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摘要：出砂是油气井开采过程中经常遇到的问题，出砂会侵蚀输油管壁，损毁采收设备，严重出砂引起地穴亏空，地层塌陷，导致油井报废。因此，出砂不仅增加开采，維护成本，降低采收率，而且易引起安全事故。利用ARM联合AD7656对油井气出砂信号进行多通道采集，通过对出砂信号进行特性分析，并对出砂信号进行降噪处理，根据分析处理后的信号特性，用来实时高效监测油气井出砂状况，为作业人员提供出砂信息，及时调整开采方案。
关键词：油气井出砂；ARM；AD7656；多通道采集；特性分析；实时监测
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0259-03
On-line Monitoring System of Multi-Channel Oil and Gas Sand Production
CHEN Long， DANG Bo， ZHANG Sheng-ling， WANG Bing， YUAN Tao
（ Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract：Sand production is a common problem in the progress of oil and gas well mining. Sand production will erode the oil pipeline wall， and destroy the collecting equipment.Serious Sand production can Cause the sand to move out of the stratum，lead to wellbore collapsing and abandonment of oil and gas well.Therefore，Sand production not only increases the mining and maintenance costs， reduces the recovery rat， but also cause security accidents easily. Using ARM combined with AD7656-1 ，we can carry out multi-channel acquisition of oil and gas sand production signals，By analyzing the characteristics of sand signal ，and reducing the noise of sand signal，According to the signal characteristics of the analysis， it is used to monitor sand production status of oil and gas well in real time and efficiently， provide sand information for the operator and adjust mining scheme timely.
Key words： Sand production in oil and gas well；ARM；AD7656-1；Multichannel acquisition；Multi-channel acquisition；Characteristic analysis；Real time monitoring
