油气井出砂是油气资源开采过程中需要面对的难题之一。出砂监测技术是制定生产计划、协调生产进度的关键技术之一,可以提供实时、定性乃至定量反映生产井出砂情况的信息,以确保生产计划的最优性。本文针对外置式气井出砂监测问题,重点研究了砂砾撞击管壁模型及管壁介质中近场范围内弹性波的激发与传播特性、基于近场波束聚焦原理的自适应出砂量计算模型以及相应的多通道数据采集方案。本文首先介绍了气井出砂超声监测基本原理,使用解析方法对集中力作用下的管壁介质中弹性波的激发与传播特性进行了分析,并根据分析结果建立了数值分析模型。此外,在COMSOL软件中建立了气-固-气分层柱状介质模型,用砂砾撞击管壁时的集中力模型模拟砂砾撞击,并根据待研究问题在管壁介质中设置相应的探测点,对集中力激发的弹性波在管壁介质中的传播特性展开了定性和定量分析研究。在此基础上,建立了基于波束聚焦原理的自适应出砂量计算模型,优化了开展模型实验验证所需要的多通道数据采集系统的数据缓存和传输架构,实现了自适应信号幅值触发和连续数据流的缓存和传输,优化后的多通道信号采集板卡的数据吞吐率为640Mbps。最后,开展了气井出砂模拟实验,利用多通道信号采集板卡对气-砂两相流作用下的管壁弹性波信号进行采集,并针对实际出砂量与监测出砂量之间的线性度,对自适应出砂量计算模型的性能进行了分析。理论分析和数值模拟结果表明:砂砾撞击管壁激发的弹性波信号的频域特性与砂砾半径和撞击速度有关;撞击点近场范围内,砂砾撞击方向影响探测点处接收信号的幅值,撞击点到各探测点的距离差影响探测点处接收波形间的时延。模拟实验发现:相比传统的单阵元出砂量计算模型,自适应出砂量计算模型能够有效地改善出砂量监测值与实际值之间的线性度;结合前期校准和后期数据回归分析,自适应出砂量计算模型可有效提高出砂量反演的准确度。