天然氣水合物多相流檢測(cè)工具設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究*

鄧江，王國(guó)榮，謝沖，周守為，鐘林

1. 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500

2. 中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司，北京 100010

3. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/ 西南石油大學(xué)，四川成都 610500

天然氣水合物被認(rèn)為是繼頁巖氣、致密砂巖氣、煤層氣、油砂等之后最具潛力的清潔能源之一，在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，具有廣闊開發(fā)前景［1］。但是，天然氣水合物在開采過程中復(fù)雜的相變及運(yùn)移規(guī)律是目前制約其大規(guī)模開發(fā)的主要技術(shù)瓶頸之一［2］。因此，原位開采環(huán)境下天然氣水合物相變及運(yùn)移規(guī)律的檢測(cè)、認(rèn)知手段和理論方法是當(dāng)前天然氣水合物開發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

現(xiàn)有隨鉆測(cè)量工具（例如LWD） 在傳統(tǒng)石油天然氣勘探開發(fā)過程中扮演了非常重要的角色，具有識(shí)別地層巖石物理參數(shù)、水合物理化性質(zhì)［3-4］的能力，但其尚不具備對(duì)天然氣水合物開采過程中多相流動(dòng)特性的檢測(cè)功能。目前，借助于粒子圖像測(cè)量［5］（PIV 技術(shù)）、高速攝影測(cè)量以及基于單幀單曝光的流場(chǎng)圖像測(cè)量等技術(shù)［6］在流型［7-10］、相態(tài)［11-12］以及空隙率［13-14］等定性研究方面以及噴霧水滴的粒徑、速度方向角檢測(cè)［15］、管道煤粉顆粒速度與粒徑分布［16］、射流卷吸流場(chǎng)速度場(chǎng)、加速度場(chǎng)［17］等定量研究方面開展了不少工作。

結(jié)合多相流檢測(cè)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套隨鉆檢測(cè)工具，以期建立對(duì)非成巖天然氣水合物采掘環(huán)境的認(rèn)識(shí)，并對(duì)非成巖天然氣水合物破碎多相流管道內(nèi)的流動(dòng)特性及參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該裝置的顆?？梢娦赃M(jìn)行了驗(yàn)證，并采用一系列圖像處理方法提取了流體中的粒度分布。

1 隨鉆檢測(cè)工具設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

利用圖像技術(shù)檢測(cè)多相流流動(dòng)特性的基本原理如圖1所示，通過強(qiáng)光照射流場(chǎng)中的一個(gè)聚焦平面，采用攝像機(jī)記錄下連續(xù)兩次或多次曝光的粒子圖像，再通過用圖像分析技術(shù)［18-19］處理粒子圖片，計(jì)算各點(diǎn)粒子的位移、粒度、流速矢量等一系列參數(shù)［20］。

圖1 多相流檢測(cè)原理示意圖Fig. 1 Multiphase flow detection principle diagram

天然氣水合物固態(tài)流化開采的基本原理是將深水淺層不可控的非成巖天然氣水合物藏通過海底采掘、密閉流化舉升系統(tǒng)變成可控的天然氣水合物資源，從而保證生產(chǎn)安全、減少淺層水合物分解可能帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到綠色可控開采的目的［21］。整個(gè)開采工藝見圖2，通過鉆頭及噴嘴射流破碎流化天然氣水合物，在泵的作用下，經(jīng)回收裝置回收流化后的水合物漿體，并在分離器處分離水合物顆粒和泥沙，泥沙回填采集區(qū)，水合物顆粒經(jīng)油管輸送至采集船，整個(gè)過程在管道內(nèi)完成，因此降低了開采帶來的風(fēng)險(xiǎn)。本文的工具安裝在整個(gè)工具管串的不同位置，如圖2所示，通過采集天然氣水合物多相流漿體在管道內(nèi)不同位置的流場(chǎng)圖像與數(shù)據(jù)，然后通過背景扣除、分割、提取等一系列圖像處理技術(shù)，提取流動(dòng)數(shù)據(jù)。并結(jié)合隨鉆檢測(cè)參數(shù)來解釋在開采過程中開采管柱內(nèi)天然氣水合物多相流流動(dòng)特性及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

