自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法
阅读说明：本技术 自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法 (Self-adaptive ultrasonic phased array sand production online monitoring system and method ) 是由 赵益忠 刘玉国 梁伟 贾培锋 王冰 任家敏 高雪峰 党博 张雨晨 陈雪 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法,该自适应超声相控阵列出砂在线监测系统包括传感器模块、主机模块和上位机模块,该传感器模块连接于该主机模块,采集砂粒撞击管壁产生的信号,并传输给该主机模块,该主机模块连接于该传感器模块,根据当前的出砂情况,自适应选择一定数目的传感器信号进行放大、滤波、模数转换和处理后发送给该上位机模块,该上位机模块利用当前监测井的参数对接收到的信号进行处理,计算出当前的出砂量,并用曲线和具体数值的形式进行显示。该自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法可在保证传感器阵列覆盖范围和监测性能的情况下,降低设计复杂度和成本,保证监测系统实时性。(The invention provides a self-adaptive ultrasonic phased array sand production online monitoring system and a self-adaptive ultrasonic phased array sand production online monitoring method, wherein the self-adaptive ultrasonic phased array sand production online monitoring system comprises a sensor module, a host module and an upper computer module, the sensor module is connected with the host module, acquires signals generated by sand impacting a pipe wall and transmits the signals to the host module, the host module is connected with the sensor module, a certain number of sensor signals are selected in a self-adaptive mode according to the current sand production condition, amplified, filtered, subjected to analog-to-digital conversion and processed and then sent to the upper computer module, and the upper computer module processes the received signals by using the parameters of a current monitoring well, calculates the current sand production amount and displays the current sand production amount in a curve and specific numerical value mode. The adaptive ultrasonic phased array sand production online monitoring system and method can reduce design complexity and cost and ensure real-time performance of the monitoring system under the condition of ensuring the coverage area and monitoring performance of the sensor array.)
技术领域
