礫石充填注砂量地面測量系統研究

黃艷芝，高國旺，賈恵琴，馮旭東，杜睿攀

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

目前，國內大多數油田開采都進入了中后期，并且出砂嚴重，因此防砂、治砂已成為油氣井生產中的普遍需求。常用的防砂技術主要有4種：砂拱防砂、機械防砂、化學防砂和焦化防砂等，相對而言，機械防砂結構簡單，成本低、效果明顯，約占到防砂作業的90%以上[1]。機械防砂技術需要根據油井生產實際狀況，對其進行礫石填充，從而達到防砂的目的。這種礫石填充的作業過程和施工工藝在一定程度上依賴于經驗，而且防砂的評價方法只是通過實際生產過程中的防砂效果進行對比和分析，直接的注砂量測量技術未見報道。

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，設計了信號采集與處理系統，該系統結合了超聲波傳感器技術、信號處理技術、監測技術以及試驗方法等，構成一套完整的注砂量自動測量系統，屬于一種非接觸式的測量方法，無壓力損失，便于安裝和維護等。

1 礫石填充防砂中的注砂過程

在油氣生產的防砂作業中，機械防砂為常用方法。該方法將篩管或割縫襯管下入井內防砂層段，然后用流體攜帶經過優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的防砂方法。充填的礫石粒徑選擇依據油層砂的粒徑進行匹配。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的砂拱，既有良好的流通能力，又能有效阻止油層出砂[2-3]。可見管內礫石充填施工，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。在以前的注砂作業中，一般采用泵的排量和作業時間粗略的計量，準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的基礎上，提出了一種非接觸式的注砂量測量技術。

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分析

在注砂過程中，流體攜帶砂粒快速輸送，由于砂粒的密度大，在直管段砂粒將與管壁摩擦，并產生聲波信號，該信號只能用來定性的判斷管道內是否含砂，并不能定量的計量砂量。進一步分析，在砂粒快速輸送過程中，當遇到管道彎管處時，在流體的帶動下，與管壁發生碰撞并產生聲波信號。據有關文獻描述，砂粒碰撞管壁時產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，對上述注砂結構進行了模擬，利用超聲波傳感器檢測到的信號如圖3所示，經過大量試驗和結果分析，驗證了文獻中給出的信號特性。

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

從上面分析可知，管道內的含砂量測量關鍵是超聲波信號的檢測，同時還需要對流體的流量進行測量，因此整個非接觸式注砂量測量系統主要內容包括：超聲波傳感器技術、流量測量技術、信號處理技術等。文中所用的超聲波傳感器為項目組自行設計的，其性能滿足本系統的要求。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

由于含砂檢測傳感器輸出信號為電荷信號，后續信號處理必須基于該電荷信號進行處理，因此含砂信號的預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阻電荷信號轉換為內阻低的電壓信號，以實現阻抗變換，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構、流體速度、砂粒大小等因素有關，參考文獻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，以及結合自己的試驗情況并綜合考慮國外的經驗數據，將下限頻率取為50 kHz。

另一方面，為了便于在后續電路中采用DSP（Digital Signal Processor，進行數字濾波，以進一步進行定量分析。為了保留由于細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行驅動，以便進行遠距離傳輸，為后級電路提供合適的信號，后級電路包括數據采集電路、出砂計算和顯示電路等。信號采集系統的流程圖如圖4所示。首先利用電荷放大器把電荷信號轉換成電壓信號，采集到的砂粒信號只有幾十mV，必須對其進行放大，然后傳送到DSP的AD采集系統進行處理，處理后的信號通過USB接口傳入計算機，并在上位機上進行數據顯示。

圖4 信號采集系統流程圖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，包含了很強的噪聲，噪聲來源包括：流體產生的噪聲，環境噪聲（泵的電機、變速器，，以及傳感器和電路的熱噪聲等。所以信號處理關鍵技術為噪聲的濾除，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中已經進行了考慮和電路設計，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，在實際應用中，上式的計算很復雜，很繁瑣，而且小波函數φ（t）一般沒有具體的解析表達式，但可以用小波變換的濾波器組的的遞歸法實現Mallat算法，其遞歸公式為：

其中h和g分別對應于小波重構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行小波分解，保留大尺度低分辨率下的全部系數；對于各尺度高分辨率下的小波系數，即有用信號通常表現為低頻信號或是一些比較平穩的信號，而噪聲信號通常表現為高頻信號。可以設定一個閾值，幅值低于該閾值的小波系數置為0，高于該閾值的小波系數或者完整保留，或者做相應的“收縮”處理。最后將處理后獲得小波系數利用逆小波變換進行重構，恢復出有效的信號。

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

3）仿真結果及實際信號處理顯示

在MATLAB上進行了仿真實驗，通過MATLAB產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 小波除噪后恢復的信號Fig.7 Wavelet signal recovery after noise removal

4 試驗與結果分析

采用上述工作原理和方法，在室內做了大量實驗，部分實驗數據整理后如表1所示。在螺桿泵最高轉速（50 Hz）情況下，采用標準石英砂（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行了誤差比對分析，得到實驗結果，如圖8所示，驗證了該方法的可行性，得到了相對精確的結果，實驗精度基本可以達到10%以內，比起以前憑經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，實驗設備和方法還有待改進。

5 結 論

隨著數字化油田的快速發展，礫石填充含砂量及注液量自動測量技術的研究具有現實意義。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測系統，實現了礫石填充過程中注砂量實時監測功能。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果。在礫石填充過程中，通過對注入參數的測量，實現優化生產，降低生產成本，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據Tab.1 Data in the case of the same amount of liquid inject note of the amount of sand

圖8 含砂量監測結果顯示Fig.8 Monitoring results indicate that sand content

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