圖2 開采示意圖Fig. 2 Mining diagram

1.2 隨鉆檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨鉆檢測(cè)工具安裝在水合物開采工具管串上，分別裝在壓差滑套端、泵總成端、分離器端，實(shí)現(xiàn)三位檢測(cè)，如圖3所示。工具性能需滿足的技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖3 開采工具管串示意圖Fig. 3 Schematic diagram of mining tool string

表1 隨鉆檢測(cè)工具技術(shù)指標(biāo)Table 1 Detection while drilling tool specifications

隨鉆檢測(cè)工具由成像組件和溫度壓力檢測(cè)單元兩個(gè)功能模塊組成，前者對(duì)采掘環(huán)境、工況條件、流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行成像采集記錄，后者對(duì)采掘過程中壓力溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。整個(gè)裝置為偏心結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)，其直徑為105 mm，長(zhǎng)710 mm，通過公扣6 和母扣5 與水合物開采工具管串連結(jié)。為增大拍攝的范圍，獲取更多流場(chǎng)數(shù)據(jù)，整個(gè)工具搭載兩個(gè)成像組件且成120°夾角布置。在光源的照明下，兩個(gè)功能模塊同時(shí)對(duì)水合物破碎多相流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 測(cè)試短接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig. 4 Design of test shorting structure

整個(gè)工具通過力學(xué)仿真軟件和圖5所示的壓力試驗(yàn)裝置進(jìn)行了耐壓性及強(qiáng)度驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)分別在20 ～25 MPa、30 ～35 MPa 的水壓下進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)壓力下裝置無滲液現(xiàn)象，鋁硅玻璃無微裂縫，成像組件滿足壓力密封要求。力學(xué)仿真結(jié)果如圖6所示，其應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 壓力試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of pressure test device

圖6 工具應(yīng)力分布圖Fig. 6 Tool stress distribution diagram

1.3 隨鉆檢測(cè)工具成像組件設(shè)計(jì)

成像組件作為隨鉆流場(chǎng)檢測(cè)的眼睛，其精度直接決定工具的有效性。但隨鉆開采工具管串結(jié)構(gòu)的整體尺寸及開采工況的要求極大的限制了成像組件的設(shè)計(jì)空間，常規(guī)的工業(yè)流動(dòng)成像組件不再適用。因此，本文提出了如圖7所示的成像組件結(jié)構(gòu)，并作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，以便于優(yōu)化調(diào)整。整個(gè)裝置密封封裝，并采用透光性較好的鋁硅玻璃2與管道內(nèi)流場(chǎng)隔開，微型攝像頭采用感光性能好的CCD 微型相機(jī)，相機(jī)的采集幀率最高為240幀，曝光時(shí)間最高10 μs，采集像素最高為4 k。光源作為成像組件中重要的組件之一，其種類及照明方式對(duì)于圖像質(zhì)量至關(guān)重要。目前常用的光源有激光、隱失波照明、LED、大功率熒光燈、碘鎢燈等。鑒于工具從開采管柱側(cè)向采集環(huán)空流動(dòng)數(shù)據(jù)的布局模式，選擇采用高強(qiáng)度的LED 光源進(jìn)行正向照明，為保證流場(chǎng)良好的反射效果，光源對(duì)稱分布在微型攝像機(jī)兩邊并與安裝槽水平面成一定夾角，對(duì)比不同角度下的成像效果，75°夾角時(shí)成像效果較好。

圖7 成像組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of imaging component structure

2 圖像處理及實(shí)驗(yàn)研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)顆粒的可見性分析

