第 1 章  緒   論  

1.1  課題研究背景及意義 
在國家能源格局結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下，油氣的需求和進(jìn)口持續(xù)快速增長，油田采集、油氣水混流輸送都是今后國家能源戰(zhàn)略研究的重要方向。在原油的挖掘開采和管道運(yùn)輸過程中，流體以烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴、天然氣、輕烴、非輕烴氣體，礦化水以及少量砂礫、泥沙、蠟固體等各種有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的混合狀態(tài)存在，這些物質(zhì)混合在一起流動構(gòu)成各種“相”，相通常指某一系統(tǒng)中具有相同成分或者相同化學(xué)、物理性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分，其中油、氣、水三相占各相比例較大，其余相我們在計(jì)量考慮時(shí)忽略不計(jì)。這里的油相是指包含烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴在內(nèi)的各種液烴相，氣相是指天然氣、輕烴、非輕烴等氣體，水相多指流體中的礦化水[1,2]。 溫度、壓力、流量和物位是過程測量常用的四個(gè)參數(shù)，其中流量是石油測井流量計(jì)量的重要參數(shù)和指標(biāo)。流量檢測儀表的結(jié)構(gòu)形式、工作原理各異，應(yīng)用范圍、場所不同，擅長優(yōu)勢也不一樣。比如，渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，加工零部件少，重量輕，主要適用于高溫或低溫、高壓的極端測試環(huán)境；電磁流量計(jì)精確性、可靠性高，功能全面且耗能低，主要應(yīng)用于食品工業(yè)、制藥生產(chǎn)、石油、冶金、化工等方面。流體振動流量計(jì)與渦輪流量計(jì)有相似之處，他們都沒有無可動部件，輸出信號是脈沖信號，不存在零漂問題。多相流量計(jì)是專門針對多相流的復(fù)雜性和隨機(jī)性的工業(yè)流量計(jì)，考慮到油田采集到的流型包含油氣水三相，首先考慮多相流量計(jì)進(jìn)行測量，多相流流量計(jì)檢測包含單向流量儀表和多相流量測試模型組合測量量法和機(jī)遇軟測量技術(shù)的軟測量方法，具體包含多普勒流速計(jì)、LP型多相流量計(jì)、MPFM型多相流量計(jì)、EUROMATIC型多相流量計(jì)、德士古海底多相流量計(jì)、MCF351型多相流量計(jì)、Scroll  Flo型多相流量計(jì)、非侵?jǐn)_式多相流量計(jì)、FLOCOMPⅡ型多相流量計(jì)、WELLCOMP型多相流量計(jì)[3-5]。多相流參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)象、獲得概念、通過建模進(jìn)行預(yù)測、設(shè)計(jì)和控制，由于多相流中各并非均勻混合切不規(guī)則，而且以不同的速度流動，各項(xiàng)之間的速度是相對的，相與相之間存在相互作用，這些造成了多相流的復(fù)雜性和隨機(jī)性，多相流量計(jì)并沒有很好地解決這些難題。 
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
電磁流量傳感器相關(guān)技術(shù)理論的提出為油井測量多相流體帶來了強(qiáng)有力的技術(shù)手段，因?yàn)橄嚓P(guān)法可適用于任何流體系統(tǒng)的流量測量，相關(guān)法自 20 世紀(jì) 60 年代中期被提出，，發(fā)展已經(jīng)超過半個(gè)世紀(jì)，成為目前多相流流量測量技術(shù)中少數(shù)成為工業(yè)型儀表的流量測量技術(shù)之一。運(yùn)用相關(guān)技術(shù)處理，將油管內(nèi)部被測流體的隨機(jī)流動噪聲信號的“流量總和”的流動速度識別處理，進(jìn)而將速度作為一種流量的識別變量，這就是相關(guān)流量計(jì)的測量原理。 1832 年法拉第第一次提出應(yīng)用電磁感應(yīng)的原理利用地球形成的磁場測量到了泰晤士河的流速，這一發(fā)現(xiàn)，開啟了 20 世紀(jì) 50 年代電磁流量計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的興起[6,7]。1957 年，中國研制出第一支電磁流量計(jì)，并掀起了國內(nèi)生產(chǎn)電磁流量計(jì)技術(shù)的高潮，然而，由于我國電磁技術(shù)發(fā)展起步晚，科研力量不集中，電磁流量計(jì)的研發(fā)一直止步不前，落后于國外同期水平。隨著電子科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，電磁流量計(jì)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步，利用電磁流量計(jì)測量流體，不受密度、黏度、溫度、壓力的影響，在一定范圍內(nèi)也不受電導(dǎo)率的干擾，所以利用電磁流量計(jì)不能測量石油、石油制品、氣體以及有機(jī)溶劑等不導(dǎo)電的液體的原理，可以測量出流量中的含水量[8]。 在石油生產(chǎn)測井技術(shù)發(fā)展之初，科研人員找不到專門適合油氣水三相流流量測量的儀表，只能嘗試把油氣水三相分離出來運(yùn)用單相流流量測量的儀器設(shè)備測量[9-11]，然而單相流量計(jì)測量結(jié)果不能盡如人意。比如在石油原液流量較小時(shí)，單相流量計(jì)啟動排量受限而使得精度受到影響；井下少量固體殘?jiān)鼤谷嗔髁黧w的密度發(fā)生很大的變化，干擾油氣水流量的測定從而造成很大誤差[12,13]。為了研制一種能夠應(yīng)用于石油生產(chǎn)測井方面的油氣水三相流流量測量儀器儀表，科研人員做出了不懈的努力。Adamovskii L A 等人嘗試將電磁流量計(jì)與相關(guān)法測量技術(shù)相結(jié)合，通過使用兩個(gè)電磁流量計(jì)對鈉冷卻劑的測量信號測量并進(jìn)行相關(guān)法運(yùn)算，獲取鈉冷卻劑的流速，在控制鈉冷卻劑投放量上取得了突破。
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第 2 章  基于 FLUNT 電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)仿真分析 

