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摘要：当油气井出砂时，砂粒会随着开采液从储层运移到井筒，之后随着开采液举升到地面管道，在管道的弯管处砂粒撞击管壁产生瞬态的微弱声脉冲信号，该信号即为出砂信号。为了改善出砂信号的信噪比，提高出砂量测量的精度，本文将在分析出砂信号特性的基础上，结合压电式出砂信号检测传感器的工作特性，设计了完整的出砂信号调理电路，包括电荷放大器和滤波器等电路结构，并利用Multisim对电路进行仿真测试，对电路参数进行了合理配置，验证了其电路的性能，结果表明出砂信号调理电路性能稳定、工作可靠、重复性好、噪声小、抗干扰能力强，满足现场实际应用的要求。
关键词：出砂监测； 压电传感器； 信号调理电路； 电路设计； 电路仿真
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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.Xi’an Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xi’an 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
在油氣井出砂监测中，声测法由于响应速度快、精度高且使用方便得到了广泛的应用，其利用外置式压电传感器检测砂粒碰撞管壁产生的微弱脉冲信号[1][2]，该信号的大小与流体的流速和粘度、砂粒浓度及砂粒的尺寸等因素有关[3]，且频率高、信号弱，检测难度很大。由于油气井出砂是随机的，且砂粒的浓度和大小也是不确定的，故砂粒碰撞管壁产生的脉冲信号为一种瞬态的随机信号[4][5]。另外，由于现场测量环境的影响，出砂信号中包含着各种各样的噪声的。为了改善出砂信号的信噪比，提高出砂测量的精度，压电传感器输出信号必须经过预处理，即设计专门的信号调理电路对压电式传感器输出信号进行处理。
1 出砂信号调理电路总体结构
声波法出砂监测采用的压电式传感器[6]，其输出信号为微弱的电荷信号，所以在出砂信号调理电路中必须首先实现电荷-电压的转换。针对工频干扰、低频的振动噪声和高频的电磁噪声，设计有源带通滤波器滤除相关的噪声。最后，设计放大电路将信号放大到数据采集输入端所要求的范围。 2 出砂信号调理电路设计
2.1 电荷放大器电路
电荷放大器中要求运算放大器必须满足高输入阻抗、高开环增益、小失调电压和宽频带等条件。基于上述原则，本文选择AD823，其参数指标：输入阻抗10TΩ，输入偏置电流典型值5pA、带宽16MHz。另外，反馈电容影响着电荷放大器的灵敏度，若太小，低噪声同轴电缆的寄生电容将影响输出灵敏度，且有积分漂移和泄露现象；若值太大，容易引起自激现象。本文选择100pF的高精度的聚苯乙烯电容和1GΩ的反馈电阻。
2.2 带通滤波器电路
由于出砂信号的频率集中在几十KHz～几百KHz之间，而流体气泡、管道振动的频率低于出砂信号且工作环境中电磁干扰为高频信号，所以设计带宽合适的带通滤波器可有效地消除上述噪声。由于无源滤波电路频率选择性较差，且对信号衰减严重，因此本文设计有源带通滤波器电路如图2所示，其信号通过的频率范围为50kHz～800kHz。
2.3 电压放大电路
经过滤波后能得到较为纯粹的出砂信号，但是此时的信号幅度还很低，为满足后续信号采集的要求，设计一个放大倍数可调的放大电路如图3所示。
3 出砂信号调理电路仿真
为了考察上述电路的性能，本文采用Mutilsim12.0对电荷放大器电路、带通滤波器进行了仿真测试。
3.1 电荷放大器电路仿真
为了验证反馈电阻、反馈电容以及运放的参数对电荷放大器输出的影响，分别做了电路仿真测试试验。由于在Multisim仿真软件中，没有直接的电荷源信号，考虑到压电式传感器输出的电荷信号在形式上是以电流的形式输出的，所以在仿真时，采用脉冲电流源来近似代替电荷源信号。
首先，改变电荷放大器输入电流的情况下对其输出电压的情况进行仿真，其结果如图5所示。由测试结果可看出：在输入电流为5pA时，该电荷放大器仍然能实现正常的放大，从而验证了基于AD823的电荷放大器具有较高的灵敏度和较小的测量误差。
