低頻聲波油井液面檢測方法研究?

劉迎新　楊亦春　韓寶坤　肖 穎　郭 泉

（1山東科技大學　機械電子工程學院　青島　266590）

（2中國科學院聲學研究所　北京　100190）

低頻聲波油井液面檢測方法研究?

劉迎新1,2楊亦春2?韓寶坤1肖 穎1,2郭 泉2

（1山東科技大學機械電子工程學院青島266590）

（2中國科學院聲學研究所北京100190）

為克服沖擊聲波法油井液面檢測設備壽命短的缺陷，研究了一種低頻聲波測量油井內液面深度的方法，采用電磁式揚聲器產生偽隨機碼調制的低頻聲波作為探測信號。通過對回波信號的解碼和相關檢測處理可以抑制背景噪聲的干擾。完成了油井液面檢測儀的硬件和軟件系統的初樣設計，并對不同信噪比下的回波信號作了仿真分析，仿真分析結果表明，該方法在低信噪比情況下，仍具有良好的辨識效果。

低頻聲波，液面檢測，調制信號

1　引言

在原油開采過程中，采油系統的效率與油井泵的沉沒度有很大關系［1］，因此油井液面深度是油井開采過程中的一項重要參數。目前，各油田廣泛采用聲波法測油井液面深度，此方法是根據液面反射波的時間延遲與聲速的乘積來計算油井液面深度，通常采用爆炸聲源作為激勵源，用擊發空爆彈或者空氣炮的方法產生強脈沖聲波。對爆炸聲源回波信號的提取主要有低通濾波、短時幅度-過零率函數［2］、譜減法［3］等液面回波識別方法和短時自相關函數［4］、橢圓濾波器［5］、短時平均幅度差函數［6］等接箍回波識別方法。這些方法對背景噪聲的抑制均取得了良好效果。

空爆彈激發的爆炸脈沖聲源會由于火藥的爆炸產生高溫沖擊和火藥殘留，導致儀器腐蝕老化，降低使用壽命。空氣炮在使用中會出現氣閥老化失效而壽命短，使用頻度受限，需要經常更換且不能完成常年連續監測［7］。因此本文提出采用電磁式低頻揚聲器作為聲源，通過發射偽隨機碼調制的低頻聲波來實現對深井的測量，既實現了長壽命工作，又具有較大的測深能力。目前廣泛采用的測量方法所使用的脈沖聲波信號為寬帶信號，本文的低頻聲波法采用的調制余弦信號為150 Hz～300 Hz窄帶信號。

2　偽隨機碼調制低頻聲波檢測原理

低頻聲波油井液面檢測原理為：油井液面檢測儀向井內發射一小段調制低頻聲波，該聲波沿油管和套管的環形空隙向下傳播，當遇到接箍和液面時會發生反射，低頻聲波傳感器和數據采集設備可將回波信號記錄下來。通過對回波信號的分析可以得到液面波和接箍波的時延值。圖1所示為將低聲頻聲波油井液面檢測儀安裝在油井口的示意圖。

圖1　油井液面檢測儀安裝在油井口的示意圖Fig.1 The structure diagram of oil well liquid level detector installed in the mouth of oil well

當井內溫度梯度已知時，可據此計算油井內的聲速梯度，再結合液面回波的時延值即可求出液面深度。當井內溫度梯度未知時，可將已知的接箍間距除以相鄰兩接箍的時延得到井內的聲速梯度，從而求得液面位置。聲波的衰減系數與頻率的平方成正比，因此頻率越低，聲波的傳播距離越遠，但是頻率太低時，聲波容易穿透液面，導致液面回波的幅值較小。因此文中采用調制低頻聲波作為探測信號。

