油气井出砂的监测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及油气井出砂在线监测技术领域，具体涉及一种油气井出砂的监测方法及装置。所述方法包括：利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号；对撞击信号进行空域波束导向处理以获取砂粒撞击管壁的主要区域；拾取砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号并进行空域滤波、频域滤波和时域滤波以获取出砂信号。本发明专利技术能够实现空域、频域和时域三维联合滤波减小噪声，提取有效的出砂信号，提高出砂监测精度。

Monitoring method and device for sand production in oil and gas wells

The invention relates to the technical field of on-line monitoring of sand production in oil and gas wells, in particular to a monitoring method and device for sand production in oil and gas wells. The method comprises the following steps: acquiring the impact signal in the preset area by using the focused ultrasonic phased array transducer; acquiring the main area of the sand impacting the pipe wall by spatial beam steering processing of the impact signal; picking up the ultrasonic signal of the sand impacting the main area of the pipe wall and performing spatial filtering, frequency filtering and time filtering to acquire the impact signal. Acquire sand signal. The invention can realize three-dimensional joint filtering in spatial, frequency and time domains to reduce noise, extract effective sand production signal and improve sand production monitoring precision.

【技术实现步骤摘要】
油气井出砂的监测方法及装置
本专利技术涉及油气井出砂在线监测
，具体涉及一种油气井出砂的监测方法及监测装置。
技术介绍
我国油气井的开采已经进入中后期，大量开采油气井使得地下油气藏分布情况越来越复杂，油气井出砂是采油生产过程中经常遇到的问题。适量的出砂能够提高油气井的产量，但是严重出砂会对井下、地面设备造成损坏并缩短油气井寿命。按照我国石油行业的规定，一般认为油气井中的液体体积含砂率超过0.3％则认为油气井出砂。现有的出砂在线监测方法及检测装置大多基于超声波，利用超声波传感器(压电换能器)拾取砂粒撞击管壁的电压信号。由于砂粒撞击金属管壁的信号幅值和频率与液体(油、水)、气体(天然气)等不同，现有技术对电压信号依次进行FFT、频域滤波；然后再用信号检测的方法，抑制高斯噪声，提取有用信号。现有技术虽然能提取出砂信号并检测出砂量，但仍存在一定的问题，由于砂粒撞击管道的频率和幅度与流速、砂粒大小有关，并且无论是频率域还是幅度域，砂粒信号与液体、气体以及噪声的信号频率均存在一定的重叠，导致信噪比降低，出砂检测结果精确度较低。例如，砂粒撞击频率在10K-30KHz，而液体撞击频率在1K-15KHz，导致无法有效区分噪声；或者在管道外由于砂粒或灰尘撞击管道外壁而导致的噪声，由于频率近似，幅度接近，但不能被有效区分，从而影响出砂检测结果。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此可以不包括对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息的理解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种油气井出砂的监测方法及监测装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。本专利技术的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分的通过本专利技术的实践而习得。根据本专利技术的第一方面，提供一种油气井出砂的监测方法，包括：利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号；对撞击信号进行空域波束导向处理以获取砂粒撞击管壁的主要区域；拾取砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号并进行空域滤波、频域滤波和时域滤波以获取出砂信号。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号包括：利用聚焦超声相控阵列换能器在油气井口管道的弯管下游两倍油气管道直径处采集撞击信号。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述对撞击信号进行波束导向处理以获取砂粒撞击管壁主要区域包括：通过波束聚焦控制在预设区域进行扫描以便于将聚焦超声相控阵列导向至所述预设区域；利用波束聚焦算法获取所述预设区域中的砂粒撞击管壁的主要区域；对接收的所述砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号进行波束导向；以所述砂粒撞击管壁主要区域为主瓣进行空域滤波。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述对在预设区域进行扫描包括：在所述预设区域内，以油气井口管道的弯管下游两倍油气管道直径处为中心，分别向两侧以预设间隔距离进行扫描。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述对接收的所述砂粒撞击区域的超声波信号进行波束导向包括：对超声波信号进行期望方位角的波束聚焦。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述聚焦超声相控阵列包括2m+1个传感器，其中m为正整数，传感器的延迟时间包括：其中，F为从阵列中心测量的焦距，c为超声波在管壁中的传播速度，d为相邻传感器间距，m＝0、±1、±2、±3……，t0为常数。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述以所述砂粒撞击区域为主瓣进行空域滤波包括：若空间信号为窄带信号，所述传感器接收的超声波信号为：其中，d(t)为期望信号，其波达方向为θd；ij(t)干扰信号，其波达方向为θj；各传感器加性白噪声为nl(t)，并具有相同的期望0和方差σ2，且d(t)与nl(t)不相关；则矩阵表示为：其中，a(θl)＝[a1(θl)…aM(θl)]T；l＝d,i1,i2,…,iJ表示来自波达方向θl的接收信号的方向矢量；则阵列输出为：y(t)＝wH(θ)x(t)；其中，w为复加权系数矢量；wH为w的共轭转置；则阵列输出的平均功率为：当Q→∞时，根据权矢量w的约束条件获取平均功率包括：其中，约束条件包括：wHa(θd)＝1，wHa(θj)＝0；则波束形成器最佳权矢量为：wopt＝μR-1a(θd)其中，μ为比例常数。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述频域滤波包括：对空域滤波后得到期望信号的估计信号进行A/D采集以获取离散信号是采样点数为N的有限长序列其中，N＝2a，a为自然数；对利用时域抽取法做快速傅里叶变换，提取有效频段的信号即为期望的出砂信号。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述时域滤波包括：所述传感器的接收超声波信号为：x(n)＝s(n)+n其中，n＝[n1n2…nM]T；对接收的超声波信号进行自相关计算以获取砂粒信号的自相关矩阵：E{x(n)x(n)T}＝E{s(n)+n}{s(n)+n}TE{s(n)s(n)T}＝E{x(n)x(n)T}-σ2I将砂粒信号的自相关矩阵的最大特征值对应的特征向量配置为出砂信号d(n)。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述方法还包括：利用出砂信号d(n)反演出砂量。根据本专利技术的第二方面，提供一种油气井出砂的监测装置包括：信号采集模块，用于利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号；空域波束导向模块，用于对撞击信号进行空域波束导向处理以获取砂粒撞击管壁的主要区域；出砂信号提取模块，用于拾取砂粒撞击区域的超声波信号并进行空域滤波、频域滤波和时域滤波以获取出砂信号。在本专利技术的一种示例性实施例中，所述装置还包括：出砂量计算模块，用于利用出砂信号d(n)反演出砂量。本专利技术的一种实施例所提供的油气井出砂的监测方法中，通过在空域做一次聚焦获取主要的砂粒撞击区域，在获取该砂粒撞击区域后，以该区域为主瓣，进行滤波，从而实现空域滤波。在此基础上，对超声信号进行频域滤波和时域滤波处理。最终空域、频域和时域三维联合滤波减小噪声，提取有效的出砂信号，提高出砂监测精度。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本专利技术。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1示意性示出本专利技术示例性实施例中一种油气井出砂的监测方法示意图；图2示意性示出本专利技术示例性实施例中一种传感器的安装位置示意图；图3示意性示出本专利技术示例性实施例中波束聚焦的扫描范围示意图；图4示意性示出本专利技术示例性实施例中相控阵结构聚焦方位示意图；图5示意性示出本专利技术示例性实施例中一种油气井出砂的监测装置的示意图。具体实施方式现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本专利技术将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。此外，附图仅为本专利技术的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种油气井出砂的监测方法，其特征在于，包括：利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号；对撞击信号进行空域波束导向处理以获取砂粒撞击管壁的主要区域；拾取砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号并进行空域滤波、频域滤波和时域滤波以获取出砂信号。