通过仿真输出波形，可以形象地看出不同电路参数对输出电压幅度的影响，因此适当的调节元件参数可以使电荷灵敏度更佳。
3.2 带通滤波器电路的仿真
为了验证设计的带通滤波电路的滤波特性，对其在输入信号幅值相同，频率不同的情况进行了测试。
仿真结果显示：当输入信号频率在50kHz～800kHz范围内，输出信号电压幅度较大，当输入信号频率在50kHz～800kHz之外，输出信號衰减较大，即有源滤波电路在通带内对信号没有衰减而且带外衰减较大，从而能很好地抑制带外的干扰信号。
4 结论
本文针对出砂信号设计了一种调理电路，包括电荷放大器、滤波器和电压放大电路，并进行了仿真，仿真结果显示：该出砂信号调理电路能够对传感器输出的微弱电荷信号进行Q-V转换、有效地滤除50Hz工频干扰以及出砂信号频段外的噪声信号，并能对信号进行放大，从而验证了该出砂信号调理电路是可行的。
参考文献：
[1] 何保生， 刘澎涛， 刘刚， 等. 基于EMD的稠油油井出砂信号特征识别[J]. 石油机械， 2013（5）：69-72.
[2] E.Y.Muslimov， Real Time Sand Production Management Using Non-intrusive Surface Ultrasonic Sand Monitors in TNK-BP Brown Fields in Western Siberia[C]，SPE145254，2011
[3] 刘刚，贾宗文.基于高频振动信号分析的稠油出砂量监测方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011（3）：84-88.
[4] 隋秀香，郭旗，李相方.油气井测试出砂监测技术[J].天然气工业，2004，05：110-112 156.
[5] 刘刚，刘澎涛，韩金良，等.油井出砂高频振动信号采集监测系统[J].油气地质与采收率，2013（6）：108-110 118.
[6] 何保生，谢雁.油井出砂检测[J].石油天然气学报，2013，35（5）：138-141.
[7] 徐伟，陈钱，顾国华，等.基用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计[J]，激光与红外，2011，41（1）：27-30.
[8] 王庆锋，吴斌，宋吟蔚，等.PVDF压电传感器信号调理电路的设计[J]，仪器仪表学报，2006（6）.
关键词：出砂监测； 压电传感器； 信号调理电路； 电路设计； 电路仿真
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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.Xi’an Shiyou University， Key laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xi’an 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
在油氣井出砂监测中，声测法由于响应速度快、精度高且使用方便得到了广泛的应用，其利用外置式压电传感器检测砂粒碰撞管壁产生的微弱脉冲信号[1][2]，该信号的大小与流体的流速和粘度、砂粒浓度及砂粒的尺寸等因素有关[3]，且频率高、信号弱，检测难度很大。由于油气井出砂是随机的，且砂粒的浓度和大小也是不确定的，故砂粒碰撞管壁产生的脉冲信号为一种瞬态的随机信号[4][5]。另外，由于现场测量环境的影响，出砂信号中包含着各种各样的噪声的。为了改善出砂信号的信噪比，提高出砂测量的精度，压电传感器输出信号必须经过预处理，即设计专门的信号调理电路对压电式传感器输出信号进行处理。
1 出砂信号调理电路总体结构
声波法出砂监测采用的压电式传感器[6]，其输出信号为微弱的电荷信号，所以在出砂信号调理电路中必须首先实现电荷-电压的转换。针对工频干扰、低频的振动噪声和高频的电磁噪声，设计有源带通滤波器滤除相关的噪声。最后，设计放大电路将信号放大到数据采集输入端所要求的范围。 2 出砂信号调理电路设计
