CN209261543U - 一种油气井出砂的监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种油气井出砂的监测装置，所述装置包括：由至少两个超声波信号传感器组成的传感器阵列、信号放大电路、模拟信号‑数字信号A‑D转换电路、采集存储电路以及数据处理电路；其中，所述传感器阵列设置于待检测的油气管道外壁，所述信号放大电路的输入端与所述传感器阵列相连接，所述信号放大电路的输出端与所述A‑D转换电路的输入端相连接；所述A‑D转换电路的输出端与所述采集存储电路的输入端相连接；所述采集存储电路的输出端与所述数据处理电路的输入端相连接，所述数据处理电路的输出端用于输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

Description

一种油气井出砂的监测装置

技术领域

本实用新型涉及油气井开发技术，尤其涉及一种油气井出砂的监测装置。

背景技术

在油气井的生产作业过程中，油气井管道内所输送的油气流中如果出现出砂情况，就有极大的可能会造成给设备损坏，低效分离和管道堵塞等严重问题。因此，油气井出砂是石油和天然气工业生产过程中遇到的主要问题之一。因此，针对油气井出砂率进行实时监测。就可以及时掌握出砂情况和出砂规律，从而能够诊断油气井的生产状况，为防砂治砂提供依据。基于此，针对油气井出砂进行监测十分必要。

在目前的相关技术中，为了提高在油气井出砂监测的准确性，通常采用双监测通道分别对出砂状态信号和噪声信号进行监测，根据双监测通道的监测信号消除噪声信号，从而提高出砂状态信号的信噪比，提升油气井出砂监测的准确性。

实用新型内容

本实用新型实施例期望提供一种油气井出砂的监测装置，在对油气井管道进行出砂监测的过程中，能够准确地对油气井管道内的出砂率进行确定，从而提高出砂监测精度。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种油气井出砂的监测装置，所述装置包括：由至少两个超声波信号传感器组成的传感器阵列、信号放大电路、模拟信号-数字信号A-D转换电路、采集存储电路以及数据处理电路；

其中，所述传感器阵列设置于待检测的油气管道外壁，所述信号放大电路的输入端与所述传感器阵列相连接，所述信号放大电路的输出端与所述A-D转换电路的输入端相连接；所述A-D转换电路的输出端与所述采集存储电路的输入端相连接；所述采集存储电路的输出端与所述数据处理电路的输入端相连接，所述数据处理电路的输出端用于输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

本实用新型实施例提供了一种油气井出砂的监测装置；利用超声波信号传感器组成的传感器阵列对待检测的油气管道中的砂粒撞击所述油气管道内壁所产生的超声波信号进行采集，并对采集到的超声波阵列信号依次通过信号放大电路、A-D转换电路、采集存储电路以及数据处理电路的处理，获取砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。在对油气井管道进行出砂监测的过程中，能够准确地对油气井管道内的出砂率进行确定，从而提高出砂监测精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种油气井出砂的监测装置组成示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种油气井出砂的监测装置组成示意图；

图3为本实用新型实施例提供的采集存储电路的组成示意图；

图4为本实用新型实施例提供的采集存储电路与数据处理电路的连接示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

通常的出砂监测装置需要在油气管道上钻孔并装入探头才能够对油气管道内的出砂情况进行监测，这样会导致工作繁杂，增加成本，而且还对管线的密封和承压造成很大风险。为了降低油气管出砂监测的成本和风险。当前相关技术中通常会采用非侵入式的监测装置进行出砂监测，也就是监测装置中的探测部分无需插入油气管内就可以进行出砂监测。而本实用新型实施例所涉及到的油气井出砂的监测装置，同样无需伸入到油气管内就能够进行出砂监测，降低油气管出砂监测的成本和风险。

参见图1，其示出了本实用新型实施例提供的一种油气井出砂的监测装置1，参见图1，所述装置1包括：由至少两个超声波信号传感器101组成的传感器阵列11、信号放大电路12、模拟信号-数字信号(A-D，Analog-to-Digital)转换电路13、采集存储电路14以及数据处理电路15；

