基于次聲波的鉆井返出液液面檢測系統設計

任旭虎 劉 通 汪衛眾 王文倩 王智敏

(中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院)

0 引 言

鉆井返出液液面檢測[1]是石油鉆探開發過程中的重要環節。鉆井返出液液面深度是石油鉆探過程中鉆井液在鉆桿與套管形成的環空中返出液的液面深度[2]。石油鉆探過程中，為了監控井下情況，避免產生生產事故，對鉆井返出液液面深度數據監測至關重要[3]。通過對鉆井返出液液面進行連續監測，監控井下的液面變化情況，結合相關數據，得到液面恢復曲線，可以及時預防井涌井漏事故的發生[4]，保障油田的安全生產，降低鉆探成本[5]。

目前，傳統的井筒液位測量儀器主要用于抽油井液面深度檢測和鉆完井試油，鉆井返出液液面的檢測設備并不成熟，主要的檢測方法有壓力計探測法和下抽子探測法[6-8]。這2種方法測量精度較低且無法實現連續測量，極易受到人為因素干擾，無法實現自動測量，必須在關井的情況下工作，嚴重制約了鉆探效率和質量[9-12]。因此，設計一款智能化鉆井返出液液面檢測系統，對預防井漏事故、提高鉆探效率具有重要的科學意義和實用價值。

近年來，國內一些學者和科研院所在聲波的井下液面檢測方面開展了大量研究工作，在設備集成、氣源選擇、檢測方法、信號處理等方面進行了大量研究，但是目前井下聲波檢測設備的檢測精度有待提高，井下的噪聲干擾處理效果較差[13-15]。具體表現為：①在面對較深井現場作業時，液面回波信號微弱，難以識別；②在現場檢測環境較為復雜時，難以對反射信號進行有效的處理。

針對上述問題，本文設計了一種基于次聲波的鉆井返出液液面檢測系統。該系統具有以下特點：①采用次聲波信號作為信號聲源，增強信號在井下的傳播能力，提高了儀器的檢測精度和檢測深度；②針對井下噪聲干擾復雜，返出液回波信號難以識別的問題，提出了一種可移植的信號處理算法，采用隨機共振濾波對液面反射波信號進行處理，增強對微弱信號的辨識能力，提高測量精度。

1 聲波檢測法原理

鉆井返出液的檢測原理如圖1所示，主要包括轉盤、防噴器等地面鉆探設備與鉆桿、井眼等地下鉆井結構。地下鉆柱結構主要包括表層套管、鉆桿、鉆鋌、鉆頭，每節鉆桿之間使用接箍連接。地面鉆探設備主要包括鉆盤、喇叭口、刮泥器、鉆井液流出管、套管四通[15-16]。

圖1 鉆井返出液檢測原理Fig.1 Detection principle of drilling return fluid

聲波檢測法的基本原理：井口的信號發射裝置通過爆破發聲產生聲波脈沖信號。產生的聲脈沖信號沿著井筒套管和鉆桿之間的環空向下傳播，在脈沖信號的傳播過程中，遇到鉆桿接箍時會有部分信號被反射回來，這部分信號被稱為接箍波[16-17]。當遇到鉆井返出液液面時，脈沖信號會反射一個具有明顯信號特征的反射波，反射波被井口的微音器接收。接收到的信號經處理后提取出接箍波和鉆井返出液的液面反射波。由于鉆桿的長度恒定，假設鉆桿長度為h，求出每個接箍波之間的時間間隔t1后，得到井下聲波的傳播速度v：

v=h/t1

(1)

結合返出液液面反射波傳播時間t2，即可計算出套管內返出液液面的深度H：

(2)

2 鉆井返出液液面檢測系統整體方案

圖2為鉆井返出液液面檢測系統結構圖，主要由信號發射模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、驅動控制模塊組成。

圖2 鉆井返出液檢測系統結構圖Fig.2 Structure of drilling return fluid detection system

信號發射模塊主要實現井下次聲信號發射的功能，使儲氣室內存儲的高壓氮氣通過氣體發生裝置產生符合檢測需求的次聲信號。

數據采集模塊通過微音器實現對返出液反射波信號的采集，將采集到的數據通過次聲電纜發送給USB3106A數據采集卡。數據采集卡將采集到的數據傳輸至數據處理模塊，由其進行處理。

數據處理模塊具有對采集到的原始信號識別與處理功能。其將接收到的數據進行信號的濾波銳化處理過后，再使用聲速計算模型和液面深度計算模型得到液面深度和壓力恢復曲線。

驅動控制模塊主要由四通道DIO輸出和上位機驅動程序組成，主要實現氣槍發射模式的選擇以及氣槍發射控制和檢測方式的管理功能。

3 鉆井返出液液面檢測系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 信號發射模塊

信號發射模塊的原理框圖與結構示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 信號發射模塊的原理框圖Fig.3 Functional block diagram of signal emission module

