基于高频振动的固相颗粒质量监测系统设计

刘澎涛，刘 刚，陈 超，刘新伟

（1.中海油能源发展安全环保分公司工程监理公司钻完井中心，天津300452；2.中国石油大学〈华东〉石油工程学院，山东青岛266580；3.中石油新疆油田公司，新疆克拉玛依834000；4.中石油煤层气有限责任公司陕西技术服务分公司，陕西西安710082）

基于高频振动的固相颗粒质量监测系统设计

刘澎涛*1，刘 刚2，陈 超3，刘新伟4

（1.中海油能源发展安全环保分公司工程监理公司钻完井中心，天津300452；2.中国石油大学〈华东〉石油工程学院，山东青岛266580；3.中石油新疆油田公司，新疆克拉玛依834000；4.中石油煤层气有限责任公司陕西技术服务分公司，陕西西安710082）

固相颗粒质量监测在工业生产中具有重要意义。例如，在油井出砂实时监测中，为实现油井适度出砂生产，需要对砂粒含砂量等出砂参数进行监测。因此，设计了一种利用高频振动信号识别固相颗粒质量的实验系统。系统在自然状态下接收固相颗粒撞击管道的振动信号，经过放大、滤波、之后转换为数字信号，通过时频分析处理，建立固相颗粒质量与监测信号之间的关系。系统为工业生产的多相流测量过程中对固相颗粒含量的监测提供了新的思路。

固相颗粒；质量监测；时频分析；高频振动

多相流测量在工业生产中有重要的作用，已日益受到人们的关注，目前在石油、化工、电力、冶金等行业广泛存有多相流的研究[1]。而对于多相流中固相颗粒的监测又是其中的难点，包括液固两相流、气固两相流、气液固三相流，由于受到介质、流态、环境特性的影响，使得固相颗粒的监测尤为复杂。例如，在油井生产中，如果过度出砂，就会产生损坏生产设备，引起地层坍塌等问题；而如果过度防砂，则阻碍蚯蚓洞形成，影响油井的产量。因此油井的出砂监测非常重要，它主要监测生产管道中携砂原油的含砂量，控制油井的适度出砂，为后续防砂作业提供生产依据[2]。目前在固相颗粒含量监测中常用到的是超声监测法和Electrical Resistant监测法[3]。实验室提出了一种基于高频振动信号的固体颗粒质量监测方法[4]，设计一套固相颗粒质量监测系统，得到了颗粒质量与监测信号之间的关系，为工业生产中多相流固相颗粒质量监测提供了一种新的思路。

1 颗粒质量监测系统

基于振动信号监测的固相颗粒质量监测系统，主要监测过程为：将石英砂粒以自由落体方式从一定高度洒落，撞击贴有高频振动传感器的圆管外壁，传感器接收砂粒撞击产生的振动信号并转换为电信号，由导线传递给采集仪，经过采集仪的滤波、放大、模数转化等操作将之转化为数字信号，之后传递给计算机，经过计算机上安装的分析软件进行时域分析和频域分析，得到砂粒质量与监测信号之间的关系[5]。

实验装置主要包括：可调高度架（可调高度为10～30cm）；筛框（配有不同目数的筛网）；不锈钢管（长250mm，直径65mm，壁厚3mm）；高频振动传感器；石英砂粒（粒径范围20目～240目）；数据采集仪及计算机等。

2 颗粒监测信号处理方法

固相颗粒撞击监测过程实际为非平稳非线性随机振动信号监测过程，可以通过预处理、时域分析、频域分析等信号处理方法进行分析[6]。

信号预处理是将采集到的振动信号数据最大程度的还原为实测振动状况的一种基本数据处理方式，主要有消除趋势项和消除零点漂移。对信号结果消除线性趋势项，得到方程组：

由此可得消除趋势项的计算公式：

式中：x(k)——输入、输出的时域信号样本，k=1，2，3，……，n；

a0、a1——待定系数。

信号时域分析是对振动信号时间波形的分析，其描述的是振动大小随时间的变化情况，是通过信号的时程波形来计算平均值μx、方差σx2、均方值ψx2等特征值的：

频域分析是对进行时频变换，得到的是以频率为变量的谱函数。常用的信号变化有快速傅立叶变化、温格纳—维利变换、小波变化等。以快速傅立叶变换为例，通过频域分析得到信号的幅值谱或功率谱：