其中，所述传感器阵列11设置于待检测的油气管道外壁，所述信号放大电路12的输入端与所述传感器阵列11相连接，所述信号放大电路12的输出端与所述A-D转换电路13的输入端相连接；所述A-D转换电路13的输出端与所述采集存储电路14的输入端相连接；所述采集存储电路14的输出端与所述数据处理电路15的输入端相连接，所述数据处理电路15的输出端用于输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

需要说明的是，为了能够清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，参见图1，传感器阵列11中的超声波信号传感器101数量可以示例性地设定为8个，分别设定编号为101a至101h。可以理解地，上述数量以及编号仅是用于阐述技术方案。本实用新型实施例并不对传感器阵列11中的超声波信号传感器101数量和编号进行具体限定。

通过图1所示的技术方案，可以看出，本实用新型实施例所提供的油气井出砂的监测装置1，利用至少两个超声波信号传感器组成的传感器阵列并设置于待检测的油气管道外壁，对待检测的油气管道中的砂粒撞击所述油气管道内壁所产生的超声波信号进行采集，并对采集到的超声波阵列信号依次通过信号放大电路12、A-D转换电路13、采集存储电路14以及数据处理电路15进行处理，获取砂粒撞击所述油气管道内壁的位置和出砂率。由于本实用新型实施例所提供的油气井出砂的监测装置1是针对超声波阵列信号进行处理，那么基于阵列信号处理相较于单传感器信号处理能够增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，那么在对油气井管道进行出砂监测的过程中，通过对采集到的超声波阵列信号进行处理所得到的砂粒撞击所述油气管道内的出砂率，相较于目前单超声波传感器能够更加准确、实时地对油气井管道内的出砂率进行监测。

针对图1所示的油气井出砂的监测装置1的各组成部分，具体来说，所述传感器阵列11中的每个超声波信号传感器101分别用于接收所述油气管道中的砂粒撞击所述油气管道内壁所产生的超声波信号，形成超声波阵列信号；

所述信号放大电路12，用于将所述超声波阵列信号进行放大；

所述A-D转换电路13，用于将放大后的超声波阵列信号转换为数字阵列信号；

所述采集存储电路14，用于将所述数字阵列信号进行采集和存储后，传输至所述数据处理电路15；

所述数据处理电路15，用于基于设定信号处理算法，根据所述数字阵列信号输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

具体参见2，针对本实用新型所述的油气井出砂的监测装置1来说，在一种可能的实现方式中，所述信号放大电路12的数量与所述传感器阵列11中超声波信号传感器101的数量相同，且所述信号放大电路12与所述超声波信号传感器101一一对应，所述每个信号放大电路12的输入端均与对应的超声波信号传感器101的输出端相连；所述AD转换电路13的数量为所述信号放大电路12的数量的一半，且每两个信号放大支路12对应一个AD转换电路，每两个信号放大支路12的输出端均与对应的AD转换电路13的输入端相连。

对于上述实现方式，具体来说，所述每个信号放大电路12均包括串联的电荷放大器121和差分放大支路122；其中，所述电荷放大器121的输入端为所述信号放大电路12的输入端，所述差分放大支路122的输出端为所述信号放大电路12的输出端。

进一步地，针对上述具体示例，参见图2，优选地，所述每个A-D转换电路13均包括工作于CMOS模式下的AD9650芯片，所述采集存储电路14的数量为所述A-D转换电路13数量的一半，且每个所述采集存储电路14通过三线制的串行外设接口(SPI，Serial PeripheralInterface)对与之对应的两个A-D转换电路13进行配置；其中，所述两个A-D转换电路13的数据分别通过所述CMOS模式下的输入通道输入，并通过一个输出通道输出至所述采集存储电路14。

针对上述优选示例，参见图2，每个所述采集存储电路14包括A-D控制器141和双口随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)142；其中，所述A-D控制器141用于控制对应的A-D转换电路13的数据采集，所述双口RAM142用于存储对应的A-D转换电路13所采集到的数据。

