專利名稱：多相系統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及一種用于確定多材料對象中的單獨(dú)材料的組成和特性的方法，更具體來說，涉及一種分析多材料對象的電網(wǎng)絡(luò)表示的方法。
背景技術(shù)：
多相流是多材料對象的一個示例，其中至少兩個材料或相在管道或?qū)Ч軆?nèi)部共同流動。多相流過程對于各種行業(yè)是重要的，其中包括例如石油、制藥、食品和化學(xué)工業(yè)。存在對這些類型的多相流過程中的內(nèi)部流特性的直接了解的需要，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有和新處理設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)和增加的操作效率。用于預(yù)測多相過程的性能所使用的特性可包括例如相的空間分布(空間體積相分?jǐn)?shù))、流體系(flow regime)、界面面積以及相或材料之間的絕對和相對速率。了解材料的空間分布是特別有用的，因?yàn)椴牧系姆蔷鶆蚍植稼呄蛴跍p小可用于化學(xué)反應(yīng)或轉(zhuǎn)換的材料之間的界面面積，并且可引起使流再循環(huán)，從而形成空間非均勻反應(yīng)區(qū)或濃度。此外，體積相分?jǐn)?shù)和速率是實(shí)現(xiàn)多相流的適當(dāng)和及時控制的重要參數(shù)。電阻抗層析(EIT)是一種微創(chuàng)測量技術(shù)，它可用于定量繪制多材料對象中的材料分布。在EIT中，電導(dǎo)率和電容率的繪圖用于推斷多材料對象中的不同材料的分布。不同電流模式或電壓模式通過對象周圍的電極施加到對象，并且測量對應(yīng)電壓或電流。根據(jù)電流-電壓關(guān)系，確定內(nèi)部阻抗或內(nèi)部導(dǎo)納分布。使用各種圖像處理算法的基于所計(jì)算阻抗分布的圖像重構(gòu)是一種確定多材料對象中的不同材料的分布的方法。但是，圖像處理算法常常太費(fèi)時間并且計(jì)算密集。它們還忽略問題的許多定量方面，例如空間對稱或不對稱。因此，希望確定將會解決上述問題的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供一種用于確定多材料對象的特性的方法。該方法包括確定表示多材料對象的電元素矩陣，并且用第一數(shù)學(xué)變換矩陣左乘該電元素矩陣，以得到第一變換電元素矩陣。該方法還包括用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘該第一變換電元素矩陣，以得到第二變換電元素矩陣。該方法還包括根據(jù)第二變換電元素矩陣來確定多材料對象的特性。根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，提供一種多材料感測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電源，用于向多材料對象周圍的電極提供施加電信號集合；以及測量單元，用于從電極得到測量電信號集合。該系統(tǒng)還包括處理電路，用于基于施加的和測量的信號集合來確定電元素矩陣，并且用于用第一數(shù)學(xué)變換矩陣左乘該電元素矩陣，以得到第一變換電元素矩陣。處理電路進(jìn)一步用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘該第一變換電元素矩陣以得到第二變換電元素矩陣，并且基于第二變換電元素矩陣來確定多材料對象的特性。根據(jù)本發(fā)明的又一個實(shí)施例，提供一種用于確定多材料對象的特性的方法。該方法包括向多材料對象周圍的電極提供施加電信號集合，并且從電極得到測量電信號的測量
3電信號集合。該方法還包括用第一數(shù)學(xué)變換矩陣左乘所測量的電信號集合以得到第一變換測量電信號集合，并且用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘該第一變換測量電信號集合以得到第二變換測量電信號集合。該方法還包括基于第二變換測量電信號集合來確定多材料對象的特性。


通過參照附圖閱讀以下具體實(shí)施方式