式中：X(f)——信号的幅频谱函数；

x(t)——采样得到的时域信号；

Sx(ω)——信号的功率密度函数；

Rx(τ)——信号的自相关函数。

信号的分析处理中，数字滤波是一个非常重要的环节，数字滤波是利用某种数学运算方法从所采集的数据信号中提取有用的那一部分进行分析处理的方法，其目的是滤除采样信号中包含的干扰噪音成分，以及提高信噪比等。实验室采用MATLAB编程进行了ⅠⅠR高通滤波器的设计[7]。

根据信号分析处理原理，开发了信号采集分析软件，软件包括信号采集、时域分析、频域分析等，如图1所示，为软件主要界面。

图1 信号采集分析软件界面

3 颗粒质量监测步骤

（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）调整高度架筛框位置为10cm，试验砂粒粒径为80目，砂粒质量依次为0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g，撞击管壁得到监测信号，传输到采集仪、PC机进行分析处理；

（3）依次调整高度架高度为15cm、20cm、25cm、30cm，进行步骤（2）。

4 颗粒质量监测分析

理想状态下不考虑空气阻力，不同高度砂粒下落可以转化为不同的撞击速度，从10～30cm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

4.1 不同高度下砂粒的时域特征

根据振动信号的分析原理，在0.5g、1.5g、2.5g质量对不同高度洒下的砂粒撞击产生的信号进行时域分析。得到的不同高度时砂粒撞击信号的均方差值σx(t)统计值，如表2所示。做出不同质量下监测信号均方差值与撞击高度的关系曲线，如图2所示。

从图2可以看出，同一高度时，不同质量的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着质量的增大，均方差值逐渐增大；同一质量时，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。

表2 不同高度落下砂粒均方差值统计表

图2 均方差值随高度的变化曲线

4.2 不同粒径下砂粒的时域特征

根据振动信号的分析原理，在10cm、20cm、30cm高度时对不同质量的砂粒撞击产生的信号进行时域分析。得到的不同高度时砂粒撞击信号的均方差值σx(t)统计值，如表3所示。做出不同质量下监测信号均方差值与撞击高度的关系曲线，如图3所示。

表3 不同质量砂粒均方差值统计表

图3 均方差值随质量的变化曲线

从图3可以看出，同一质量时，不同高度的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着高度的增大，均方差值逐渐增大；同一高度时，不同质量的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着质量的增加，均方差值逐渐增大。

利用Matlab多项式拟合，得出不同质量时下砂粒幅值谱拟合关系：

5 结论

（1）一定粒径砂粒，同一高度时，不同质量的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着质量的增大，均方差值逐渐增大；同一质量时，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。

（2）一定粒径砂粒，同一质量时，不同高度的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着高度的增大，均方差值逐渐增大；同一高度时，不同质量的砂粒撞击产生的监测信号均方差值不同，随着质量的增加，均方差值逐渐增大。

（3）不同粒径砂粒，进行重复实验，得到砂粒质量与时域特征值的关系图形和曲线，验证了振动监测固体颗粒质量的可行性，为其提供了新的思路。

（4）此系统还可以监测不同性质固相颗粒，不同固相颗粒的粒径。但未来需要建立明确的数学模型或经验公式，得到固相颗粒与监测信号之间的具体关系。

[1]郭殿杰.多相流测量在石油工业中的应用前景[J].国外仪器仪表，1997(2)：5-8.

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

[3]黄志尧，王保良，史志才，等.软测量技术在多相流检测中的应用[J].仪器仪表学报，2001，22(3)：421-424.

[4] 刘刚，陈超，韩金良.AE检测液固两相流室内模拟研究[J].科技导报，2012，30(22)：25-27.

[5] 耿瑞平，李相方，潘新伟.油气井出砂信号的动态监测与处理[J].计算机测量与控制，2003，11(9)：655-657.

[6]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.

[7]蒋洪明，张庆.动态测试理论与应用[M].南京：东南大学出版社，1999：13-43.

TE38

A

1004-5716(2015)04-0050-03

2014-04-16

2014-04-17

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)。

刘澎涛（1989-），男（汉族），山东惠民人，助理工程师，现从事油气井力学信息与控制工作。