2.1偽隨機碼調制聲波法液面檢測流程

油井液面檢測時，為了提高油井回波信號的抗噪聲干擾能力，本文對揚聲器發射的信號進行幅度調制，幅度用偽隨機碼控制。對傳感器檢測到的回波信號解碼處理后進行識別，然后將解碼信號和調制信號作相關檢測。檢測原理流程如圖2所示。

m序列是一種典型的偽隨機碼，其碼元具有隨機性，而且它具有尖銳的自相關峰值。m序列可以通過線性移位寄存器來產生，對于某一確定的m序列表述如下：

2.2二值調幅（2ASK）法

二值調幅法是對信號進行幅度調制的一種典型的方法。二值調幅信號可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦載波的相乘［8］，即

式中，g（t）是矩形脈沖，持續時間為Ts；ai為某一偽隨機碼；ωc為載波角頻率。

令

則式（1）變為

式（3）為調制信號，它是幅度受偽隨機碼控制的單極性矩形脈沖信號。α0e0（t）為揚聲器所要發射的調幅信號，其中α0為發射信號的幅值。

圖2　偽隨機碼調制聲波法油井液面檢測原理流程圖Fig.2 The flow chart of oil well liquid level detection with pseudorandom code modulation acoustic method

2.3回波信號的干擾

油井油管和套管環空中主要存在氣流噪聲、機械噪聲、電磁噪聲等，而信號采集設備中也存在一定的噪聲。油井回波信號只考慮加性噪聲的干擾時，探測聲波α0e0（t）向井內傳播，位于井口的傳聲器檢測到的信號可表示為

式中，n為接箍總數，αs為液面反射波幅值系數，τs為液面反射波的時間延遲，α0為發射信號的幅值系數，αi為第i個接箍的反射波幅值系數，τi為第i個接箍反射波的時間延遲，αj為多次反射回波信號的幅值系數，τj為二次、三次反射波的時間延遲，N（t）為加性噪聲。

當聲波波長大于等于套管直徑時，油套環空可以看作變直徑的波導管［9］，根據這一理論可以得到探測聲波在油套環空中的衰減規律

式中，pa為探測聲波初始聲壓，β為聲波衰減系數，h為深度。

理論上位于井口的傳感器接收到的液面回波為

式中，r為液面反射系數，n為接箍總數，D為接箍透射系數，h0為油井深度。

傳感器接收到的第i個接箍一次反射回波信號為

式中，R為接箍處反射系數，L為接箍間距。

傳感器接收到的第i個接箍與其前一個接箍之間的j次反射后的回波為

第i個接箍除了與其前一個接箍發生j次反射外，還會在其他接箍處發生j次反射，因此需考慮聲波在接箍處的多次反射、透射以及聲波隨距離的增加產生的衰減。但是從上式可以看到，多次反射的反射系數與R2j-1成正比，式中R取值很小，因此這一高次冪項可以略去不計。

2.4解調與相關檢測

二進制調幅余弦波有兩種基本的解調方法：非相干解調（包絡檢波法）和相干解調（同步檢測法）。本文以非相干解調法為例，其解調過程為：液面回波信號經帶通濾波器、全波整流器、低通濾波器、抽樣判決器處理并整形，得到解碼信號。

序列x（n）和y（n）的互相關函數［8］如下：

該式表示，Rxy（τ）在時刻τ的值為將x（n）保持不動而y（n）左移τ后兩個序列卷積的結果。因此，m序列ai的自相關函數［10］為其中，N為序列的周期，N·P為序列自相關的峰值，δ為序列自相關的旁瓣值，δ?N·P。m序列的自相關函數具有尖銳的自相關性。

對解碼信號與調制信號作互相關檢測，假設回波信號經解碼得到解碼信號為xr（n），n=0，1，···，N-1，原調制信號為x0（n），將信號xr（n）與信號x0（n）做互相關，如下所示：

式中，K為信號的長度；τ為時延量。

從式（11）中可以看出，m序列ai的自相關函數為周期函數。在理想情況下，解碼信號xr（n）與調制信號x0（n）的互相關峰值為N·P。實際采用非相干解調法進行解碼時，解碼信號xr（n）存在一定的誤碼率，抽樣判決器閾值選取的不同，會得到不同的誤碼率。

