油氣井出砂超聲信號的高效采集系統(tǒng)

胡 軍，趙建平，劉 彤，許林康，徐 飛

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

在石油采集過程中，油氣井出砂會對石油采集的產(chǎn)量產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)茐氖筒杉膬x器造成重大的生產(chǎn)事故。出砂監(jiān)測儀器就是用于對油井管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，估計(jì)油氣井的出砂量從而指導(dǎo)采油現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。但現(xiàn)有的出砂監(jiān)測儀器在采集信號時(shí)往往無法準(zhǔn)確的捕捉到包含砂粒撞擊信號的超聲信號，采集到的信號中包含過多的噪聲并且缺少部分砂粒撞擊信號，造成對油氣井出砂情況的錯(cuò)誤估計(jì)[1-4]。

1 分析噪聲和砂粒撞擊信號的特點(diǎn)

出砂采集系統(tǒng)如圖1所示。油氣井出砂砂粒主要撞擊的位置是在油井管道彎處，超聲傳感器安裝在砂粒撞擊點(diǎn)的對應(yīng)的外管壁處。

圖1 出砂采集系統(tǒng)示意圖

1.1 采油現(xiàn)場的噪聲分析

出砂監(jiān)測儀器為了保證能夠盡可能采集到砂粒撞擊的超聲信號，一般會選用靈敏性較高的傳感器，而采油現(xiàn)場的情況復(fù)雜，現(xiàn)場充斥著各種各樣的噪聲?，F(xiàn)場的噪聲主要包含采油機(jī)運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的噪聲和抽油桿摩擦產(chǎn)生的噪聲，抽油機(jī)運(yùn)作產(chǎn)生的噪聲頻率較低幅值較高，抽油桿摩擦產(chǎn)生的噪聲頻率較高，且噪聲恒定，周期性明顯。在監(jiān)測過程中在沒有對信號做預(yù)處理的情況下這些噪聲都會被當(dāng)作出砂信號采集，并且用于估計(jì)油氣井的出砂量。

1.2 砂粒撞擊的信號特性

油氣井出砂砂粒撞擊管壁產(chǎn)生的信號和砂粒的形狀和大小以及砂粒撞擊的速度有關(guān)。砂粒的速度越快撞擊力量越大撞擊產(chǎn)生的頻率越高，砂粒的形狀越不規(guī)則，撞擊產(chǎn)生的頻率越高。通過分析采油現(xiàn)場的超聲信號，可以確定油氣井砂粒撞擊產(chǎn)生的信號范圍大概在20kHz～150kHz。在時(shí)域方面砂粒撞擊管壁產(chǎn)生的信號幅值普遍高于油水混合物撞擊管壁產(chǎn)生的信號幅值。

2 信號處理

2.1 信號驅(qū)動電路

本系統(tǒng)的超聲傳感器體積較小，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號驅(qū)動能力差，信號無法通過AD直接采集。為了使信號能夠被采集，本系統(tǒng)在信號進(jìn)入AD前增加了一個(gè)前置電路，用于增加信號的驅(qū)動能力，電路如圖2所示。本電路使用兩級驅(qū)動，首先使用AD4077組成放大電路對信號進(jìn)行2倍放大，然后使用AD811組成信號跟隨電路進(jìn)一步增加信號的驅(qū)動能力。若使用單芯片進(jìn)行信號驅(qū)動，由于傳感器產(chǎn)生的電流信號過于微弱，若想達(dá)到增加信號驅(qū)動能力的目的必須使電路的輸入電阻和反饋電阻增加到MΩ級。但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由此組成的電路會造成信號的零點(diǎn)漂移。為了避免這種情況，保證信號的真實(shí)性，本系統(tǒng)采用兩級驅(qū)動電路。

圖2 信號驅(qū)動電路

2.2 信號的濾波

從砂粒撞擊的信號特性可知，砂粒撞擊管壁的信號的幅值普遍較高，所以通過帶通濾波器后的信號在被AD電路采集后會進(jìn)行數(shù)字濾波，數(shù)字濾波主要從幅值方面入手，去除幅值較低的超聲信號。

搭建室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集效率，信號通過噴砂機(jī)一秒噴射一次砂粒撞擊管道產(chǎn)生，采用出砂監(jiān)測儀器采集信號，數(shù)據(jù)上傳上位機(jī)顯示。為了能夠直觀的顯示數(shù)據(jù)采集的起始點(diǎn)，上位機(jī)顯示的波形為設(shè)定閾值的前后各512個(gè)點(diǎn)組成。

圖3是未設(shè)定閾值采集到的超聲信號，噴砂機(jī)以一秒一次的固定頻率噴射砂粒上位機(jī)顯示采集系統(tǒng)共采集10次數(shù)據(jù)，其中只有兩次捕捉到了砂粒撞擊管壁的超聲信號。圖4是閾值設(shè)定為500mV時(shí)采集的信號波形，從圖4中看出當(dāng)設(shè)定了采集閾值后，出砂監(jiān)測系統(tǒng)能夠正確捕獲砂粒撞擊信號，而無用的噪聲被濾除，出砂監(jiān)測系統(tǒng)的采集效率顯著提高。

圖3 直接采集

圖4 數(shù)字濾波后采集

3 結(jié)語

由以上論述可知，本系統(tǒng)能夠成功采集并處理砂粒撞擊產(chǎn)生的超聲信號。并且可以明顯的看出經(jīng)過數(shù)字濾波后，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的噪聲明顯減少，數(shù)據(jù)處理量大大減少，出砂監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效率及精度顯著提高。