随着油气井开发过程的不断深入以及开发力度的不断加大，油气井出砂问题愈发引起油气井作业人员的重视，油气井适量出砂可以提高油气产量，但过度出砂会导致设备堵砂累砂，加速设备磨损，严重出砂易引起套管周围地层亏空坍塌，致使油气井报废，危害作业人员安全。针对油气井出砂，主要的监测方法有ER监测法、X射线监测法、超声波监测法。ER监测法的优点是测量简单、适用范围广，缺点是寿命短、监测延迟。X射线监测法的优点是适于出砂量较大的油井，可监测储层崩塌时大量出砂情况，缺点是系统复杂。超声波监测法的优点是测量效果好，探头安装便捷，缺点是测量精度会受到外置式探头的影响。在分析出砂信号特性的基础上，本文提出了多通道油气井出砂在线监测系统。综合考虑多通道出砂实时监测数据量大，数据采集通道灵活可变特点，选用ARM联合AD7656-1及其外围电路构成多通道油气井出砂在线监测系统，对出砂信号进行多通道采集，模数转换和傅里叶变换，最终通过上位机显示井下有效的出砂信息，间接实现对井下出砂状况的掌握，及时为作业人员提供实时信息，调整开采方案。多通道油气井出砂在线监测系统不仅灵活应用于单井或丛式井，而且利用ARM处理数据能力也大大提升，满足油田数字化，高效化的要求。
1 出砂信号产生机理与特性分析
1.1 信号产生机理
油气井开采作业过程中，出砂是指地层中的砂粒随着油气流体从地层中运移出来的现象。引起油气井出砂的因素主要分为两个方面：地质因素和人为因素，地质因素包括地层胶结物含量及分布，胶结类型，成岩压实作用和地质年代等，人为因素包括开采技术与速度，管理方式等。当油气流体携带砂粒在油管中运移，油气流体满足一定的流速、流量，砂粒自身具有一定的质量与速度时，具有动能的砂粒撞击管壁会产生超声波信号，超声波信号以机械能形式在管壁中传播。
1.2 出砂信号影响因素
出砂信号属于动态、随机、脉冲信号。砂粒受到重力、浮力、流体黏力、砂粒相互作用力等影响，受力情况复杂。因此，假设油气流体流速始终与管壁平行，只考虑主要因素影响，可将砂粒看作一个质点，根据牛顿第二定律，在气砂或油砂两相流中，砂粒在管道内的运动模型为： [dvρdt=FD（v-vρ） gx（1-ρρρ） Fa] （1）
[FD=18μρρd2ρCDRe24] （2）
[Fa=12ρρρddt（v-vρ）] （3）
[Re=ρdρv-vρμ] （4）
[FD（v-vρ）]为单位质量的砂粒所受到的流体阻力；[F]为质量对颗粒造成的力，[ρ]为流体密度；[ρρ]为砂粒密度；[v]为流体速度；[vρ]为砂粒速度；[d]为砂粒直径；[μ]为流体动力粘度；[Re]为相对雷诺数；[CD]为阻力系数；[gx]为重力加速度。当砂粒运动到弯管处撞击管壁时砂粒的运动公式由式（1）变为
[dvρsinθdt=FD（v-vρsinθ） gx（1-ρρρ） Fa] （5）
[θ]表示砂粒撞击管壁速度方向与管壁的夹角。管道内流体性质、砂粒直径等条件一定的情况下，砂粒撞击管壁的条件为流体速度。临界速度与具体的条件存在关系，且不是一个固定值。当流体速度大于临界速度时砂粒有撞击管壁的几率，当流体速度小于临界速度时，砂粒被流体牵制从而不能撞击管壁。因此，對出砂信号影响因素主要包括流体性质、流体速度、砂粒直径。
1.3 出砂信号特性分析
油气流体裹携砂粒在输油管道中运移时，砂粒在输油管道弯肘处会随流体改变运动方向，砂粒会因为惯性会集中撞击管壁弯肘某一处，利用超声波监测法，利用传感器的压电陶瓷效应，通过固定在套管外壁的超声波传感器，将砂粒撞击管壁弯肘处产生的超声波信号转换为电压信号。图1是出砂信号波形图。
图1 出砂信号波形图
出砂信号是动态、随机的脉冲信号，属于振动频率高于20kHz的超声波信号。超声波在固体和液体中的衰减很小，穿透能力强，尤其是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波的反射、折射等特性使其在检测技术中得到了广泛的应用。因此，利用超声波监测法可以实现对出砂信号的采集分析处理。我们发现悬浮在石油或者油气混合物中的砂粒打磨管壁弯肘处的力度最强，因此我们将传感器安置在管壁弯肘处采集出砂信号具有最好的效果。
2 设计多通道出砂在线监测系统
2.1 设计思路
当油气流体速度，砂粒质量等主要因素满足一定条件，地层中的砂粒随油气流体在管道中运移时，流体裹挟砂粒会在油管弯头管壁处发生碰撞，砂粒碰撞管壁产生超声波信号。固定在套管外壁的传感器将声波信号转换为电压信号，通过对电压信号进行采集，处理，分析间接掌握出砂信息，并将出砂信息在上位机显示，供作业人员实时监测，调整开采方案。
2.2 系统示意图
出砂监测系统分为三个部分，第一部分是砂粒撞击管壁产生超声波信号经传感器转换为电压信号的信号转换部分；第二部分是信号采集和处理分析电路部分，对采集的出砂信号进行放大，滤波后进行模数转换；第三部分是处理后的信号通过串口发送至上位机显示部分，显示的信息包括瞬时出砂率，出砂量等。
