油气井出砂超声信号的高效采集系统

胡 军，赵建平，刘 彤，许林康，徐 飞

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

在石油采集过程中，油气井出砂会对石油采集的产量产生影响，严重的情况下甚至会破坏石油采集的仪器造成重大的生产事故。出砂监测仪器就是用于对油井管道进行实时监测，估计油气井的出砂量从而指导采油现场的安全生产。但现有的出砂监测仪器在采集信号时往往无法准确的捕捉到包含砂粒撞击信号的超声信号，采集到的信号中包含过多的噪声并且缺少部分砂粒撞击信号，造成对油气井出砂情况的错误估计[1-4]。

1 分析噪声和砂粒撞击信号的特点

出砂采集系统如图1所示。油气井出砂砂粒主要撞击的位置是在油井管道弯处，超声传感器安装在砂粒撞击点的对应的外管壁处。

图1 出砂采集系统示意图

1.1 采油现场的噪声分析

出砂监测仪器为了保证能够尽可能采集到砂粒撞击的超声信号，一般会选用灵敏性较高的传感器，而采油现场的情况复杂，现场充斥着各种各样的噪声。现场的噪声主要包含采油机运作时产生的噪声和抽油杆摩擦产生的噪声，抽油机运作产生的噪声频率较低幅值较高，抽油杆摩擦产生的噪声频率较高，且噪声恒定，周期性明显。在监测过程中在没有对信号做预处理的情况下这些噪声都会被当作出砂信号采集，并且用于估计油气井的出砂量。

1.2 砂粒撞击的信号特性

油气井出砂砂粒撞击管壁产生的信号和砂粒的形状和大小以及砂粒撞击的速度有关。砂粒的速度越快撞击力量越大撞击产生的频率越高，砂粒的形状越不规则，撞击产生的频率越高。通过分析采油现场的超声信号，可以确定油气井砂粒撞击产生的信号范围大概在20kHz～150kHz。在时域方面砂粒撞击管壁产生的信号幅值普遍高于油水混合物撞击管壁产生的信号幅值。

2 信号处理

2.1 信号驱动电路

本系统的超声传感器体积较小，通过压电效应产生的电信号驱动能力差，信号无法通过AD直接采集。为了使信号能够被采集，本系统在信号进入AD前增加了一个前置电路，用于增加信号的驱动能力，电路如图2所示。本电路使用两级驱动，首先使用AD4077组成放大电路对信号进行2倍放大，然后使用AD811组成信号跟随电路进一步增加信号的驱动能力。若使用单芯片进行信号驱动，由于传感器产生的电流信号过于微弱，若想达到增加信号驱动能力的目的必须使电路的输入电阻和反馈电阻增加到MΩ级。但经过实验发现，由此组成的电路会造成信号的零点漂移。为了避免这种情况，保证信号的真实性，本系统采用两级驱动电路。

图2 信号驱动电路

2.2 信号的滤波

从砂粒撞击的信号特性可知，砂粒撞击管壁的信号的幅值普遍较高，所以通过带通滤波器后的信号在被AD电路采集后会进行数字滤波，数字滤波主要从幅值方面入手，去除幅值较低的超声信号。

搭建室内实验平台验证数据采集效率，信号通过喷砂机一秒喷射一次砂粒撞击管道产生，采用出砂监测仪器采集信号，数据上传上位机显示。为了能够直观的显示数据采集的起始点，上位机显示的波形为设定阈值的前后各512个点组成。

图3是未设定阈值采集到的超声信号，喷砂机以一秒一次的固定频率喷射砂粒上位机显示采集系统共采集10次数据，其中只有两次捕捉到了砂粒撞击管壁的超声信号。图4是阈值设定为500mV时采集的信号波形，从图4中看出当设定了采集阈值后，出砂监测系统能够正确捕获砂粒撞击信号，而无用的噪声被滤除，出砂监测系统的采集效率显著提高。

图3 直接采集

图4 数字滤波后采集

3 结语

由以上论述可知，本系统能够成功采集并处理砂粒撞击产生的超声信号。并且可以明显的看出经过数字滤波后，监测系统采集到的噪声明显减少，数据处理量大大减少，出砂监测系统的监测效率及精度显著提高。