，會更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、 方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相似符號在整個附圖中表示相似部件，附圖包括圖1是根據(jù)一個示例實(shí)施例的油生產(chǎn)設(shè)備的框圖；圖2是將要根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例所使用的基于電阻抗層析(EIT)的多相流量計(jì)的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的施加電壓EIT系統(tǒng)的框圖；圖4是兩個相成分的混合物的三個不同流體系的表示；圖5是矩陣元素Y(2，2)隨第二相(secondary phase)的分?jǐn)?shù)的變化的圖形表示；圖6是矩陣元素Y(2，3)隨第二相離導(dǎo)管中心軸線的平均距離的變化的圖形表示；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的原始分布及其第二相的等效分布的圖形表示；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例、確定多材料對象的特性的方法的流程圖； 以及圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的多材料對象的分析的流程圖；以及圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例、根據(jù)電信號集合來確定多材料對象的特性的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)論述，本發(fā)明的實(shí)施例用于提供測量多材料對象的特性的系統(tǒng)和方法。 在多相流的一個示例中，對象的特性可包括流經(jīng)導(dǎo)管的油、水和氣體(在這個上下文中指的是氣態(tài)羥類)的體積分?jǐn)?shù)和流率。雖然參照在油/氣體/水測量中的使用來描述本發(fā)明， 但是它完全不是要限于這類應(yīng)用，本發(fā)明的方面而是在例如癌癥診斷和水處理過程等大量工業(yè)、衛(wèi)生保健和化學(xué)過程中得到應(yīng)用。這類多材料對象的特性可能與對于多相流所給出的示例完全不同。圖1示出根據(jù)一個示例實(shí)施例的油生產(chǎn)設(shè)備10。油生產(chǎn)設(shè)備通常包括各互連到管道系統(tǒng)14的多個油井12。管道系統(tǒng)14包括耦合到多相流量計(jì)(MPFM) 18的生產(chǎn)集合管16。 多相流量計(jì)實(shí)現(xiàn)與油井非常接近的未處理井流的測量，并且因而可提供油井性能的連續(xù)監(jiān)測，它可用于更好的油藏管理。從油井12抽出的流體通過生產(chǎn)集合管16發(fā)送到生產(chǎn)分離器20。應(yīng)當(dāng)注意，測試分離器(未示出)可附加地連同設(shè)備10中的MPFM—起使用，或者可備選地使用。MPFM優(yōu)于測試分離器的一個優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行測量所需的時間的減少。雖然必須允許測試分離器在改變油井時進(jìn)行填充和穩(wěn)定，但是MPFM更迅速地響應(yīng)油井流體的變化，并且需要更少時間來穩(wěn)定。生產(chǎn)分離器20分離從油井抽出的油、氣體和水。生產(chǎn)分離器20可包括一個或多個測量裝置。測量裝置例如可包括水表，其測量從油井所提取的水的量或比率(rate)；以及乳化液計(jì)(emulsion meter)，其測量從油井所提取的油的量。其它測量裝置可包括通常用于監(jiān)測油井性能的其它裝置，例如井口壓力傳感器、溫度計(jì)、鹽度計(jì)和PH計(jì)。圖2示出基于電阻抗層析(EIT)的MPFM系統(tǒng)40。在EIT中，多材料對象中的導(dǎo)電率或電容率分布從通過對象周圍的電極所進(jìn)行的電測量來推斷。導(dǎo)電電極附連到多材料對象的周邊，并且交流電流或電壓施加到電極的部分或全部。分別測量所產(chǎn)生的電位或電流， 并且該過程對于施加電流和/或電壓的許多不同配置或模式重復(fù)進(jìn)行。圖2的MPFM系統(tǒng)40包括電極陣列42，其中包括圍繞導(dǎo)管46所分布的多個電極 44。導(dǎo)管可包括容器，它在其中攜帶多個材料或相，例如管道或桶(tank)，或者導(dǎo)管可包括另一種管(vessel)，例如人體的一部分或者整個人體。在一個更具體的實(shí)施例中，電極的數(shù)量可以為8、12或16，取決于導(dǎo)管的大小和所需精度。