CN108612519A - 油气井出砂的监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

油气井出砂的监测方法及装置

技术领域

本发明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监测装置。

背景技术

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，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，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。

发明内容

本发明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。

本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分的通过本发明的实践而习得。

根据本发明的第一方面，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。

在本发明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。

在本发明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。

在本发明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。

在本发明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。

在本发明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。

在本发明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θ_d；i_j(t)干扰信号，其波达方向为θ_j；各传感器加性白噪声为n_l(t)，并具有相同的期望0和方差σ²，且d(t)与n_l(t)不相关；

则矩阵表示为：

其中，a(θ_l)＝[a₁(θ_l) … a_M(θ_l)]^T；l＝d,i₁,i₂,…,i_J表示来自波达方向θ_l的接收信号的方向矢量；

则阵列输出为：y(t)＝w^H(θ)x(t)；其中，w为复加权系数矢量；w^H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：w^Ha(θ_d)＝1，w^Ha(θ_j)＝0；

则波束形成器最佳权矢量为：

w_opt＝μR^-1a(θ_d)

其中，μ为比例常数。

在本发明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＝2^a，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。

在本发明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＝[n₁ n₂ … n_M]^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}^T

E{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)。

在本发明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。

根据本发明的第二方面，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。

在本发明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。

本发明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，并不能限制本发明。

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，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示意性示出本发明示例性实施例中一种油气井出砂的监测方法示意图；

图2示意性示出本发明示例性实施例中一种传感器的安装位置示意图；

图3示意性示出本发明示例性实施例中波束聚焦的扫描范围示意图；

图4示意性示出本发明示例性实施例中相控阵结构聚焦方位示意图；

图5示意性示出本发明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发明将更加全面和完整，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，附图仅为本发明的示意性图解，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描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本示例实施方式中首先提供了一种油气井出砂的监测方法，可以应用于油气井的出砂监测。参考图1中所示，上述的监测方法可以包括以下步骤：

S1，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；

S2，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；

S3，提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。

本示例实施方式所提供的监测方法中，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。

下面，将结合附图及实施例对本示例实施方式中的监测方法的各个步骤进行更详细的说明。

步骤S1，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。

本示例实施方式中，参考图2所示，在油气管道202的90°弯管201的管道下游两倍油气管道202直径处，用锉刀搓掉该位置的油漆层，在搓掉油漆层的位置涂上硅脂，用卡紧箍204将聚焦超声相控阵列换能器固定在此位置。聚焦超声相控阵列换能器可以包括多个传感器205。当井下的油气流体从井口的管道流出时，流体中裹挟的砂粒具有一定的速度，当砂粒遇到弯管201时，由于受惯性、砂粒之间相互作用力、重力、流体速度等作用的影响，无法确定砂粒撞击管壁的主要区域。利用聚焦超声相控阵列换能器扫描垂直于地面管壁部分，接收此处的信号。

步骤S2，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。

在本示例性实施方式中，举例来说，在测试开始后，首先，可以通过波束聚焦控制，以弯管下方两倍管道直径处为中心，分别向上及向下两个方向在预设区域内进行扫描，例如分别向上向下以0.5cm的间隔各扫描5cm。将阵列导向至该区域，主要接收波束主瓣内的信号。然后，采用波束聚焦算法判断砂粒主要撞击区域，获取相应加权向量。最后，按照测定的砂粒撞击区域对接收信号进行波束导向，接收撞击在波束主瓣内的信号，从而实现空域滤波。如图3所示，是聚焦超声相控阵列的出砂监测装置的局部放大图，该图示出了在实际应用中的波束聚焦的动态扫描范围。

在本发明的其他示例中，聚焦超声相控阵列换能器可以包括2m+1个传感器。参考图4所示，传感器的线性阵列以在某个范围F和特定方位角θ处产生焦点。各个传感器的延迟时间为：

其中F是从阵列中心测量的焦距，c是超声波在金属管壁中的传播速度，m＝0,±1,±2,…，d是相邻传感器间距，t₀是一个常数，避免延时△t_m为负而不符合实际。

步骤S3，拾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。

本示例实施方式中，聚焦超声相控阵列信号处理是将多个传感器设置在空间的不同位置组成的传感器阵列，并利用这一阵列对空间信号场进行接收(多点并行采样)和处理。它与一般的信号处理方式不同，因为其阵列是按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，主要利用信号空域特征(例如加权、时延、求和等)形成空间指向性的方法来增强信号以及提取有效信号空域信息。

以一维M＝2m+1元等距线阵为例，设空间信号为窄带信号，空间有一个期望信号d(t)，其波达方向为θ_d和J个干扰信号i_j(t)，其波达方向为θ_j，j＝1,2，…，J，令每个传感器上的加性白噪声为n_l(t)，它们具有相同的期望0和方差σ²，即n_l(t)～N(0,σ²)，且d(t)和n_l(t)不相关。在这些假设条件下第l个传感器上的接收信号可以表示为：

