新型聲波傳感器在井下聲信號接收中的應(yīng)用

張育新（中國石油遼河油田興隆臺采油廠，遼寧盤錦 124010）

新型聲波傳感器在井下聲信號接收中的應(yīng)用

張育新（中國石油遼河油田興隆臺采油廠，遼寧盤錦 124010）

新型加速度型聲波傳感器，采用獨(dú)特的三軸組態(tài)模式，具有接收方向性強(qiáng)，靈敏度高及系統(tǒng)噪聲極低的特點(diǎn)。經(jīng)模擬管柱試驗(yàn)證實(shí)，加速度型聲波傳感器單相同軸靈敏度等均符合技術(shù)要求，在井下聲信號接收的強(qiáng)噪聲環(huán)境下，有效消除隨機(jī)噪聲，提高信噪比，正確還原檢測信號，信號提取的仿真程序運(yùn)行可靠。

加速度型聲波傳感器；WVD理論；時頻峰值濾波（TFPF）

井下溫度壓力無纜聲導(dǎo)測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)了利用油管長距離傳輸井下測試信號的目的。為解決儀器下井深度較深時，有效的聲信號幅值很小，甚至與環(huán)境噪聲為同一聲級信號，導(dǎo)致信噪比低，解碼還原困難的難題，研制了新型聲電轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器應(yīng)用加速度型聲波傳感器，通過組態(tài)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對發(fā)送上來的垂向振動波具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，指向性好，因而對噪聲有一定抑制作用。同時在充分借鑒先進(jìn)的三維地震波數(shù)字處理技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出地面數(shù)字聲通訊信號采集器。它采用Wiger—Ville分布理論和時頻峰值濾波技術(shù)，有效濾除隨機(jī)噪聲干擾，較好的提取出有效信號，實(shí)現(xiàn)了提高數(shù)據(jù)信噪比及拓展井下測試深度的目的。

1 加速度型聲波傳感器的研制

1.1 原始信號分析

為了研制井口加速度型聲波傳感器及地面數(shù)字聲通訊信號采集器的建模仿真要求，必須要了解原井下無纜聲導(dǎo)測試儀聲源特征及其在不同衰減情況下的聲信號變化特征。

鑒此，先后錄取了不同管柱長度下的接收信號波形并進(jìn)行了時譜分析，測試取得的資料表明，經(jīng)1800m管柱傳輸后，有用的同相軸信號波形呈近似鐘形時譜包絡(luò)，時域?qū)挾?0-30ms。經(jīng)4000倍放大后，在弱環(huán)境噪聲條件下，有效信號幅度約為幾十微伏。而在強(qiáng)噪聲環(huán)境下，有效信號已難于分辨。考慮到隨著測試井深的增加，有效信號幅度會進(jìn)一步減小，則要求井口接收器設(shè)計(jì)接收信號閾值應(yīng)達(dá)到1-10μv級別。

1.2 加速度型聲波傳感器的設(shè)計(jì)

井下無纜聲導(dǎo)測試儀中的大功率電聲轉(zhuǎn)換器規(guī)屬于點(diǎn)狀聲源，發(fā)出的聲音信號按球面波規(guī)律向周圍輻射。采用三維加速度傳感器，并采用多片組合模塊式結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)重力軸方向上的信號。同時采用差動平衡電原理削弱和抵消水平分量對重力軸的影響，確保檢測信號的高信噪比。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測試，已達(dá)到項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求。即信號輸入范圍0-2g，折算最小信號閾值1μv，垂直軸頻帶0-400Hz，采樣率1-50ms，靈敏度達(dá)到2000mv/g，最大容限噪聲8×10-6V。

2 地面數(shù)字聲通訊信號采集器的研制

由于來自加速度型聲波傳感器的信號很微弱，尤其是其安裝的位置是在井口附近，隨機(jī)干擾很多，尤以環(huán)境噪聲為主。特點(diǎn)是無法人為降低干擾水平。環(huán)境噪聲從頻譜上看，主頻較低，與有效波的頻率重疊較多，僅從頻率域來壓制比較困難。

