基于數(shù)字濾波的液面深度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/黎愛瓊 李雪 王川

測量油井液面深度是測井技術(shù)中一項(xiàng)重要的工作，而采用何種技術(shù)才能精確計(jì)算出井深一直是測井技術(shù)的一個(gè)難題，目前數(shù)控測井技術(shù)使用廣泛。由于傳統(tǒng)聲速測井法在計(jì)算井深時(shí)，如果知道氣體在井中各部位的成分或氣體的組成情況，即可較準(zhǔn)確地計(jì)算出液面深度。而實(shí)際油井中不同深度處的壓力、溫度、密度、成分不同，因而氣體在油井中具體分布情況很難確定，從而導(dǎo)致聲速在各個(gè)部位的速度也不同，無法精確計(jì)算出液面深度。為了實(shí)現(xiàn)精確測量，本文提出了數(shù)字濾波測井法。

1 硬件系統(tǒng)

本測井系統(tǒng)主要由微處理器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、輸出顯示模塊、人機(jī)交互系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾個(gè)部分組成。傳感器系統(tǒng)中的微音器輸出的反射波電信號(hào)經(jīng)電纜輸入到放大濾波電路、微處理器處理電路、輸出顯示電路，通過放大濾波電路和數(shù)據(jù)處理電路，由輸出顯示模塊將反射波形輸出。

本系統(tǒng)中微處理器系統(tǒng)是核心，它是利用聲波來測量油井，根據(jù)套管內(nèi)液面柱高度及其變化推算出油層壓力與井底壓力及其變化情況，從而確定油層的采油效率，使抽油泵保持最佳沉沒度。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理是：首先將發(fā)生器與井口套管連接好，打開套管閥門，轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生器的扳機(jī)，使擊針在彈簧作用下撞擊子彈引爆，子彈爆炸產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)大的聲波脈沖信號(hào)，聲波脈沖信號(hào)傳入油井套管，通過套管環(huán)形空間內(nèi)的氣體介質(zhì)向下傳播，脈沖信號(hào)碰到油管的接箍、音標(biāo)、液面以及其它障礙物產(chǎn)生反射；傳感器將這些反射脈沖信號(hào)接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到放大電路中；在放大電路中將傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后，通過系統(tǒng)程序?qū)⑵鋱D形顯示在LCD上；根據(jù)顯示圖形曲線上的接箍波數(shù)目、音標(biāo)波位置、液面波位置，即可方便地計(jì)算出液面深度；同時(shí)如果確認(rèn)記錄的數(shù)據(jù)正確，記錄油井號(hào)以及記錄時(shí)間將其存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，這樣方便以后調(diào)用。

使擊針在彈簧作用下撞擊子彈引爆，產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖；該脈沖通過套管環(huán)形空間的氣體介質(zhì)向下傳播，碰到油管接箍、音標(biāo)、液面及其它障礙物產(chǎn)生反射；傳感器將這些反射脈沖信號(hào)接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到放大電路中；在放大電路中將傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后，通過系統(tǒng)程序?qū)⑵鋱D形顯示在LCD上；根據(jù)顯示圖形曲線上的接箍波數(shù)目、音標(biāo)波位置、液面波位置，即可方便地計(jì)算出液面深度；同時(shí)如果確認(rèn)記錄的數(shù)據(jù)正確，記錄油井號(hào)以及記錄時(shí)間將其存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，這樣方便以后調(diào)用。

2 液面深度計(jì)算

本系統(tǒng)的液面探測原理是：在井口連接器處安裝傳感器及發(fā)生裝置，擊發(fā)一顆發(fā)聲子彈產(chǎn)生聲脈沖，聲脈沖沿著油井套管向井下傳播，當(dāng)遇到油管接箍、音標(biāo)和液面等障礙物便產(chǎn)生反射脈沖，返回的聲脈沖由傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過雙通道放大、濾波電路后，輸出顯示兩路聲脈沖波形；一路信號(hào)記錄接箍、液面、音標(biāo)和其他較大障礙物反射波的高頻信號(hào)，另一路信號(hào)只記錄液面、音標(biāo)或其他較大障礙物反射波低頻信號(hào)；通過對輸出波形的特征位置（接箍、音標(biāo)、液面）的定位，可得到油井深度。有4種計(jì)算液面的算法：平均聲速法、單接箍法、多接箍法、音標(biāo)法，本系統(tǒng)采用平均聲速法。平均聲速法，在知道當(dāng)前油井中的聲速，測量出聲脈沖發(fā)射到返回的時(shí)間就可以計(jì)算出液面的深度。即：液面深度=聲速×（到達(dá)液面的時(shí)間-發(fā)射的時(shí)間）/2。

圖2為聲反射波形示意圖，起始位是發(fā)射聲波信號(hào)位置或者液面波結(jié)束的位置；接箍（油管是一節(jié)一節(jié)的接在一起的，就形成了一個(gè)個(gè)等間距的接箍）是等間隔的，因而反射回的波形就是有規(guī)律的、等間隔的波形，在此接箍波的長度用選取這段接箍波的波峰或波谷到起始位的點(diǎn)數(shù)表示；音標(biāo)是為測量油井液面深度而特地放的標(biāo)記，它的反射波形比較強(qiáng)烈，即其波形幅度比較大，在此音標(biāo)波距起始位的長度用音標(biāo)波的波峰或波谷到起始位的點(diǎn)數(shù)表示；當(dāng)聲波碰到液面反彈特別強(qiáng)烈，波形的幅度最高，在此液面波距起始位的長度用液面波的波峰或波谷距離起始位的點(diǎn)數(shù)表示。根據(jù)以上的論述，因?yàn)橛凸艿慕庸块L度、音標(biāo)長度是已知的，因而可以用比例法來計(jì)算液面的深度。

另外，實(shí)際的數(shù)據(jù)在采集的過程中存在不同頻段的噪聲干擾，因而很難準(zhǔn)確地區(qū)分信號(hào)的接箍位置、音標(biāo)位置、液面位置，因而需要對反射波進(jìn)行處理，本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波的方法對采集到的聲波信號(hào)進(jìn)行處理。

3 最小均方法濾波分析

在MATLAB中的FDATool中設(shè)計(jì)最小均方低通濾波器，對信號(hào)進(jìn)行濾波。先把濾波器導(dǎo)入到SPTool的濾波列表中，然后選中該濾波器，再選中信號(hào)列表中的信號(hào)，然后單擊應(yīng)用，再單擊瀏覽即可顯示出濾波后波形，如圖3所示。

經(jīng)過濾波處理后，可以得到清晰的接箍位置、音標(biāo)位置、液面位置反射信號(hào)，采用合適的液面計(jì)算方法就可以計(jì)算出液面的深度。

圖1：系統(tǒng)功能框圖

圖2：聲反射波形示意圖

圖3：信號(hào)經(jīng)最小乘方法濾波后的波形圖

4 結(jié)論

本文通過對采集的聲波信號(hào)進(jìn)行分析，通過對傳感器的試驗(yàn)測量建立起各個(gè)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)字濾波處理，得到較清晰的濾波數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同的油井采用合適的液面算法，就可以計(jì)算出液面的深度。