油气井出砂监测阵列换能器校准系统的制作方法

本实用新型涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种油气井出砂监测阵列换能器校准系统。

背景技术：

随着油气田勘探开发进入中后期，开采难度不断加大，油气井出砂问题已成为制约发展的重要因素之一，其主要原因是油藏储层为疏松胶结砂岩。而在油田开发的中后期，由于长期注水或注气开采会极大的破坏储层骨架，也会造成油井出砂。油井出砂会造成油井减产或停产，严重出砂甚至会导致地层亏空并坍塌，造成套管损坏使油井报废。因此，对油气井出砂情况进行实时监测，对于及时预测油气井出砂和选择合理的生产速率具有重要的意义。

常用的出砂监测方法主要有电阻法和声波法。电阻法出砂监测主要通过感应元件受冲蚀磨损程度对油气井出砂情况进行监测，即将电阻的增加量转化为出砂的浓度。该方法不需要标定，不受物理因素(电、噪音、结蜡等)的干扰，但感应元件的使用寿命会受出砂量的影响，且内置式感应元件不方便清管。声波出砂监测采用贴在流动的油气管壁的换能器拾取声波信号并将其转化为电信号，再根据信号处理技术计算流体中的含砂量。该方法换能器安装方便、测量范围宽、测量精度高，应用最为广泛。传统的声波法出砂监测系统使用的是单一传感器，但随着油气田朝着数字化、高效化方向发展，单通道的监测系统已无法满足生产需求。因此，在分析出砂信号特性的基础上，多通道油气井出砂在线监测系统被广泛研究，通过采用阵列式传感器，实时监测数据量大，数据采集通道灵活多变，结合接收阵列信号处理方法，可对油气井出砂量进行精确计算。

超声相控阵出砂监测技术利用线性阵列换能器接收产出液携带砂量产生的超声波信号，对该信号进行波束控制，通过分析接收信号的相位延迟规律和振幅衰减规律，对聚焦的深度以及方向进行调整，并使用信号处理方法对缺陷进行相关处理和分析，可提高检测分辨率。但因阵列传感器尺寸、精度等的差异，各传感器接收信号差异较大，会给后期的信号处理和分析带来一定的难度。

在申请号为201210164128.2的中国专利申请中，公开了一种超声波换能器的阵列校准系统及方法，用于对超声信号进行幅度和相位校准。本发明实施例方法包括：超声波换能器，模拟前端，模数转换器，存储器，比较器，延时器，增益控制器，其中，超声波换能器接收反射超声回波信号，比较器比较各路信号的差值，发送给延时器和增益控制器，延时器根据该差值控制延时，获得控制延时参数，增益控制器根据该差值控制信号增益幅度，获得控制信号增益幅度参数，该延时器调整该控制延时参数，该增益控制器调整该控制信号增益幅度参数，使得各通道信号的幅度和相位均相同。该方法主要应用于医学领域，信号频率较高，且为自发自收探头，阵列换能器的回波信号随激励换能器组合的变化而变化，硬件设计复杂度和成本较大，且无法实时显示回波信号；而油气井出砂信号频率较低，为宽带信号，信号幅值较低，且出砂信号源未知，阵列换能器被动接收砂粒撞击信号，再加上监测现场环境噪声等因素，直接采用阵列声波换能器测试数据无法满足监测需求，不能精确拾取有效的出砂信号，容易造成监测系统信号误采的现象，导致监测系统无法准确判断真实的出砂状况。

为此我们发明了一种新的油气井出砂监测阵列换能器校准系统，解决了以上技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种可以有效地提高阵列传感器接收信号的解释精度的油气井出砂监测阵列换能器校准系统。