3　回波信號識別仿真

3.1余弦調幅信號設計

本文采用一種探測信號完成接箍回波和液面回波的探測。因此接箍間距會限制m序列的長度。通過3階移位寄存器來生成7位m序列［11］如下：

由m序列ai生成的調制信號x0（t）及其調制的歸一化探測信號e0（t）如圖3、4所示。

圖3　調制信號Fig.3 Modulation signal

圖4　余弦載波的偽隨機碼調幅信號Fig.4 Pseudorandom code modulation signal of cosine carrier

3.2油井回波信號

假設油井液面深度為h=600 m，接箍間距L=12 m，接箍數量為49個；套管內徑0.2747 m，油管外徑0.1397 m，接箍外徑0.1537 m，接箍長度0.1 m；油套環空中的介質為空氣，背景噪聲為高斯白噪聲。根據變直徑波導管理論［9］，可得250 Hz余弦波的液面反射系數r=0.9926，接箍反射系數R=0.0499，接箍透射系數為D=0.9988，聲波衰減系數β=0.0033。

根據式（5）對回波信號幅值作歸一化處理，得到信噪比5 dB條件下的油井回波的仿真結果如圖5所示。從圖中可以看到，液面回波和接箍回波都全部淹沒在噪聲信號中，無法辨識出液面回波和接箍回波的位置。

圖5　信噪比5 dB的調制余弦波回波信號Fig.5 Modulation cosine wave echo signal with SNR=5 dB

3.3解碼信號

對圖5所示的井內回波信號進行去噪、解碼，可得到解碼信號如圖6所示。從圖中可以看出，3.5 s位置處的一組矩形波信號為液面回波的解碼信號，其余為接箍回波解碼信號及噪聲干擾信號，且接箍回波在1～3.5 s之間衰減嚴重，其幅值小于閾值，因此得到的解碼信號大多為碼元“0”。

圖6　調制余弦波回波信號的解碼信號Fig.6 The decoding signal of modulation cosine wave echo signal

3.4相關檢測結果

將油井反射波的解碼信號（圖6所示）與調制信號（圖3所示）作互相關檢測，可得到信噪比5 dB條件下的油井回波信號相關檢測波形，如圖7所示。圖中3.5 s附近的尖峰即為液面回波對應位置，其峰值非常突出。對于接箍回波則只能識別出12個，可識別范圍在0～1 s內。

圖7　信噪比5 dB的調制余弦波回波信號相關檢測結果Fig.7 Correlation detection results of the modulation cosine wave echo signal with SNR=5 dB

對信噪比為15 dB、10 dB、0 dB、-5 dB、-10 dB、-15 dB情況下的油井回波仿真信號分別進行解碼和相關檢測處理，結果如圖8所示。

從圖8中可以看出，信噪比15 dB、10 dB條件下，液面回波尖峰位于3.5 s附近，且峰值突出，容易辨識；接箍回波分別能識別出前14個和13個。信噪比0 dB時，液面回波位置可辨，其峰值約為干擾值的2倍；接箍回波可識別出10個，但是其旁瓣干擾比較嚴重。信噪比-5 dB時，液面回波位置可辨，其峰值約為干擾值的2倍；接箍波只有零散幾個可以辨識，且旁瓣干擾嚴重。信噪比-10 dB、-15 dB時，液面回波和接箍回波均不可辨識。

4　系統實現

油井液面檢測儀的系統硬件部分主要由信號采集和系統控制器、電磁式低頻聲波發生器（含功放）、低頻測量傳感器及系統結構主體組成，硬件系統主要完成探測信號的發射和回波信號的采集與傳輸。硬件系統框架如圖9所示。

信號采集和系統控制器包括24 bits數據采集、程控模擬信號發生器、無線和有線通信、系統狀態控制和顯示等組件，通過軟件控制發出聲音和采集傳感器信號，并且進行計算后輸出結果。油井液面檢測儀的信號采集與控制器如圖10所示。

