基于声学的油井液面高度测量仪器研制毕业设计论文

1、CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目：基于声学的油井液面高度测量仪器研制基于声学的油井液面高度的测量仪器研制摘要在油井的开采过程当中，需要对油井的温度、压力、液面高度等一系列参数进行测量，监控整个油井的开采过程，同时为下一步的工作提供相关的指导，其中油井的液面高度是一个非常重要的参数。它能够真实的反应地质储量、优化生产，减少抽汲车的空返、提高采油泵的泵效并提高其的使用寿命。本设计中的油井液面高度测量主要通过渡越时间法，即在井口利用爆炸声源产生的一大功率声波信号，利用声波信号在油井环套中传播遇到接管管面和液面反射的原理，再通

2、过微音器接收反射回来的信号。然后通过对回波信号的曲线进行分析，得到液面波反射回井口的时间，最后通过声波在空气中的传播速度计算出油井的液面高度。在对油井液面高度测量的返回曲线进行分析的过程当中，根据在声波法测油井液面高度的过程当中声波频率的研究和噪声信号产生的原因，设计低通数字滤波器和利用谱相相减法对液面反射波进行处理，达到将具有高频特性的油井接箍波和噪声波信号去除掉的目的。然后将短时幅值及过零率函数用于液面反射波的识别，得到液面反射波的具体位置，从而得到从发射声波到微音器接收到液面反射声波的时间。最后通过对接箍反射波利用快速傅里叶变换计算出声波在油套环空气中传播的速度，从而计算出油井液面的高度

3、。关键词：声波；数字滤波器；短时幅值及过零率函数；傅里叶变换DEVELOPED BASED ON THE ACOUSTIC WELL LIQUID LEVEL MEASURING INSTRUMENTSABSTRACTWhen exploration wells, we need to measure temperature, pressure, liquid level and a series of parameters on the wells and monitoring wells as a whole mining process, providing relevant guida

4、nce for the next step at the same time. The well fluid level is a very important parameter. It can real reaction geological reserves 、optimize production reduce swabbing car empty return and improve the efficiency of mining pump and increase of its service life.The design of the well liquid level is

5、 measured mainly by the transit time method, at the well head using a high-power pulse signals generated by the explosion source, the use of acoustic signals encountered in principle to take over the tube surface and the surface reflection spread well ring, and then receiving the signal reflected ba

6、ck through the microphone. Curve of the echo signal to obtain the surface wave is reflected back into the wellhead, and finally through the propagation velocity of sound waves in air to calculate the liquid level of the wells.In return curve analysis on the well surface height measurements, Accordin

7、g to the acoustic frequency and noise signals generated in the process of the height of the acoustic method to measure the well surface, Design low-pass digital filter and spectral subtraction processing, to achieve the purpose of the wells will have high frequency characteristics of the coupling wa

8、ve and noise-wave signal to get rid of the surface reflection wave. And short-term amplitude and zero crossing rate function for the identification of the surface reflected wave，get the specific location of the surface reflection wave, which receives sound waves from the transmitter to the microphon

9、e surface-wave time. Finally，the docking collar reflection Polly fast Fourier transform to calculate the speed of sound wave propagation in the oil ring in the air, in order to calculate the height of liquid oil well.Key words: Acoustic wave; Digital filter; Short amplitude and zero crossing rate fu

10、nction; Fourier transform目录第一章 绪论1课题背景1研究意义1国内外研究状况2第二章 相关技术简介52.1 声波的定义52.2 声波的反射52.3 声波的吸收与衰减7第三章 声波法测油井液面技术研究93.1液面深度、沉没度和泵效、系统效率的关系93.2声波法测油井液面的工作原理133.3声波法测油井液面误差原因分析14第四章 反射波信号的处理174.1 反射波信号的频率分析174.2 声波信号的数字滤波174.2.1 数字滤波器原理174.2.2 数字滤波器用于滤波时的设计方法204.2.3 用数字滤波器对反射声波曲线滤波204.3 利用短时幅值过零率对液面反射波的识

11、别23第五章 声波法测油井液面误差处理265.1 利用谱减法消除背景噪声的影响265.1.1谱相减法原理265.1.2利用谱减法对声波曲线滤波275.2 声波在空气的传播的速度的确定285.2.1 用傅里叶变换对信号进行描述和处理285.2.2 对傅立叶变换的改进325.2.3 对接箍反射波利用快速傅立叶变换计算声速33第六章 总结37参考文献38致 谢401 绪论1.1 课题背景随着社会的发展，人类未来的发展将越来越离不开能源，而现在人类主要使用的能源来自于石油的提炼，所以说石油的开采会在我们未来的世界扮演一个很重要的角色。在油井的勘探和开发当中，需要对油井的温度、压力，液面高度等等一系列参

