黃艷芝，高國旺，賈恵琴，馮旭東，杜睿攀

（西安石油大學(xué) 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065）

目前，國內(nèi)大多數(shù)油田開采都進(jìn)入了中后期，并且出砂嚴(yán)重，因此防砂、治砂已成為油氣井生產(chǎn)中的普遍需求。常用的防砂技術(shù)主要有4種：砂拱防砂、機(jī)械防砂、化學(xué)防砂和焦化防砂等，相對而言，機(jī)械防砂結(jié)構(gòu)簡單，成本低、效果明顯，約占到防砂作業(yè)的90%以上[1]。機(jī)械防砂技術(shù)需要根據(jù)油井生產(chǎn)實際狀況，對其進(jìn)行礫石填充，從而達(dá)到防砂的目的。這種礫石填充的作業(yè)過程和施工工藝在一定程度上依賴于經(jīng)驗，而且防砂的評價方法只是通過實際生產(chǎn)過程中的防砂效果進(jìn)行對比和分析，直接的注砂量測量技術(shù)未見報道。

文中介紹了礫石填充的注砂方法，分析了注砂時砂粒與管壁碰撞后產(chǎn)生的信號特點，提出了采用超聲波傳感器檢測信號的注砂量測量方法，設(shè)計了信號采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了超聲波傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)以及試驗方法等，構(gòu)成一套完整的注砂量自動測量系統(tǒng)，屬于一種非接觸式的測量方法，無壓力損失，便于安裝和維護(hù)等。

1 礫石填充防砂中的注砂過程

在油氣生產(chǎn)的防砂作業(yè)中，機(jī)械防砂為常用方法。該方法將篩管或割縫襯管下入井內(nèi)防砂層段，然后用流體攜帶經(jīng)過優(yōu)選的合適粒徑的礫石，將其充填于篩管和油層或套管之間，形成一定厚度的礫石層，利用其阻止油層砂流入井內(nèi)的防砂方法。充填的礫石粒徑選擇依據(jù)油層砂的粒徑進(jìn)行匹配。油層中砂粒被阻擋于礫石層之外，通過自然選擇堆積在礫石層外形成一個由粗到細(xì)的砂拱，既有良好的流通能力，又能有效阻止油層出砂[2-3]?？梢姽軆?nèi)礫石充填施工，不只是把礫石注入井中，而是采用大型的專用注砂設(shè)備，利用抽砂泵把水和礫石一同注入防砂管柱中，注砂示意圖如圖1所示。在以前的注砂作業(yè)中，一般采用泵的排量和作業(yè)時間粗略的計量，準(zhǔn)確的注砂量計量長期以來都是難題。所以本文在分析注砂過程中砂粒與管壁的作用效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了一種非接觸式的注砂量測量技術(shù)。

圖1 注砂示意圖Fig.1 Note sand schematic

2 注砂砂粒與管壁的作用效應(yīng)分析

在注砂過程中，流體攜帶砂?？焖佥斔?，由于砂粒的密度大，在直管段砂粒將與管壁摩擦，并產(chǎn)生聲波信號，該信號只能用來定性的判斷管道內(nèi)是否含砂，并不能定量的計量砂量。進(jìn)一步分析，在砂?？焖佥斔瓦^程中，當(dāng)遇到管道彎管處時，在流體的帶動下，與管壁發(fā)生碰撞并產(chǎn)生聲波信號。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)描述，砂粒碰撞管壁時產(chǎn)生的聲波信號頻率范圍在幾十至幾百kHz，故屬于超聲波信號[4-5]，并且該信號將沿著管道傳播砂粒與管壁作用的效果如圖2所示。在實驗室中，對上述注砂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，利用超聲波傳感器檢測到的信號如圖3所示，經(jīng)過大量試驗和結(jié)果分析，驗證了文獻(xiàn)中給出的信號特性。

圖2 砂粒撞擊管壁示意圖Fig.2 Sand hit the pipeline wall schematic

圖3 砂粒撞擊管壁的典型時域信號Fig.3 Sand hit the wall a typical time-domain signal

3 非接觸式的注砂量測量技術(shù)

從上面分析可知，管道內(nèi)的含砂量測量關(guān)鍵是超聲波信號的檢測，同時還需要對流體的流量進(jìn)行測量，因此整個非接觸式注砂量測量系統(tǒng)主要內(nèi)容包括：超聲波傳感器技術(shù)、流量測量技術(shù)、信號處理技術(shù)等。文中所用的超聲波傳感器為項目組自行設(shè)計的，其性能滿足本系統(tǒng)的要求。傳感器的安裝位置在管道彎管處下方（流體流向，的管壁直徑1/4處，因為此處的信號強(qiáng)度最大[6]。下面將重點研究基于超聲波信號的注砂量測量信號檢測及信號處理。

3.1 信號采集系統(tǒng)

由于含砂檢測傳感器輸出信號為電荷信號，后續(xù)信號處理必須基于該電荷信號進(jìn)行處理，因此含砂信號的預(yù)處理電路包括電荷放大器、濾波器、放大等電路[7]。電荷放大器的作用是把壓電式傳感器輸出的高內(nèi)阻電荷信號轉(zhuǎn)換為內(nèi)阻低的電壓信號，以實現(xiàn)阻抗變換，且輸出電壓與輸入電荷成正比。由于出砂信號的頻率分布有一定的范圍，該范圍之外的頻率是由噪聲和管道振動等產(chǎn)生的干擾信號引起的。濾波電路的作用是提取有用信號，濾除噪聲和干擾信號[8]。出砂信號的真實頻率范圍與管道結(jié)構(gòu)、流體速度、砂粒大小等因素有關(guān)，參考文獻(xiàn)給出的出砂信號的頻率為100～750 kHz。為了充分消除由于管道振動引起的低頻信號，以及結(jié)合自己的試驗情況并綜合考慮國外的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將下限頻率取為50 kHz。

