基于高频振动信号分析的稠油出砂量监测方法

刘 刚，贾宗文，刘志国，何宝生

(1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266555;2.北京师范大学核科学与技术学院，北京 100875;3.中海石油研究中心，北京 100027)

基于高频振动信号分析的稠油出砂量监测方法

刘 刚1，贾宗文1，刘志国2，何宝生3

(1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266555;2.北京师范大学核科学与技术学院，北京 100875;3.中海石油研究中心，北京 100027)

针对海上稠油开发中的适度出砂监测问题，设计一种能够持续有效监测油井出砂的监测系统，并进行室内试验。利用专门设计的一次仪表对砂粒撞击产生的高频振动信号进行监测，在实验室条件下，进行不同出砂量条件下的黏度为130 mPa·s的原油出砂监测效果试验。采用编写的信号分析程序对监测的出砂信号进行时域、频域特征分析。结果表明，该系统能有效监测油流中含砂量的变化，随着含砂量的增加，出砂振动信号的方差值、均方根值、功率谱幅值等信号特征值均增大，且基本呈线性变化，试验结果验证了监测系统的可行性。

稠油;含砂量;高频振动信号;信号监测;时域分析;频域分析

出砂一直是困扰油井生产的重要因素，大量出砂或连续严重出砂会影响油井正常生产，并可能造成油气层砂埋、油管砂堵、地面管汇积砂等严重后果。严格控制出砂不仅需要复杂昂贵的防砂工艺及装备，而且会严重影响油井产能，也对海上油田在平台设备寿命期限内的低成本优快开发不利。适度出砂是一种出砂冷采与防砂相结合的生产方式，通过优化产量和油井产能在防砂生产和出砂生产之间确定最优的生产策略，既有选择、有限度地防砂，又能使油井以可能的最高产量生产。针对海上部分油田的开发现状，采用适度出砂开采技术可以保证油井的效益最大化。要保持适度出砂，又保证不会因大量出砂引发的井筒及设备问题，需要一种油井出砂监测装备技术和设备［1-4］，实时监测油井出砂状况，指导采油生产及时调整参数，实现适度出砂、安全快速开采。目前，国外出砂监测方面研究［5-11］主要针对气井或稀油开采，稠油出砂监测方面的研究几乎空白，对出砂监测信号分析处理方法还基于静态信号的处理上，且没有给出具体的计算方法［12-13］。笔者设计一种监测稠油油井出砂的监测装置，利用安装于监测管路的一次仪表感受砂粒冲击产生的高频振动信号，采用信号采集装置和专用的采集软件采集监测数据，利用专门编制的数据处理软件对采集的动态信号进行分析、处理，得出信号的特征随出砂参数的变化规律，实现出砂监测。

1 稠油出砂监测系统室内评价装置

该出砂监测系统主要由一次仪表总成、加速度传感器、加热搅拌罐、信号滤波采集系统、计算机信号处理系统、柱塞泵、电机、压力传感器等组成。实验室出砂监测系统评价流程如图1所示。

试验中选用加速度传感器［14］感受出砂信号。该传感器具有灵敏度高、信噪比高、体积小、工作频率范围大等优点。携带砂粒的油流以通过一次仪表总成进行信号放大，产生的振动信号通过高灵敏度的加速度传感器拾取振动信号，经过滤波、放大、检波等预处理，将调理后信号用专用的计算机软件进行时域和频域分析［15-16］，得到含砂量、出砂粒度等与振动特征的关系。

一次仪表总成的作用在于增大砂粒冲击强度，以利于增大传感器对出砂信号的感受能力。

图1 稠油出砂监测系统室内评价装置示意图Fig.1 Sketch map of evaluation equipment of heavy oil sand monitoring system in laboratory

2 出砂信号采集分析系统

为满足试验监测要求，研发了信号数据采集软件。出砂信号监测系统软件包括信号采集软件及信号处理程序。信号采集软件界面如图2所示。

图2 出砂振动信号采集分析软件界面Fig.2 Logging software of sand monitoring signal

根据信号处理的需要，编写了包括时域分析(时域幅值、方差计算、平均值计算、均方根计算、概率密度分布等)、频域分析(FFT变换、频域幅值、功率谱密度等)等内容的信号处理程序。

3 监测信号分析处理程序设计原理

试验中砂粒撞击过程实际上是确定振动系统受到随机力的激励作用而产生的振动，可视为随机振动，因此采用时域分析、频域分析及滤波等进行信号处理。

3.1 时域分析

时域分析是对振动随时间变化的波形的分析。时域分析主要包括时域特征值(均值、均方值、方差)和概率密度分析等统计信息。

(1)概率密度。概率密度函数是表示信号瞬时值落在某指定区间内的概率。对于出砂监测信号其表达式可写为

式中，p(x)为幅值概率密度;Δx为幅值区间间隔;T为总的分析时间;ti为某区间出现的时间。

(2)时域特征值。均值是该随机振动信号变化的中心趋势，对于出砂监测信号其表达式可写为

式中，N为采集到的总数据个数;x(k)为监测信号样本函数。

方差描述了动态信号波动分量，出砂振动信号方差可表示为

3.2 频域分析

频域分析是建立在傅里叶变换基础上的时频变换处理，所得到的结果是以频率为变量的函数。频域分析主要包括傅里叶变换、功率谱密度分析、幅值谱分析等。

功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，反映了信号功率在单位频域的分布。单个随机振动信号的功率谱密度函数是该随机振动信号的自相关函数的傅里叶变换。自相关函数Rxx(τ)定义为乘积x(t)x(t+τ)的平均值，即