12、数进行测量，监控整个开采的过程，同时为下一步的工作提供相关的指导。在油井的开采过程当中，有一个易发生易喷、易漏储层试油压井期间，在这段时间可以通过准确的计算出地层压力，在地层流体刚进入井筒就发现溢流，从而控制溢流，降低起下钻、电缆作业的风险。而地层压力的计算主要来至于通过油井的液面高度来计算得到，所以说在油井的开发当中液面高度是一个很重要的参数。在对于油田进行开发的过程来说，准确的把握油井的液面高度及相关情况是一个重要的前提和基本的准备。在油井开采的过程当中对油井液面进行准确的测量，能够真实地反映地质储量、优化生产规划和保证采油设备安全运行。同时对于探测油井液面的高度，确定相关的情况，我们也能

13、够科学而准确的掌握油田的相关供液能力，为此作出基本的评估和推测，进而确定抽油泵的沉没深度,制定出合理的油井工作制度，减少抽汲车的空返或采油泵的功耗，提高泵效，对有效提高采油泵的使用寿命等方面都具有重要意义。1.2 研究意义油田在刚开始开发的时候，油井主要依靠原始地层能量，利用原始地层压力进行自喷开采。在开采过程中，地层能量逐渐减低，油井必须依靠人工举升的方式将原油从地层举升至地面。在利用人工举升方式进行生产的过程中，需要了解油井的液面深度，来确定油井的在开采过程当中的沉没度，在根据这一要求合理的利用抽油机，以提高泵效和整个系统的效率等等。下面的几点是针对准确的测量出液面高度能够起到的作用(1)

14、 延长抽油机泵寿命，提高它的工作效率；延长修井间隔时间，降低维修费用。(2) 可以使抽油机泵的采液能力适应油井的供液能力，动态调参并且稳定油井液面，合理开采，提高油井产量。 (3) 在正常生产中，根据液面的变化情况，选择最佳速度和对应运行功率的调速方案，使电动机运行在输出功率较低的工况，提高系统效率，减少实际电耗。(4) 全面监控，减少意外停产和风险。1.3 国内外研究状况液位测量在我们的生活当中各个领域都有应用，特别是在一些要求比较高的技术领域，由于其使用环境的特殊性等一些原因，对液位测量结果的要求不但精度高，而且其测量装置还要承受恶劣环境等各种外在的原因的影响。同时还必须具备数字化和线性化

15、，对安全性和可靠性要求都比较高。目前国内外市场上液位测量的主要测量技术有十多种，有超声波、次声波、压力、激光、雷达、射频等等一系列液位传感器系统。下面对几个液位测量传感器进行简单的介绍。1超声液位测量系统超声波液位测量是由于空气和水之间的反射率基本上是100，利用气体与液体对超声波界面的反射进行测量，这样不需要接触测量物质即可测量液位。利用声波源发射超声波，测量超声波达到所测液位面后反射回来所需的时间，利用该时间乘以声波在空气的传播速度来进行测量，称为渡越时间法。超声波液位测量系统中的微处理机能迅速、精密地计算出传感器到被测物之间的距离。在超声波测距传感器研制方面，美国一直处于领先地位，例如美

16、国的Milltronics公司，就研制出了具有测量液位、测量液位差等等几项能力的多量程超声波液位监测系统以及可监视14cm到30cm范围的液位变化研发的非接触式超声波传感器。还有Magmetrol国际公司，其研制的EchtelFII型超声波液位控制仪不仅具有连续波信号的高增益系列和脉冲信号的超增益系列两种控制模式，还增加了一个检验机构，使之具有自检功能。以及Hybepark电子公司，其研发并生产的双液位传感系统，采用二只分别调节上限和下限液位的电位计，并在液体之上装上一个与控制装置相连接的超声波探头，控制装置通过与感受到的极限液位去进行比较后去启动指示器和继电器，然后启动液体输出。2雷达液位测

17、量系统雷达液位测量系统主要利用同步调频技术，通过一微波发射器在液面上方向液面发射经过调频的微波信号。当接收器在接收到液面返回的回波信号时，由于声波在空气中的来回传播导致的时间的延迟，发射频率发生了改变。将发射波和回波这两种信号混合处理，比较所得信号的差频正比于发射源到液面之间的距离。雷达液位测量系统的测量精度高，无需定期维修，而且特别适合类似沥青的高粘度和高污染产品，但是却存在安装复杂且价格偏高的原因一直未真正的走入到大家平时的生活当中去。3电容液位测量系统与其它液位传感器相比，这样一个通过利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成静电电容变化来测量液位的电容液位传感器，具有灵敏度高和输出电压

18、高、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适应性强、过载能力强等优点。目前市场上新型液位测量系统的相对于常见的变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等电容传感器测量电路的关键在于电路的转换。对测试线路的改进主要有以下几种措施：(1)通过微处理机对干扰信号进行识别剔除；(2)利用电荷平衡式和电压平衡式等零位测量方式，达到降低对电源电压，抑制分布电容影响的目的；(3)通过市场上常常采用功能电路集成化，大幅度降低生产成本、从而提高产品的性价比。由美国Electromatic控制公司最新推出的敏感度可以调节电容传感器，其主要含有两个切断延时范围为0.1min到10min的内部继电器和SA单刀双掷输出继电