图2-1 出砂监测系统示意图
图2-2 多通道油气井监测示意图
3 出砂算法
当砂粒撞击金属固体物时，比如石油管壁，在金属结构内部产生一个高频的声波振动信号。信号很容易穿透管壁本身，而在周围的空气中则会很快衰减。所以可以通过在该区域附近固定一个传感器来检测这个信号。由于传感器不受空气中其他振动噪声的影响，因此可以通过管壁测量的出砂信号作为出砂量结果的分析依据，我们根据出砂信号的理论模型，推导出流体速度，与气流量与液流量[Ql]之间满足以下关系式：
其中[v]表示流体速度，单位：m/s；[Qg]表示气流量，单位：万m3/d；[Ql]表示液流量，单位：m3/d；d表示管径，单位：mm。
瞬时出砂量满足下列关系式：
S是瞬时出砂量，单位：g；Y是原始采集数据；[σ]是原始数据标准差；K是标准差修正系数（根据噪声情况给定）；N是原始数据拟合值（程序自动求取）C是校正系数，单位：gm2/s2（标定）。
4 试验分析
4.1 测试模数转换模块
整个监测系统中，信号采集和处理分析电路部分是至关重要的环节，影响整个系统的性能。因此，在系统整体测试之前，我们先对这一部分进行独立测试，确保模数转换电路模块的可行性。首先我们先采用定值模拟信号作为输入，在软件程序中将模数转换结果通过在计算机上通过串口助手打印出来，验证模数转换硬件电路和软件程序的正确性。采用将标准电压信号源输出信号作为模拟输入信号，通过串口助手查看转换结果，对设计精度进行实验验证.最大测量误差为3mv，结果表明模数转换模块具有稳定的测量线性和很高的精准度，完全能够应用于油气井出砂监测系统。
4.2 现场实时监测
2017年8月14日至9月4日，运用多通道油气井出砂监测系统对长庆油田苏东33-22H1等井同时进行多通道监测，图所示曲线均表示出砂率，单位为g/s：
由出砂率曲线图4-1可知该口井一小时累计出砂量为90.4163g，最大出砂率为1.7654g/s，平均出砂率为0.0243g/s，此井出砂不均匀，大量集中在30min—50min。
由出砂率曲线图4-2可知该口井57分钟累计出砂量为14.0036g，此井只在测试5分钟左右有一次出砂，而且出砂量较少。 由出砂率曲线图4-3可知该口井一小时累计出砂量为104.6864g，最大出砂率为10.1153g/s，平均出砂率为0.0264g/s，此井出砂比较均匀，但是出砂量较少，而且测试过程中出现量值较大的瞬时出砂。
由出砂率曲线图4-4可知该口井此井未出砂，经现场测试及后期对原始数据处理知监测结果正确。
由出砂率曲线图4-5可知该口井一小时累计出砂量为80.23g，最大出砂率為6.22g/s，平均出砂率为0.026g/s，由图可知此井出砂不均匀，大量集中在0min—30min，0-5min内瞬时出砂量大，出砂相对较多。
由出砂率曲线图4-6可知该口井一小时累计出砂量为8.3447g，最大出砂率为0.7657g/s，平均出砂率为0.00244g/s。由可以得出，57分钟累计出砂量为8.3447g。
5 总结
多通道油气井出砂监测系统不仅安装方便，可操作性好，而且价格相对国外单通道出砂监测系统更便宜。通过多通道油气井出砂监测系统监测记录的数据，结合后期除砂器等设备测得数据对比可知，在现场实验环境下，多通道油气井出砂监测系统能够很好地在复杂的环境中，准确对井下出砂状况进行监测，能够及时反映井下出砂状况，能够在复杂环境下实时监测油气井下出砂信息，可以同时对多口井同时进行高效，准确监测，满足油田数字化，高效化的发展需求。
参考文献：
[1] 杨晨.简论油井出砂的危害及防砂技术[J].科协论坛，2013（2）.
[2] 肖体乔，谢红兰，邓彪，杜国浩，陈荣昌.上海光源 X 射线成像及其应用研究进展[J].光学学报，2014（1）：9-23. （下转第267页）
（上接第261页）
[3] Svein Haugen，Suzanne Hodgson，Fluenta A/S，John Upchurch.Clamp on Ultrasonic Instruments in Subsea Applications.OTC7746，1995.