本发明涉及超声波监测技术领域，特别是涉及到一种自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法。
背景技术
出砂是疏松砂岩油藏开发生产过程中普遍存在的现象，不出砂或过度出砂都会影响油气井的正常生产，轻则降低产量，重则损害设备、缩短油气井寿命，甚至会导致油气井报废。为了保障油气井开发生产效率最大化，同时避免出砂对整个工程带来的危害，需要实时了解出砂动态，及时调整开采方案。
目前，国内外研究的油气井出砂在线监测方法主要有ER法、射线法及声波测量法。其中，ER法通过监测砂粒撞击、侵蚀传感器造成的传感器质量减少来计算出砂量，由于其采用内置式传感器，只能测量局部出砂信息，且安装作业比较复杂；射线法通过穿过管道的射线信号获取流体的密度信息，从而计算出砂量，系统设计和操作比较复杂，且会产生辐射，有一定安全隐患；声波测量法通过测量砂粒撞击管壁产生的微弱震动信号来计算出砂量，分为侵入式和非侵入式两种。
侵入式声波测量法传感器安装在管道内部，直接接触管道流体，信号强度比较大，但传感器对流体有阻碍作用，且安装复杂。非侵入式声波测量法传感器探头通过夹具安装在管道弯曲处外侧，测量砂粒在通过弯管时对管壁的撞击，虽然仅适用于地面输油管线的出砂监测，但施工方便、操作简单、监测结果准确，在国内外得到广泛应用。
非侵入式声波出砂在线监测系统中，管道中的流体也会在管道弯曲处撞击管壁，产生震动信号，该信号同出砂信号混在一起，严重影响监测性能。早期的声波出砂在线监测方法利用砂粒和流体撞击金属管壁的信号幅值和频率的不同，通过频域滤波来提取出砂信号，但是砂粒撞击管道的频率与其流速和体积有关，频谱范围大，同流体撞击信号的频率存在一定的重叠，仅通过频域滤波难以有效提取。
在申请号为201810377333.4的中国专利申请中，提出了一种超声相控阵列油气井出砂实时监测系统，该系统对超声相控阵列换能器的接收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，并拾取砂粒撞击管壁主要区域的超声波信号，进行空域滤波、频域滤波和时域滤波提取出砂信号，有效提高出砂监测精度。
不同流速不同体积的砂粒撞击的管壁位置不同，撞击的频率也不同，为了能够准确获取出砂信号，超声相控阵列需要用很小的阵元间距覆盖所有砂粒可能撞击的区域，这会大大增加超声阵列的阵元数，提高仪器设计的复杂度和成本，增加信号处理的运算量，影响出砂监测的实时性，同时对各阵元的时间同步提出了极高的要求。
为此我们发明了一种新的自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种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的自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：自适应超声相控阵列出砂在线监测系统，该自适应超声相控阵列出砂在线监测系统包括传感器模块、主机模块和上位机模块，该传感器模块连接于该主机模块，采集砂粒撞击管壁产生的信号，并传输给该主机模块，该主机模块连接于该传感器模块，根据当前的出砂情况，自适应选择一定数目的传感器信号进行放大、滤波、模数转换和处理后发送给该上位机模块，该上位机模块利用当前监测井的参数对接收到的信号进行处理，计算出当前的出砂量，并用曲线和具体数值的形式进行显示。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
该自适应超声相控阵列出砂在线监测系统还包括传输线缆，该传感器模块和该主机模块之间通过该传输线缆相连。
该传感器模块安装在油管管道弯曲处，该主机模块和该上位机模块远离抽油机。
该传输线缆为多芯线缆，线芯的数量大于等于该传感器模块中自适应阵列超声传感器阵元的数量。
该传感器模块包括声楔、自适应阵列超声传感器、传感器外壳和安装夹具，该声楔和该自适应阵列超声传感器固定在该传感器外壳内，并通过该安装夹具安装在油管管道弯曲处，该声楔紧紧贴在管道上，使砂粒撞击管壁产生的超声信号能传播至该自适应阵列超声传感器上。
该自适应阵列超声传感器采用24个压电陶瓷组成，压电陶瓷把砂粒撞击管壁震动产生的压力信号转换为电信号。