采用自制電磁式揚聲器來產生調制的聲波探測信號，揚聲器規格為：膜片直徑180 mm，厚度1 mm，功率300 W，阻抗4 ?。電磁式揚聲器的實物及測量所得的頻響曲線如圖11所示。該揚聲器-12 dB下的頻響范圍是150 Hz～800 Hz。

為油井液面檢測儀研制了一種可以在氣體和液體（水、油）環境中使用的低頻聲波傳感器。樣機及其靈敏度曲線如圖12所示。該傳感器不僅靈敏度高，頻帶寬，而且適應油田潮濕和油污的環境。油井液面檢測儀的氣液通用低頻聲波傳感器及其頻響曲線如圖12所示。低頻聲波傳感器的測量范圍為0.5 Hz～300 Hz。根據揚聲器的頻響范圍和低頻傳感器的測量范圍可以確定油井液面檢測儀的工作頻帶為150 Hz～300 Hz。

該系統的軟件功能主要有模式選擇、數據通信、信號處理、結果顯示、數據回放和硬件配置等。本軟件系統的框架如圖13所示。本軟件可以通過有線或無線通訊的方式進行硬件工作狀態的控制和數據的傳輸。信號處理功能模塊主要負責信號的去噪、解碼和相關計算等。結果顯示部分包括原始波形、去噪波形、相關檢測波形、接箍聲速曲線和液面深度的顯示窗口。數據回放模塊可以實現保存數據的再次回放功能；硬件配置模塊主要完成傳感器的靈敏度和增益配置。從而保證更換傳感器時靈敏度和增益的準確性。

該低頻聲波油井液面檢測儀硬件系統的處理器采用utu2440-S-V4.1開發板，內部寄存器和尋址總線32 bit，ARM920T內核，標稱工作頻率400 MHz；GPS采用SZ05-ADV-1無線方式；數據傳輸支持有線、Wlan和3G通訊；供電采用24 V直流電源。低頻聲波油井液面檢測儀實物如圖14所示。

圖8　調制余弦波回波信號相關檢測結果Fig.8 Correlation detection results of modulation cosine wave echo signal

圖9　硬件系統框架Fig.9 Framework of hardware system

圖10　油井液面檢測儀的信號采集和系統控制器Fig.10 Signal acquisition and system controller of oil well liquid level detector

圖11　電磁式揚聲器及其頻響曲線Fig.11 Electromagnetic loudspeaker and its frequency response curve

圖12　油井液面檢測儀的低頻聲波傳感器及其靈敏度曲線Fig.12 Low frequency sonic sensor and its sensitivity curve of oil well liquid level detector

圖13　軟件系統框架Fig.13 Framework of software system

圖14　油井液面檢測儀Fig.14 Oil well liquid level detector

5　結論

本文研究了用偽隨機調制的低頻聲波測量油井液面深度的方法，設計了油井液面檢測儀各功能部件，實現了樣機組裝，并對所采用的低頻聲波油井液面檢測方法進行了仿真分析。仿真結果表明，該方法可以有效地排除井內干擾聲波的影響，提高目標信號的信噪比；相關檢測方法可以使液面反射波和接箍反射波的峰值更加突出、更加尖銳，從而使得液面波和接箍波的位置更加容易辨識。

本系統可通過計算機客戶端軟件實現有線和無線遠程實時檢測。電磁揚聲器的使用大大增加了儀器的使用壽命，同時可實現連續不間斷液面檢測。低頻聲波傳感器的使用使得該儀器可以適應油田的潮濕和油污環境。

［1］林立星.聲波法測油井動液面信號辨識技術研究［D］.青島：中國石油大學（華東），2011.