在諸多流量計(jì)中，相關(guān)法電流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)展多相流中油氣等非導(dǎo)電相含率的量程范圍的效果，所以電磁相關(guān)流量測量傳感器在油田實(shí)際測量中有著廣泛的應(yīng)用。電磁相關(guān)流量測量傳感器是一種綜合電磁學(xué)、材料學(xué)、流體力學(xué)、信號處理等各種領(lǐng)域的精密測量儀表，在各個(gè)參數(shù)的設(shè)定精度都要求非常高，尤其是信號的輸出端——傳感器的電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器流量和流速的信號測量都有著重要的影響。本章依據(jù)電磁相關(guān)流量測量傳感器的原理，利用 FLUNT 軟件對電磁相關(guān)流量測量傳感器的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，據(jù)此構(gòu)建電磁相關(guān)傳感器模型，研究當(dāng)電磁相關(guān)傳感器上、下游電極間距和管道內(nèi)徑變化時(shí)，流過傳感器流體的流速變化，以實(shí)際流速和相關(guān)流速作為電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化指標(biāo)，為下一步構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型奠定基礎(chǔ)。

2.1 電磁相關(guān)流量測量傳感器的理論基礎(chǔ) 
電磁相關(guān)流量測量傳感器勵(lì)磁線圈有矩形、圓形和橢圓形幾種基本形式，其計(jì)算的基礎(chǔ)都是電磁學(xué)的基本定律——法拉第的畢奧薩伐爾定律，馬鞍形勵(lì)磁線圈能夠突破生產(chǎn)測井的狹小空間的局限，比矩形勵(lì)磁線圈在傳感器中測量管內(nèi)部z=0 徑向平面中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況較好一些[16]。在此基礎(chǔ)上，本章根據(jù)流體流量測量的基本要求，主要針對馬鞍形勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場構(gòu)建傳感器電機(jī)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，并給出了馬鞍形勵(lì)磁結(jié)構(gòu)電磁相關(guān)流量測量傳感器模型的外觀構(gòu)造和剖面示意圖，如圖 2-1 所示為馬鞍形勵(lì)磁結(jié)構(gòu)傳感器模型的外觀整體結(jié)構(gòu)圖。 
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2.2 基于 FLUNT 的傳感器電極結(jié)構(gòu)仿真模型
在自然界中，速度、溫度、壓力、濃度等物理量隨著時(shí)間和空間發(fā)生變化，他們在能量守恒、質(zhì)量守恒、動量守恒的基礎(chǔ)上，在各種力的作用下形成了連續(xù)量場力學(xué)運(yùn)動規(guī)律。計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)可以通過一些邊界條件、離散化編程對經(jīng)典流體力學(xué)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、數(shù)值模擬和數(shù)值分析。通常情況下，通過傳感器兩對電極測量得到信號是普遍認(rèn)可的可以作為仿真原始數(shù)據(jù)的方法，但是考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境下提取的信號，需要無干擾的環(huán)境，即使是微弱的干擾都會對數(shù)據(jù)造成很大的誤差，接下來的實(shí)驗(yàn)處理都將在此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算建模，實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)誤差將造成后續(xù)數(shù)據(jù)的計(jì)算誤差，這樣優(yōu)化傳感器電極的間距就沒有實(shí)際意義了。為了精確設(shè)定油氣水三相相關(guān)流量測量傳感器上下游電極的間距和傳感器管道內(nèi)經(jīng)的大小，我們使用 FLUNT 軟件對該流量模型進(jìn)行仿真。FLUNT 是 CFD 軟件包中主要用于流體及其傳熱的計(jì)算的軟件，采用有限差分法求解差分方程，基于 C 語言編程開發(fā)，適用于多種操作系統(tǒng)。利用 FLUNT 仿真軟件需要前處理、仿真計(jì)算和后處理三個(gè)過程。前處理包括計(jì)算區(qū)域計(jì)算機(jī)識別，通過將 Solid Works 模型導(dǎo)入到 Gambit 中，作為輸入將對生成區(qū)域進(jìn)行剖分，生成計(jì)算所用的網(wǎng)格，選用適當(dāng)求解器，標(biāo)識計(jì)算區(qū)域邊界類型。