该主机模块包括信号选择模块、信号放大模块、滤波模块、信号采集模块和单片机模块，该信号选择模块从传输过来的该传感器模块的多个阵列传感器信号中选择一个或多个信号用于下一步处理，该信号放大模块连接于该信号选择模块，将该信号选择模块选择的各路信号进行放大，该滤波模块连接于该信号放大模块，采用带通滤波器，将该信号放大模块放大的各路信号做频域滤波，该信号采集模块连接于该滤波模块，将该滤波模块处理后的信号由模拟信号转换为数字信号，并发送给该单片机模块，该单片机模块连接于该信号采集模块，对数字出砂信号做数字信号处理，估计砂粒撞击管壁的位置和范围，控制该信号选择模块选择合适的该传感器模块中的传感器阵元，且选择的几路传感器阵元组成一个新的阵列，该单片机模块对新的阵列的出砂信号做空域滤波处理，并将处理后的信号发送给该上位机模块。
该信号选择模块连接于该单片机模块，选择的信号数目不大于传感器阵元数目，选择的传感器阵元编号和数目均不固定，而是由该单片机模块，根据当前的出砂情况实时计算。
该信号采集模块采用高速高精度的AD芯片。
该上位机模块包括参数输入部分、数据处理部分和显示部分，用于输入当前油井参数、实时处理主机模块传输的信号并进行曲线和数值显示。其中，参数输入部分连接于该数据处理部分，用以输入监测井的流速、管径这些参数，以帮助该数据处理部分利用该主机模块传来的信号计算实时出砂量，数据处理部分将计算的出砂量传输该显示部分，以曲线和具体数值的形式进行显示；步骤6：上位机模块输入当前油井参数，利用主机模块传来的信号计算实时出砂量，并将计算的出砂量以曲线和具体数值的形式进行显示。
本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：自适应超声相控阵列出砂在线监测方法，该自适应超声相控阵列出砂在线监测方法采用自适应超声相控阵列出砂在线监测系统，包括：步骤1：利用主机模块初步等间隔地选择覆盖范围最大的8个阵元数据进行分析；步骤2：建立砂粒撞击模型，主机模块计算撞击点到阵元的传播时间；步骤3：主机模块分析传感器采集信号，利用加权扫描方法计算撞击角度和撞击点范围；步骤4：主机模块根据砂粒撞击区域估计流体速度和撞击频率；步骤5：主机模块根据撞击信号的频率自适应确定阵元数，估计出砂量。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
该自适应超声相控阵列出砂在线监测方法还包括，在步骤1之前，将传感器模块安装在油管管道弯曲处。
在步骤2中，砂粒撞击模型的阵元数为M，阵元间距d为相邻两个阵元之间的距离，第m个阵元到阵列中心点的距离为md，管道厚度为F，则rF为撞击点到阵列中心点的距离，rm为撞击点到第m个阵元的距离。在主机模块计算撞击点到第m个阵元的传播时间为
其中，c是超声波在金属管壁中的传播速度，m＝0,±1,±2,…为阵元编号，t0是撞击点到阵列中心点传播距离，θ为撞击点到阵列中心的角度。
在步骤3中，主机模块将选择的信号放大、滤波处理后，转换为数字信号，进行撞击角度和撞击点范围的计算：
第m个阵元接收到的信号为
xm(t)＝am(θ)s(t)+nm(t) (2)
其中am(θ)为传播时间引起的偏移，其值与θ有关，s为震动信号，n为噪声；t信号采样时间；
不同流速不同体积的砂粒撞击管壁的位置不同，撞击频率也不同，采用传感器模块中的超声相控阵列以很小的阵元间距覆盖所有砂粒可能撞击的区域；当流速和砂粒尺寸比较固定时，砂粒集中撞击在很小的区域内；当流速和砂粒尺寸的范围比较大时，砂粒集中撞击的区域会稍微大些；
这时第m个阵元的接收信号为多个撞击信号的叠加，表示为
其中，I为撞击点个数；虽然可能会存在多个撞击点，但短时间内撞击点一般会集中在一个区域内，其撞击角度也集中在一个比较小的范围，假设权向量满足如下方程
利用权矢量w(θ)对各个阵元进行加权扫描，功率谱为：
p(θ)＝(w(θ)Hx(t))2 (5)
其中a(θ)＝[a1(θ) … aM(θ)]T为导向矢量，使θ＝0°～180°扫描所有来波方向，通过功率谱与设定阈值的比较确定撞击的角度范围，进而确定撞击点范围。
在步骤4中，主机模块利用计算的撞击位置分析撞击砂粒的速度，并和接收信号的频谱联合分析撞击信号的频率；同时对撞击信号做频谱分析，与撞击区域估计的撞击频率相互验证，最终确定撞击信号的频率。
在步骤5中，根据奈奎斯特采样定理，利用撞击信号的频率确定阵元间距d如下
式中，f为撞击信号的频率；
主机模块利用求出的阵元间距d，选取足够的阵元覆盖撞击区域形成新的阵列，利用新的阵列对撞击信号进行处理，估计出砂量，新的阵列的阵元数目较少。
该自适应超声相控阵列出砂在线监测方法还包括，在步骤5之后，一段时间后，重复步骤3和4，重新估计当前的出砂情况并选择合适的多个传感器组成新的阵列进行处理，计算出砂量。
本发明中的自适应超声相控阵列出砂在线监测系统及方法，涉及一种用于疏松砂岩油藏生产井中实时出砂量监测的自适应阵列油气井出砂监测系统及方法，根据当前的出砂情况，自适应选择阵列传感器中的多个阵元组成新的阵列进行信号处理，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。
