基于高頻振動(dòng)的固相顆粒質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉澎濤，劉 剛，陳 超，劉新偉

（1.中海油能源發(fā)展安全環(huán)保分公司工程監(jiān)理公司鉆完井中心，天津300452；2.中國石油大學(xué)〈華東〉石油工程學(xué)院，山東青島266580；3.中石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依834000；4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司陜西技術(shù)服務(wù)分公司，陜西西安710082）

基于高頻振動(dòng)的固相顆粒質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉澎濤*1，劉 剛2，陳 超3，劉新偉4

（1.中海油能源發(fā)展安全環(huán)保分公司工程監(jiān)理公司鉆完井中心，天津300452；2.中國石油大學(xué)〈華東〉石油工程學(xué)院，山東青島266580；3.中石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依834000；4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司陜西技術(shù)服務(wù)分公司，陜西西安710082）

固相顆粒質(zhì)量監(jiān)測在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。例如，在油井出砂實(shí)時(shí)監(jiān)測中，為實(shí)現(xiàn)油井適度出砂生產(chǎn)，需要對砂粒含砂量等出砂參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。因此，設(shè)計(jì)了一種利用高頻振動(dòng)信號識別固相顆粒質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)在自然狀態(tài)下接收固相顆粒撞擊管道的振動(dòng)信號，經(jīng)過放大、濾波、之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過時(shí)頻分析處理，建立固相顆粒質(zhì)量與監(jiān)測信號之間的關(guān)系。系統(tǒng)為工業(yè)生產(chǎn)的多相流測量過程中對固相顆粒含量的監(jiān)測提供了新的思路。

固相顆粒；質(zhì)量監(jiān)測；時(shí)頻分析；高頻振動(dòng)

多相流測量在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的作用，已日益受到人們的關(guān)注，目前在石油、化工、電力、冶金等行業(yè)廣泛存有多相流的研究[1]。而對于多相流中固相顆粒的監(jiān)測又是其中的難點(diǎn)，包括液固兩相流、氣固兩相流、氣液固三相流，由于受到介質(zhì)、流態(tài)、環(huán)境特性的影響，使得固相顆粒的監(jiān)測尤為復(fù)雜。例如，在油井生產(chǎn)中，如果過度出砂，就會產(chǎn)生損壞生產(chǎn)設(shè)備，引起地層坍塌等問題；而如果過度防砂，則阻礙蚯蚓洞形成，影響油井的產(chǎn)量。因此油井的出砂監(jiān)測非常重要，它主要監(jiān)測生產(chǎn)管道中攜砂原油的含砂量，控制油井的適度出砂，為后續(xù)防砂作業(yè)提供生產(chǎn)依據(jù)[2]。目前在固相顆粒含量監(jiān)測中常用到的是超聲監(jiān)測法和Electrical Resistant監(jiān)測法[3]。實(shí)驗(yàn)室提出了一種基于高頻振動(dòng)信號的固體顆粒質(zhì)量監(jiān)測方法[4]，設(shè)計(jì)一套固相顆粒質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，得到了顆粒質(zhì)量與監(jiān)測信號之間的關(guān)系，為工業(yè)生產(chǎn)中多相流固相顆粒質(zhì)量監(jiān)測提供了一種新的思路。

1 顆粒質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

基于振動(dòng)信號監(jiān)測的固相顆粒質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測過程為：將石英砂粒以自由落體方式從一定高度灑落，撞擊貼有高頻振動(dòng)傳感器的圓管外壁，傳感器接收砂粒撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)信號并轉(zhuǎn)換為電信號，由導(dǎo)線傳遞給采集儀，經(jīng)過采集儀的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化等操作將之轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，之后傳遞給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)上安裝的分析軟件進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，得到砂粒質(zhì)量與監(jiān)測信號之間的關(guān)系[5]。

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：可調(diào)高度架（可調(diào)高度為10～30cm）；篩框（配有不同目數(shù)的篩網(wǎng)）；不銹鋼管（長250mm，直徑65mm，壁厚3mm）；高頻振動(dòng)傳感器；石英砂粒（粒徑范圍20目～240目）；數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)等。

2 顆粒監(jiān)測信號處理方法

固相顆粒撞擊監(jiān)測過程實(shí)際為非平穩(wěn)非線性隨機(jī)振動(dòng)信號監(jiān)測過程，可以通過預(yù)處理、時(shí)域分析、頻域分析等信號處理方法進(jìn)行分析[6]。

信號預(yù)處理是將采集到的振動(dòng)信號數(shù)據(jù)最大程度的還原為實(shí)測振動(dòng)狀況的一種基本數(shù)據(jù)處理方式，主要有消除趨勢項(xiàng)和消除零點(diǎn)漂移。對信號結(jié)果消除線性趨勢項(xiàng)，得到方程組：

由此可得消除趨勢項(xiàng)的計(jì)算公式：

式中：x(k)——輸入、輸出的時(shí)域信號樣本，k=1，2，3，……，n；

a0、a1——待定系數(shù)。

信號時(shí)域分析是對振動(dòng)信號時(shí)間波形的分析，其描述的是振動(dòng)大小隨時(shí)間的變化情況，是通過信號的時(shí)程波形來計(jì)算平均值μx、方差σx2、均方值ψx2等特征值的：

頻域分析是對進(jìn)行時(shí)頻變換，得到的是以頻率為變量的譜函數(shù)。常用的信號變化有快速傅立葉變化、溫格納—維利變換、小波變化等。以快速傅立葉變換為例，通過頻域分析得到信號的幅值譜或功率譜：

