（n）｝的變化曲線如圖3所示。

3.2 Savitzky-Golay濾子

通過(guò)取點(diǎn)t（n）左右固定個(gè)數(shù)的點(diǎn)擬合成一個(gè)多項(xiàng)式，該多項(xiàng)式在t（n）上的值即為它的光滑數(shù)值g（n）。由此，在對(duì)上述數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Savitzky-Golay濾子處理后，可得到序列｛g（n）｝，其隨時(shí)間序列｛t（n）｝的變化曲線如圖4所示。

對(duì)比圖2、3和4可以發(fā)現(xiàn)，原始的聲音信號(hào)先后經(jīng)最大值過(guò)濾和Savitzky-Golay濾子處理后，曲線具有更加明顯的平滑趨勢(shì)和更加直觀的可視性，這無(wú)疑讓研究者對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)性有了更加清晰的整體把握，并給各種工況下聲音信號(hào)的對(duì)比和分析帶來(lái)了極大的便利。

圖2 間歇流流型中某一原始的聲音信號(hào)波動(dòng)曲線

圖3 經(jīng)最大值過(guò)濾處理后的聲音信號(hào)波動(dòng)曲線

圖4 經(jīng)Savitzky-Golay濾子處理后的聲音信號(hào)波動(dòng)曲線

4 聲音信號(hào)與差壓信號(hào)的對(duì)比

該次研究中，聲音信號(hào)的采集頻率為44100Hz，遠(yuǎn)高于差壓信號(hào)的采集頻率，在間歇流流型中，由于流動(dòng)變化迅速，因此，采用聲音信號(hào)分析的方法能更好地對(duì)流型加以辨識(shí)。

圖5和圖6分別顯示了間歇流型在同一時(shí)域下，液體折算速度為0.939m／s、氣體折算速度為8m／s以及液體折算速度為1.252m／s、氣體折算速度為5m／s時(shí)采集的測(cè)試段差壓信號(hào)曲線和聲音波動(dòng)曲線。將差壓信號(hào)與聲音信號(hào)進(jìn)行對(duì)比可以看出：在同一時(shí)域下對(duì)于間歇流流型，差壓信號(hào)雖然能大致看出流體流動(dòng)的周期性波動(dòng)特性，但其觀察效果遠(yuǎn)不及聲音信號(hào)分析的結(jié)果，根據(jù)聲音波動(dòng)曲線可以十分清晰地看出流體流動(dòng)的周期波動(dòng)特性。對(duì)比聲音信號(hào)與差壓信號(hào)還可以發(fā)現(xiàn)，差壓信號(hào)的波動(dòng)較為雜亂，不易確定在某一時(shí)間內(nèi)由液塞通過(guò)時(shí)造成的差壓峰值的個(gè)數(shù)。因此，如果僅僅采用差壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行間歇頻率的確定，那么其結(jié)果顯然是不夠準(zhǔn)確的。由于聲音信號(hào)采集頻率極高，其不但能準(zhǔn)確地反映出流動(dòng)的周期波動(dòng)特性，而且還能通過(guò)及時(shí)地捕捉由液塞通過(guò)時(shí)造成的聲音信號(hào)的振幅變化來(lái)準(zhǔn)確地確定出間歇頻率。

圖5 在同一時(shí)域內(nèi)的壓降曲線 （a）和聲音信號(hào)波動(dòng)曲線 （b）（折算液速為0.939m／s、折算氣速為8m／s）

圖6 在同一時(shí)域內(nèi)的壓降曲線 （a）與聲音信號(hào)波動(dòng)曲線 （b）（折算液速為1.252m／s、折算氣速為5m／s）

圖7顯示了間歇流流型中，由聲音信號(hào)分析得出的間歇頻率隨氣體折算速度的變化規(guī)律，可以看出：在較低的折算液速條件下 （vsl＝0.376、0.501、0.626m／s），間歇頻率隨折算氣速的增大而緩慢減小，即：在較低的折算液速下，氣體折算速度對(duì)間歇頻率的影響并不顯著；然而，在較高的液體折算速度條件下 （vsl＝0.939、1.252m／s），間歇頻率隨氣體折算速度的增大而明顯減小，即：在較高的折算液速下，氣體折算速度對(duì)間歇頻率影響較為顯著。此外，試驗(yàn)結(jié)果還表明，在相同的折算氣速條件下，間歇頻率隨折算液速的增大而明顯增大。

