基于高頻振動的固相顆粒質量監測系統設計

劉澎濤，劉 剛，陳 超，劉新偉

（1.中海油能源發展安全環保分公司工程監理公司鉆完井中心，天津300452；2.中國石油大學〈華東〉石油工程學院，山東青島266580；3.中石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依834000；4.中石油煤層氣有限責任公司陜西技術服務分公司，陜西西安710082）

基于高頻振動的固相顆粒質量監測系統設計

劉澎濤*1，劉 剛2，陳 超3，劉新偉4

（1.中海油能源發展安全環保分公司工程監理公司鉆完井中心，天津300452；2.中國石油大學〈華東〉石油工程學院，山東青島266580；3.中石油新疆油田公司，新疆克拉瑪依834000；4.中石油煤層氣有限責任公司陜西技術服務分公司，陜西西安710082）

固相顆粒質量監測在工業生產中具有重要意義。例如，在油井出砂實時監測中，為實現油井適度出砂生產，需要對砂粒含砂量等出砂參數進行監測。因此，設計了一種利用高頻振動信號識別固相顆粒質量的實驗系統。系統在自然狀態下接收固相顆粒撞擊管道的振動信號，經過放大、濾波、之后轉換為數字信號，通過時頻分析處理，建立固相顆粒質量與監測信號之間的關系。系統為工業生產的多相流測量過程中對固相顆粒含量的監測提供了新的思路。

固相顆粒；質量監測；時頻分析；高頻振動

多相流測量在工業生產中有重要的作用，已日益受到人們的關注，目前在石油、化工、電力、冶金等行業廣泛存有多相流的研究[1]。而對于多相流中固相顆粒的監測又是其中的難點，包括液固兩相流、氣固兩相流、氣液固三相流，由于受到介質、流態、環境特性的影響，使得固相顆粒的監測尤為復雜。例如，在油井生產中，如果過度出砂，就會產生損壞生產設備，引起地層坍塌等問題；而如果過度防砂，則阻礙蚯蚓洞形成，影響油井的產量。因此油井的出砂監測非常重要，它主要監測生產管道中攜砂原油的含砂量，控制油井的適度出砂，為后續防砂作業提供生產依據[2]。目前在固相顆粒含量監測中常用到的是超聲監測法和Electrical Resistant監測法[3]。實驗室提出了一種基于高頻振動信號的固體顆粒質量監測方法[4]，設計一套固相顆粒質量監測系統，得到了顆粒質量與監測信號之間的關系，為工業生產中多相流固相顆粒質量監測提供了一種新的思路。

1 顆粒質量監測系統

基于振動信號監測的固相顆粒質量監測系統，主要監測過程為：將石英砂粒以自由落體方式從一定高度灑落，撞擊貼有高頻振動傳感器的圓管外壁，傳感器接收砂粒撞擊產生的振動信號并轉換為電信號，由導線傳遞給采集儀，經過采集儀的濾波、放大、模數轉化等操作將之轉化為數字信號，之后傳遞給計算機，經過計算機上安裝的分析軟件進行時域分析和頻域分析，得到砂粒質量與監測信號之間的關系[5]。

實驗裝置主要包括：可調高度架（可調高度為10～30cm）；篩框（配有不同目數的篩網）；不銹鋼管（長250mm，直徑65mm，壁厚3mm）；高頻振動傳感器；石英砂粒（粒徑范圍20目～240目）；數據采集儀及計算機等。

2 顆粒監測信號處理方法

固相顆粒撞擊監測過程實際為非平穩非線性隨機振動信號監測過程，可以通過預處理、時域分析、頻域分析等信號處理方法進行分析[6]。

信號預處理是將采集到的振動信號數據最大程度的還原為實測振動狀況的一種基本數據處理方式，主要有消除趨勢項和消除零點漂移。對信號結果消除線性趨勢項，得到方程組：

由此可得消除趨勢項的計算公式：

式中：x(k)——輸入、輸出的時域信號樣本，k=1，2，3，……，n；

a0、a1——待定系數。

信號時域分析是對振動信號時間波形的分析，其描述的是振動大小隨時間的變化情況，是通過信號的時程波形來計算平均值μx、方差σx2、均方值ψx2等特征值的：

頻域分析是對進行時頻變換，得到的是以頻率為變量的譜函數。常用的信號變化有快速傅立葉變化、溫格納—維利變換、小波變化等。以快速傅立葉變換為例，通過頻域分析得到信號的幅值譜或功率譜：

