不可视环境下用声音信号测定间歇频率的新方法

张 宇 （中国石油集团东南亚管道有限公司，北京100028）

李晓平，周 军，王鹏宇 段纪淼，刘慧姝，宫 敬 中国石油大学 （北京）石油工程教育部重点实验室 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京102249

不可视环境下用声音信号测定间歇频率的新方法

张 宇 （中国石油集团东南亚管道有限公司，北京100028）

李晓平，周 军，王鹏宇 段纪淼，刘慧姝，宫 敬 中国石油大学 （北京）石油工程教育部重点实验室 城市油气输配技术北京市重点实验室，北京102249

针对不可视环境下的气液两相流动，开发了分析声音信号的方法，利用这两种流型下声音信号的特点来辅助辨识分层流流型和间歇流流型。由于声音信号采集频率高，对管内流体流动的变化更加敏感，故其不但能准确地反映出间歇流的周期波动特性，而且还能通过及时地捕捉由液塞通过时造成的声音信号的振幅变化来准确地确定间歇频率；此外，通过对声音信号的分析，分别得到了间歇频率随液体折算速度和气体折算速度的变化规律。

气液两相；声音信号；分层流；间歇流；间歇频率

在气液两相流流型的试验研究中，为了可以用肉眼清楚地观察到气液两相在管道中的流动分布从而实现对流型的辨识，通常会在试验环道中安装可对流型进行观测的透明管段［1～5］。此外，采用的试验油样也须具有良好的透光性，从而不会因其附着在透明管段而导致无法辨识流型。

目前，为了更准确地反映出实际的油气混输情况，在试验中往往须采用从现场搜集的真实原油进行试验。然而，由于多数原油为不透明黑色液体且在较低温度下具有较强的黏滞性，因此，即使在试验环路的测试段安装有机玻璃透明管段，用肉眼也无法对气－液两相流流型进行观察，从而也就无法用观测的方法对流型进行辨识。此外，在间歇流流动特性的研究中，将单位时间内流经某一管道截面处的液塞个数定义为间歇频率。间歇频率的确定一直是间歇流流动特性研究的重点之一，因此，如何准确地确定间歇频率至关重要。在以往的研究中，前人通常通过对试验环道中的透明管段进行高速摄像及统计一定时间内的差压波动峰值个数来直接或间接的测定间歇频率［6～10］。显然，这些方式的准确性极大程度上受制于油品透光性和差压信号采集频率的影响。该次研究中涉及到的试验所用油品均为现场采集的原油，因此，针对不可视环境下的气液两相流动，开发了利用分析声音信号的方法来辅助辨识分层流流型和间歇流流型，并准确地测定出了间歇流的间歇频率。

1 声音信号的采集

为了在试验中能够得到高质量且数据量适中的声音信号，该次试验声音信号采集的参数选取如下：① 采样频率，44100Hz；② 量化级，16位；③ 通道个数，立体声 （双声道）；④ 格式，Wav格式。

声音采集器放置在紧贴测试段进口的管外壁处，外面用隔音棉将其与管壁紧密包裹，从而最大程度地减少外界环境中声音的干扰。将声音采集器与电脑设备连接，利用专业的声音处理软件Adobe Audition 3.0，根据上述选择的声音信号采集参数进行设定，从而实现对声音信号的采集。

2 声音信号辨识流型的原理

声音是由振动产生的，气－液两相流体在不同的流型下流动时，由于流动状态的不同 （即声源振动形式的不同），会导致流动过程中产生的声波信号出现不同。根据分层流流型的流动特点，气相在管道上部流动，液相在管道下部流动，流动相对稳定，因此，声音信号应表现出较为平稳的特征；当气－液两相流流型为间歇流时，整个管道中液塞与气塞顺序交替流动，这种流动特性会对管道产生较为强烈的冲击，因此，声音信号应出现较为强烈的波动，并表现出明显的周期性特征。由声音采集系统采集到的典型分层流和间歇流的声音信号如图1所示。

图1 声音采集系统采集到的声音信号

3 声音信号的处理

原始的声音信号需要进行必要的数学处理才能更好地用于对比和分析。为此，笔者在时域方面对声音信号进行了处理和分析。

如图1所示，由于采集到的原始声音信号是上下对称的，为了使其更为直观便于研究，仅选用其上部的数据进行分析处理。以某一组间歇流流型的声音信号为例，将原始的声音信号数据导出后，记原始声音信号为序列｛x（n）｝，n＝0，1，…，N－1，其随时间序列｛t（n）｝的变化曲线如图2所示。

3.1 最大值过滤

取t（n）左右固定个数点中的最大值作为该点的值，即对其进行最大值过滤处理：

式中，y（n）为经过最大值过滤处理后得到了序列；nl为t（n）左边点的个数，将其设定为nl＝250；nr为t（n）右边点的个数，将其设定为nr＝250。这样，经过最大值过滤处理后得到了序列｛y（n）｝，其随时间序列｛t（n）｝的变化曲线如图3所示。