［2］周家新，王長松，汪建新，等.基于短時幅度-過零率函數識別抽油井液面回波［J］.化工自動化及儀表，2007，34（2）：59-62. ZHOU Jiaxin，WANG Changsong，WANG Jianxin，et al. Fluid level echo recognition of pumping well based on short-time magnitude zero-crossing rate function［J］.Control and Instruments in Chemical Industry，2007，34（2）：59-62.

［3］王海文，林立星，杜中衛，等.基于譜減算法的聲波法測油井動液面的信號處理［J］.石油天然氣學報，2012，34（1）：118-122. WANG Haiwen，LIN Lixing，DU Zhongwei，et al.Signal processing of measuring working surface of well by acoustic method based on spectral subtraction［J］.Journal of Oil and Gas Technology，2012，34（1）：118-122.

［4］周家新，王長松，汪建新，等.基于短時ACF的套管環隙內聲速計算方法［J］.石油機械，2007，35（3）：23-26. ZHOU Jiaxin，WANG Changsong，WANG Jianxin，et al. Calculation of acoustic velocity in annular space of the pumping well’s casing based on the short-time ACF［J］. China Petroleum Machinery，2007，35（3）：23-26.

［5］王宗銳，黃向東，何小紅，等.數字濾波在油井液面測試中的應用［J］.儀器儀表學報，2007，28（8）：63-65. WANG Zongrui，HUANG Xiangdong，HE Xiaohong，et al. Applications of digital filter in measuring oil wells［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2007，28（8）：63-65.

［6］周家新，王長松，汪建新，等.基于AMDF計算抽油井套管環隙內聲速［J］.傳感技術學報，2007，20（7）：1648-1651. ZHOU Jiaxin，WANG Changsong，WANG Jianxin，et al. Calculation of acoustic velocity in annular space of the pumping well’s casing based on AMDF［J］.Chinese Journal of Sensors and Acoustics，2007，20（7）：1648-1651.

［7］任建.油井井筒動液面測量系統設計與實現［D］.青島：中國石油大學（華東），2008.

［8］楊亦春，李曉東，田靜.基于FICP算法提高對低頻噪聲時延的估計精度［J］.應用聲學，2006，21（6）：1-7. YANG Yichun，LI Xiaodong，TIAN Jing.Improving the accuracy of time-delay estimation for low-frequency noise based on the algorithm of FICP［J］.Applied Acoustics，2006，21（6）：1-7.

［9］BUDENKOV G A，NEDZVETSKAYA O V，STRIZHAK V A.Acoustics of the annular space of producing and injection wells［J］.Russian Journal of Nondestructive Testing，2003，39（8）：571-576.

［10］胡廣書.數字信號處理-理論、算法與實現［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［11］陳海龍，李宏.基于MATLAB的偽隨機序列的產生和分析［J］.計算機仿真，2005，22（5）：98-100. CHEN Hailong，LI Hong.Generation and analysis of PN sequence based on MATLAB［J］.Computer Simulation，2005，22（5）：98-100.

Liquid level detection method of oil well with acoustic waves in a low frequency?

LIU Yingxin1，2YANG Yichun2?HAN Baokun1XIAO Ying1，2GUO Quan2

（1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

（2 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

To avoid short-term life of pulse sound generator used in oil well liquid level detection,a new acoustic detection method in a low frequency for liquid level in an oil well is proposed in this paper.A low frequency electro-magnetic loudspeaker has been developed to emit strong sound waves modulated by pseudorandom code.Decoding and correlation detection are used to restrain the background noise from echo signal.The hardware and software of oil well liquid level detection system are designed.Meanwhile,simulation is made in different SNR in digital signal processing,which shows that there is a desired result of echo identification even in low SNR.

Low-frequency acoustic waves,Liquid level detection,Modulating signals

O429

A

1000-310X（2015）01-0024-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.01.004

2014-03-17收稿；2014-05-10定稿

?國家自然科學基金項目（11304352，11174320）

劉迎新（1988-），男，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。

E-mail：yychun@mail.ioa.ac.cn