式中：X(f)——信號的幅頻譜函數；

x(t)——采樣得到的時域信號；

Sx(ω)——信號的功率密度函數；

Rx(τ)——信號的自相關函數。

信號的分析處理中，數字濾波是一個非常重要的環節，數字濾波是利用某種數學運算方法從所采集的數據信號中提取有用的那一部分進行分析處理的方法，其目的是濾除采樣信號中包含的干擾噪音成分，以及提高信噪比等。實驗室采用MATLAB編程進行了ⅠⅠR高通濾波器的設計[7]。

根據信號分析處理原理，開發了信號采集分析軟件，軟件包括信號采集、時域分析、頻域分析等，如圖1所示，為軟件主要界面。

圖1 信號采集分析軟件界面

3 顆粒質量監測步驟

（1）將傳感器安裝至管壁外，測量方向與砂粒下落方向一致；

（2）調整高度架篩框位置為10cm，試驗砂粒粒徑為80目，砂粒質量依次為0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g，撞擊管壁得到監測信號，傳輸到采集儀、PC機進行分析處理；

（3）依次調整高度架高度為15cm、20cm、25cm、30cm，進行步驟（2）。

4 顆粒質量監測分析

理想狀態下不考慮空氣阻力，不同高度砂粒下落可以轉化為不同的撞擊速度，從10～30cm高度落下時的撞擊速度如表1所示。

表1 不同高度下砂粒撞擊速度

4.1 不同高度下砂粒的時域特征

根據振動信號的分析原理，在0.5g、1.5g、2.5g質量對不同高度灑下的砂粒撞擊產生的信號進行時域分析。得到的不同高度時砂粒撞擊信號的均方差值σx(t)統計值，如表2所示。做出不同質量下監測信號均方差值與撞擊高度的關系曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，同一高度時，不同質量的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著質量的增大，均方差值逐漸增大；同一質量時，不同高度的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著高度的增加，均方差值逐漸增大。

表2 不同高度落下砂粒均方差值統計表

圖2 均方差值隨高度的變化曲線

4.2 不同粒徑下砂粒的時域特征

根據振動信號的分析原理，在10cm、20cm、30cm高度時對不同質量的砂粒撞擊產生的信號進行時域分析。得到的不同高度時砂粒撞擊信號的均方差值σx(t)統計值，如表3所示。做出不同質量下監測信號均方差值與撞擊高度的關系曲線，如圖3所示。

表3 不同質量砂粒均方差值統計表

圖3 均方差值隨質量的變化曲線

從圖3可以看出，同一質量時，不同高度的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著高度的增大，均方差值逐漸增大；同一高度時，不同質量的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著質量的增加，均方差值逐漸增大。

利用Matlab多項式擬合，得出不同質量時下砂粒幅值譜擬合關系：

5 結論

（1）一定粒徑砂粒，同一高度時，不同質量的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著質量的增大，均方差值逐漸增大；同一質量時，不同高度的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著高度的增加，均方差值逐漸增大。

（2）一定粒徑砂粒，同一質量時，不同高度的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著高度的增大，均方差值逐漸增大；同一高度時，不同質量的砂粒撞擊產生的監測信號均方差值不同，隨著質量的增加，均方差值逐漸增大。

（3）不同粒徑砂粒，進行重復實驗，得到砂粒質量與時域特征值的關系圖形和曲線，驗證了振動監測固體顆粒質量的可行性，為其提供了新的思路。

（4）此系統還可以監測不同性質固相顆粒，不同固相顆粒的粒徑。但未來需要建立明確的數學模型或經驗公式，得到固相顆粒與監測信號之間的具體關系。

[1]郭殿杰.多相流測量在石油工業中的應用前景[J].國外儀器儀表，1997(2)：5-8.

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

[3]黃志堯，王保良，史志才，等.軟測量技術在多相流檢測中的應用[J].儀器儀表學報，2001，22(3)：421-424.

[4] 劉剛，陳超，韓金良.AE檢測液固兩相流室內模擬研究[J].科技導報，2012，30(22)：25-27.

[5] 耿瑞平，李相方，潘新偉.油氣井出砂信號的動態監測與處理[J].計算機測量與控制，2003，11(9)：655-657.

[6]楊西俠，柯晶.信號分析與處理.[M].北京：機械工業出版社，2007：175-192.

[7]蔣洪明，張慶.動態測試理論與應用[M].南京：東南大學出版社，1999：13-43.

TE38

A

1004-5716(2015)04-0050-03

2014-04-16

2014-04-17

國家科技重大專項課題“海上油田適度出砂地面檢測技術及裝置研究”(2008ZX05024－003－020)。

劉澎濤（1989-），男（漢族），山東惠民人，助理工程師，現從事油氣井力學信息與控制工作。