1、引入超声相控阵列油气井出砂在线监测方法，多通道采集砂粒撞击信号；
2、提出自适应阵列选择方法。通过对传感器信号的处理计算当前砂粒的撞击位置和范围等信息，并根据这些信息自适应选择合适的多个传感器组成新的阵列，计算出砂量，可在保证传感器阵列覆盖范围和监测性能的情况下，降低设计复杂度和成本，保证监测系统实时性。
附图说明
图1为本发明的自适应超声相控阵列出砂在线监测系统的一具体实施例的结构图；
图2为本发明的一具体实施例中传感器模块的结构图；
图3为本发明的一具体实施例中主机模块的结构图；
图4为本发明的一具体实施例中砂粒撞击模型的示意图；
图5为本发明的一具体实施例中砂粒集中撞击管壁不同区域示意图；
图6为本发明的自适应超声相控阵列出砂在线监测方法的一具体实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、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。
采用自适应阵列出砂传感器对管道的出砂情况进行实时监测，阵列传感器的阵元数量和选择的阵元数量都可以有多个，为了便于描述，以24阵元的阵列传感器选择8个阵元组成自适应阵列为例进行说明。
如图1所示，图1为本发明的自适应超声相控阵列出砂在线监测系统的结构图。
自适应超声相控阵列出砂在线监测系统包括传感器模块10、传输线缆20、主机模块30和上位机模块40几部分组成。传感器模块10紧密安装在管道弯曲处，为了保证二者紧密贴合，可以在接触处涂抹少量的耦合剂。传感器模块10和主机模块30之间通过传输线缆20相连，主机模块30和上位机模块40之间通过数据线相连。
自适应阵列油气井出砂监测系统通电后，传感器模块10采集砂粒撞击管壁产生的信号，并通过传输线缆20传输给该主机模块30。主机模块30会根据当前的出砂情况，自适应选择一定数目的传感器信号进行放大、滤波、模数转换和处理后发送给上位机模块40，上位机模块40利用当前监测井的参数对接收到的信号进行处理，计算出当前的出砂量，并用曲线和具体数值的形式显示在显示屏上。
传感器模块10由声楔11、自适应阵列超声传感器12、传感器外壳13和安装夹具14组成，具体如图2所示。声楔11和自适应阵列超声传感器12固定在传感器外壳13内，并通过安装夹具14安装在管道弯曲处，其中声楔11紧紧贴在管道上，使砂粒撞击管壁产生的超声信号能够清晰的传播至自适应阵列超声传感器上。自适应阵列超声传感器12为24个压电陶瓷组成，压电陶瓷可以把砂粒撞击管壁震动产生的压力信号转换为电信号，再通过传输线缆20传至主机模块30中，供下一步分析。
传输线缆20为多芯线缆，线芯的数量大于等于自适应阵列超声传感器12阵元的数量，从而保证每个阵元的信号都能够传输进主机模块。为保证安全和尽量减少抽油机运作对监测系统的影响，出砂监测系统在工作时应使主机模块30和上位机模块40远离抽油机，而传感器模块10则需紧密安装在输油管道上，因此需要较长的传输线缆将二者相连。
主机模块30由信号选择模块31、信号放大模块32、滤波模块33、信号采集模块34和单片机模块35组成，具体如图3所示。信号选择模块31从传输线缆20中传输的多个阵列传感器信号中选择一个或多个信号用于下一步处理。信号选择模块31选择的信号数目不会大于传感器阵元数目，同时为了降低仪器成本、硬件复杂度、和信号处理的运算量，信号选择模块31选择的信号数目往往远远小于传感器阵元数目。此外，由于不同流速不同体积的砂粒撞击的管壁位置不同，覆盖的区域不同，其对应的传感器也不同，因此信号选择模块选择的传感器阵元编号和数目均不固定，而是由单片机模块35根据当前的出砂情况实时计算。信号放大模块32将信号选择模块31选择的各路信号进行放大，便于后续的处理。滤波模块33采用带通滤波器，将信号放大模块32放大的各路信号做频域滤波。由于砂粒撞击管壁的信号总是在一定频率范围内，信号通过滤波模块33后高频和低频的噪声信号被滤除，出砂信号频率范围内的信号被保留。信号采集模块34采用高速高精度的AD芯片将滤波模块33处理后的信号由模拟信号转换为数字信号，并发送给单片机模块35来处理。单片机模块35对数字出砂信号做数字信号处理，估计砂粒撞击管壁的位置和范围，控制信号选择模块31选择合适的传感器阵元，且选择的几路传感器阵元可以组成一个新的阵列，单片机模块35对新的阵列的出砂信号做空域滤波处理，并将处理后的信号发送给上位机模块。