19、器。同时由美国Drebrook工程公司研究,工作频率达100kHz点面控制装置，在被测物质达到水平面预定值的时候，该装置在给继电器加上接触防护罩的同时，并对使传感器的电容也发生变化，从而引起电子装置中信号的变化。1990年由美国公开的一种手提式电容液位测量仪专利中介绍到，当电容开关探测到液位时通过其上的一个可见预警和一个可听预警信号显示液位信号。该装置可用于方便直接的测试出贮箱中的液位。同年公开的还有另一项美国专利，介绍的也是一种电容液位传感器。该装置的主要原理是用一个吸量管探头抽取样品液体，并且通过安装在在探头上的一个振荡器产生高频信号幅值和相位来产生液位信号并得到液面高度的实际值，该液位仪

20、器主要的应用是用来探测液体管道中的液位。同时国内外对于油井的液面测量主要还是应用声波的反射进行油井液面的测量，简称渡越时间法。在井口连接处安装一发声装置和微音器，发生装置主要通过激发一颗子弹产生一大功率脉冲信号，该信号在沿着油井管道向下传播的时候，在遇到油管接箍和油井液面时，由于声波的反射，会返回接箍反射波和液面反射波，同时通过微音器将返回的声波信号进行接收，最后对接收到的回波信号进行分析处理，找到液面反射波并通过声波在空气中的传播速度计算出油井的实际液面高度。在液面反射声波信号的处理上，可以利用返回的波形的频率，液面发射波信号主要取决于初始脉冲，传播距离，变化断面的类型和压力等。在井口部位的

21、接箍反射波具有高频能量，深部的接箍回波具有中等频率能量，在液面处反射波具有较低频率的能量。同时由于声波在传播的过程当中受到各种噪声的影响，使得液面反射声波信号很难辨认出来，无法进行下一步的工作。在返回声波信号的处理上，国内学者提出很多利用接箍反射波周期计算出声波的传播速度，有短时自相关函数1、人工神经网络等等方法。例如吴新杰在这一方面的研究就利用的是神经网络处理方法2，将微音器接收到的实际声波返回信号输入到可训练神经网络当中，对接箍反射波进行识别，可以清晰的找到接箍反射波的位置。最后在对于液面反射波的辨识及处理方面的研究相对来说比较少，主要有张朝辉的低通椭圆滤波器滤波的方法3和吴新杰等的分形模

22、糊控制滤波4的方法等等。张朝辉根据声波在传播的过程当中的衰减，最后由液面返回的信号中基本上为低频率的特点，设计低通椭圆滤波器将其高频信号滤除，使波形清楚可见，得到油井液面的液面反射波位置。吴新杰等根据分形理论，对分形模糊控制理论的参数进行了调整，并通过自回归过滤，对信号进行滤波处理，简称模糊控制方法。总而言之，目前国内对声波测油井液面的液面返回波信号辨识技术的发展还不是很理想，还存在很多实际生产开发当中可能遇到的问题遇到得到解决。 2 相关技术简介2.1 声波的定义声波（Sound Wave或Acoustic Wave）是声音的传播形式。声波是一种机械波，由物体（声源）振动产生，声波传播的空间

23、就称为声场。在气体和液体介质中传播时是一种纵波，但在固体介质中传播时可能混有横波。人耳可以听到的声波的频率一般在20赫兹至20000赫兹之间。 声波可以理解为介质偏离平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递过程，而不发生质量的传递。如果扰动量比较小，则声波的传递满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，则不满足线性的声波方程，会出现波的色散，和激波的产生。2.2 声波的反射声波在介质中不断向前传播的过程当中，在遇到不同的介质的情况下会发生反射和折射等等现象。声波的反射和光学当中学到的反射现象是类似的，在声波进入到别的介质发生反射的现象的时候，入射角和反射角大小相等（如图2-1中的t=

24、r）。声波在不同的介质当中进行传播过程当中，两种介质具有不同的特性阻抗，在到达分界面的时候会出现声波的反射和透射这两个现象。对于这两个现象，我们可以通过声功率反射系数和声功率透射系数这两个系数来对其进行表征。如下式 (2-1) (2-2)图2-1 声波在空气中的传播式中，R 为介质的特性阻抗，Ns/m3；r 为介质密度，kg/m3；c为介质声速，m/s。声功率反射系数和声功率透射系数分别表示了声波反射的能量和透射的能量与进行入射的声波能量的比值。当R2R1的时候，r几乎可以等于1，发生全反射现象。例如声波由空气入射到水或油当中，声波的能量几乎全部被反射。当声波垂直入射的介质为固体表面时，声功率