1—氮氣瓶；2—減壓器；3—連接總成；4—充氣電磁閥；5—儲氣室；6—發射電磁閥；7—微音器；8—管道。圖4 信號發射模塊的結構示意圖Fig.4 Schematic structure of signal emission module

信號發射模塊主要包括：①發射總成，高壓氮氣通過發聲裝置，產生次聲信號；②連接總成，包括減壓器、連接軟管、充氣接頭等氣動原件，為儲氣室提供符合發射強度的壓縮氣體；③充氣與發射電磁閥，與驅動控制模塊連接，控制次聲信號的發射；④儲氣室，與發射總成連接，存儲高壓氮氣。

3.1.2 數據采集模塊

數據采集模塊的原理框圖如圖5所示。數據采集模塊作為液位測量裝置的核心部分，以高速數據采集卡為主控制設備，包含微音器及信號調理電路等。

圖5 數據采集模塊的原理框圖Fig.5 Functional block diagram of data acquisition module

(1)回波信號特性分析。聲波信號沿著井筒環空向下傳播的過程中，由于管壁擴散以及耦合振動等因素的影響，信號表現出明顯的衰減特性。經計算分析發現，信號中的有效頻率主要集中在低頻段。在不受外界干擾的情況下，通過微音器對井下發射波信號進行模擬。對模擬的次聲波進行分析可知，信號是具有直流分量的雙極性信號[17-18]，最大檢測峰值未超過200 mV。直接使用采集卡對回波數據進行采集較為不易，得到的回波信號也難以識別，因此需要設計與其相匹配的信號調理電路。

(2)信號調理電路設計。鉆井現場條件惡劣，井下環境復雜，多種噪聲干擾并存，反饋到回波信號上就是其往往夾雜著各種工頻干擾和高頻噪聲，夾雜著各種井口設備產生的脈沖和窄帶噪聲干擾。其中工頻干擾可以通過采集卡內部的限波器消除。為了降低微音器對輸出阻抗的要求，采用放大器對信號進行放大。該放大器具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，且增益可以靈活設置，適合對微弱信號進行放大。為了消除高頻噪聲，設計二階RC低通濾波器，由于次聲波的有效頻段為0～20 Hz，所以截止頻率設為20 Hz，提高輸出信號的信噪比。次聲波信號調理電路原理圖如圖6所示。

圖6 次聲波信號調理電路Fig.6 Signal conditioning circuit of infrasound wave

3.2 軟件開發

3.2.1 系統軟件組成

系統軟件的整體框圖如圖7所示，主要由井口采集子程序和數據處理子程序組成。其軟件功能主要實現設備控制、數據處理、波形顯示、軟件設置等功能。上位機系統的開發采用了模塊化設計，提高了開發效率。

圖7 系統軟件整體框圖Fig.7 Overall block diagram of system software

3.2.2 系統軟件設計流程

井口采集子程序的工作流程如圖8所示。系統通電后，等待程序初始化，待初始化完成后，數據采集模塊等待主程序的測量指令信號。當數據采集卡接收到主程序傳來的測量指令后，打開充氣電磁閥對氣槍進行充氣，儲氣室內氣體壓力達到檢測需求后，打開發射電磁閥，產生次聲信號。液面回波信號和接箍波信號被微音器接收，經過調理電路處理后得到原始波形數據。通過USB3106A數據采集卡將采集到的原始波形數據傳輸給數據處理模塊，信號接收完成后，收到數據處理模塊發來的測量完成應答信號，結束采集，準備下一次測量。

圖8 井口采集子程序流程Fig.8 Flowchart of wellhead acquisition program

數據處理子程序作為軟件系統的核心部分，其程序流程如圖9所示。當系統初始化后，讀取井口采集子程序傳來的應答信號，對井口儀器的參數進行配置。配置完成后，按下測量按鈕，數據采集卡接收到檢測信號后，向井口檢測裝置發送測量指令，接收原始回波數據。

圖9 數據處理子程序流程圖Fig.9 Flowchart of signal processing program

采集結束后，調用聲速計算模型對信號進行處理。根據接箍波的原始數據得到井下聲速v后，調用液面深度計算模型，識別液面回波信號，計算聲波在井下的傳播時間t，結合之前計算的聲速v，調用液面深度計算公式(2)計算得到返出液液面深度H。將得到的數據存儲至數據存儲器。

液面變化曲線的繪制：設定固定時間間隔，進行多次測量，得到每次的液面深度H1，H2，H3，…，Hn。根據數據繪制液面變化曲線，在線監控液面的變化，實時掌握液面變化動態，當增溢漏失量過大時，停止檢測，報警模塊立刻進行異常顯示。