式中，x(t)为信号样本函数;x(t+τ)为从t移至τ后的样本;τ为时移量，－∞ ＜τ＜∞。

经傅里叶变换后得到随机振动信号的功率谱密度函数为

由此可知，Sxx(f)曲线和频率轴所包围的面积就是信号的平均功率，它表示了信号的功率按频率分布的规律。

3.3 IIR数字滤波器的设计

IIR数字滤波器的滤波表达式可以定义为一个差分方程，即

式中，N为IIR滤波器阶数;M为滤波器系统传递函数的零点数;a1k和b1k为权函数系数。

IIR滤波器设计步骤流程见图3。

图3 IIR数字滤波器MATLAB设计步骤流程Fig.3 Designing of IIR digital filter using MATLAB

根据上述理论，编写出砂监测信号处理程序，对出砂信号进行时域、频域、滤波等处理，对随机振动水平作出评价。

4 出砂监测试验设计及结果分析

在实验室条件下，采用机油作为携砂流体，砂样选用分选出的一定粒径的石英砂，改变试验介质中的含砂量进行单相液流中的含砂评价监测试验。在不同砂样含量条件下进行对比试验，采集了振动信号并进行对比分析。

4.1 含砂量试验

试验条件：室温为25℃左右，机油黏度130 mPa·s，试验用砂样粒径为 0.25 mm，泵排量为0.4545 L/s，管道中流速为1.447 m/s，喷头处安装内径为5 mm的喷嘴，喷嘴出口流速为23.147 m/s。

试验过程：该试验条件下，从无砂开始，逐渐加砂至含砂量为 0.5‰、1‰、2‰、4‰、6‰、8‰，分别进行出砂监测试验，采集出砂振动信号并进行对比分析，得到不同含砂量情况下出砂振动信号特征值变化关系(表1、图4～7)。

表1 不同含砂量下的信号特征Table 1 Characteristic values of sand monitoring signal with different sand contents

图4 不同含砂量条件下的出砂信号时域图Fig.4 Time domain chart of sand monitoring signal under different sand contents

由图7可以看出，在其他各试验条件均相同的情况下，随着含砂量的逐渐增加，出砂振动信号的功率谱幅值、均方根等信号特征值逐渐增大。

图7 出砂监测信号时域谱幅值及功率谱幅值变化曲线Fig.7 Change of time domain value and power spectrum amplitude value with sand content

4.2 试验结果分析

含砂量是影响出砂监测信号强度的重要因素之一。在速度一定的条件下，含砂量越大，单位时间内流经管道的砂粒越多，砂粒所携带的动能越大，砂粒撞击管壁的强度越大，加速度传感器感受到的高频振动信号的强度也就越大，导致出砂监测信号的特征值也越大。根据出砂振动信号的各特征值对比分析，得到不同试验条件下的出砂状况，为预测出砂趋势提供依据。此外，根据采样定理，信号的采样频率必须大于信号本身截止频率的两倍才能保证信号不会失真。由图6可以看出，信号本身的截止频率在4 kHz左右，而采样频率为10 kHz，完全满足要求。

5 结论

(1)研制了一种稠油出砂监测系统和与之配套的易于感受出砂信号的一次仪表，编写了信号采集软件及信号处理程序，形成了一种稠油出砂监测方法，弥补了国内外稠油出砂监测方面研究的不足。

(2)在其他试验条件均相同的情况下，随着含砂量增加，出砂监测信号的时域幅值、频域幅值、功率谱幅值、方差值、均方根等信号特征值逐渐增大。

(3)该系统可以有效地感知油流中含砂量的变化，试验验证了该方法在稠油出砂监测中的可行性。

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Sand content monitoring method of heave oil wells based on high-frequency vibration signal analysis

LIU Gang1，JIA Zong-wen1，LIU Zhi-guo2，HE Bao-sheng3
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.College of Nuclear Science and Technology in Beijing Normal University，Beijing 100875，China;3.Research Centre of CNOOC，Beijing 100027，China)

A system was designed to monitor sand production continuously and effectively for the increasing sand production problem during oil exploitation.In this system，the high-frequency vibration signal caused by sand impact was monitored by an acceleration sensor.The signal processing procedure was compiled，and the sand impact signals with time domain and frequency domain characteristics were analyzed under different experimental conditions.The experiment under different sand contents with heave oil(the viscosity is about 130 mPa·s)was conducted.The results show that，with the increase of sand content，the power spectrum amplitude，the root-mean-square value and the variance of sand monitoring signal increase lineally as well.And the result proves that the system can monitor the variation of sand content effectively.

heave oil;sand content;high-frequency vibration signal;singal monitoring;time domain analysis;frequency domain analysis

TE 358

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.017

1673-5005(2011)03-0084-05

2011－04－08

国家科技重大专项课题(2008ZX05024－003－020)

刘刚(1960－)，男(汉族)，安徽利辛人，教授，博士，主要从事油气井工程方面的教学和科研工作。

(编辑 李志芬)