[4] 何保生，刘澎涛，刘刚，等.基于EMD的稠油油井出砂信号特征识别[J].石油机械，2013（5）：69-72.
[5] 李健增，汪志明，芮阁，等.高黏度牛顿流体中砂粒运动实验研究[J].石油钻探技术，2012（5）：77-81.
关键词：油气井出砂；ARM；AD7656；多通道采集；特性分析；实时监测
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0259-03
On-line Monitoring System of Multi-Channel Oil and Gas Sand Production
CHEN Long， DANG Bo， ZHANG Sheng-ling， WANG Bing， YUAN Tao
（ Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract：Sand production is a common problem in the progress of oil and gas well mining. Sand production will erode the oil pipeline wall， and destroy the collecting equipment.Serious Sand production can Cause the sand to move out of the stratum，lead to wellbore collapsing and abandonment of oil and gas well.Therefore，Sand production not only increases the mining and maintenance costs， reduces the recovery rat， but also cause security accidents easily. Using ARM combined with AD7656-1 ，we can carry out multi-channel acquisition of oil and gas sand production signals，By analyzing the characteristics of sand signal ，and reducing the noise of sand signal，According to the signal characteristics of the analysis， it is used to monitor sand production status of oil and gas well in real time and efficiently， provide sand information for the operator and adjust mining scheme timely.
Key words： Sand production in oil and gas well；ARM；AD7656-1；Multichannel acquisition；Multi-channel acquisition；Characteristic analysis；Real time monitoring
随着油气井开发过程的不断深入以及开发力度的不断加大，油气井出砂问题愈发引起油气井作业人员的重视，油气井适量出砂可以提高油气产量，但过度出砂会导致设备堵砂累砂，加速设备磨损，严重出砂易引起套管周围地层亏空坍塌，致使油气井报废，危害作业人员安全。针对油气井出砂，主要的监测方法有ER监测法、X射线监测法、超声波监测法。ER监测法的优点是测量简单、适用范围广，缺点是寿命短、监测延迟。X射线监测法的优点是适于出砂量较大的油井，可监测储层崩塌时大量出砂情况，缺点是系统复杂。超声波监测法的优点是测量效果好，探头安装便捷，缺点是测量精度会受到外置式探头的影响。在分析出砂信号特性的基础上，本文提出了多通道油气井出砂在线监测系统。综合考虑多通道出砂实时监测数据量大，数据采集通道灵活可变特点，选用ARM联合AD7656-1及其外围电路构成多通道油气井出砂在线监测系统，对出砂信号进行多通道采集，模数转换和傅里叶变换，最终通过上位机显示井下有效的出砂信息，间接实现对井下出砂状况的掌握，及时为作业人员提供实时信息，调整开采方案。多通道油气井出砂在线监测系统不仅灵活应用于单井或丛式井，而且利用ARM处理数据能力也大大提升，满足油田数字化，高效化的要求。
