油氣井出砂超聲信號的高效采集系統

胡 軍，趙建平，劉 彤，許林康，徐 飛

（1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.西安應用光學研究所，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量產生影響，嚴重的情況下甚至會破壞石油采集的儀器造成重大的生產事故。出砂監測儀器就是用于對油井管道進行實時監測，估計油氣井的出砂量從而指導采油現場的安全生產。但現有的出砂監測儀器在采集信號時往往無法準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誤估計[1-4]。

1 分析噪聲和砂粒撞擊信號的特點

出砂采集系統如圖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的對應的外管壁處。

圖1 出砂采集系統示意圖

1.1 采油現場的噪聲分析

出砂監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，而采油現場的情況復雜，現場充斥著各種各樣的噪聲。現場的噪聲主要包含采油機運作時產生的噪聲和抽油桿摩擦產生的噪聲，抽油機運作產生的噪聲頻率較低幅值較高，抽油桿摩擦產生的噪聲頻率較高，且噪聲恒定，周期性明顯。在監測過程中在沒有對信號做預處理的情況下這些噪聲都會被當作出砂信號采集，并且用于估計油氣井的出砂量。

1.2 砂粒撞擊的信號特性

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

2 信號處理

2.1 信號驅動電路

本系統的超聲傳感器體積較小，通過壓電效應產生的電信號驅動能力差，信號無法通過AD直接采集。為了使信號能夠被采集，本系統在信號進入AD前增加了一個前置電路，用于增加信號的驅動能力，電路如圖2所示。本電路使用兩級驅動，首先使用AD4077組成放大電路對信號進行2倍放大，然后使用AD811組成信號跟隨電路進一步增加信號的驅動能力。若使用單芯片進行信號驅動，由于傳感器產生的電流信號過于微弱，若想達到增加信號驅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。但經過實驗發現，由此組成的電路會造成信號的零點漂移。為了避免這種情況，保證信號的真實性，本系統采用兩級驅動電路。

圖2 信號驅動電路

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電路采集后會進行數字濾波，數字濾波主要從幅值方面入手，去除幅值較低的超聲信號。

搭建室內實驗平臺驗證數據采集效率，信號通過噴砂機一秒噴射一次砂粒撞擊管道產生，采用出砂監測儀器采集信號，數據上傳上位機顯示。為了能夠直觀的顯示數據采集的起始點，上位機顯示的波形為設定閾值的前后各512個點組成。

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

圖3 直接采集

圖4 數字濾波后采集

3 結語

由以上論述可知，本系統能夠成功采集并處理砂粒撞擊產生的超聲信號。并且可以明顯的看出經過數字濾波后，監測系統采集到的噪聲明顯減少，數據處理量大大減少，出砂監測系統的監測效率及精度顯著提高。