2.1 电荷放大器电路
电荷放大器中要求运算放大器必须满足高输入阻抗、高开环增益、小失调电压和宽频带等条件。基于上述原则，本文选择AD823，其参数指标：输入阻抗10TΩ，输入偏置电流典型值5pA、带宽16MHz。另外，反馈电容
2.2 带通滤波器电路
由于出砂信号的频率集中在几十KHz～几百KHz之间，而流体气泡、管道振动的频率低于出砂信号且工作环境中电磁干扰为高频信号，所以设计带宽合适的带通滤波器可有效地消除上述噪声。由于无源滤波电路频率选择性较差，且对信号衰减严重，因此本文设计有源带通滤波器电路如图2所示，其信号通过的频率范围为50kHz～800kHz。
2.3 电压放大电路
经过滤波后能得到较为纯粹的出砂信号，但是此时的信号幅度还很低，为满足后续信号采集的要求，设计一个放大倍数可调的放大电路如图3所示。
3 出砂信号调理电路仿真
为了考察上述电路的性能，本文采用Mutilsim12.0对电荷放大器电路、带通滤波器进行了仿真测试。
3.1 电荷放大器电路仿真
为了验证反馈电阻、反馈电容以及运放的参数对电荷放大器输出的影响，分别做了电路仿真测试试验。由于在Multisim仿真软件中，没有直接的电荷源信号，考虑到压电式传感器输出的电荷信号在形式上是以电流的形式输出的，所以在仿真时，采用脉冲电流源来近似代替电荷源信号。
首先，改变电荷放大器输入电流的情况下对其输出电压的情况进行仿真，其结果如图5所示。由测试结果可看出：在输入电流为5pA时，该电荷放大器仍然能实现正常的放大，从而验证了基于AD823的电荷放大器具有较高的灵敏度和较小的测量误差。
通过仿真输出波形，可以形象地看出不同电路参数对输出电压幅度的影响，因此适当的调节元件参数可以使电荷灵敏度更佳。
3.2 带通滤波器电路的仿真
为了验证设计的带通滤波电路的滤波特性，对其在输入信号幅值相同，频率不同的情况进行了测试。
仿真结果显示：当输入信号频率在50kHz～800kHz范围内，输出信号电压幅度较大，当输入信号频率在50kHz～800kHz之外，输出信號衰减较大，即有源滤波电路在通带内对信号没有衰减而且带外衰减较大，从而能很好地抑制带外的干扰信号。
4 结论
本文针对出砂信号设计了一种调理电路，包括电荷放大器、滤波器和电压放大电路，并进行了仿真，仿真结果显示：该出砂信号调理电路能够对传感器输出的微弱电荷信号进行Q-V转换、有效地滤除50Hz工频干扰以及出砂信号频段外的噪声信号，并能对信号进行放大，从而验证了该出砂信号调理电路是可行的。
参考文献：
[1] 何保生， 刘澎涛， 刘刚， 等. 基于EMD的稠油油井出砂信号特征识别[J]. 石油机械， 2013（5）：69-72.
[2] E.Y.Muslimov， Real Time Sand Production Management Using Non-intrusive Surface Ultrasonic Sand Monitors in TNK-BP Brown Fields in Western Siberia[C]，SPE145254，2011
[3] 刘刚，贾宗文.基于高频振动信号分析的稠油出砂量监测方法[J].中国石油大学学报：自然科学版，2011（3）：84-88.
[4] 隋秀香，郭旗，李相方.油气井测试出砂监测技术[J].天然气工业，2004，05：110-112 156.
[5] 刘刚，刘澎涛，韩金良，等.油井出砂高频振动信号采集监测系统[J].油气地质与采收率，2013（6）：108-110 118.
[6] 何保生，谢雁.油井出砂检测[J].石油天然气学报，2013，35（5）：138-141.
[7] 徐伟，陈钱，顾国华，等.基用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计[J]，激光与红外，2011，41（1）：27-30.
[8] 王庆锋，吴斌，宋吟蔚，等.PVDF压电传感器信号调理电路的设计[J]，仪器仪表学报，2006（6）.