式中：X(f)——信號的幅頻譜函數(shù)；

x(t)——采樣得到的時(shí)域信號；

Sx(ω)——信號的功率密度函數(shù)；

Rx(τ)——信號的自相關(guān)函數(shù)。

信號的分析處理中，數(shù)字濾波是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，數(shù)字濾波是利用某種數(shù)學(xué)運(yùn)算方法從所采集的數(shù)據(jù)信號中提取有用的那一部分進(jìn)行分析處理的方法，其目的是濾除采樣信號中包含的干擾噪音成分，以及提高信噪比等。實(shí)驗(yàn)室采用MATLAB編程進(jìn)行了ⅠⅠR高通濾波器的設(shè)計(jì)[7]。

根據(jù)信號分析處理原理，開發(fā)了信號采集分析軟件，軟件包括信號采集、時(shí)域分析、頻域分析等，如圖1所示，為軟件主要界面。

圖1 信號采集分析軟件界面

3 顆粒質(zhì)量監(jiān)測步驟

（1）將傳感器安裝至管壁外，測量方向與砂粒下落方向一致；

（2）調(diào)整高度架篩框位置為10cm，試驗(yàn)砂粒粒徑為80目，砂粒質(zhì)量依次為0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g，撞擊管壁得到監(jiān)測信號，傳輸?shù)讲杉瘍x、PC機(jī)進(jìn)行分析處理；

（3）依次調(diào)整高度架高度為15cm、20cm、25cm、30cm，進(jìn)行步驟（2）。

4 顆粒質(zhì)量監(jiān)測分析

理想狀態(tài)下不考慮空氣阻力，不同高度砂粒下落可以轉(zhuǎn)化為不同的撞擊速度，從10～30cm高度落下時(shí)的撞擊速度如表1所示。

表1 不同高度下砂粒撞擊速度

4.1 不同高度下砂粒的時(shí)域特征

根據(jù)振動(dòng)信號的分析原理，在0.5g、1.5g、2.5g質(zhì)量對不同高度灑下的砂粒撞擊產(chǎn)生的信號進(jìn)行時(shí)域分析。得到的不同高度時(shí)砂粒撞擊信號的均方差值σx(t)統(tǒng)計(jì)值，如表2所示。做出不同質(zhì)量下監(jiān)測信號均方差值與撞擊高度的關(guān)系曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，同一高度時(shí)，不同質(zhì)量的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著質(zhì)量的增大，均方差值逐漸增大；同一質(zhì)量時(shí)，不同高度的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著高度的增加，均方差值逐漸增大。

表2 不同高度落下砂粒均方差值統(tǒng)計(jì)表

圖2 均方差值隨高度的變化曲線

4.2 不同粒徑下砂粒的時(shí)域特征

根據(jù)振動(dòng)信號的分析原理，在10cm、20cm、30cm高度時(shí)對不同質(zhì)量的砂粒撞擊產(chǎn)生的信號進(jìn)行時(shí)域分析。得到的不同高度時(shí)砂粒撞擊信號的均方差值σx(t)統(tǒng)計(jì)值，如表3所示。做出不同質(zhì)量下監(jiān)測信號均方差值與撞擊高度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

表3 不同質(zhì)量砂粒均方差值統(tǒng)計(jì)表

圖3 均方差值隨質(zhì)量的變化曲線

從圖3可以看出，同一質(zhì)量時(shí)，不同高度的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著高度的增大，均方差值逐漸增大；同一高度時(shí)，不同質(zhì)量的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著質(zhì)量的增加，均方差值逐漸增大。

利用Matlab多項(xiàng)式擬合，得出不同質(zhì)量時(shí)下砂粒幅值譜擬合關(guān)系：

5 結(jié)論

（1）一定粒徑砂粒，同一高度時(shí)，不同質(zhì)量的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著質(zhì)量的增大，均方差值逐漸增大；同一質(zhì)量時(shí)，不同高度的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著高度的增加，均方差值逐漸增大。

（2）一定粒徑砂粒，同一質(zhì)量時(shí)，不同高度的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著高度的增大，均方差值逐漸增大；同一高度時(shí)，不同質(zhì)量的砂粒撞擊產(chǎn)生的監(jiān)測信號均方差值不同，隨著質(zhì)量的增加，均方差值逐漸增大。

（3）不同粒徑砂粒，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到砂粒質(zhì)量與時(shí)域特征值的關(guān)系圖形和曲線，驗(yàn)證了振動(dòng)監(jiān)測固體顆粒質(zhì)量的可行性，為其提供了新的思路。

（4）此系統(tǒng)還可以監(jiān)測不同性質(zhì)固相顆粒，不同固相顆粒的粒徑。但未來需要建立明確的數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)公式，得到固相顆粒與監(jiān)測信號之間的具體關(guān)系。

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[2] Marndouh M.Salarna.Sand Production Management[C].Offshore Technology Conference，Houston，Texas，SPE-8900-MS，May 1998.

[3]黃志堯，王保良，史志才，等.軟測量技術(shù)在多相流檢測中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22(3)：421-424.

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[7]蔣洪明，張慶.動(dòng)態(tài)測試?yán)碚撆c應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，1999：13-43.

TE38

A

1004-5716(2015)04-0050-03

2014-04-16

2014-04-17

國家科技重大專項(xiàng)課題“海上油田適度出砂地面檢測技術(shù)及裝置研究”(2008ZX05024－003－020)。

劉澎濤（1989-），男（漢族），山東惠民人，助理工程師，現(xiàn)從事油氣井力學(xué)信息與控制工作。