详细来说，仍然以前述传感器阵列11中包括8个超声波信号传感器101，且这8个超声波信号传感器101分别设定编号为101a至101h为例，这8个超声波信号传感器101可以形成相控阵传感器阵列，也就是说8个超声波信号传感器101a至101h各自的接收信号相位延时各不相同。8个超声波信号传感器101a至101h分别接收到油气管道中的砂粒撞击所述油气管道内壁所产生的超声波信号之后，将接收到的超声波信号分别输入到与超声波信号传感器对应的信号放大电路1212的电荷放大器121，电荷放大器121可以将超声波信号由高输出阻抗变换为低输出阻抗，并在阻抗变换完成后分别进入差分放大支路122。随后，通过单输入双输出进入A-D转换电路13中的AD9650芯片。

在本实用新型实施例中，参见图3，可以通过三线制SPI配置AD9650芯片工作于CMOS模式，两个AD9650芯片通道的数据通过一个通道的引脚交叉输出至采集存储电路14，具体来说，由于每个采集存储电路14均对应两个A-D转换电路13，因此，可以将采集存储电路14设置为主机，A-D转换电路13中的AD9650芯片为从机。具体地，所述三线制SPI包括：低电平有效的片选信号(CS，chip select)接口，用于表征被选中的AD9650芯片，该接口信号低电平有效；时钟接口SCLK，用于为配置AD9650芯片提供时钟；；控制信号传输接口SDI，用于向所述被选中的AD9650芯片传输控制信号，其中，所述控制信号用于指示所述被选中的AD9650芯片进行数据采集。在具体实现时，SCLK信号在空闲时是处于高电平，当主机开始向从机写入数据时，主机会先拉低CS信号再拉低SCLK信号，然后设置数据，即更新SDI上的数据(也就是主机数据移位操作)，最后再拉高SCLK信号；同时从机会因SCLK信号的上升沿变化，锁存SDI上的数据(即从机读取数据操作)。配置完成后，AD9650主要完成数据的采集功能，AD9650提供两个数据时钟输出(DCO)的信号用于采集数据在外部寄存器。CMOS输出模式中，通道A的输出数据在DCO上升有效，而通道B的输出数据在DCO的下降沿有效。采集到的数据存储在采集存储电路14内部的双口RAM 142中。

此外，在本实施例所涉及的装置1中，详细来说，双口RAM142采用真双端口模式，具有两路读使能、写使能、写入数据、读地址、写地址、读出数据端口。双口RAM142的两路端口可以实现同时向RAM中写入或读出数据。一路端口由采集存储电路14操作记录采集回来的数据，另一路端口用于向数据处理电路15发送数据，同时也可以由数据处理电路15发送指令清空双口RAM142存储区中的数据。

并且，参见图4，所述数据处理电路15通过可变静态存储控制器(FSMC，FlexibleStatic Memory Controller)总线与所述双口RAM 142相连，所述数据处理电路15用于读取所述双口RAM 142中所存储的采集数据，并基于所述传感器阵列中各超声波信号传感器的相位延迟时间确定与各超声波信号传感器对应的待处理数据；以及，按照预设的权值对各超声波信号传感器对应的待处理数据进行加权求和，获得所述砂粒撞击所述油气管道内壁的功率谱图；以及，根据所述功率谱图输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

具体来说，数据处理电路15可以包括Flash存储模块以及ARM处理器。ARM处理器通过FSMC总线读取存储在双口RAM142的数据，通过研究超声相控阵列信号相位延迟时间，在ARM处理器中对读取回来的数据进行相应的算法处理，综合时域、频域对出砂信号进行分析处理。每个通道采集回来的数据组成数据矩阵，对数据矩阵做转置、相乘、求逆等运算，计算出砂粒可能撞击区域的功率谱图，结合功率谱图对砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号进行波束导向和聚焦，以准确判断管壁出砂的方位。

除此以外，参见图4，所述装置1还包括与所述数据处理电路15的输出相连接的上位机16，用于通过数值显示控件和/或波形图显示控件显示所述砂粒撞击所述油气管道内壁的位置信息。具体来说，所述上位机16与所述数据处理电路15的输出端之间通过通用异步收发传输器(UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)总线相连接。