Solid Works 是用來繪制高質(zhì)量三維機(jī)械制圖的軟件，本文中所模擬的油氣水三相流傳感器管道就是用該軟件繪制的，該軟件功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)先進(jìn)，提供不同的設(shè)計(jì)方案，能夠減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，是領(lǐng)先的、主流的三維 CAD 制圖軟件。FLUNT 軟件通過有限差分法求解差分方程進(jìn)行仿真計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，F(xiàn)LUNT 通過菜單接口和編程接口與用戶進(jìn)行信息交互，提供等壓線、等溫線、熱流曲線、阻力與阻力系數(shù)、升力與升力系數(shù)、速度矢量圖、對流換熱系數(shù)、壁溫等直觀圖對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。通過 FLUNT 軟件對所需要構(gòu)建的電磁流量計(jì)傳感器電極結(jié)構(gòu)模型，首先進(jìn)行物理層面的分析，從而確定仿真模型的大體結(jié)構(gòu)；之后根據(jù)分析過的物理模型建立仿真模型，并對仿真模型進(jìn)行設(shè)置，來最終達(dá)到可以替代物理結(jié)構(gòu)完成測試的目的；最終對建立的仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分、設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)格劃分、單元屬性分配以及仿真模型各個(gè)區(qū)域的劃分。 
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第 3 章  基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建 ........21 
3.1 基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合非線性模型的基本思想 ........... 21 
3.1.1 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成和結(jié)構(gòu) ...........21 
3.1.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合非線性模型的方法 ....22 
3.2  基于 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電磁傳感器電極結(jié)構(gòu)模型 ........... 26 
3.2.1  基于  RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電極結(jié)構(gòu)特征參數(shù)提取 .............26 
3.2.2  電磁傳感器電極結(jié)構(gòu) RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 ........30 
3.3  本章小結(jié) .... 32 
第 4 章  基于燕群算法電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) ........33 
4.1 基于燕群算法電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原理和步驟 ............. 33 
4.1.1 基于燕群優(yōu)化算法的傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理 ...........33 
4.1.2 基于燕群優(yōu)化算法的傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟 .......40 
4.2  電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析 ...... 42 
4.3  本章小結(jié) .... 47 

第 4 章  基于燕群算法電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本章引入一種闡述群體智能的多目標(biāo)求解的燕群優(yōu)化算法(swallow  swarm optimization,  SSO)得出電磁相關(guān)傳感器電極部件的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。將構(gòu)建的電磁相關(guān)傳感器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行權(quán)值分配，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，并利用一種燕群優(yōu)化算法尋找單目標(biāo)優(yōu)化問題的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)解，完成對電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 

