抽油井动液面回音信号的声速提取方法

1、抽油井动液面回音信号的声速提取方法摘要：在油井开采过程中，需要对油井的温度、压力、动液面等参数进行不定期测量以监控采油过程，其中动液面是一个重要的参数。目前常用的测量方法是次声波测量, 在测量过程中声波的传播速度是一个关键参数，该文提出利用DSP的FFT方法来提取声速，从而提高测量精度。关键词：动液面；数字信号处理；快速傅立叶变换；声速提取1、 油井动液面测量系统油井动液面系统组成见图1在实际测量过程中，为了不干扰油井中的抽油杆，通常把测量仪连接到油井油管、套管的环隙空间处。次声波发生器发出声脉冲通过套管环隙空气向下传播, 这些声脉冲分别通过油管节箍和液面向上反射，反射回来被地面的声脉冲接收器

2、接收, 最后通过滤波器、放大器和数据采集与处理系统。根据次声波脉冲回音信号以及油管节箍的间距, 可以测出 油井动液面值。根据声波传播公式s= vt ，其中测量过程中到达液面的时间t可以精确测得, 而速度v受众多参数影响, 根据声波的传播速度1公式: （1）其中P表示传播介质的压强，代表传播介质的密度,下标 s表示绝热过程。对于理想气体中的小振幅声波其声速为: （2）式中为介质常数。根据理想气体的克拉伯龙公式 （3）其中P,V,T为M千克气体的压强、体积和绝对温度, 为气体摩尔量, R为气体常数。于是式 (2)可改写为: （4）由此可见，声速与无声扰动时媒介平衡状态的绝对温度 T0 的平方根成正

3、比，同时与密度有关。利用此方法计算出在20时, 声波在空气中的传播速度为344m/s，在水中的传播速度为1480m/s, 差异非常显著。由于在抽油井中各个油井之间的温度存在差异, 此外所含天然气的压力也相差甚远, 因此声波传播的介质密度和温度都存在差异, 直接影响传播速度。对于同一口井由于单次测量时间较短，可以近似认为在一次发声过程中的声波传播速度为常数，测量出这个传播速度是精确测量动液面的关键所在。以往大量的测试和分析表明，回音曲线具有如下特性2: 1) 回音曲线具有脉冲特性。反映其特性的脉 冲为起始脉冲、液面脉冲和节箍脉冲。2)起始脉冲与液面脉冲幅度与宽度较大。3)节箍脉冲信号为一准周期信

4、号,从统计规律来看, 在每一个节箍周期内节箍脉冲幅度最大。当时间大于一定值时,液面脉冲幅度最大。根据回音信号的上述特性可以测量出声速和动液面值。3 动液面回音信号滤波处理抽油井结构复杂且井内不确定参数较多, 因此声波传播过程中干扰比较严重, 信号滤波是数字信号处理的基础，也是提供可靠信号的必要保证。数字滤波相比传统的模拟滤波器更加可靠, 抽油井回 音信号的特殊性在于它要求滤出高频杂波的同时保持原有信号严格的相位关系3, 即不同频率信号具有线性相位关系,因此选用经典的 FIR数字滤波器。滤波器的系统函数为，它的非递归性使其始终稳定, 即只有零点没有极点。 这是它的一个优点, 此外就是它的严格线性

5、相位关系, 这是IIR滤波器难以做到的, 因此使它得到了广泛的应用。在系统中由于有用的次声波信号频率较低, 一般在 20Hz左右, 当采样频率为137Hz时, 可以采用N =50 , Fc = 40Hz的低通滤波器, 其幅频特性如图 3所示4, 可以达到滤波性能要求。动液面回音信号声速提取原理基于上述分析可知, 通过节箍的回音信号具有周期信号特征, 理想回音信号的波形见图 4, 信号幅度为 E、宽度为、周期为 。信号频谱中除直流分量外, 基波的幅值最大, 脉 冲能量主要集中在基波上, 基波频率 与理想液面信号周期T的关系为。因此, 可以认为矩形脉冲信号能量由基波携带, 为了提取基波信号, 需对

6、回音信号进行处理。由于信号代表的是经过节箍的周期信号, 而抽油井的节箍长度L是固定不变的, 信号处理的关键就变成找出该信号的周期T, 即信号频谱中基波的位置。DSP相对其他微处理器具有更强的计算能力, 可以在简短的时间内利用FFT 计 算出信号的频谱。假设信号FFT点数为N, 基波出现的时刻的点数为n, 采样频率为 fs, 采样周期为Ts, 抽油杆长度为L, 则声波的传播速度v为: （5）5 实验分析在辽河油田油井的液面深度测量中, 以油井J-383测量数据为例5, 由于开始阶段数据饱和, 后 面数据较小,为了减小误差,利用中间一段,采样点数为N=512。其中L=10m, Ts=7. 293 ms, 数据经过FIR滤波和FF变换后如图 5、图所6示。 基波出现位置在77.1719，取整n=77。如果取声波在空气中的传播速度为 340m/s,可计算其误差为: 结论(1)采用了数字滤波，有效抑