详细来说，上位机16可以读取ARM处理器发送过来的一帧数据，对帧头、每帧数据的字节数以及帧尾进行判断，如果三个判定要素都符合，则保留数据，将数据送入数据处理模块，接着返回，继续读取下一帧数据。如果帧头、每帧数据的字节数、帧尾有一项不符合，则选择舍弃这一帧数据，返回进行新数据的读取。数据经过格式转换、算法处理之后，就传到数值显示控件和波形图显示控件进行实时的显示和曲线的绘制。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种油气井出砂的监测装置，其特征在于，所述装置包括：由至少两个超声波信号传感器组成的传感器阵列、信号放大电路、模拟信号-数字信号A-D转换电路、采集存储电路以及数据处理电路；

其中，所述传感器阵列设置于待检测的油气管道外壁，所述信号放大电路的输入端与所述传感器阵列相连接，所述信号放大电路的输出端与所述A-D转换电路的输入端相连接；所述A-D转换电路的输出端与所述采集存储电路的输入端相连接；所述采集存储电路的输出端与所述数据处理电路的输入端相连接，所述数据处理电路的输出端用于输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述传感器阵列中的每个超声波信号传感器分别用于接收所述油气管道中的砂粒撞击所述油气管道内壁所产生的超声波信号，形成超声波阵列信号；

所述信号放大电路，用于将所述超声波阵列信号进行放大；

所述A-D转换电路，用于将放大后的超声波阵列信号转换为数字阵列信号；

所述采集存储电路，用于将所述数字阵列信号进行采集和存储后，传输至所述数据处理电路；

所述数据处理电路，用于基于设定信号处理算法，根据所述数字阵列信号输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述信号放大电路的数量与所述传感器阵列中超声波信号传感器的数量相同，且所述信号放大电路与所述超声波信号传感器一一对应，所述每个信号放大电路的输入端均与对应的超声波信号传感器的输出端相连；所述A-D转换电路的数量为所述信号放大电路的数量的一半，且每两个信号放大支路对应一个A-D转换电路，每两个信号放大支路的输出端均与对应的A-D转换电路的输入端相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述每个信号放大电路均包括串联的电荷放大器和差分放大支路；其中，所述电荷放大器的输入端为所述信号放大电路的输入端，所述差分放大支路的输出端为所述信号放大电路的输出端。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述每个A-D转换电路均包括工作于CMOS模式下的AD9650芯片，所述采集存储电路的数量为所述A-D转换电路数量的一半，且每个采集存储电路均对应两个A-D转换电路，每个所述采集存储电路通过三线制的串行外设接口SPI对与之对应的两个A-D转换电路进行配置；其中，所述两个A-D转换电路的数据分别通过所述CMOS模式下的两个输入通道输入，并通过一个输出通道输出至所述采集存储电路。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，每个所述采集存储电路包括A-D控制器和双口随机存取存储器RAM；其中，所述A-D控制器用于控制对应的A-D转换电路的数据采集，所述双口RAM用于存储对应的A-D转换电路所采集到的数据。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述三线制SPI包括：

低电平有效的片选信号接口，用于表征被选中的AD9650芯片；

时钟接口，用于为AD9650芯片配置提供时钟；

控制信号传输接口，用于向所述被选中的AD9650芯片传输控制信号，其中，所述控制信号用于指示所述被选中的AD9650芯片进行数据采集。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据处理电路通过可变静态存储控制器FSMC总线与所述双口RAM相连，所述数据处理电路用于读取所述双口RAM中所存储的采集数据，并基于所述传感器阵列中各超声波信号传感器的相位延迟时间确定与各超声波信号传感器对应的待处理数据；以及，按照预设的权值对各超声波信号传感器对应的待处理数据进行加权求和，获得所述砂粒撞击所述油气管道内壁的功率谱图；以及，根据所述功率谱图输出所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述数据处理电路的输出相连接的上位机，用于通过数值显示控件和/或波形图显示控件显示所述砂粒撞击所述油气管道内的出砂率。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述上位机与所述数据处理电路的输出端之间通过通用异步收发传输器UART总线相连接。