電極可直接附連到導(dǎo)管的內(nèi)壁，其中一個實(shí)施例包括在需要時使用適當(dāng)涂層來確保良好的電接觸。電極連接到電子調(diào)節(jié)電路48，它可包括例如耦合到計(jì)算機(jī)50的電流或電壓源、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、差分放大器、濾波器、數(shù)字復(fù)用器、模擬復(fù)用器、時鐘和/或數(shù)字I/O單元等部件。在一個實(shí)施例中， 計(jì)算機(jī)50包括個人計(jì)算機(jī)，它配備有用于圖像重構(gòu)過程的數(shù)字信號處理器卡以及用于顯示圖像的適當(dāng)顯示器52。在其它實(shí)施例中，也可使用例如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯裝置(CPLD)等的其它處理電路。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，通過跨接它們施加電壓模式的電壓集合來激勵電極44，這產(chǎn)生導(dǎo)管中的多材料對象內(nèi)的旋轉(zhuǎn)電場。在任何給定時間，一個或多個電壓源用于將一種模式的電壓施加到電極，并且測量每個電極中的電流信號的對應(yīng)集合。在一個實(shí)施例中，不是施加電壓，而是一個或多個電流源用于通過將電流注入其中來激勵電極，并且測量跨接電極上的對應(yīng)電壓。圖3是具有L個電極的施加電壓EIT系統(tǒng)的框圖60。各電極61連接到電路，它包括用于生成施加的電壓的電壓源62以及用于測量施加的電流的安培表和直接測量施加的電壓的伏特計(jì)。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)63使單個校準(zhǔn)電路64能夠連接到電壓源/安培計(jì)/伏特計(jì)電路的任一個，以便允許將整個系統(tǒng)校準(zhǔn)到單個參考。數(shù)字控制器(未示出)可與電壓源(具有安培計(jì)和伏特計(jì))、開關(guān)進(jìn)行接口，并且校準(zhǔn)電路可用于設(shè)置系統(tǒng)配置并且收集電壓和電流的數(shù)字測量。在電流而不是電壓施加到電極的另一個實(shí)施例中，電流使用電流源來生成， 電流源可包括例如直流源或者電壓-電流轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)。在電流和電壓源的兩種實(shí)施例中，所得測量由計(jì)算機(jī)50(圖2、來處理，并且確定多材料對象中的電阻抗或?qū)Ъ{分布的表示。電阻抗或?qū)Ъ{分布然后由計(jì)算機(jī)50進(jìn)一步分析，以便提供多材料對象的特性。多材料對象的特性可包括例如系統(tǒng)的材料的組成和分布。 此外，還可分析電阻抗或?qū)Ъ{分布，以便確定多材料對象的單獨(dú)材料的流體系、相分?jǐn)?shù)和速率。例如，流體系可包括但不限于氣泡流、攪動流(churnflow)、段塞流(slug flow)或環(huán)狀流。在電壓源實(shí)施例中，從一個電極流動到另一個電極的電流是跨接所有電極所施加的相對電壓以及存在于所有電極之間的材料的導(dǎo)電率和電容率的函數(shù)。例如，材料可僅僅是油，或者它可以是油和氣體的混合物。取決于材料及其分布，所有電極之間的阻抗或?qū)Ъ{改變，并且在電極之間流動的電流也改變。因此，從施加電壓集合和測量電流集合，可計(jì)算每一對電極之間的阻抗的阻抗集合或阻抗矩陣。類似地，作為替代或補(bǔ)充，從施加電壓集合和測量電流集合，可計(jì)算每一對電極之間的阻抗的導(dǎo)納集合或?qū)Ъ{矩陣。由于阻抗和導(dǎo)納是電極之間的材料的電導(dǎo)率和電容率的函數(shù)，因此，通過分析阻抗或?qū)Ъ{網(wǎng)絡(luò)，可確定材料分布及其特性。若干方法可用于從施加電信號集合和測量電信號集合來計(jì)算阻抗或?qū)Ъ{矩陣。這些方法可包括但不限于使用偽逆或迭代算法。在一個實(shí)施例中，能夠分析來自電極的電信號的測量電信號集合，并且確定多材料對象的特性。測量的電信號可包括電壓信號或電流信號。應(yīng)當(dāng)注意，由于測量的電信號也是電極之間的材料的電導(dǎo)率和電容率的函數(shù)， 因此，在一個實(shí)施例中，能夠通過分析測量的電信號的測量的電信號集合來分析多材料對象的特性。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)的分析包括用第一數(shù)學(xué)變換矩陣A左乘阻抗或?qū)Ъ{矩陣Y，并且由第二數(shù)學(xué)變換矩陣B右乘所得乘積矩陣，如等式(1)所述。因此，變換的阻抗或?qū)Ъ{矩陣由;F表示，并且表示為