通過上位機程序可以將之前存儲的數據導入系統內，在顯示界面查看信號的原始波形、處理后的波形以及液面恢復曲線。為了便于查看，每次采集到的數據都會被存儲到上位機中。

3.2.3 鉆井返出液回波信號處理算法

信號處理算法是整個軟件開發的核心部分，主要由信號的預處理、井下聲音傳播速度計算、返出液液面深度計算3個部分組成。

(1)信號的預處理

井下的噪聲干擾極其復雜，不僅存在著廣義平穩隨機干擾，而且存在著聲波遇到接箍反射引起的多徑衰落干擾，井下的各種流體也會產生不同的干擾[19]。硬件調理電路并不能完全將這些干擾消除，因此在上位機進行信號的預處理至關重要。

信號的預處理主要分為2個部分：第一部分是對信號內噪聲的干擾進行濾波處理；第二部分是對信號進行銳化處理，便于識別較為微弱的接箍波和返出液信號。

傳統的信號預處理方法多對資源和內存有較高的要求，占用大量資源，且對信號的噪聲處理效果并不理想[15]。為此，本文采取了一種基于吸引了曲線形態調整的隨機共振信號濾波方法。該方法與傳統的信號預處理方法相比，能夠更好地降低測量噪聲中的異常干擾，對低頻非穩態噪聲有著更好的抑制效果。基于吸引子曲線形態調整的隨機共振系統方程為：

(3)

式中：x為實測信號，mV；a、b為實參數，決定雙穩態系統的結構，通常a>0、b>0；A為激勵信號幅值，mV；w為激勵信號的頻率，Hz；N(t)為高斯白噪聲，dB；k為阻尼系數。

選取模擬返出液液面回波信號對其進行預處理，為了對照結果，選取市面上的設備進行對比。2種儀器的信號處理波形與信號頻譜如圖10所示。經過對比可以看出，隨機共振在低頻信號的處理上有著較好的效果，在不同的噪聲干擾下，經過處理過后的信噪比達到10 dB以上，滿足實際信號處理要求。

圖10 鉆井返出液信號對比圖Fig.10 Comparison of drilling return fluid signals

(2)計算井下的聲波傳播速度

根據接箍波具有周期性的特點，接箍反射波信號會是一個周期性的方波信號[20]，記為f(t)。該方波信號的寬度τ表示方波信號在1個周期內的持續時間，s；幅值E表示接箍反射波信號的能量大小，J/(kg·℃)；周期T表示聲波在相鄰2個鉆桿接箍之間傳播時所用的時間，s。該周期性方波信號的波形如圖11所示。

圖11 理想接箍波的波形Fig.11 Waveform of ideal coupling wave

信號在一個周期內(-t/2

(4)

(5)

(6)

式中：δ(ω-ω1)為單位沖激信號；ω1為信號平移距離，rad/s。

數字頻率與模擬頻率之間的關系為：

(7)

式中：f為模擬頻率，Hz；fs為采樣頻率，Hz。

由快速傅里葉變換的意義可知，周期信號的數字頻率與除0外幅值最大點的關系為：

(8)

式中：N1為除0外幅值最大的點；N為進行快速傅里葉變換的數據點數。得到接箍反射波的周期為：

(9)

得到的這個周期實際上是聲波在2個接箍之間來回2個鉆桿長度路程所用的時間，因此聲波在井下的傳播速度為：

v=N1fs

(10)

(3)返出液液面深度計算

根據液面反射波的位置自動辨識液面回波信號，通過自動處理得到液面反射波的位置為第Nl個數據點，次聲信號在井下的傳播時間為：

(11)

調用聲速計算模型計算聲速，鉆井返出液液面深度為L，于是有：

(12)

4 測試驗證

2022年5月，次聲波鉆井返出液液面檢測系統在勝利油田某現場進行試驗測試。模擬井下不同液位深度，井下溫度25 ℃，井口空氣密度為11.5 kg/m3，當天測量狀態未發生變化。

儀器的測試時間選取為10：15—16：15，測試間隔為30 min。為了實現效果對比，在相同條件下選取市面使用較為成熟的儀器進行對比，檢測數據見表1。

表1 液面深度檢測數據Table1 Fluid level depth detection data

表1中：設備1為次聲波檢測儀，設備2為市場購買設備。結果表明，2種儀器深度差小于2 m，數據符合度較高。

結合圖10信號頻譜以及表1的檢測結果的分析可知，購買設備波動范圍較大，次聲波檢測儀的反射波信號幅值強于購買設備，便于識別，測量精度更高，證明該儀器的準確性和穩定性有所提升。

5 結 論

(1)基于次聲波的鉆井返出液液面檢測系統以USB3106A數據采集卡為主控模塊，該設備集數據接收、信號處理、波形顯示及聲光報警為一體。

(2)現場測試發現，利用頻率較低的次聲信號作為檢測聲源，可以實現遠距離返出液回波信號采集，結合信號調理電路實現了液面回波信號的低噪聲采集和高精度量化。

(3)采用隨機共振濾波算法對返出液液面回波信號進行處理，不僅可以濾除井下存在的廣義平穩隨機干擾，以及聲波傳播過程中遇到接箍反射引起的多徑衰落干擾，而且可以大幅度降低液面回波信號的信噪比。