油氣井出砂信號調(diào)理電路的優(yōu)化設(shè)計與仿真

劉晉杰　趙青山　楊剛

摘要：當油氣井出砂時，砂粒會隨著開采液從儲層運移到井筒，之后隨著開采液舉升到地面管道，在管道的彎管處砂粒撞擊管壁產(chǎn)生瞬態(tài)的微弱聲脈沖信號，該信號即為出砂信號。為了改善出砂信號的信噪比，提高出砂量測量的精度，本文將在分析出砂信號特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓電式出砂信號檢測傳感器的工作特性，設(shè)計了完整的出砂信號調(diào)理電路，包括電荷放大器和濾波器等電路結(jié)構(gòu)，并利用Multisim對電路進行仿真測試，對電路參數(shù)進行了合理配置，驗證了其電路的性能，結(jié)果表明出砂信號調(diào)理電路性能穩(wěn)定、工作可靠、重復(fù)性好、噪聲小、抗干擾能力強，滿足現(xiàn)場實際應(yīng)用的要求。

關(guān)鍵詞：出砂監(jiān)測； 壓電傳感器； 信號調(diào)理電路； 電路設(shè)計； 電路仿真

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0243-03

Optimization Design and Simulation of the Sand Signal Conditioning Circuit for Oil and Gas Wells

LIU Jin - jie1， ZHAO Qing - shan2，YANG Gang1

（1.Xian Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian 710065， China；2. Xinmin oil production plant of Jilin oil field of PetroChina， Songyuan 138000， China）

Abstract： When the sand flow out from the oil and gas well， the sand will migrate from the reservoir into the wellbore with mining fluid. With the mining fluid is lifted to the pipe on the ground， the sand will hit the tube wall at the elbow， a transient and weak sound pulse signal is produced at that time， the signal is the gravel signal， it is very weak. In order to improve ratio of the signal to the noise of the sand signal and the accuracy of the measurement， in this paper， on the base of analysing the characteristics of the sand signal， combining with the working characteristics of the piezoelectric sand detection sensor， a complete sand signal conditioning circuit is designed， including the circuit structure of power frequency notch filter， charge amplifier and filter. Besides this， Multisim is used to simulate the circuit to reasonably configurate the circuit parameters and verify the performance of the circuit. The results show that the sand signal conditioning circuit has stable performance， reliable operation， good repeatability， low noise and strong anti-interference ability， meetting the requirements of practical application.

Key words： sand monitor；piezoelectric sensor；signal conditioning circuit；design of circuit； simulation of circuit

在油氣井出砂監(jiān)測中，聲測法由于響應(yīng)速度快、精度高且使用方便得到了廣泛的應(yīng)用，其利用外置式壓電傳感器檢測砂粒碰撞管壁產(chǎn)生的微弱脈沖信號[1][2]，該信號的大小與流體的流速和粘度、砂粒濃度及砂粒的尺寸等因素有關(guān)[3]，且頻率高、信號弱，檢測難度很大。由于油氣井出砂是隨機的，且砂粒的濃度和大小也是不確定的，故砂粒碰撞管壁產(chǎn)生的脈沖信號為一種瞬態(tài)的隨機信號[4][5]。另外，由于現(xiàn)場測量環(huán)境的影響，出砂信號中包含著各種各樣的噪聲的。為了改善出砂信號的信噪比，提高出砂測量的精度，壓電傳感器輸出信號必須經(jīng)過預(yù)處理，即設(shè)計專門的信號調(diào)理電路對壓電式傳感器輸出信號進行處理。

1 出砂信號調(diào)理電路總體結(jié)構(gòu)

聲波法出砂監(jiān)測采用的壓電式傳感器[6]，其輸出信號為微弱的電荷信號，所以在出砂信號調(diào)理電路中必須首先實現(xiàn)電荷-電壓的轉(zhuǎn)換。針對工頻干擾、低頻的振動噪聲和高頻的電磁噪聲，設(shè)計有源帶通濾波器濾除相關(guān)的噪聲。最后，設(shè)計放大電路將信號放大到數(shù)據(jù)采集輸入端所要求的范圍。

