劉晉杰　趙青山　楊剛

摘要：當(dāng)油氣井出砂時(shí)，砂粒會(huì)隨著開(kāi)采液從儲(chǔ)層運(yùn)移到井筒，之后隨著開(kāi)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(hào)，該信號(hào)即為出砂信號(hào)。為了改善出砂信號(hào)的信噪比，提高出砂量測(cè)量的精度，本文將在分析出砂信號(hào)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓電式出砂信號(hào)檢測(cè)傳感器的工作特性，設(shè)計(jì)了完整的出砂信號(hào)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(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了合理配置，驗(yàn)證了其電路的性能，結(jié)果表明出砂信號(hào)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(qiáng)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的要求。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(cè)中，聲測(cè)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(cè)砂粒碰撞管壁產(chǎn)生的微弱脈沖信號(hào)[1][2]，該信號(hào)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(hào)弱，檢測(cè)難度很大。由于油氣井出砂是隨機(jī)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(hào)為一種瞬態(tài)的隨機(jī)信號(hào)[4][5]。另外，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境的影響，出砂信號(hào)中包含著各種各樣的噪聲的。為了改善出砂信號(hào)的信噪比，提高出砂測(cè)量的精度，壓電傳感器輸出信號(hào)必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，即設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)壓電式傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理。

1 出砂信號(hào)調(diào)理電路總體結(jié)構(gòu)

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

2 出砂信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 電荷放大器電路

電荷放大器中要求運(yùn)算放大器必須滿(mǎn)足高輸入阻抗、高開(kāi)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(biāo)：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(hào)的頻率集中在幾十KHz～幾百KHz之間，而流體氣泡、管道振動(dòng)的頻率低于出砂信號(hào)且工作環(huán)境中電磁干擾為高頻信號(hào)，所以設(shè)計(jì)帶寬合適的帶通濾波器可有效地消除上述噪聲。由于無(wú)源濾波電路頻率選擇性較差，且對(duì)信號(hào)衰減嚴(yán)重，因此本文設(shè)計(jì)有源帶通濾波器電路如圖2所示，其信號(hào)通過(guò)的頻率范圍為50kHz～800kHz。

2.3 電壓放大電路

經(jīng)過(guò)濾波后能得到較為純粹的出砂信號(hào)，但是此時(shí)的信號(hào)幅度還很低，為滿(mǎn)足后續(xù)信號(hào)采集的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路如圖3所示。

3 出砂信號(hào)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(duì)電荷放大器電路、帶通濾波器進(jìn)行了仿真測(cè)試。

3.1 電荷放大器電路仿真

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

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

通過(guò)仿真輸出波形，可以形象地看出不同電路參數(shù)對(duì)輸出電壓幅度的影響，因此適當(dāng)?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(yàn)證設(shè)計(jì)的帶通濾波電路的濾波特性，對(duì)其在輸入信號(hào)幅值相同，頻率不同的情況進(jìn)行了測(cè)試。

仿真結(jié)果顯示：當(dāng)輸入信號(hào)頻率在50kHz～800kHz范圍內(nèi)，輸出信號(hào)電壓幅度較大，當(dāng)輸入信號(hào)頻率在50kHz～800kHz之外，輸出信號(hào)衰減較大，即有源濾波電路在通帶內(nèi)對(duì)信號(hào)沒(méi)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(hào)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)出砂信號(hào)設(shè)計(jì)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(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示：該出砂信號(hào)調(diào)理電路能夠?qū)鞲衅鬏敵龅奈⑷蹼姾尚盘?hào)進(jìn)行Q-V轉(zhuǎn)換、有效地濾除50Hz工頻干擾以及出砂信號(hào)頻段外的噪聲信號(hào)，并能對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而驗(yàn)證了該出砂信號(hào)調(diào)理電路是可行的。

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