劉迎新　楊亦春　韓寶坤　肖 穎　郭 泉

（1山東科技大學(xué)　機(jī)械電子工程學(xué)院　青島　266590）

（2中國科學(xué)院聲學(xué)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(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院青島266590）

（2中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北京100190）

為克服沖擊聲波法油井液面檢測設(shè)備壽命短的缺陷，研究了一種低頻聲波測量油井內(nèi)液面深度的方法，采用電磁式揚(yáng)聲器產(chǎn)生偽隨機(jī)碼調(diào)制的低頻聲波作為探測信號(hào)。通過對(duì)回波信號(hào)的解碼和相關(guān)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(tǒng)的初樣設(shè)計(jì)，并對(duì)不同信噪比下的回波信號(hào)作了仿真分析，仿真分析結(jié)果表明，該方法在低信噪比情況下，仍具有良好的辨識(shí)效果。

低頻聲波，液面檢測，調(diào)制信號(hào)

1　引言

在原油開采過程中，采油系統(tǒng)的效率與油井泵的沉沒度有很大關(guān)系［1］，因此油井液面深度是油井開采過程中的一項(xiàng)重要參數(shù)。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(jù)液面反射波的時(shí)間延遲與聲速的乘積來計(jì)算油井液面深度，通常采用爆炸聲源作為激勵(lì)源，用擊發(fā)空爆彈或者空氣炮的方法產(chǎn)生強(qiáng)脈沖聲波。對(duì)爆炸聲源回波信號(hào)的提取主要有低通濾波、短時(shí)幅度-過零率函數(shù)［2］、譜減法［3］等液面回波識(shí)別方法和短時(shí)自相關(guān)函數(shù)［4］、橢圓濾波器［5］、短時(shí)平均幅度差函數(shù)［6］等接箍回波識(shí)別方法。這些方法對(duì)背景噪聲的抑制均取得了良好效果。

空爆彈激發(fā)的爆炸脈沖聲源會(huì)由于火藥的爆炸產(chǎn)生高溫沖擊和火藥殘留，導(dǎo)致儀器腐蝕老化，降低使用壽命?？諝馀谠谑褂弥袝?huì)出現(xiàn)氣閥老化失效而壽命短，使用頻度受限，需要經(jīng)常更換且不能完成常年連續(xù)監(jiān)測［7］。因此本文提出采用電磁式低頻揚(yáng)聲器作為聲源，通過發(fā)射偽隨機(jī)碼調(diào)制的低頻聲波來實(shí)現(xiàn)對(duì)深井的測量，既實(shí)現(xiàn)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(hào)為寬帶信號(hào)，本文的低頻聲波法采用的調(diào)制余弦信號(hào)為150 Hz～300 Hz窄帶信號(hào)。

2　偽隨機(jī)碼調(diào)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(nèi)發(fā)射一小段調(diào)制低頻聲波，該聲波沿油管和套管的環(huán)形空隙向下傳播，當(dāng)遇到接箍和液面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，低頻聲波傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備可將回波信號(hào)記錄下來。通過對(duì)回波信號(hào)的分析可以得到液面波和接箍波的時(shí)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(dāng)井內(nèi)溫度梯度已知時(shí)，可據(jù)此計(jì)算油井內(nèi)的聲速梯度，再結(jié)合液面回波的時(shí)延值即可求出液面深度。當(dāng)井內(nèi)溫度梯度未知時(shí)，可將已知的接箍間距除以相鄰兩接箍的時(shí)延得到井內(nèi)的聲速梯度，從而求得液面位置。聲波的衰減系數(shù)與頻率的平方成正比，因此頻率越低，聲波的傳播距離越遠(yuǎn)，但是頻率太低時(shí)，聲波容易穿透液面，導(dǎo)致液面回波的幅值較小。因此文中采用調(diào)制低頻聲波作為探測信號(hào)。

2.1偽隨機(jī)碼調(diào)制聲波法液面檢測流程

油井液面檢測時(shí)，為了提高油井回波信號(hào)的抗噪聲干擾能力，本文對(duì)揚(yáng)聲器發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，幅度用偽隨機(jī)碼控制。對(duì)傳感器檢測到的回波信號(hào)解碼處理后進(jìn)行識(shí)別，然后將解碼信號(hào)和調(diào)制信號(hào)作相關(guān)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(jī)碼，其碼元具有隨機(jī)性，而且它具有尖銳的自相關(guān)峰值。m序列可以通過線性移位寄存器來產(chǎn)生，對(duì)于某一確定的m序列表述如下：

2.2二值調(diào)幅（2ASK）法

二值調(diào)幅法是對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制的一種典型的方法。二值調(diào)幅信號(hào)可以表示成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的相乘［8］，即

式中，g（t）是矩形脈沖，持續(xù)時(shí)間為Ts；ai為某一偽隨機(jī)碼；ωc為載波角頻率。

令

則式（1）變?yōu)?/p>

式（3）為調(diào)制信號(hào)，它是幅度受偽隨機(jī)碼控制的單極性矩形脈沖信號(hào)。α0e0（t）為揚(yáng)聲器所要發(fā)射的調(diào)幅信號(hào)，其中α0為發(fā)射信號(hào)的幅值。