本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：油气井出砂监测阵列换能器校准系统，该油气井出砂监测阵列换能器校准系统包括超声相控阵列换能器模块、换能器输出信号处理模块和上位机显示模块，该超声相控阵列换能器模块将砂粒撞击管壁产生的超声波信号转换为电信号，并传输给该换能器输出信号处理模块，该换能器输出信号处理模块连接于该超声相控阵列换能器模块，将接收到的电信号进行数据处理后，得到出砂结果，并传输给该上位机模块，该上位机模块连接于该换能器输出信号处理模块，对井的参数、砂粒撞击管壁产生的超声波信号和出砂结果进行波形显示。

本实用新型的目的还可通过如下技术措施来实现：

该超声相控阵列换能器模块由多个换能器阵元排列而成。

所述多个换能器阵元线性排列，固定在输油管道外壁。

该换能器输出信号校准模块包含电荷放大模块、运算放大模块、a/d采样模块和fpga模块，该电荷放大模块连接于该超声相控阵列换能器模块，与该超声相控阵列换能器模块阻抗匹配，并将该超声相控阵列换能器模块输出的电信号的电荷转换为电压，该运算放大模块连接于该电荷放大模块，进行功率放大，该a/d采样模块耦接于该运算放大模块，将该超声相控阵列换能器模块的输出信号转换为数字阵列信号，该fpga模块连接于该a/d采样模块，根据该a/d采样模块传输过来的数字阵列信号得到出砂结果。

该换能器输出信号校准模块还包括带通滤波器，该带通滤波器连接在该运算放大模块与该a/d采样模块之间，衰减通带之外频率的信号。

该带通滤波器由低通滤波电路和高通滤波电路两部分组成。

该电荷放大模块采用ad公司的ada4077-17芯片作为运算放大器。

该运算放大模块采用ada4077芯片作为运算放大器。

该fpga模块采用的芯片为altera公司的cycloneiv芯片。

本实用新型中的油气井出砂监测阵列换能器校准系统，应用于产出液携带砂体撞击管壁产生的超声波信号并通过传感器采集到的信号计算油气井管道内的出砂量。可实现油气井出砂信号的实时在线监测，提高出砂信号的解释精度，同时，可在保证传感器阵列覆盖范围和监测性能的情况下，精确掌握出砂量、出砂率等信息，分析出砂趋势，为优化生产提供依据。

附图说明

图1为本实用新型的油气井出砂监测阵列换能器校准系统的一具体实施例的结构图；

图2为本实用新型的一具体实施例中换能器输出信号处理模块的结构图；

图3为本实用新型的油气井出砂监测阵列换能器校准系统的工作流程图；

图4为本实用新型的一具体实施例中电荷放大模块的电路图；

图5为本实用新型的一具体实施例中运算放大模块的电路图；

图6为本实用新型的一具体实施例中带通滤波电路的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本实用新型的油气井出砂监测阵列换能器校准系统的结构图。该油气井出砂监测阵列换能器校准系统包括超声相控阵列换能器模块10、换能器输出信号处理模块20和上位机显示模块30。

超声相控阵列换能器模块10由多个换能器阵元排列而成，由于井口处设有一定的直角区域，以保证油气流体在较短距离内改变运移方向，当砂粒随流体运移到该直角区域时，具有一定动量的砂粒就会撞击到直角下游管壁处，这种刚性碰撞会使管壁发生振动，产生相位不同频率相同的相干声波。通过换能器将声波信号转换为电信号，换能器输出信号处理模块20进行放大、滤波、比较和校准等处理后，建立出砂信号与出砂量的对应关系，可实现超声相控阵的聚焦。

在一实施例中，将多个换能器阵元进行线性排列，固定在输油管道外壁，为了保证传感器和输油管道紧密贴合，可以在管道外壁涂上少量的耦合剂。由于各换能器所处的空间位置不同，接收出砂声波信号时会产生时间上的差异，同时，由于各阵列换能器尺寸和工艺的差异，其灵敏度也会有所不同，进而会导致阵列接收信号强度会存在一定的差异。而通过对各通道接收信号进行补偿和校正，可以提高监测系统的信噪比，进而提高油气井产出液中携带砂量的计算精度。将校正后的输出信号传至上位机显示模块，可对油气井参数、换能器接收信号以及处理后的出砂结果进行成像显示。