【技术特征摘要】
1.一种油气井出砂的监测方法，其特征在于，包括：利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号；对撞击信号进行空域波束导向处理以获取砂粒撞击管壁的主要区域；拾取砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号并进行空域滤波、频域滤波和时域滤波以获取出砂信号。2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述利用聚焦超声相控阵列换能器采集预设区域内的撞击信号包括：利用聚焦超声相控阵列换能器在油气井口管道的弯管下游两倍油气管道直径处采集撞击信号。3.根据权利要求1或2所述的监测方法，其特征在于，所述对撞击信号进行波束导向处理以获取砂粒撞击管壁的主要区域包括：通过波束聚焦控制在预设区域进行扫描以便于将聚焦超声相控阵列导向至所述预设区域；利用波束聚焦算法获取所述预设区域中的砂粒撞击管壁的主要区域；对接收的所述砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号进行波束导向；以所述砂粒撞击管壁主要区域为主瓣进行空域滤波。4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述通过波束聚焦控制在预设区域进行扫描包括：在所述预设区域内，以油气井口管道的弯管下游两倍油气管道直径处为中心，分别向两侧以预设间隔距离进行扫描。5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述对接收的所述砂粒撞击区域的超声波信号进行波束导向包括：对超声波信号进行期望方位角的波束聚焦。6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述聚焦超声相控阵列包括2m+1个传感器，其中m为正整数，传感器的延迟时间包括：其中，F为从阵列中心测量的焦距，c为超声波在管壁中的传播速度，d为相邻传感器间距，m＝0、±1、±2、±3……，t0为常数。7.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述以所述砂粒撞击区域为主瓣进行空域滤波包括：若空间信号为窄带信号，所述传感器接收的超声波信号为：其中，d(t)为期望信号，其波达方向为θd；ij(t)干扰信号，其波达方向为θj；各传感器加性白噪声为nl(t)，并具有相同的...

【专利技术属性】
技术研发人员：党博，陈娇，冯旭东，刘长赞，郑亚红，张雄，胡军，王杏卓，杨玲，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61