綜上所述，如果直接對傳感器輸出信號進(jìn)行解碼還原將無法取得良好效果。為此，依據(jù)經(jīng)典聲學(xué)中的Wiger-Ville分布理論及時頻峰值濾波技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)應(yīng)用研究，目的是完成強(qiáng)干擾背景下微弱信號的檢測。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用

主要任務(wù)：使用電子設(shè)備模擬和測試整個系統(tǒng)的電原理功能和仿真軟件的實(shí)用性和技術(shù)指標(biāo)，判斷及驗(yàn)證在強(qiáng)噪聲條件下（包括信號頻偏）利用TFPT濾波技術(shù)提取有用信號的可信性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在室內(nèi)試驗(yàn)過程中，采用改變輸入信號幅頻特性及改變噪聲信號強(qiáng)度等多種組態(tài)模擬方式，仿真了實(shí)際應(yīng)用中的各種條件。通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用時頻峰值濾波算法來提取有用信號，能在存在較小失真情況下有效恢復(fù)出強(qiáng)噪聲環(huán)境下的有用信號。同時也驗(yàn)證了數(shù)字仿真處理技術(shù)及整套系統(tǒng)測試精度已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

通過對興古7井進(jìn)行無纜聲導(dǎo)測試試驗(yàn)，實(shí)時錄取該井的壓力、溫度變化，考核地面無纜聲通訊裝置技術(shù)性能。

下井儀在井下測試層位共采集溫度壓力數(shù)據(jù)87組，其中發(fā)送數(shù)據(jù)82組，地面接收儀共接收數(shù)據(jù)82組，全部接收。

井下發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)值與地面接收儀接收數(shù)據(jù)數(shù)值完全吻合，證明井下溫度采集系統(tǒng)測試精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)語

4.1 采用加速度型聲波傳感器接收井下聲通訊信號，具有靈敏度高，指向性好等特點(diǎn)，具有拓展井下測試深度的作用。

4.2 應(yīng)用WVD分布理論及TFPF時頻峰值濾波算法，能夠在強(qiáng)噪聲條件下提取有效信號，起到了進(jìn)一步拓展井下測試深度的關(guān)鍵作用。

4.3 通過現(xiàn)場實(shí)際測試（興古7井）證實(shí)，整套井下無纜聲通訊接收裝置達(dá)到合同要求技術(shù)指標(biāo)，同時仍有拓展井下測試深度的空間。

4.4 建議在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和雙向控制功能，該功能可在基地主控中心隨時調(diào)取井下測試數(shù)據(jù)，直至最終實(shí)現(xiàn)地面井下雙向測控目標(biāo)。

［1］機(jī)電一體化手冊編輯委員會編.機(jī)電一體化手冊（上、下冊）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994，56-71.

［2］李勇敏主編.數(shù)字化測試技術(shù)-模擬信號調(diào)整.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及采集技術(shù).北京：航空工業(yè)出版社，1987，61-78.

［3］張建民主編.傳感器與檢測技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996，53-67.

［4］王克協(xié)許吉慶。柱狀雙層準(zhǔn)彈性介質(zhì)中聲輻射場的理論分析-聲法測井理論研究（1）.吉林：吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，1979，第二期，47-56.

［5］王克協(xié)許吉慶.柱狀多層準(zhǔn)彈性介質(zhì)中聲壓波形的數(shù)值計(jì)算與分析-聲法測井理論研究（2）.北京：地球物理學(xué)報(bào)，V01，28，No，2，208-217，1985.

［6］王克協(xié).聲波測井物理基礎(chǔ)上冊第四章，下冊第五章（1976）.吉林：吉林大學(xué)出版社.

張育新（1971-），男，工程師，1996年畢業(yè)于遼河油田職工大學(xué)自動化儀表專業(yè)，從事油田測試工作25年。