换能器输出信号校准模块20可实现对超声相控阵列换能器输出信号的放大、滤波、比较和校准处理，以提高油气井出砂量的计算精度。如图2所示，换能器输出信号校准模块20包含电荷放大模块21、运算放大模块22、a/d采样模块23和fpga模块24。

电荷放大模块21和运算放大模块22用于对换能器输出信号进行功率放大。电荷放大器与换能器直接相连接，需要实现与换能器的阻抗匹配和电荷-电压转换的功能，保证输出信号不失真。电荷放大模块21的运算放大器采用ad公司的ada4077-1，该芯片闭环增益较高，频响特征好，频带范围宽，输出电流大，能够满足出砂信号的处理。电荷放大模块21如下图4所示：

其中，r5主要用于消除信号经过长距离电缆传输后引入的噪声，电容c3的功能是隔离压电换能器的零漂，r6作为第一级电荷放大器的输入电阻，用来保护ada4077。电荷放大器的反馈电容是c1，反馈电阻是r1，电荷放大器第一级的输出为：

其中，a1是运放的放大倍数,当a1足够大时，输出为：

因此，在满足监测要求的情况下，电荷放大模块21可以选取较小的反馈电容来实现电路灵敏度。

运算放大模块22是由ada4077作为运算放大器，放大器与r2和r3构成同向输入比例运算放大器，用以放大经过q-v转换电路输出的电压信号，r4和r7为阻抗匹配。在实际应用中，第一级电荷放大器的输出信号比较大，因此，第二级的运算放大模块22配置为跟随器模式，用于缓冲第一级的电荷放大模块21输出的高电压信号。其电路图如图5所示。

在一实施例中，在第二级运算放大模块22后面，设计了图6所示的带通滤波电路。电路由低通滤波电路和高通滤波电路两部分组成。该电路为有源滤波器，虽然结构复杂，但是其带载能力强，屏蔽效果良好。带通滤波电路如图6所示。

a/d采样模块23用于将滤波后的阵列换能器输出信号转换为数字阵列信号。

fpga模块24的芯片选择altera公司的cycloneiv,cycloneiv器件中最小的逻辑单位是逻辑单元，逻辑单元有效的提供了高级功能的逻辑使用，其嵌入式存储器结构的设计满足了片上存储的需求。该模块用于控制a/d采样模块23，并判断各通道的输出信号是否达到给定阈值，并对满足给定阈值的阵列信号进行存储和算法处理，以实时计算油气井出砂量。

上位机显示模块30用于对井的参数、砂粒撞击管壁产生的超声波信号和fpga模块计算得出的出砂结果进行波形显示。

超声相控阵油气井出砂信号接收单元结构复杂，为了提高采样精度，各接收通道都具有独立的接收信号处理模块，用于校正阵列接收信号。由于换能器输出信号驱动能力差，幅值低，且包含大量的低频噪声，不利于后期数据的采集，通过采用接收信号处理模块对电荷信号进行放大，并设计满足油气井出砂所产生声波信号频带的带通滤波器可以有效抑制出砂信号中的噪声。而利用fpga芯片可以实现数据的采集和存储，由于其内部有大量的ram资源，可满足系统对存储数据量的需求。

如图3所示，本实用新型的油气井出砂监测阵列换能器校准系统的工作流程如下：

1.将各通道的换能器输出信号经电荷放大模块进行初级放大，再经运算放大模块进行二级放大，再经带通滤波器进行去噪；

2.fpga控制a/d采样模块对放大后的信号进行采样；

3.通过fpga设置信号阈值，若各通道的接收信号满足给定阈值，则将其存储于fpga中；如果不满足给定阈值，则通过运算放大模块的程控电阻对放大倍数进行调整，再对调整放大后的输出信号进行a/d采样，如此循环，直至各通道的输出信号均满足给定阈值。由于各井况不同，对于不同油气井可根据实际需要设定不同的判断阈值。