1 出砂信号产生机理与特性分析
1.1 信号产生机理
油气井开采作业过程中，出砂是指地层中的砂粒随着油气流体从地层中运移出来的现象。引起油气井出砂的因素主要分为两个方面：地质因素和人为因素，地质因素包括地层胶结物含量及分布，胶结类型，成岩压实作用和地质年代等，人为因素包括开采技术与速度，管理方式等。当油气流体携带砂粒在油管中运移，油气流体满足一定的流速、流量，砂粒自身具有一定的质量与速度时，具有动能的砂粒撞击管壁会产生超声波信号，超声波信号以机械能形式在管壁中传播。
1.2 出砂信号影响因素
出砂信号属于动态、随机、脉冲信号。砂粒受到重力、浮力、流体黏力、砂粒相互作用力等影响，受力情况复杂。因此，假设油气流体流速始终与管壁平行，只考虑主要因素影响，可将砂粒看作一个质点，根据牛顿第二定律，在气砂或油砂两相流中，砂粒在管道内的运动模型为： [dvρdt=FD（v-vρ） gx（1-ρρρ） Fa] （1）
[FD=18μρρd2ρCDRe24] （2）
[Fa=12ρρρddt（v-vρ）] （3）
[Re=ρdρv-vρμ] （4）
[FD（v-vρ）]为单位质量的砂粒所受到的流体阻力；[F]为质量对颗粒造成的力，[ρ]为流体密度；[ρρ]为砂粒密度；[v]为流体速度；[vρ]为砂粒速度；[d]为砂粒直径；[μ]为流体动力粘度；[Re]为相对雷诺数；[CD]为阻力系数；[gx]为重力加速度。当砂粒运动到弯管处撞击管壁时砂粒的运动公式由式（1）变为
[dvρsinθdt=FD（v-vρsinθ） gx（1-ρρρ） Fa] （5）
[θ]表示砂粒撞击管壁速度方向与管壁的夹角。管道内流体性质、砂粒直径等条件一定的情况下，砂粒撞击管壁的条件为流体速度。临界速度与具体的条件存在关系，且不是一个固定值。当流体速度大于临界速度时砂粒有撞击管壁的几率，当流体速度小于临界速度时，砂粒被流体牵制从而不能撞击管壁。因此，對出砂信号影响因素主要包括流体性质、流体速度、砂粒直径。
1.3 出砂信号特性分析
油气流体裹携砂粒在输油管道中运移时，砂粒在输油管道弯肘处会随流体改变运动方向，砂粒会因为惯性会集中撞击管壁弯肘某一处，利用超声波监测法，利用传感器的压电陶瓷效应，通过固定在套管外壁的超声波传感器，将砂粒撞击管壁弯肘处产生的超声波信号转换为电压信号。图1是出砂信号波形图。
图1 出砂信号波形图
出砂信号是动态、随机的脉冲信号，属于振动频率高于20kHz的超声波信号。超声波在固体和液体中的衰减很小，穿透能力强，尤其是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波的反射、折射等特性使其在检测技术中得到了广泛的应用。因此，利用超声波监测法可以实现对出砂信号的采集分析处理。我们发现悬浮在石油或者油气混合物中的砂粒打磨管壁弯肘处的力度最强，因此我们将传感器安置在管壁弯肘处采集出砂信号具有最好的效果。
2 设计多通道出砂在线监测系统
2.1 设计思路
当油气流体速度，砂粒质量等主要因素满足一定条件，地层中的砂粒随油气流体在管道中运移时，流体裹挟砂粒会在油管弯头管壁处发生碰撞，砂粒碰撞管壁产生超声波信号。固定在套管外壁的传感器将声波信号转换为电压信号，通过对电压信号进行采集，处理，分析间接掌握出砂信息，并将出砂信息在上位机显示，供作业人员实时监测，调整开采方案。
2.2 系统示意图
出砂监测系统分为三个部分，第一部分是砂粒撞击管壁产生超声波信号经传感器转换为电压信号的信号转换部分；第二部分是信号采集和处理分析电路部分，对采集的出砂信号进行放大，滤波后进行模数转换；第三部分是处理后的信号通过串口发送至上位机显示部分，显示的信息包括瞬时出砂率，出砂量等。
图2-1 出砂监测系统示意图
图2-2 多通道油气井监测示意图
3 出砂算法