圖7 聲音信號(hào)分析得出的間歇頻率隨氣體折算速度的變化規(guī)律

5 結(jié) 論

針對(duì)不可視環(huán)境下的氣液兩相流動(dòng)，開(kāi)發(fā)了利用分析聲音信號(hào)的方法，來(lái)輔助辨識(shí)某些氣－液兩相流流型，試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于差壓分析方法。聲音信號(hào)辨識(shí)流型的方法采集頻率高，對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)的變化更加敏感，可實(shí)時(shí)地對(duì)分層流流型和間歇流流型進(jìn)行辨識(shí)，并能準(zhǔn)確地測(cè)定出間歇流的間歇頻率。

1）在分層流流型中，聲音信號(hào)的波動(dòng)幅度很小，流動(dòng)比較平穩(wěn)，與由差壓信號(hào)表征的分層流流動(dòng)特性相似。然而，在間歇流流型中，聲音信號(hào)具有明顯的由液塞造成的周期波動(dòng)特性。

2）在同一時(shí)域下對(duì)于間歇流流型，差壓信號(hào)雖然能大致看出流體流動(dòng)的周期性波動(dòng)特性，但其觀察效果遠(yuǎn)不及聲音信號(hào)分析的結(jié)果，從聲音信號(hào)波動(dòng)曲線可以非常清晰地看出流動(dòng)的周期波動(dòng)特性。此外，通過(guò)采集聲音信號(hào)卻能及時(shí)地捕捉由液塞通過(guò)時(shí)造成的聲音信號(hào)的振幅的變化，從而準(zhǔn)確地確定出間歇頻率。

3）間歇頻率在較低的折算液速條件下隨折算氣速的增大而緩慢減小，然而，在較高的液體折算速度條件下卻隨氣體折算速度的增大而快速減??；此外，在相同的折算氣速條件下，間歇頻率隨液體折算速度的增大而明顯增大。

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Application of LWD Technique in Horizontal Well Drilling in Lufeng X Oilfield

ZHU Fan，SONG Jian-hu，LI Bin，TIAN Teng-fei（First Author’s Address：Shenzhen Branch，CNOOC Ltd，Guangzhou510240，Guangdong，China）

In the early development of offshore oil-gas fields，there were less data of oil wells，for the evaluating wells，it was difficult to study the structural features and reservoir characteristics clearly.Petroleum Geologists have been grappling with the problem for a long time that how to raise the development effectively when the geological cognition was uncertain.Lufeng X Oilfield was located in the west high part of LFX structure.On the conditions of uncertain wing structure of the oil field and the dynamic oil-water interface，and for a high efficient development of the oilfield，it was decided that horizontal wells should be deployed for oilfield development and drilling intervals were obviously shortened.During the horizontal well drilling，LWD technology not only plays an important role in geological guidance，the effective control of well trajectory and reasonable well completion method are ensured，also the geological understanding to the oilfield is deepened，the completion of the whole high quality and high efficiency scheme is promoted.

logging while drilling；horizontal well；geosteering；Lufeng Oilfield

P631.84

A

1000-9752（2012）10-0081-04

2012-05-20

國(guó)家科技重大專項(xiàng) （2011ZX05026-004-03）。

張宇 （1983-），男，2006年大學(xué)畢業(yè)，博士，工程師，現(xiàn)主要從事長(zhǎng)距離油氣管道輸送工藝研究與生產(chǎn)管理工作。

［編輯］ 龍 舟