基于振动信号分析的固相颗粒粒径监测方法

李文金，刘澎涛，苏建燕，陈 超，韩金良

（1.中海油（中国）有限公司 番禹作业公司，广州518067；2.中海油安全技术服务有限公司，天津300452；3.天津大学 理学院，天津300072；4.中石油新疆油田公司，新疆 克拉玛依834000；5.中石油煤层气有限责任公司 陕西技术服务分公司，西安710082）

基于振动信号分析的固相颗粒粒径监测方法

李文金1，刘澎涛2，苏建燕3，陈 超4，韩金良5

（1.中海油（中国）有限公司 番禹作业公司，广州518067；2.中海油安全技术服务有限公司，天津300452；3.天津大学 理学院，天津300072；4.中石油新疆油田公司，新疆 克拉玛依834000；5.中石油煤层气有限责任公司 陕西技术服务分公司，西安710082）

设计了基于高频振动信号分析的固相颗粒粒径在线监测系统。采用高频振动传感器接收颗粒撞击管道产生的高频振动信号，经过处理、转换为电信号传输给采集仪。通过采集仪的滤波、放大及AD转换，转换为数字信号传递给计算机，经信号处理分析得到颗粒粒径与监测信号之间的关系。该系统可以为监测油井出砂提供技术支持。

固相颗粒；高频振动；粒径监测；试验

固相颗粒的粒径可以影响产品的性质及生产过程。例如，水泥颗粒粒径会决定水泥的凝结时间，催化剂的粒度会影响到催化活性，油井出砂粒径会影响油井的适度出砂生产及后续防砂操作等。因此，固相颗粒粒径的监测日益受到人们的关注，并逐渐成为测量学中的重要分支［1］。传统的颗粒粒径测量方法主要有筛分法、沉降法、显微镜法等，近期发展的监测方法有激光监测法和超声监测法等［2］。本文提出一种基于高频振动的固体颗粒粒径监测方法［3］，并设计了颗粒粒径监测系统，得到了颗粒粒径与监测信号之间的关系，为工业生产中粒径的测量提供了一种新的思路。

1 粒径监测试验系统

固相颗粒粒径监测系统是基于振动信号监测技术而设计的。将砂粒以自由落体方式从一定高度落下撞击圆管外壁，采用贴在金属管壁上的高频振动传感器接收砂粒撞击产生的振动信号，经过处理并转换为电信号由导线传递给采集仪，通过采集仪的滤波、放大、模数转化等操作转化为数字信号，由网线传递给计算机，再经计算机分析软件进行时频分析，得到砂粒粒径与监测信号之间的关系［4］。

试验装置主要包括：1个高度调节架，调节高度10～30 c m；1个筛框，配有不同目数的筛网；1个不锈钢管，长250 mm，直径65 mm，壁厚3 mm；1个高频振动传感器；不同粒径的石英砂粒，粒径20～240目；数据采集仪及计算机等。试验系统如图1所示。

图1 固相颗粒粒径监测试验系统

2 试验步骤

1） 将传感器安装至管壁外，测量方向与砂粒下落方向一致。

2） 调整高度调节架，筛框高度为10 c m，砂粒质量为2.0 g，试验砂粒粒径分别为20、40、60、80、90、110、130、150、180、200、220、240目，撞击管壁得到振动信号，传输到数据采集仪、计算机进行存储及分析处理。

3） 依次调整筛框高度为15、20、25、30 c m，进行步骤（2）。

3 试验数据分析

3.1 信号的时频分析

信号的时频是指利用时间和频率的综合函数对信号进行表示，是非平稳信号处理的1个分支，是利用时间与频率的联合函数来表示非平稳信号并对其进行处理和分析的方法［5］。

信号的时域分析是通过信号的时程波形来计算平均值、方差、均方根、均方差等特征值的，若非平稳随机信号的概率密度p（t，x）是时间的函数，以p（t，x）为基础可以定义均方差σx（t）。

信号的频域分析是在傅立叶变换的基础上的时频变换处理，得到以频率为变量的谱函数。傅氏谱函数的实部和虚部可转换成幅值谱和相位谱。幅值谱特征用来分析砂粒粒径特征［6］，可以定义为：