另一方面，為了便于在后續(xù)電路中采用DSP（Digital Signal Processor，進(jìn)行數(shù)字濾波，以進(jìn)一步進(jìn)行定量分析。為了保留由于細(xì)小砂粒高速撞擊管壁可能引起的高頻成分，頻率上限取為800 kHz。因此濾波電路的頻率范圍取為50～800 kHz。輸出放大電路的作用對濾波后的信號進(jìn)行驅(qū)動，以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，為后級電路提供合適的信號，后級電路包括數(shù)據(jù)采集電路、出砂計算和顯示電路等。信號采集系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。首先利用電荷放大器把電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，采集到的砂粒信號只有幾十mV，必須對其進(jìn)行放大，然后傳送到DSP的AD采集系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理后的信號通過USB接口傳入計算機(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

圖4 信號采集系統(tǒng)流程圖Fig.4 Signal acquisition system flow chart

3.2 基于小波變換的信號去噪

電荷放大器輸出的電壓信號，包含了很強(qiáng)的噪聲，噪聲來源包括：流體產(chǎn)生的噪聲，環(huán)境噪聲（泵的電機(jī)、變速器，，以及傳感器和電路的熱噪聲等。所以信號處理關(guān)鍵技術(shù)為噪聲的濾除，一方面采用硬件濾波，一方面采用軟件去噪。硬件濾波在信號采集系統(tǒng)中已經(jīng)進(jìn)行了考慮和電路設(shè)計，軟件主要是采用了小波閾值去噪方法。

1）小波去噪的原理

設(shè)一維觀測信號為：

其中 x（t）為含噪信號，s（t）為原始信號，n（t）為方差 σ2的高斯白噪聲。

對 x（t）進(jìn)行離散采樣，得到 N 點離散信號 x（t），n=0，1，2，…，N-1其小波變換為

Wf（j，k）為小波系數(shù)，在實際應(yīng)用中，上式的計算很復(fù)雜，很繁瑣，而且小波函數(shù)φ（t）一般沒有具體的解析表達(dá)式，但可以用小波變換的濾波器組的的遞歸法實現(xiàn)Mallat算法，其遞歸公式為：

其中h和g分別對應(yīng)于小波重構(gòu)低通濾波器和高通濾波器。

2）小波除法的處理過程

小波除噪法濾波程序框圖如圖5所示，小波閾值收斂去噪的具體處理過程：將含噪信號在各尺度上進(jìn)行小波分解，保留大尺度低分辨率下的全部系數(shù)；對于各尺度高分辨率下的小波系數(shù)，即有用信號通常表現(xiàn)為低頻信號或是一些比較平穩(wěn)的信號，而噪聲信號通常表現(xiàn)為高頻信號?？梢栽O(shè)定一個閾值，幅值低于該閾值的小波系數(shù)置為0，高于該閾值的小波系數(shù)或者完整保留，或者做相應(yīng)的“收縮”處理。最后將處理后獲得小波系數(shù)利用逆小波變換進(jìn)行重構(gòu)，恢復(fù)出有效的信號。

圖5 軟件濾波流程圖Fig.5 Software filter flow chart

3）仿真結(jié)果及實際信號處理顯示

在MATLAB上進(jìn)行了仿真實驗，通過MATLAB產(chǎn)生一個原始含白噪聲的脈沖信號，如圖6所示。在仿真中對含噪信號進(jìn)行小波基分解去噪，得到如圖7所示的信號。通過上述圖中的信號對比可知，小波去噪效果還是很明顯的，滿足濾波要求。隨后在實驗過程中整個系統(tǒng)軟件濾波采用的就是小波除噪法，實驗過程中的實際效果如圖8所示，可以很明顯的看見界面上半部分的波形區(qū)別，左邊是采集到的原始含砂信號，右邊是除噪后的含砂信號。

圖6 含噪聲的信號Fig.6 Noisy signal

圖7 小波除噪后恢復(fù)的信號Fig.7 Wavelet signal recovery after noise removal

4 試驗與結(jié)果分析

采用上述工作原理和方法，在室內(nèi)做了大量實驗，部分實驗數(shù)據(jù)整理后如表1所示。在螺桿泵最高轉(zhuǎn)速（50 Hz）情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂（40～70目，密度 2.2 g/cm3），分別對混合流體的累計流量和累計含砂量進(jìn)行了測試，并對實測注液量與實際注液量、實測攜砂比與理論攜砂比進(jìn)行了誤差比對分析，得到實驗結(jié)果，如圖8所示，驗證了該方法的可行性，得到了相對精確的結(jié)果，實驗精度基本可以達(dá)到10%以內(nèi)，比起以前憑經(jīng)驗判斷的精度有很大的提高。由于實驗室條件有限，注砂量只能達(dá)到10%，離油田實際要求的15%～20%的注砂量還有一定的差距，實驗設(shè)備和方法還有待改進(jìn)。

5 結(jié) 論

隨著數(shù)字化油田的快速發(fā)展，礫石填充含砂量及注液量自動測量技術(shù)的研究具有現(xiàn)實意義。本文從智能化、自動化方面入手，研究了一套礫石填充過程中注砂量自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了礫石填充過程中注砂量實時監(jiān)測功能。通過實驗測試，驗證了該方法的可行性，取得了比較理想的實驗結(jié)果。在礫石填充過程中，通過對注入?yún)?shù)的測量，實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高采收率，延長油氣井壽命。

表1 相同注液量不同注砂量情況下實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data in the case of the same amount of liquid inject note of the amount of sand

圖8 含砂量監(jiān)測結(jié)果顯示Fig.8 Monitoring results indicate that sand content

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