25、反射系数和透射系数这两个系数可以通过法向声阻抗率来表示 (2-3) (2-4)式中，r n为阻分量，Ns/m3；x n为抗分量，Ns/m3。声波在介质中向前传播的过程当中，不仅会发生反射，同时也会出现折射、衍射和散射等其他现象。但是在利用声波测油井液面的过程当中主要运用的还是声波的反射现象，其他的一些现象会在测试的过程当中造成一定的干扰，下面对声波的这些现象作一点简单的介绍。声波的折射：当声波进入不同介质时，声波的传播方向因在介质中传播速度的发生改变而发生偏折称为折射现象。声波的衍射：声波在向前传播时候，当被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体，继续向前传播，这就是声波的衍射现象

26、。声波的散射：当声波在某种介质中传播时，由于介质中存在有其他物质的微粒，声波就会朝四面八方散射。例如在油套环空液面处有较多的泡沫油存在，声波传播到此处时，会产生散射现象，对测试结果产生干扰，但散射本身的强度并不是很大。2.3 声波的吸收与衰减根据能量守恒定律（能量既不能产生也不能消失，而是由一种形式转化为另一种形式）。声波是一种空气分子的振动能量，在传播的过程当中，会由于物体对声波能量的吸收转换成热能。而在本测试当中，声波在油套环空中向下传播的时候，由于环中空气的吸收和温度梯度等的原因，能量被转换成其他形式而不断衰减。理想的情况下，介质在发生形变之后是可以恢复到形变之前的，而且形变的过程是没有

27、阻尼作用和完全绝热的，所以声波向前传播的过程当中，假设是在理想的介质当中，那么介质也就不会吸收声波的能量，声波的能量也不会在传播的过程当中转化成其他形式的能量。所以说声波在理想的介质当中传播时能量不会衰减和损耗，始终保持不变。但是，声波在实际的传播过程当中，不可能存在所谓的理想的介质，在传播的过程当中，传播介质会吸收声波的能量，并将声波的能量转化成其他形式的能量。所以说在实际的声波传播过程当中，声波的能量和幅度会得到一定的衰减。声波在传播的过程当中衰减的原因主要有三个：第一，声波在传播的过程当中，波阵面在空间扩展产生的集合衰减，在总能量不变的情况下，传播的过程当中由于这个原因声波的幅度发生改变

28、。第二，由于介质对声波能量的吸收，将其的能量转化成热能。第三，声波在传播过程当中会遇到介质中含有的一些小的粒子并发生散射。在上面讲到了声波在传播过程当中能量衰减的主要几种形式，而其中的第二个介质的吸收是最主要的形式。而介质对于声波能量的吸收也可以细分为两种形式，第一种为粘滞吸收。声波在介质当中的传播会导致介质的形变，而介质本身具有粘性，在变形和恢复的过程当中就会发生能量的转化。在这里我们运用声强的这一系数来描述声波传播过程的粘滞吸收，声波在传播的时候受粘滞吸收的影响，离声源 x处声强： （2-5）式中，I0为声源声强，W/m2；a 为吸收系数，dB/m。声波在传播的过程当中，相邻质点的速度不同

29、，所以存在运动内摩擦力。忽略容变粘滞（流体体积发生变化产生的粘滞力）的影响，粘滞产生的声波吸收为： (2-6)式中a h为粘滞引起的声波吸收系数，dB/m； f 为声波的频率，Hz； 为介质的粘度系数，m2/s；c为传播速度，m/s； 为介质平均密度，kg/m3；第二种能量的吸收衰减为热传导吸收，声波在向前传播的过程当中，介质经过反复的压缩变形、恢复、压缩变形的过程，在这一过程当中，当进行压缩变形的时候，介质的体积变小，温度得到升高；在恢复的过程当中体积变大，温度得到降低。所以造成在介质当中分别进行压缩和恢复的两个区域会产生温度差，这两个区域从而进行能量的传递。根据 Kirchhoff 提出的

30、声波在传播的过程当中由于热传导引起的声波能量的吸收，吸收系数定义为： (2-7)式中，k 为热传导系数，W/(mK)；C v为定容比热，r=Cp/Cv从式中我们可以看出热传导的吸收系数和声波频率的平方成正比，和声波传播的速度的三次方成反比。综合 Stokes 和 Kirchhoff 的理论，声波在传播过程当中由于介质的吸收造成的总的吸收系数为： (2-8)从上式我们不难看出，声波在向前传播的过程当中，不同频率的声波在传播的过程当中衰减的程度不同，衰减的程度与声波的频率的平方成正比，也就是说在传播的过程当中频率越高，衰减程度就越大，所能传播的距离也就越短。 3 声波法测油井液面技术研究3.1 液

31、面深度、沉没度和泵效、系统效率的关系在油井的开采过程当中，液面深度和抽油泵的沉没度对油井的抽油泵的效率有着很重要的影响。一般情况下通过增大沉没度可以提高抽油泵的效率，但并不是为了提高泵效而可以盲目的不断加深泵挂深度，增大沉没度。在这一方面有卢建平利用统计和曲线拟合的方法对其进行过研究，主要通过在油井当中不同沉没度和油井泵效的关系曲线5（如图3-1）。从图中我们不难看出，在沉没度比较低的时候通过不断增加沉没度，泵效可以得到显著的提高。泵效能够得到显著提高的原因是：在较低的沉没度的情况下泵入口的压力比较小，所以进入泵内的流体的含气量比较高，增加沉没度可以增大泵入口的压力，气液的含量可以达到降低的效