用矩阵表示，可以写成：

式中a(θ_l)＝[a₁(θ_l) … a_M(θ_l)]^T，l＝d,i₁,i₂,…,i_J表示来自波达方向θ_l的接收信号的方向矢量。

阵列输出y(t)＝w^H(θ)x(t)每个通道用一个复加权系数来调整该通道的幅值和相位，w是复加权系数矢量,w^H是w的共轭转置。

Q个快拍的波束形成器输出平均功率：

将(3)式代入(4)式，当Q→∞时，(4)式可以写为：

为了保证来自方向θ_d期望信号的正确接收，希望完全抑制干扰信号，根据(5)式很容易得到关于权矢量w的约束条件，即

w^Ha(θ_d)＝1 (6a)

w^Ha(θ_j)＝0 (6b)

在以上(6)式两个约束条件下，平均功率(5)式可以简化为期望信号和噪声的平均功率之和，即：从提高信噪比的角度考虑，以上的干扰置零并不是最佳的方法。虽然选取的权值可以使干扰输出为零，但是可能使噪声输出变大。因此，抑制噪声和干扰应一同考虑。这时，波束形成器最佳权矢量可以描述为：在约束条件(6)下求满足的权矢量w。式中R＝E[x(t)x^H(t)]为阵列输出的协方差矩阵，是R的估计矩阵。用Lagrange乘子法计算。令目标函数为：

利用线性代数的有关知识可以知道则令的结果为2Rw+λa(θ_d)＝0，得到接收来自θ_d方向的期望信号波束形成器的最佳权矢量为w_opt＝μR^-1a(θ_d)，μ是一比例常数。

这样，就可以确定J+1个发射信号的波束形成最佳权矢量。此时，波束形成器只接收来自方向θ_d的信号，并抑制所有来自其他波达方向的信号。注意到约束条件w^Ha(θ_d)＝1等价于a(θ_d)^Hw＝1，则

在空域滤波基础上，进行频域、时域联合分析。聚焦超声相控阵列信号经空域滤波后得到期望信号的估计信号首先对进行A/D采集，得到的离散信号是采样点数为N的有限长序列为且满足N＝2^a，a为自然数。然后对做快速傅里叶变换，提取有效频段的信号即为期望的出砂信号。用时域抽取法做FFT变换，按n的奇偶把分解为两个N/2点的子序列，则的DFT变换为：

其中，

由于所以：

其中D₁(k)和D₂(k)分别为d₁(r)和d₂(r)的N/2点DFT变换，即

由于D₁(k)和D₂(k)均以N/2为周期，且因此又可表示为：

由于油气井出砂频率主要集中在80到750MHz之间，所以利用带通滤波器，只需要提取该频率段的信号即为有效信号。

聚焦超声相控阵列信号经过空域滤波和频域滤波后，已经滤除了大量的干扰信号和噪声信号。为了提高油气井出砂监测的精确度，还需进行时域滤波。M个传感器的接收信号用矩阵表示为：

可以简写成x(n)＝s(n)+n。其中，n＝[n₁ n₂ … n_M]^T。利用线性代数的知识对上述所测信号进行自相关计算得：

E{x(n)x(n)^T}＝E{s(n)+n}{s(n)+n}^T (12)

E{s(n)s(n)^T}＝E{x(n)x(n)^T}-σ²I (13)

在获得(13)式的过程中，利用了噪声和信号不相关及各噪声具有相同的方差σ²的假设，以此得出砂粒信号的自相关矩阵。计算出该矩阵最大特征值对应的特征向量即为有效的出砂信号d(n)。此时，利用d(n)反演出砂量，可以大大提高出砂监测的准确度。因此，采用聚焦超声相控阵列，利用空域、频域、时域三维联合处理信号的方法，可以提高油气井出砂监测的精确度。

需要注意的是，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是：例如在多个模块中同步或异步执行的。

进一步的，参考图5所示，本示例的实施方式中还提供一种油气井出砂的监测装置2，包括：

信号采集模块21，可以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22，可以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主要区域。

出砂信号提取模块23，可以用于提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。

此外，在本发明的其他示例性实施方式中，上述的监测装置还可以包括：

出砂量计算模块24(未示出)，可以用于利用出砂信号d(n)反演出砂量。

上述的油气井出砂的监测装置中各模块的具体细节已经在对应的油气井出砂的监测方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限定。

Claims (12)

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θ_d；i_j(t)干扰信号，其波达方向为θ_j；各传感器加性白噪声为n_l(t)，并具有相同的期望0和方差σ²，且d(t)与n_l(t)不相关；

则矩阵表示为：

其中，a(θ_l)＝[a₁(θ_l) … a_M(θ_l)]^T；l＝d,i₁,i₂,…,i_J表示来自波达方向θ_l的接收信号的方向矢量；

则阵列输出为：y(t)＝w^H(θ)x(t)；其中，w为复加权系数矢量；w^H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：w^Ha(θ_d)＝1，w^Ha(θ_j)＝0；

则波束形成器最佳权矢量为：

w_opt＝μR^-1a(θ_d)

其中，μ为比例常数。

8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，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＝2^a，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。

9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，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＝[n₁ n₂ … n_M]^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}^T

E{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)。

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用出砂信号d(n)反演出砂量。

11.一种油气井出砂的监测装置，其特征在于，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。

12.根据权利要求11所述的监测装置，其特征在于，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。