4.1 基于燕群算法電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原理和步驟 
科學(xué)家通過對生物種群在捕食、聚群、遷徙、繁殖方面的研究觀察，探索到一些能夠解決優(yōu)化問題的生物啟發(fā)式算法現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的有人工魚群算法和益群算法。英國科學(xué)家 Rob G. Bijlsma 和 Bennie van den Brink 進(jìn)行了大量的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)燕子是生活高度集群化的鳥類，每個(gè)燕群包含數(shù)萬甚至十萬只燕子，每年跨越大陸飛行 17000 公里[49]。燕子不僅在遷徙數(shù)量上位居生物界的前列，更是以 170公里每小時(shí)的遷徙速度創(chuàng)下了高速記錄。燕群這一特性非常適用于增快有效粒子的收斂速度和最短時(shí)間解決優(yōu)化概率問題。燕群自身的飛行軌跡是混沌無章的，但又能迅速完成集體活動，根據(jù)燕群遷徙以及他們的日常行為特征抽象成數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)搜索。2013 年，Mehdi Neshat，Ghodrat Sepidnam，Mehdi Sargolzaei根據(jù)燕群生物行為原理提出燕群優(yōu)化算法(swallow swarm optimization, SSO)，算

法將燕子種群分為探索粒子，指引粒子和盲目粒子三種粒子，運(yùn)用用數(shù)學(xué)語言對燕群行為進(jìn)行描述，并通過同一函數(shù)的尋優(yōu)時(shí)間和迭代次數(shù)與傳統(tǒng)粒子算法做出比較，證明了燕群算法的優(yōu)秀特性[50]。 在燕群遷徙的過程中，一些燕子總是飛出燕群區(qū)域，像是在擾亂燕群的秩序。但這些燕子在燕群中起著至關(guān)重要的作用，他們往往剛剛成年不會拘束在燕群約定俗成的區(qū)域里而更有機(jī)會找到燕群集中區(qū)域以外的食物，然后呼叫其他成員一起搬運(yùn)食物。同時(shí)他們也很敏感，他們能迅速發(fā)現(xiàn)天敵即將發(fā)起攻擊，并且通過聲音告知其他成員這些危險(xiǎn)的信號。以上的啟示應(yīng)用于燕群算法中，將這些燕子定義為盲目粒子(Aimless particle)，符號 oi ，盲目粒子可以增加找到最佳點(diǎn)的機(jī)會，并且如果其他粒子收斂在一個(gè)錯(cuò)誤的局部最優(yōu)點(diǎn)，盲目粒子可以通過獨(dú)立的移動增強(qiáng)隨機(jī)突破局部收斂而找到更優(yōu)點(diǎn)的幾率。 

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結(jié)   論 

電磁相關(guān)流量測量傳感器的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定著是否可以準(zhǔn)確地測量油井的流量，進(jìn)而在一定程度上也影響著石油行業(yè)的發(fā)展前景。本文在分析了電磁相關(guān)流量測量傳感器的關(guān)鍵部件電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，在此基礎(chǔ)上提出了一種集合傳感器流量有限元仿真、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性建模、燕群優(yōu)化算法技術(shù)的方法，得到了最優(yōu)電磁相關(guān)傳感器的電極結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體研究成果如下所述：
(1)  實(shí)現(xiàn)了電磁相關(guān)流量測量傳感器電極結(jié)構(gòu)的 FLUNT 仿真分析。在對電磁相關(guān)傳感器物理模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用 FLUNT 有限元仿真軟件對電極結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)定、流速生成，分別對總流量為 20m3/d，80m3/d，150m3/d 下電磁相關(guān)流量測量傳感器上、下游電極間距變化的仿真速度云圖和管道內(nèi)徑變化 MATLAB 三維流速圖。
(2)  建立了電磁相關(guān)傳感器電極結(jié)構(gòu)參數(shù)變化下的非線性系統(tǒng)模型。提取FLUNT 軟件獲得的仿真數(shù)據(jù)特征參數(shù)，以流體實(shí)際流速和相關(guān)流速的誤差作為電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)，作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)化 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到以上下游電極間距和管道半徑為輸入，以優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)為輸出的非線性函數(shù)。 
(3)  選取了燕群優(yōu)化算法并據(jù)此得出了電磁相關(guān)流量測量傳感器電極結(jié)構(gòu)模型的最優(yōu)參數(shù)解。在不同權(quán)重參數(shù)下得出了優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)解為 0.1159，0.1019，0.1021，對比仿真誤差與優(yōu)化誤差的值，在三個(gè)最優(yōu)解的情況下得出電磁相關(guān)流量測量傳感器電極的最佳距離是 10.75mm,管道內(nèi)徑為 16.1mm。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：246718