正向體照明的方式使得LED 照明光錐里所有顆粒都被照亮，照明區(qū)域內(nèi)顆粒漫反射光線都被記錄下來，位于成像焦平面外的顆粒圖像成為背景噪音，降低了整個(gè)圖像的信噪比和圖像質(zhì)量，有時(shí)還會(huì)造成位于像平面上的顆粒隱匿。因此，保證顆粒的可見性、降低圖像背景噪音、提高信噪比是圖像粒度尺寸檢測(cè)的前提。有研究表明［22］，在焦平面上顆粒的強(qiáng)度分布和離焦平面上的強(qiáng)度分布近似為二維高斯分布，如圖8所示。且離焦平面越遠(yuǎn)，灰度值越小，圖像上顆粒像素集越大，粒徑檢測(cè)值越失真。要保證在背景光下顆粒的可見性，在焦顆粒的光強(qiáng)需顯著高于背景強(qiáng)度［23］，即高信噪比。而圖像信噪比主要受顆粒大小、濃度以及照明設(shè)備和成像設(shè)備的影響［24］。為此，實(shí)驗(yàn)采集了實(shí)際工況中高體積分?jǐn)?shù)和常規(guī)體積分?jǐn)?shù)的流動(dòng)灰度分布圖像（圖9）。圖9中，顆?；叶戎捣植贾饕性诟哳l部分，整體呈峰狀；而代表背景分布的灰度值主要集中在低頻部分，顆粒信息散亂分布在低頻信息中，兩者具有顯著的強(qiáng)度區(qū)分性；且體積分?jǐn)?shù)越低，顆粒信息可見性越明顯。由此可知，該工況的天然氣水合物多相流具有良好的可見性，為進(jìn)一步研究提供了可能。

圖8 離焦平面顆粒成像分布［22］Fig. 8 Defocus plane particle imaging distribution［22］

圖9 灰度分布圖Fig. 9 Gray distribution map

2.2 流動(dòng)工況下的顆粒圖像識(shí)別分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置為獲取不同工況的流動(dòng)瞬時(shí)圖像，并對(duì)顆粒識(shí)別能力進(jìn)行評(píng)估，建立了固液兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖10）。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由水合物多相流配置輸送控制單元、圖像視頻采集單元、圖像視頻處理單元三部分組成。在水合物多相流配送輸送控制單元的控制下，砂配比裝置投送的水合物破碎顆粒替代樣與泥沙泵泵入主管道內(nèi)的清水混合成不同工況的模擬水合物漿體，依次流經(jīng)透明管、成像組件、流量計(jì)、取樣口等裝置，最后流回水箱?；旌衔镌诹鹘?jīng)圖像視頻采集單元時(shí)，通過高速攝像機(jī)以及成像組件拍攝管道內(nèi)的流動(dòng)過程，并保存到計(jì)算機(jī)終端；最后，用圖像視頻處理單元進(jìn)行處理并提取特征參數(shù)。根據(jù)天然氣水合物開采工具管串的設(shè)備參數(shù)以及試采取樣結(jié)果，實(shí)驗(yàn)選取粒徑大小為70 目的石英砂作為天然氣水合物顆粒破碎物替代樣，漿體排量為45 m3/h，漿體體積分?jǐn)?shù)分為3%、5%、10% 三種不同工況。實(shí)驗(yàn)采用取樣口進(jìn)行取樣，并通過過濾、干燥處理，其結(jié)果見圖11。

圖10 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置示意圖Fig. 10 Schematic of experimental detection device

圖11 取樣結(jié)果Fig. 11 Sampling results

2.2.2 圖像處理與粒度尺寸提取去除背景的影響，準(zhǔn)確、完整的提取反映顆粒真實(shí)尺寸的像素集，對(duì)粒度檢測(cè)精度至關(guān)重要。本文采用平均背景扣除和采集背景扣除兩種方式去除背景的影響，提取位于焦平面上的顆粒，其方法主要是從原圖中扣除通過不同方式提取的背景灰度分布圖像。對(duì)圖9 （a） 分別進(jìn)行采集背景扣除與平均背景扣除，得到圖12。通過對(duì)比圖12 的（a） 和（b） 發(fā)現(xiàn)，平均背景扣除效果優(yōu)于采集背景扣除，能夠過濾掉大部分的背景信息，而不丟失顆粒的強(qiáng)度信息。

圖12 背景處理結(jié)果Fig. 12 Background processing results

平均背景扣除處理后，還存在部分景深范圍內(nèi)的背景顆粒未完全剔除，該范圍內(nèi)的顆粒其灰度值強(qiáng)度高于平均背景水平，低于焦平面上顆粒的灰度值強(qiáng)度，在圖像上像素集分布偏大，會(huì)引起粒徑檢測(cè)產(chǎn)生較大的誤差。本文采用閾值基剪切的方法，過濾相關(guān)顆粒［22，25］。通過提取圖像中的灰度值分布，設(shè)定灰度強(qiáng)度閾值I0以區(qū)分兩者，低于I0者視為背景處理，置為0，高于I0者保留。通過多次處理觀察，I0取12 時(shí)具有很好的處理效果，能夠祛除誤差較大的顆粒。