32、果，最终达到提高泵的充满程度的效果。但是随着沉没度的慢慢增加，泵效的提高幅度慢慢减缓，沉没度对泵效的影响慢慢减弱，最后在沉没度达到一定的值后，增加沉没度对泵效的提高已经基本上不存在影响，因为泵效已经稳定在一个固定的值不再改变，这时再增加沉没度的话还可能会造成悬点载荷过大等一系列的问题。所以说沉没度并不是越大越好，而是应该确定在合适的位置。图3-1 沉没度与油井泵效关系图在开采过程当中，原始地层能量逐渐降低，油井必须依靠人工举升的方法将原油从地层举升到地面。在这个举升的过程当中，用于举升液体所消耗的有用功率与系统运行时的输入功率之比称为机械采油的系统效率。液面和沉没度对机械采油的系统效率有着非常

33、重要的影响，抽油机在工作的时候存在一个合适沉没度，机械采油的系统效率能够达到最高。在过大沉没度的时候，抽油机下泵的位置太深，会造成两个后果，一个就是冲程损失会增大，泵效降低；另一个就是加到悬点的载荷加大，系统正常运行需要的输入功率会增加，系统耗电量相应增加。在沉没度较低的时候，由于沉没压力的太低从而造成抽油泵的充满程度下降本校也就相应的降低。所以沉没度要在合理的值的时候，机械采油的系统效率才能够达到最高，机械采油的系统效率和沉没度的关系如下图3-2图3-2 沉没度和油井机械效率关系图在分析油井液面和沉没度对机械采油的系统影响时还要考虑到的问题是系统的安全稳定生产和设备的正常运行。这里主要考虑的

34、的是对抽油杆的受力情况。在生产的过程当中，油井液面的深度会发生改变，导致抽油杆的受力状态也发生了改变，从而造成抽油杆的疲劳损坏和对设备的正常运行会受到影响。特别是对于地面的驱动螺杆泵井，液面高度的改变会导致抽油杆的负载扭矩发生剧烈的变化，例如液面突然降低和可能造脱扣的现象。从上面的分析不难看出，油井的机械采油和液面的高度有着十分密切的关系。油井的液面深度体现了地层能够向油井供液的能力与油井当前生产工作的匹配情况，需要根据油井的液面深度来确定抽油机合理的生产抽吸参数。在油井的生产过程当中，根据油井的液面深度来监控并协调开采油井，可以最大的发挥油层的潜能和延长油井的工业开采价值的寿命，经济利益能够

35、得到最大的优化。综上可以了解到，得到油井准确的液面深度对油井的生产有十分重要的意义。在确定油井的最优下泵深度的设计的时候6，应当综合考虑提高采油机械的系统效率、经济效益得到最优化和对机杆泵的影响双方面，合理下泵深度的确定过程如下图3-3 图3-3 合理泵深的确定过程在生产过程当中可以设计一控制系统来设定最佳的沉没度，利用测得的实际油井液面深度来判断沉没度是否在合理的范围之内，再根据实际的沉没度和设定的沉没度的关系来调整设备生产的参数。在实际的沉没度小于设定的沉没度的时候，减小小电动机转速并降低抽油机的冲次；在实际的沉没度大于设定的沉没度的时候，减小小电动机转速并提高抽油机的冲次；在调整完抽油机

36、参数后，可以通过再次对油井液面的测量，直到实际的沉没度达到最佳沉没度为止。根据油井的液面深度来对抽油机井和螺杆泵井7进行参数调整的控制流程如图 3-4 和图 3-5 所示图3-4 抽油机井参数调整的控制流程液面深度信号调整变频器频率调整螺杆泵转速调整螺杆泵排量调整后沉没度最佳沉没度液面深度测试仪图3-5 螺杆泵井参数调整的控制流程3.2声波法测油井液面的工作原理声波测井油井液面的测量一般是采用渡越时间法，即利用声波在空气当中传播时遇到障碍物会发生反射的原理。在测得发射波到接收到液面波的时间t的情况下，根据声波在空气中的传播速度v，可求的液面高度h为： (3-1)本设计当中的油井液面测量装置是利

37、用爆炸声源来产生一个大功率的声波脉冲信号（在这里可以通过在井口处击发一颗子弹），这一声波脉冲信号沿着油管和套管的环形空间向油井下面传播，当遇到两节油管向外突出的接箍和油井的液面的时候，都会由于声波在空气中传播的反射，产生反射脉冲声波。反射的声波脉冲信号反射回来向上传播到油井的井口，安装在井口的微音器将返回的声波脉冲信号接收，并将其转换成电信号，电信号经过放大处理后进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号来处理。在声波脉冲信号的处理当中，从油井油管的接箍位置反射回来的声波信号称为接箍波，到达油井的液面而反射回来的声波信号称为液面波。其工作的具体原理如下图3-6。对于回声脉冲信号，在未击发枪弹时由