3.2 Savitzky-Golay滤子

通过取点t（n）左右固定个数的点拟合成一个多项式，该多项式在t（n）上的值即为它的光滑数值g（n）。由此，在对上述数据经过Savitzky-Golay滤子处理后，可得到序列｛g（n）｝，其随时间序列｛t（n）｝的变化曲线如图4所示。

对比图2、3和4可以发现，原始的声音信号先后经最大值过滤和Savitzky-Golay滤子处理后，曲线具有更加明显的平滑趋势和更加直观的可视性，这无疑让研究者对试验数据的波动性有了更加清晰的整体把握，并给各种工况下声音信号的对比和分析带来了极大的便利。

图2 间歇流流型中某一原始的声音信号波动曲线

图3 经最大值过滤处理后的声音信号波动曲线

图4 经Savitzky-Golay滤子处理后的声音信号波动曲线

4 声音信号与差压信号的对比

该次研究中，声音信号的采集频率为44100Hz，远高于差压信号的采集频率，在间歇流流型中，由于流动变化迅速，因此，采用声音信号分析的方法能更好地对流型加以辨识。

图5和图6分别显示了间歇流型在同一时域下，液体折算速度为0.939m／s、气体折算速度为8m／s以及液体折算速度为1.252m／s、气体折算速度为5m／s时采集的测试段差压信号曲线和声音波动曲线。将差压信号与声音信号进行对比可以看出：在同一时域下对于间歇流流型，差压信号虽然能大致看出流体流动的周期性波动特性，但其观察效果远不及声音信号分析的结果，根据声音波动曲线可以十分清晰地看出流体流动的周期波动特性。对比声音信号与差压信号还可以发现，差压信号的波动较为杂乱，不易确定在某一时间内由液塞通过时造成的差压峰值的个数。因此，如果仅仅采用差压信号来进行间歇频率的确定，那么其结果显然是不够准确的。由于声音信号采集频率极高，其不但能准确地反映出流动的周期波动特性，而且还能通过及时地捕捉由液塞通过时造成的声音信号的振幅变化来准确地确定出间歇频率。

图5 在同一时域内的压降曲线 （a）和声音信号波动曲线 （b）（折算液速为0.939m／s、折算气速为8m／s）

图6 在同一时域内的压降曲线 （a）与声音信号波动曲线 （b）（折算液速为1.252m／s、折算气速为5m／s）

图7显示了间歇流流型中，由声音信号分析得出的间歇频率随气体折算速度的变化规律，可以看出：在较低的折算液速条件下 （vsl＝0.376、0.501、0.626m／s），间歇频率随折算气速的增大而缓慢减小，即：在较低的折算液速下，气体折算速度对间歇频率的影响并不显著；然而，在较高的液体折算速度条件下 （vsl＝0.939、1.252m／s），间歇频率随气体折算速度的增大而明显减小，即：在较高的折算液速下，气体折算速度对间歇频率影响较为显著。此外，试验结果还表明，在相同的折算气速条件下，间歇频率随折算液速的增大而明显增大。

图7 声音信号分析得出的间歇频率随气体折算速度的变化规律

5 结 论

针对不可视环境下的气液两相流动，开发了利用分析声音信号的方法，来辅助辨识某些气－液两相流流型，试验结果优于差压分析方法。声音信号辨识流型的方法采集频率高，对管内流体流动的变化更加敏感，可实时地对分层流流型和间歇流流型进行辨识，并能准确地测定出间歇流的间歇频率。

1）在分层流流型中，声音信号的波动幅度很小，流动比较平稳，与由差压信号表征的分层流流动特性相似。然而，在间歇流流型中，声音信号具有明显的由液塞造成的周期波动特性。

2）在同一时域下对于间歇流流型，差压信号虽然能大致看出流体流动的周期性波动特性，但其观察效果远不及声音信号分析的结果，从声音信号波动曲线可以非常清晰地看出流动的周期波动特性。此外，通过采集声音信号却能及时地捕捉由液塞通过时造成的声音信号的振幅的变化，从而准确地确定出间歇频率。

3）间歇频率在较低的折算液速条件下随折算气速的增大而缓慢减小，然而，在较高的液体折算速度条件下却随气体折算速度的增大而快速减小；此外，在相同的折算气速条件下，间歇频率随液体折算速度的增大而明显增大。

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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

国家科技重大专项 （2011ZX05026-004-03）。

张宇 （1983-），男，2006年大学毕业，博士，工程师，现主要从事长距离油气管道输送工艺研究与生产管理工作。

［编辑］ 龙 舟