上位机模块40由参数输入部分、数据处理部分和结果显示部分组成。参数输入部分用于输入监测井的流速、管径等参数，以帮助数据处理部分利用主机模块传来的信号更加精确的计算实时出砂量，并将计算的出砂量通过显示模块以曲线和具体数值的形式显示在显示屏。
具体实施步骤如下：
步骤101：将超声相控阵列传感器安装在管道弯曲处；
步骤102：利用信号选择模块初步等间隔地选择覆盖范围最大的8个阵元数据进行分析；
步骤103：建立砂粒撞击模型，计算撞击点到阵元的传播时间；
砂粒撞击模型如图4所示，阵元数为M，阵元间距d为相邻两个阵元之间的距离，第m个阵元到阵列中心点的距离为md，管道厚度为F，则rF为撞击点到阵列中心点的距离，rm为撞击点到第m个阵元的距离。在主机模块计算撞击点到第m个阵元的传播时间为
其中，c是超声波在金属管壁中的传播速度，m＝0,±1,±2,…为阵元编号，t0是撞击点到阵列中心点传播距离，θ为撞击点到阵列中心的角度。
步骤104：分析传感器采集信号，利用加权扫描方法计算撞击角度和撞击点范围。
将选择的信号在信号放大模块和滤波模块放大、滤波处理后，经信号采集模块转换为数字信号，传送给单片机模块进行撞击角度和撞击点范围的计算。
第m个阵元接收到的信号为
xm(t)＝am(θ)s(t)+nm(t) (2)
其中am(θ)为传播时间引起的偏移，其值与θ有关，s为震动信号，n为噪声。
不同流速不同体积的砂粒撞击管壁的位置不同，撞击频率也不同，为了能够准确获取出砂信号，采用超声相控阵列以很小的阵元间距覆盖所有砂粒可能撞击的区域，并用夹具紧密安装在管道弯曲处。当流速和砂粒尺寸比较固定时，砂粒集中撞击在很小的区域内；当流速和砂粒尺寸的范围比较大时，砂粒集中撞击的区域会稍微大些。砂粒集中撞击管壁区域示意图如图5所示。其中，区域1、区域2和区域3分别为砂粒集中撞击管壁的区域。
这时第m个阵元的接收信号为多个撞击信号的叠加，可以表示为
其中，I为撞击点个数。虽然可能会存在多个撞击点，但短时间内撞击点一般会集中在一个区域内，其撞击角度也集中在一个比较小的范围。
假设权向量满足如下方程
利用权矢量对各个阵元进行加权扫描，功率谱为：
p(θ)＝(w(θ)Hx(t))2 (5)
其中a(θ)＝[a1(θ) … aM(θ)]T为导向矢量。使θ＝0°～180°扫描所有来波方向，通过功率谱与设定阈值的比较确定撞击的角度范围，进而确定撞击点范围。
步骤105：根据砂粒撞击区域估计流体速度和撞击频率。
流体速度越快，撞击区域越高，撞击频率越大。利用单片机模块计算的撞击位置分析撞击砂粒的速度，并和接收信号的频谱联合分析撞击信号的频率。同时对撞击信号做频谱分析，与撞击区域估计的撞击频率相互验证，可以最终确定撞击信号的频率。
步骤106：根据撞击信号的频率自适应确定阵元数，估计出砂量。
根据奈奎斯特采样定理，可以利用撞击信号的频率确定阵元间距d如下
单片机模块控制信号选择模块，利用求出的阵元间距d，选取足够的阵元覆盖撞击区域形成新的阵列。利用新的阵列对撞击信号进行处理，估计出砂量。新的阵列的阵元数目较少，大大降低了运算量、硬件复杂度和成本，有利于提高系统的实时性和便携性。
步骤107：上位机模块输入当前油井参数，利用主机模块传来的信号计算实时出砂量，并将计算的出砂量以曲线和具体数值的形式进行显示。
如图5所示，当流速比较大时，砂粒撞击的区域集中在1区域。相应的，当流速减小时，砂粒撞击的区域会向下移动，集中在2区域。此外，当流速的范围比较大时，砂粒撞击的区域范围也会扩大，分布在3区域中。利用步骤6计算的阵元间距，在砂粒的撞击区域内选择合适的多个传感器组成新的阵列，对新的阵列的接收信号进行处理，计算出砂量。
一段时间后，重复步骤4和5，重新估计当前的出砂情况并选择合适的多个传感器组成新的阵列进行处理，计算出砂量，如图6所示。
综上所述，本发明将一个比较大传感器阵列安装在管道上，尽量覆盖所有砂粒可能撞击的区域，通过对传感器信号的处理计算当前砂粒的撞击位置和范围等信息，并根据这些信息自适应选择合适的多个传感器组成新的阵列，进行数据处理，计算出砂量。选择的传感器数目少于传感器阵列的总数目，因此在保证传感器阵列覆盖范围和监测性能的情况下，降低了硬件的设计复杂度和成本，同时也降低了运算量保证了出砂监测的实时性。
需要说明的是，为了进一步提高自适应阵列油气井出砂监测系统的性能，可以适当增加选择的传感器数目，即新的阵列的阵元数，但是随着新阵列的阵元数的增加，同样会增加硬件的设计复杂度和成本，信号处理的运算量，同时各阵元时间同步的难度也会增加。因此，需要确定合适的选择传感器的数量，在自适应阵列油气井出砂监测系统的性能和实现的复杂度。
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