38、于电机及电泵设备产生的机械振动等背景噪声就存在的，所以假设背景噪声与所需要记录的回声脉冲信号是独立不相关的，利用谱相减发对回声信号处理可以去除这些背景噪声的影响。同时由于在油井井口发射的声波来自于枪弹的击发，枪弹击发的声波信号当中含有各种频率成分的，但由于声波在传播过程当中的衰减，高频率的声波信号衰减的比频率低的衰减的更快。所以在回声脉冲信号的记录当中，油井的井口部位的接箍反射波具有高频能量，深部的接箍反射波具有中等的频率能量，在液面的反射波具有低频率的能量。根据这一点设计数字低通滤波器将接收到的返回声波信号的高频信号滤除掉，然后再根据短时自相关及过零率函数判断出油井的液面反射波的具体位置，得

39、到油井液面反射波接收的具体时间。最后可以通过声波在空气中的传播速度计算出油井液面的实际深度，在声波在空气中的传播速度取值上，利用节箍反射波的的周期性，对其进行快速傅里叶变换计算出声波在油套环空气中的传播速度。FFT计算声速计算油井液面高度谱相减低通数字滤波A/D转换放大器微音器环套空间声波信号发射枪弹的声波信号发射短时幅值及过零率增益控制图3.6 设计工作原理图3.3声波法测油井液面误差原因分析在油井液面的高度测量这一设计当中，考虑到在实际的操作当中有很多的情况并不是和我们想象中的理想环境一样，所以很多在实际的操作当中可能的存在会对我们的记过造成影响其主要有下面一些：油井的深度一般都比较大，在

40、2000m以上，油井的井身设计并不是完全按照直线向下钻进的，会出现弯曲地方，油套管因此也会弯曲变形。所以用声波法测油井的液面深度，声波不能够按照理想的直线那样沿着油套环向下传播，而是会在弯曲的油套管的地方产生声波的反射，这会对测试的结果产生影响。油井的液面高度测试信号受到死油、稠油、泡沫油等的影响。由于重力的原因，在油井的泵入口上面会覆盖很多密度小的原油，当油井的液面高度距离出油层位置较远的时候，温度会降低，当温度下降到原油的凝固点的时候，原油会凝固成固态，形成死油帽子，在用声波发油井液面深度的时候，这个死油帽子会对声波进行反射，使得真正的油井液面反射波无法真正辨认出来，对测试结果造成一定的影

41、响。同时当油井产出的原油比较稠的情况下，这些较稠的原油中的会附在油管和套管的壁上，当油井的液面下降的时候，这些稠油却还粘在上面，对声波也会造成反射，从而对油井的测试造成影响。当油井产出的原油比较稠的情况下，这些较稠的原油中的轻质组分含量相对来说较少，结晶的温度就会相对的较高。再加上原油中的胶质等等影响，原油很容易结蜡。在生产过程当中，油井的液面会一段时间的保持在稳定的水平，这些结晶出来的蜡就很容易附在油管外和套管的内壁上，形成一个环状的结蜡。在用声波发测油井的液面高度的时候，这些结蜡会对声波形成发射，对声波信号产生干扰，影响油井的液面高度的测量。随着生产的进行，气体会从原油中慢慢的分离出来，油

42、管环空会存在着大量的气体。如果通过打开放气阀门，那么这些套管中的气体会在流动的过程当中产生“嗞嗞”的声响，即使放气阀门没有打开，由于平衡的原因，这些气体也会不断的流动着，这种原因造成的噪声对反射声波的记录存在很大的影响。油井当中应用的潜油电机一般是异步感应电机，这种电机在工作的时候会产生很大的噪声，主要是机械噪声、电磁噪声和通风噪声。机械噪声主要是由于电机在工作当中电机本身机械的不平衡、电刷的摩擦。电磁噪声的主要来源是由于电流的不平衡和铁芯的松动。虽说现在油井的开采工作都具有产生噪声小的特点，但并不是和我们想象中的理想环境一样，这些电机和各种不确定因素产生的噪声都会对声波信号进行干扰并产生影响

43、。最后一个对我们测试结果造成影响的是我们在得出油井的液面反射波的由发射到接受到的这整个的一个时间，利用声波在空气中的传播速度来计算出油井的液面深度这一过程当中产生的。因为声波在空气中的传播速度不是确定的值，其与空气中的温度、压力、粘滞系数有着密切的关系，特别是在油井的油套环空中向下传播的过程温度、压力都在不断地而变化，传播的速度有着较大的差异。所以在计算处理当中我们采用的声波在空气中的传播速度这一值也对测量结果造成较大的影响。这些不同的因素的对我们的测试结果造成的影响也是不一样的，很多对测试结果造成影响的噪声具有高频的特性，这些噪声的幅度随时间的变化很快，例如油管中气体流动而产生的“嗞嗞”声响