權(quán)利要求
1.一種用于確定多材料對象的特性的方法(101)，包括下列步驟 確定(10 表示所述多材料對象的電元素矩陣；用第一數(shù)學(xué)變換矩陣左乘(104)所述電元素矩陣，以得到第一變換電元素矩陣； 用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘(106)所述第一變換電元素矩陣，以得到第二變換電元素矩陣；以及基于所述第二變換電元素矩陣來確定(108)所述多材料對象的特性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一數(shù)學(xué)變換矩陣包括離散傅立葉變換矩陣， 以及所述第二數(shù)學(xué)變換矩陣包括所述離散傅立葉變換矩陣的逆。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述多材料對象的特性的步驟包括基于沿所述第二變換阻抗矩陣的對角線的元素來確定所述多材料對象中的材料的分布的空間對稱， 并且基于不是沿所述第二變換阻抗矩陣的對角線的元素來確定所述多材料對象中的材料的分布的不對稱。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述多材料對象的特性的步驟包括利用從隨機(jī)生成的流體系和材料分布的數(shù)值模擬所得到的電元素矩陣的信息。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述多材料對象的特性的步驟包括基于先前實(shí)驗(yàn)結(jié)果來利用關(guān)于所述電元素矩陣的信息。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多材料對象的特性包括所述對象內(nèi)的不同材料的組成和分布。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述多材料對象的特性的步驟包括確定所述多材料對象內(nèi)的材料的流體系、體積分?jǐn)?shù)、密度和速率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定所述多材料對象中的材料分布的等效可視表不。
9.一種多材料感測系統(tǒng)(40)，包括電源(62)，其向多材料對象周圍的電極提供施加電信號集合； 測量單元(62)，其從所述電極得到測量電信號集合；以及處理電路(50)，其基于所施加的和測量的電信號集合來確定電元素矩陣，用第一數(shù)學(xué)變換矩陣左乘所述電元素矩陣以得到第一變換電元素矩陣，用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘所述第一變換電元素矩陣以得到第二變換電元素矩陣，以及基于所述第二變換電元素矩陣來確定所述多材料對象的特性。
10.一種確定多材料對象的特性的方法(130)，包括下列步驟 向所述多材料對象周圍的電極提供(13 施加電信號集合； 從所述電極得到(134)測量電信號的測量電信號集合；用第一數(shù)學(xué)變換矩陣左乘(136)所述測量電信號集合，以得到第一變換測量電信號集合；用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘(138)所述第一變換測量電信號集合，以得到第二變換測量電信號集合；以及基于所述第二變換測量電信號集合來確定(140)所述多材料對象的特性。
全文摘要
本發(fā)明名稱為多相系統(tǒng)的電網(wǎng)絡(luò)分析。提供一種用于確定多材料對象的特性的方法(101)。該方法包括確定(102)表示多材料對象的電元素矩陣。由第一數(shù)學(xué)變換矩陣來左乘(104)電元素矩陣，以得到第一變換電元素矩陣。用第二數(shù)學(xué)變換矩陣右乘(106)第一變換電元素矩陣以得到第二變換電元素矩陣。該方法還包括基于第二變換電元素矩陣來確定(108)所述多材料對象的特性。
文檔編號G01N27/08GK102183547SQ20111000855
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者A·巴納吉, H·K·皮萊, S·馬哈林加姆, W·巴蘇 申請人:通用電氣公司