2 出砂信號調(diào)理電路設(shè)計

2.1 電荷放大器電路

電荷放大器中要求運算放大器必須滿足高輸入阻抗、高開環(huán)增益、小失調(diào)電壓和寬頻帶等條件?；谏鲜鲈瓌t，本文選擇AD823，其參數(shù)指標：輸入阻抗10TΩ，輸入偏置電流典型值5pA、帶寬16MHz。另外，反饋電容影響著電荷放大器的靈敏度，若太小，低噪聲同軸電纜的寄生電容將影響輸出靈敏度，且有積分漂移和泄露現(xiàn)象；若值太大，容易引起自激現(xiàn)象。本文選擇100pF的高精度的聚苯乙烯電容和1GΩ的反饋電阻。

2.2 帶通濾波器電路

由于出砂信號的頻率集中在幾十KHz～幾百KHz之間，而流體氣泡、管道振動的頻率低于出砂信號且工作環(huán)境中電磁干擾為高頻信號，所以設(shè)計帶寬合適的帶通濾波器可有效地消除上述噪聲。由于無源濾波電路頻率選擇性較差，且對信號衰減嚴重，因此本文設(shè)計有源帶通濾波器電路如圖2所示，其信號通過的頻率范圍為50kHz～800kHz。

2.3 電壓放大電路

經(jīng)過濾波后能得到較為純粹的出砂信號，但是此時的信號幅度還很低，為滿足后續(xù)信號采集的要求，設(shè)計一個放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路如圖3所示。

3 出砂信號調(diào)理電路仿真

為了考察上述電路的性能，本文采用Mutilsim12.0對電荷放大器電路、帶通濾波器進行了仿真測試。

3.1 電荷放大器電路仿真

為了驗證反饋電阻、反饋電容以及運放的參數(shù)對電荷放大器輸出的影響，分別做了電路仿真測試試驗。由于在Multisim仿真軟件中，沒有直接的電荷源信號，考慮到壓電式傳感器輸出的電荷信號在形式上是以電流的形式輸出的，所以在仿真時，采用脈沖電流源來近似代替電荷源信號。

首先，改變電荷放大器輸入電流的情況下對其輸出電壓的情況進行仿真，其結(jié)果如圖5所示。由測試結(jié)果可看出：在輸入電流為5pA時，該電荷放大器仍然能實現(xiàn)正常的放大，從而驗證了基于AD823的電荷放大器具有較高的靈敏度和較小的測量誤差。

通過仿真輸出波形，可以形象地看出不同電路參數(shù)對輸出電壓幅度的影響，因此適當?shù)恼{(diào)節(jié)元件參數(shù)可以使電荷靈敏度更佳。

3.2 帶通濾波器電路的仿真

為了驗證設(shè)計的帶通濾波電路的濾波特性，對其在輸入信號幅值相同，頻率不同的情況進行了測試。

仿真結(jié)果顯示：當輸入信號頻率在50kHz～800kHz范圍內(nèi)，輸出信號電壓幅度較大，當輸入信號頻率在50kHz～800kHz之外，輸出信號衰減較大，即有源濾波電路在通帶內(nèi)對信號沒有衰減而且?guī)馑p較大，從而能很好地抑制帶外的干擾信號。

4 結(jié)論

本文針對出砂信號設(shè)計了一種調(diào)理電路，包括電荷放大器、濾波器和電壓放大電路，并進行了仿真，仿真結(jié)果顯示：該出砂信號調(diào)理電路能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘栠M行Q-V轉(zhuǎn)換、有效地濾除50Hz工頻干擾以及出砂信號頻段外的噪聲信號，并能對信號進行放大，從而驗證了該出砂信號調(diào)理電路是可行的。

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