44、、电动机因为转动摩擦而产生的噪声，这些噪声对反射声波信号的测量，特别是接箍反射声波信号的测量造成很大的影响，会产生一些尖锐的波形夹杂在所需测量的反射声波信号当中。这些干扰通过本文后面介绍的低通数字滤波器可以滤除这些影响。但是对于油管当中存在像结蜡这样的大的障碍物而发生反射被记录到声波返回信号曲线当中去了，这个产生的影响不一样。因为如果这个障碍物比较大的时候，甚至将环空的位置堵死，这个障碍物对声波法测油井液面深度产生的效果和油井的真实液面产生的效果是一样的，无法将他们分开。 4 反射波信号的处理4.1 反射波信号的频率分析对于记录的反射声波信号，由于在油井井口发射的声波信号来自于枪弹的击发，所以

45、发射的声波信号当中含有各种频率成分的，但由于声波在传播过程当中的衰减，高频率的声波信号衰减的比频率低的衰减的更快。所以在记录的反射波信号的当中，油井的井口部位的接箍反射波具有高频能量，深部的接箍反射波具有中等的频率能量，在液面的反射波具有低频率的能量。同时由于微音器在对反射声波信号接收的时候，会有一些环境和其他因素产生的噪声，例如电机在工作时产生的机械噪声。这些噪声会掺杂在我们接收的信号当中，对我们的测量分析造成影响和干扰。我们对反射声波信号的处理主要就是将这些噪声信号减弱或者将其消除，并找出真正的液面反射波。这些由于电机工作产生的噪声等具有尖锐，频率和节箍反射波一样具有高频的特性。通过根据这

46、一点设计数字低通滤波器将接收到的返回声波信号的高频信号滤除掉。4.2 声波信号的数字滤波4.2.1 数字滤波器原理当我们输入的信号在通过数字滤波器的时候，处在不同频带的信号会表现出不同的特性，某些特定频率范围内的信号在通过数字滤波器的时候会被衰减或者阻断。根据信号响应的频率区域不一样，可将滤波器分为低通滤波器 LPF、高通滤波器 HPF、带通滤波器 BPF 和带阻滤波器 BEF四种。图4.1 各理想滤波器频域图当我们将信号输入到数字低通滤波器的时候，频率在小于W c的范围内信号将会通过，而频率在大于W c的范围内的信号会衰减，幅值基本上为零；当输入到的高通滤波器的时候，频率大于Wc的范围内信号

47、将会通过，而频率在小于W c的范围内的信号会衰减，且幅值基本上为零；而当通过带通滤波器的时候，频率在W 1和W 2的区间范围内的信号能够通过，其他频率的信号将会衰减，幅度基本变为零。IIR 滤波器的系统函数 (4-1)式中an和b n为滤波器系数其差分方程为N=4 时，用结构图表示如下图图4.2 N=4时IIR滤波器的结构图FIR 滤波器的系统函数为 (4-2)式中an和b n为滤波器系数，其差分方程为，M=4 时，用结构图表示为图4.3 M=4时FIR滤波器结构图声波信号在通过数字滤波器的时候，并不是像我们想象的那样完全将一定频率的全部阻断或通过，而是对阻带范围内的信号进行衰减，在这里就存在

48、一个频率的过渡带，同时通过的频带信号的幅值和相位也发生了改变。在这里我们以低通滤波器为例，为表示低通滤波器的处理性能，用通带波纹和阻带波纹来表示： 其中1和2分别为绝对指标中的通带波纹和阻带波纹4.2.2 数字滤波器用于滤波时的设计方法在利用用窗口法设计滤波器就是在频域当中运用窗口对理想的滤波器脉冲响应截断得到数字滤波器。可用于对理想滤波器脉冲响应进行截断的窗口有很多，平时当中用到的最简单莫过于矩形窗，但是其处理的时候会产生较大的阻带波纹8，其他的窗口还有Kaiser窗、Hanning 窗、Hamming 窗、Blackman 窗。Kaiser 窗函数为 (4-3)I 0为修正的零阶贝塞尔函数

49、，为阻带波纹系数，M 为滤波器长度。 M 和 的计算方法为,4.2.3 用数字滤波器对反射声波曲线滤波在运用声波测油井的液面高度时，微音器接收到反射声波信号当中，不仅含有来自于油井的液面反射的低频反射波，还具有相对高频的接箍反射波和电机在工作的时候产生的机械噪声，其中噪声产生的原因在前面已经进行了分析。这些声波信号当中，接箍反射波利用了发射声波当中的高频成分，电机工作产生机械噪声等具有尖锐，频率也比较高。但是在油套环空当中传播的发射声波信号，由于油井的深度比较深和传播过程当中的衰减的原因，真正达到油井液面并反射回来的声波信号都具有低频的特性。利用这一特性，通过数字低通滤波器，对微音器接收到的声