通過圖像處理的方式檢測(cè)粒度信息，本質(zhì)上是對(duì)粒度像素以及像素個(gè)數(shù)的綜合處理，通過圖13 的圖像處理流程提取和劃分位于在焦平面上的顆粒像素集。采用平均背景扣除去除背景影響，采用中值濾波抑制噪聲，經(jīng)閾值基剪切處理后的圖像，再經(jīng)過Canny 算法和形態(tài)學(xué)方法處理，得到在焦顆粒在圖像上的投影像素集，如圖14所示。

圖13 圖像處理流程Fig. 13 Image processing flow

圖14 圖像處理過程中顆粒在圖像上的投影Fig. 14 The projection of particles on an image during image processing

2.3 粒度數(shù)據(jù)分析

采用圖13 所述的圖像處理方式對(duì)三組工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了粒度數(shù)據(jù)提取，其處理實(shí)例見表2。本文共處理了12 900 張圖像，提取445 904 個(gè)顆粒數(shù)據(jù)，并采用標(biāo)準(zhǔn)分劃板對(duì)像素空間分辨率進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后K（物理長(zhǎng)度與像素長(zhǎng)度的比值） 值大小為0. 017 6 mm/pixel，并按圓形顆粒等效直徑的方式求取每個(gè)顆粒的等效直徑。三組工況取樣的樣品通過沉淀、過濾，干燥處理后，通過激光粒度儀對(duì)樣品粒度進(jìn)行了檢測(cè)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由表3 可知，其平均粒徑誤差范圍均在20% 以內(nèi)，與實(shí)際流體在均勻穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的粒徑分布信息趨勢(shì)吻合。三組粒度分布曲線見圖15，從整體上看，其圖像處理分布與取樣結(jié)果分布趨勢(shì)一致。但其圖像處理結(jié)果相較于取樣處理結(jié)果整體分布較小，尤其在小體積分?jǐn)?shù)和高體積分?jǐn)?shù)兩組中表現(xiàn)明顯，其可能的原因是圖像處理算法對(duì)粒徑處理造成的影響，包括圖像背景處理的過扣除和圖像的過分割，另一個(gè)原因可能是該工況下流場(chǎng)分布不均勻?qū)е聢D像中流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集不全。

表2 處理實(shí)例Table 2 Processing example

圖15 粒徑分布Fig. 15 Particle size distribution

表3 粒徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Particle size statistics μm

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種隨鉆天然氣水合物多相流檢測(cè)工具，建立了對(duì)水合物破碎粒徑進(jìn)行在線檢測(cè)和識(shí)別的方法。并就其強(qiáng)度、耐壓性、密封性、成像可見性等進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：強(qiáng)度、耐壓性、密封性均滿足設(shè)計(jì)要求，且體積分?jǐn)?shù)越低，顆粒信息可見性越明顯。此外，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M隨鉆原位采集天然氣水合物多相流動(dòng)狀態(tài)，可以獲得水合物破碎顆粒的粒徑分布。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，三組不同工況下提取的平均值、中值粒徑均與實(shí)驗(yàn)取樣結(jié)果大體一致，能夠滿足檢測(cè)的要求，證明了裝置在粒徑為70 目左右、體積分?jǐn)?shù)小于或等于10%、流動(dòng)速度在45 m3/h 的采集工況下的可行性。但是在其粒度分布上還存在較大差異，主要表現(xiàn)在其圖像處理的分布結(jié)果整體窄于取樣分布結(jié)果。因此，本文將在以下方面開展進(jìn)一步研究：

1） 多相流在焦平面顆粒的準(zhǔn)確提取及圖像處理算法，包括高濃度、高速度工況。

2） 圖像處理算法對(duì)粒徑檢測(cè)精度的影響及提高手段。

3） 多局部檢測(cè)數(shù)據(jù)整合與多相流流場(chǎng)整體參數(shù)之間映射的關(guān)系及適用條件。