3.2 不同高度下砂粒的时域特征

忽略空气摩阻，砂粒从一定高度落下视为自由落体运动，从10～30 c m高度落下时的撞击速度如表1所示。

表1 不同高度下砂粒撞击速度

根据振动信号的分析处理，在粒径一定下分别对2.0 g不同高度撒下的砂粒撞击产生的信号进行时域分析。时域处理得到的不同高度时砂粒撞击信号均方差值，如图2所示。

图2 振动信号时域的均方差值随高度的变化曲线

从图2可以看出，同一高度时，不同粒径的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着粒径的增大，均方差值逐渐增大；同一粒径时，不同高度的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着高度的增加，均方差值逐渐增大。

3.3 不同粒径下砂粒的频域特征

3.3.1 一定粒径下幅值谱值特征

根据振动信号的分析处理，在一定高度下分别对2.0 g质量的不同粒径砂粒撞击采集的监测信号进行频域分析。频域处理得到的不同粒径时砂粒撞击信号幅值谱值如图3所示。

图3 不同高度监测信号幅值谱值随粒径的变化曲线

从图3可以看出，同一粒径时，不同高度的砂粒撞击产生的监测信号幅值谱值不同，随着高度的增加，幅值谱值逐渐增大；同一高度时，不同粒径的砂粒撞击产生的监测信号幅值谱值不同。随着粒径的变化呈现两个趋势：粒径40～130目，幅值谱峰值随砂粒粒径的减小而减小，减小趋势逐渐平缓；粒径150～240目，幅值谱峰值随砂粒粒径的减小而增大，增大趋势逐渐陡峭。

利用Matlab多项式拟合，得出不同高度下砂粒幅值谱模型：

高度10 c m：y＝－2×10－12x5＋3×10－9x4－1×10－6＋0.000 2x2－0.017 7x＋0.609 1

高度20 c m：y＝－1×10－12x5＋2×10－9x4－9×10－7＋0.000 2x2－0.018 4x＋0.676 9

高度30 c m：y＝1×10－12x5＋3×10－10x4－5×10－7x3＋0.000 1x2－0.017 1x＋0.718 7

3.3.2 一定粒径下幅值谱主频特征

根据振动信号的分析处理，在高度一定下分别对2.0 g质量的不同粒径的砂粒撞击采集的监测信号进行频域分析。频域处理得到的不同粒径时砂粒撞击信号的幅值谱主频值，如图4所示。

图4 不同高度下砂粒幅值谱主频随粒径的变化曲线

从图4可以看出，同一粒径时，不同高度下砂粒撞击产生的幅值谱主频值基本相同；同一高度时，砂粒撞击产生的幅值谱主频在粒径40～130目的变化不大，稳定在35 k Hz左右，但自150～240目，幅值谱主频逐渐减小至25 k Hz，并维持稳定。

3.3.3 一定粒径下分频段幅值谱有效值特征

为验证砂粒幅值谱主频的变化趋势，对砂粒信号进行分频段特征统计，以幅值谱有效值作为标准［7］。以2.0 g质量的砂粒10 c m高度落下为例，频域处理得到的各粒径不同频率段的幅值谱有效值，如图5所示。

图5 砂粒各频段幅值谱有效值随粒径变化曲线

从图5可以看出，幅值谱有效值随砂粒粒径的变化与图3中幅值谱峰值的变化规律类似，同样在40～130目，幅值谱有效值随砂粒目数增大而减小，在150～240目，幅值谱有效值随砂粒目数增大而增大。图5a中可以看出30～40 k Hz频段能量占主导地位，故图4中，粒径在40～130目的主频一直稳定在35 k Hz附近；图5b中可以看出20～30 k Hz频段能量占主导地位，而图4中粒径在150～240目的主频降至25 k Hz附近。因此，通过分频段对幅值谱有效值的分析充分解释了砂粒幅值谱主频的变化规律。

利用Matlab进行多项式拟合，得出砂粒各频段幅值谱有效值模型：

0～51.2 k Hz：y＝－2×10－11x5＋2×10－8x4－6×10－6x3＋0.001 0x2－0.082 0x＋2.527 8

20～30 k Hz：y＝－2×10－11x5＋1×10－8x4－5×10－6x3＋0.000 8x2－0.060 9x＋1.901 1

30～40 k Hz：y＝－2×10－11x5＋1×10－8x4－4×10－6x3＋0.000 6x2－0.048 7x＋1.440 3

40～50 k Hz：y＝－8×10－12x5＋7×10－9x4－2×10－6x3＋0.000 4x2－0.029 9x＋0.929 5

3.4 试验结果分析

由能量守恒定律可知，砂粒自由落体由重力势能向动能转化过程中，质量和速度直接影响撞击能量变化，但由于受撞击物体的形状限制，砂粒撞击管壁发生在有效的撞击面积内，这就导致质量、速度相同的不同粒径砂粒在撞击管壁时产生的信号不同。砂粒撞击管壁能量取决于撞击有效面积内砂粒的质量和速度。一定粒径范围内（粒径40～130目），砂粒撞击管壁的能量除了初次撞击外，还会有反弹再撞击的二次能量，而颗粒越大，反弹次数越多（如图6）。