50、波信号进行滤波，从而得到油井液面的反射声波信号的位置。根据对目前市场的发射声波装置的研究，液面的反射声波信号的频率一般都低于40 Hz。所以对液面反射波处理的低通滤波器进行下面的设计：阻断频率为大于40Hz，阻带波纹为50db；通过频率为小于35Hz，通带的波纹为1db。然后根据采样的频率来对信号进行归一化，下面对通过对一数据进行模拟处理，从网上了解到由北京威尔泰石油科技公司生产使用的测试仪使用的采样频频率为222Hz，我们根据这一数据来进行处理。所以归一化的结果为：通带截止频率为wp =0.32，阻带截止频率为w s= 0.36。根据这些技术指标进行FIR低通数字滤波器设计，得到的理想脉冲响

51、应和实际的脉冲响应如下图，Kaiser窗函数如图，幅值响应也分别如下图。图4-4 设计滤波器的理想脉冲响应图图4-5 设计滤波器实际脉冲响应图图4-6 Kaiser窗函数图图47 Kaiser窗函数幅值函数然后利用设计的数字低通滤波器对反射波曲线进行滤波处理，可以达到将微音器接收回来的反射声波信号当中的接箍波信号滤除掉，并将原来像“毛刺”一样的高频噪声信号滤除，反射声波信号的曲线得到了很好的平滑效果，但仅靠滤波的方法并不能使液面反射波的信号凸显出来，并计算出油井的液面高度。4.3 利用短时幅值过零率对液面反射波的识别通过查阅资料我们可以了解到液面的反射声波信号具有这样的特点9：1. 反射的声波

52、信号具有比较大的幅值，即该处的能量较大，所以在记录的声波信号曲线当中是一个突起。2.由于声波衰减的原因，液面反射的声波信号当中主要的是一些低频信号，这些低频的信号具有较低的短时过零率，即在一段短的时间通过零电平的次数较少。通过较短的时间窗口对要处理的声波信号进行截断，得到的就是短时的幅值函数，在实际的操作一般为利用一个较短的矩形时间窗口和信号相乘，产生一个新的信号，它是原始信号在一时间片段内的截断。在这个用时间窗口截断的信号中，数值符号改变的次数就是短时过零率函数，将二者综合起来就是短时幅值及过零率函数，可以用来对液面不明显的回波信号进行识别。用短时幅值及过零率处理的过程如下图。短时幅值函数识

53、别液面反射波重建新号短时幅值及过零率处理数据预处理短时过零率函数参数调节图4-8 短时幅值及过零率处理流程图设原始的声波信号序列为 x ( n )，用一个矩形时间窗口 w( n )对声波信号进行截断： （4-4）式中，N 为帧长（每一帧内的数据点数）。截断后得到的第m帧的第n个幅值为 式中，n为数据点在该帧中的次序，0 n N，L为每一帧移动的距离，即对声波信号截断时窗口移动的长度。第m帧的短时幅值函数定义为 ，为幅值影响系数，它表示了在该帧中大幅值对短时幅值函数的影响程度。当较大的时候，表示在这一帧中的大幅值对短时幅这函数的影响比较大，这时候的短时幅值函数的大小主要由这一帧当中的较大幅值来确

54、定；而当较小的时候，大幅值对短时幅值函数的影响相对来所比较小，所以这个时候的短时幅值函数和其他的一般幅值也有关系。当声波信号的相邻的采样点数值的符号不一样的时候，我们称这个信号在这一点的状态为过零。短时过零率函数的定义是在阶段的时间窗口的声波信号的幅值数值符号干变得次数10，用公式表示为： （4-5）式中，短时幅值函数主要体现的是声波信号在一段时间内的幅值情况，而短时过零率函数主要体现的是声波信号的数字序列随时间变化过程的特性。将两者综合起来，可以定义短时幅值及过零率函数，可以同时体现体现声波信号的幅值和随时间变化的特性。短时幅值及过零率函数的定义为 (4-6)其中的f（S m）和 f（Z m

55、） 分别表示短时幅值函数和短时过零率函数的函数，它们都是根据情况可以选择使用的。这里选择使用式中的a和b是短时幅值函数和短时过零率函数对短时幅值及过零率函数的影响系数，分别表示它们对短时幅值及过零率函数的影响，的出现是为了防止分母为零和控制过零率对整个函数的影响。由于在对信号进行了短时分析，声波信号在经过矩形窗口的截断后，得到的信号的维数与原始信号相比较发生了改变。所以要对处理后的信号进行重建，从而得到与原始信号维数相同的信号。也就是说将经过短时幅值及过零率函数处理的信号进行长度上的变换，得到与原始信号相同的信号。在经过变换后得到的信号能够很容易的看出液面反射波波的位置。因为实际液面反射的声波信号的幅值是最大的，可以通过阀值限定的方法将液面反射声波信号识别出来，但综合考虑到短时幅值及过零率函数处理参数的影响，需要在归一化幅值后再利用阀值限定的方法。通过利用短时幅值及过零率函数对微音器接收