k-means聚类算法在油水界面检测中的应用.pdf

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1、第l期刘远红等．＆一means聚类算法在油水界面检测中的应用19肛means聚类算法在油水界面检测中的应用刘远红1习玉阳2吴华远3郑敏红4李艳平4(1．东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318；2．大庆钻探集团钻井一公司，黑龙江大庆1634533．中国石油抚顺石化公司，辽宁抚顺113000；4．大庆油田水文地质公司，黑龙江大庆163453)摘要油田以电容式传感器检测原油沉降罐中油水界面时，受传感器制作工艺的限制，检测点数过少导致定位精度不高，并且通常采用拐点法定位油水界面，这种方法由于采集点的凸凹不平，检测到伪拐点的现象经常发生，导致较大的误差。为解决以上两个问题，提出对所采信号

2、进行三次样条插值，增加信号的点数提高测量精度，同时通过％．means聚类算法定位油水界面。现场实验结果表明：该检测方法提高了原油油水界面检测的鲁棒性与精确性。关键词油水界面拐点多项式插值^一means聚类中图分类号TH832文献标识码A文章编号1000_3932(2014)0l-0019．04原油储罐内油水界面高度是保证油水分离正常运行的重要参数。因此，快速准确地检测出油水界面是确定出水量、出油量的关键，同时这个参数也为了解油井产量及油井寿命等提供可靠的依据。油水分离技术是一个很复杂的过程，通常是在油水混合物中加入一定量的化学药剂，并将其在原油沉降罐中进行自然沉淀，由于油、水的密度不同，分离

3、后在沉降罐底部一般为纯度较高的水，中部为油水乳化液，上部通常为油。但是由于油和水在沉降罐中形成不同形态的油水乳化液，在界面处形成一个乳化带，乳化带的状态是一个复杂的随机变化过程，乳化带中矿物质的含量、界面的弹性及压力等参数都会影响该过渡带的稳定性，因此，油水界面检测难度较大¨’“，通常采用测量溶液电容值的变化，并依据工人的经验对油水界面的位置和乳化带的宽度进行大致估计。国内外油水界面测量仪根据测量方式的不同，可分为接触式和非接触式两种，接触式常用的检测方法有电容法、浮球法及差压法等，非接触式则有超声波、射频导纳、短波吸收及射线法等。接触式与非接触式检测方法各有自己的优缺点。接触式检测由于直接

4、与被测物接触，因此一般精度较高，但当被测物具有酸碱等腐蚀性时，长时间使用必然会对传感器产生损伤，影响传感器的使用寿命；非接触式测量精度一般较接触式低，但由于其不与被测物接触，因此使用寿命相对较长。目前油水界面检测仪研究的主要方向大都集中在传感器等硬件的改进上口’4]，而对采集后的信号分析和处理研究较少，并且由于复杂的现场环境、油水乳化液本身状态变化的随机性及非平稳性等因素的影响，传统上仅依据计算各层混合液导电率的拐点来判断油水分界面，精度较低并且稳定性较差。为此，笔者以电容式传感器检测到的数据为基础，对采集到的数据进行滤波处理，并采用三次样条插值方法增加原始数据的点数，以提高数据的精度，由于

5、油层、乳化层和水层的数据分别具有比较明显的时域特征，因此最后利用七·means聚类算法辨识出油水界面和乳化宽度。1油水界面检测系统通过测量油水混合液电容值的方法，定位油水界面是油田常用的检测方法之一。沉降罐中的界面检测系统如图1所示，罐内由上到下分别为油层、乳化带和水层。图1沉降罐中油水界面检测系统示意图电容式传感器直立在原油沉降罐中，由于制收稿日期：2013旬7-26(修改稿)化工自动化及仪表第4l卷作工艺和安装的限制检测点并不是连续的，通常是每隔20cm安装一个检测点，标准沉降罐高度为3．2m，共16个检测点，采集系统负责将采集到的电容值信号通过RS485协议送入计算机，计算机对数据进行

6、计算分析，以确定油水的界面和乳化带的宽度。2油水导电率数据处理2．1三次样条插值检测油水混合液电容值的传感器直立在沉降罐中，受制作工艺的限制混合导电率的测量并不是连续的而是每隔一段距离安装一个电容，通常一个标准的沉降罐中的检测点数为16个，数据点数过少，导致在两个测量点之间的混合液的导电率完全未知，测量精度不高，因此，笔者提出通过在检测点中进行插值，预测出未检测处液体的电容值，以提高最终确定油水界面位置及乳化带宽度的精度。插值¨1与拟合M1的主要区别在于，插值函数需要完全通过已知点，而拟合则不需要。在确认所采集到的点精确的前提下，通常采用插值法，最常用的插值函数为多项式函数，插值函数的次数越

7、高其精度也越高，同时兼顾精度与计算的复杂度，笔者采用三次多项式进行插值。设在每个小区间[x；，菇川]上可以写成：s(茁)=口f菇3+6j石2+c。石+d．，i=0，l，2，⋯，n—l(1)其中口i、6i、c；、d；为待定系数，可通过以下方程求解：5(gf)=，(xi)s(省．一O)=s(聋．+0)s’(茹。一0)=s’(并．+0)s”(茹；一0)=s”(髫．+0)(2)5’(‰)=厂。s’(z。)=厂。，(x