图6 不同粒径的砂粒撞击管壁示意

根据分析结果，质量小、粒径大颗粒撞击能量叠加大于质量大、粒径小颗粒的撞击能量叠加，故在该范围内，撞击能量随粒径减小而减小；而粒径减小到一定范围内后（粒径150～240目），颗粒反弹次数大幅减少，致使撞击有效面积内砂粒质量成为影响撞击能量的主要因素，在有效面积内，粒径小的颗粒总质量大，因此，在撞击速度一定情况下，撞击能量随粒径减小而增大［8］。

4 结论

1） 在砂粒质量和粒径一定的情况下，振动信号的均方差值随砂粒撞击速度的增加而增加。幅值谱值与粒径关联性好，出现两段变化关系：砂粒粒径为40～130目时，振动信号时频特征量随粒径减小而减小，且减小趋势逐渐平缓；砂粒粒径为150～240目时，振动信号时频特征量随粒径减小而增大，且增大趋势逐渐陡峭。

2） 砂粒质量和撞击速度对振动信号幅值谱主频基本没有影响。在砂粒粒径40～130目时，振动信号幅值谱主频基本没有变化，但在150～240目时由35 k Hz降低至25 k Hz。

［1］ 胡松青，李琳，郭祀远，等.现代颗粒粒度测量技术［J］.现代化工，2002，22（1）：58-61.

［2］ 陈超，黄建龙.测量新技术在粉体粒度分析中的应用［J］.机械设计与制造，2009（11）：96-97.

［3］ 刘刚，陈超.AE技术在石油工程中的应用［J］.中国科技信息，2012（1）：45-46.

［4］ Br uno Cr uxen Marques，Paulo Cesar F.Henriques，Cintyha Estefani and Guilher me V.P.Donato.In-service integrity monitoring through the association of acoustic emission and phased array non destructive examination［R］.SPE 126326，2010.

［5］ 杨西侠，柯晶.信号分析与处理［M］.北京：机械工业出版社，2007：175-192.

［6］ 张玉华，马旭波.MATLAB在信号分析与处理中的应用［J］.电力学报，2008，23（6）：485-487.

［7］ 胡丽莹，肖蓬.快速傅里叶变换在频谱分析中的应用［J］，福建师范大学学报（自然科学版），2011，27（4）：27-30.

［8］ 刘刚，刘澎涛，韩金良，等.基于振动的非植入稠油油井出砂监测系统室内研究［J］.石油矿场机械，2013，42（9）：51-55.

Solid Particle Size Monitoring Method Based on Vibration Signal Analysis

LI Wen-jing1，LIU Peng-tao2，SU Jian-yan3，CHEN Chao4，HAN Jin-liang5
（1.CNOOC Panyu Operating Company，Guangzhou 518067，China；2.CNOOCSaf ety&Technology Ser vices Co.，Lt d.，Tianjin 300452，China；3.Depart ment of Mathematics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；4.Xinjiang Oil f iel d Company of PetroChina，Kar a may 834000，China；5.Shanxi Technology Ser vice Br anch，PetroChina Coalbed Methane Company Li mited，Xi’an 710082，China）

A kind of on-line vibration laboratory system on monitoring solid particle size is designed.The system uses high frequency vibration sensor to receive vibration signal generated fro m the i mpact of particle to the pipe.After processing and converting，the signal is trans mitted to acquisition instr u ment which can filter，amply，and convert t he anal og signal to a digital signal，and then it is trans mitted to the computer with analysis soft ware to obtain the relationship bet ween monitoring signal and particle size.The system plays a guiding r ole f or industrial production in monitoring solid particle size.

solid particle；high-frequency vibration；particle size monitoring；testing

TE937

A

1001-3482（2014）06-0001-04

2014-12-28

国家科技重大专项课题“海上油田适度出砂地面检测技术及装置研究”（2008ZX05024-003-020）

李文金（1971-），男，四川宜宾人，工程师，现从事海洋油气钻井、完井技术研究及管理工作，E-mail：li.wenjin＠cnoocpoc.co m。