当砂粒撞击金属固体物时，比如石油管壁，在金属结构内部产生一个高频的声波振动信号。信号很容易穿透管壁本身，而在周围的空气中则会很快衰减。所以可以通过在该区域附近固定一个传感器来检测这个信号。由于传感器不受空气中其他振动噪声的影响，因此可以通过管壁测量的出砂信号作为出砂量结果的分析依据，我们根据出砂信号的理论模型，推导出流体速度，与气流量与液流量[Ql]之间满足以下关系式：
其中[v]表示流体速度，单位：m/s；[Qg]表示气流量，单位：万m3/d；[Ql]表示液流量，单位：m3/d；d表示管径，单位：mm。
瞬时出砂量满足下列关系式：
S是瞬时出砂量，单位：g；Y是原始采集数据；[σ]是原始数据标准差；K是标准差修正系数（根据噪声情况给定）；N是原始数据拟合值（程序自动求取）C是校正系数，单位：gm2/s2（标定）。
4 试验分析
4.1 测试模数转换模块
整个监测系统中，信号采集和处理分析电路部分是至关重要的环节，影响整个系统的性能。因此，在系统整体测试之前，我们先对这一部分进行独立测试，确保模数转换电路模块的可行性。首先我们先采用定值模拟信号作为输入，在软件程序中将模数转换结果通过在计算机上通过串口助手打印出来，验证模数转换硬件电路和软件程序的正确性。采用将标准电压信号源输出信号作为模拟输入信号，通过串口助手查看转换结果，对设计精度进行实验验证.最大测量误差为3mv，结果表明模数转换模块具有稳定的测量线性和很高的精准度，完全能够应用于油气井出砂监测系统。
4.2 现场实时监测
2017年8月14日至9月4日，运用多通道油气井出砂监测系统对长庆油田苏东33-22H1等井同时进行多通道监测，图所示曲线均表示出砂率，单位为g/s：
由出砂率曲线图4-1可知该口井一小时累计出砂量为90.4163g，最大出砂率为1.7654g/s，平均出砂率为0.0243g/s，此井出砂不均匀，大量集中在30min—50min。
由出砂率曲线图4-2可知该口井57分钟累计出砂量为14.0036g，此井只在测试5分钟左右有一次出砂，而且出砂量较少。 由出砂率曲线图4-3可知该口井一小时累计出砂量为104.6864g，最大出砂率为10.1153g/s，平均出砂率为0.0264g/s，此井出砂比较均匀，但是出砂量较少，而且测试过程中出现量值较大的瞬时出砂。
由出砂率曲线图4-4可知该口井此井未出砂，经现场测试及后期对原始数据处理知监测结果正确。
由出砂率曲线图4-5可知该口井一小时累计出砂量为80.23g，最大出砂率為6.22g/s，平均出砂率为0.026g/s，由图可知此井出砂不均匀，大量集中在0min—30min，0-5min内瞬时出砂量大，出砂相对较多。
由出砂率曲线图4-6可知该口井一小时累计出砂量为8.3447g，最大出砂率为0.7657g/s，平均出砂率为0.00244g/s。由可以得出，57分钟累计出砂量为8.3447g。
5 总结
多通道油气井出砂监测系统不仅安装方便，可操作性好，而且价格相对国外单通道出砂监测系统更便宜。通过多通道油气井出砂监测系统监测记录的数据，结合后期除砂器等设备测得数据对比可知，在现场实验环境下，多通道油气井出砂监测系统能够很好地在复杂的环境中，准确对井下出砂状况进行监测，能够及时反映井下出砂状况，能够在复杂环境下实时监测油气井下出砂信息，可以同时对多口井同时进行高效，准确监测，满足油田数字化，高效化的发展需求。
参考文献：
[1] 杨晨.简论油井出砂的危害及防砂技术[J].科协论坛，2013（2）.
[2] 肖体乔，谢红兰，邓彪，杜国浩，陈荣昌.上海光源 X 射线成像及其应用研究进展[J].光学学报，2014（1）：9-23. （下转第267页）
（上接第261页）
[3] Svein Haugen，Suzanne Hodgson，Fluenta A/S，John Upchurch.Clamp on Ultrasonic Instruments in Subsea Applications.OTC7746，1995.
[4] 何保生，刘澎涛，刘刚，等.基于EMD的稠油油井出砂信号特征识别[J].石油机械，2013（5）：69-72.
[5] 李健增，汪志明，芮阁，等.高黏度牛顿流体中砂粒运动实验研究[J].石油钻探技术，2012（5）：77-81.