圖2　偽隨機(jī)碼調(diào)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(hào)的干擾

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

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

當(dāng)聲波波長大于等于套管直徑時(shí)，油套環(huán)空可以看作變直徑的波導(dǎo)管［9］，根據(jù)這一理論可以得到探測聲波在油套環(huán)空中的衰減規(guī)律

式中，pa為探測聲波初始聲壓，β為聲波衰減系數(shù)，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(shù)，n為接箍總數(shù)，D為接箍透射系數(shù)，h0為油井深度。

傳感器接收到的第i個(gè)接箍一次反射回波信號(hào)為

式中，R為接箍處反射系數(shù)，L為接箍間距。

傳感器接收到的第i個(gè)接箍與其前一個(gè)接箍之間的j次反射后的回波為

第i個(gè)接箍除了與其前一個(gè)接箍發(fā)生j次反射外，還會(huì)在其他接箍處發(fā)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(chǎn)生的衰減。但是從上式可以看到，多次反射的反射系數(shù)與R2j-1成正比，式中R取值很小，因此這一高次冪項(xiàng)可以略去不計(jì)。

2.4解調(diào)與相關(guān)檢測

二進(jìn)制調(diào)幅余弦波有兩種基本的解調(diào)方法：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測法）。本文以非相干解調(diào)法為例，其解調(diào)過程為：液面回波信號(hào)經(jīng)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(hào)。

序列x（n）和y（n）的互相關(guān)函數(shù)［8］如下：

該式表示，Rxy（τ）在時(shí)刻τ的值為將x（n）保持不動(dòng)而y（n）左移τ后兩個(gè)序列卷積的結(jié)果。因此，m序列ai的自相關(guān)函數(shù)［10］為其中，N為序列的周期，N·P為序列自相關(guān)的峰值，δ為序列自相關(guān)的旁瓣值，δ?N·P。m序列的自相關(guān)函數(shù)具有尖銳的自相關(guān)性。

對(duì)解碼信號(hào)與調(diào)制信號(hào)作互相關(guān)檢測，假設(shè)回波信號(hào)經(jīng)解碼得到解碼信號(hào)為xr（n），n=0，1，···，N-1，原調(diào)制信號(hào)為x0（n），將信號(hào)xr（n）與信號(hào)x0（n）做互相關(guān)，如下所示：

式中，K為信號(hào)的長度；τ為時(shí)延量。

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

3　回波信號(hào)識(shí)別仿真

3.1余弦調(diào)幅信號(hào)設(shè)計(jì)

本文采用一種探測信號(hào)完成接箍回波和液面回波的探測。因此接箍間距會(huì)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(diào)制信號(hào)x0（t）及其調(diào)制的歸一化探測信號(hào)e0（t）如圖3、4所示。

圖3　調(diào)制信號(hào)Fig.3 Modulation signal

圖4　余弦載波的偽隨機(jī)碼調(diào)幅信號(hào)Fig.4 Pseudorandom code modulation signal of cosine carrier

3.2油井回波信號(hào)

假設(shè)油井液面深度為h=600 m，接箍間距L=12 m，接箍數(shù)量為49個(gè)；套管內(nèi)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(huán)空中的介質(zhì)為空氣，背景噪聲為高斯白噪聲。根據(jù)變直徑波導(dǎo)管理論［9］，可得250 Hz余弦波的液面反射系數(shù)r=0.9926，接箍反射系數(shù)R=0.0499，接箍透射系數(shù)為D=0.9988，聲波衰減系數(shù)β=0.0033。

根據(jù)式（5）對(duì)回波信號(hào)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(jié)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(hào)中，無法辨識(shí)出液面回波和接箍回波的位置。

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

3.3解碼信號(hào)

對(duì)圖5所示的井內(nèi)回波信號(hào)進(jìn)行去噪、解碼，可得到解碼信號(hào)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(hào)為液面回波的解碼信號(hào)，其余為接箍回波解碼信號(hào)及噪聲干擾信號(hào)，且接箍回波在1～3.5 s之間衰減嚴(yán)重，其幅值小于閾值，因此得到的解碼信號(hào)大多為碼元“0”。

圖6　調(diào)制余弦波回波信號(hào)的解碼信號(hào)Fig.6 The decoding signal of modulation cosine wave echo signal

3.4相關(guān)檢測結(jié)果

將油井反射波的解碼信號(hào)（圖6所示）與調(diào)制信號(hào)（圖3所示）作互相關(guān)檢測，可得到信噪比5 dB條件下的油井回波信號(hào)相關(guān)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(duì)應(yīng)位置，其峰值非常突出。對(duì)于接箍回波則只能識(shí)別出12個(gè)，可識(shí)別范圍在0～1 s內(nèi)。

圖7　信噪比5 dB的調(diào)制余弦波回波信號(hào)相關(guān)檢測結(jié)果Fig.7 Correlation detection results of the modulation cosine wave echo signal with SNR=5 dB

對(duì)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(hào)分別進(jìn)行解碼和相關(guān)檢測處理，結(jié)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(shí)；接箍回波分別能識(shí)別出前14個(gè)和13個(gè)。信噪比0 dB時(shí)，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(shí)別出10個(gè)，但是其旁瓣干擾比較嚴(yán)重。信噪比-5 dB時(shí)，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(gè)可以辨識(shí)，且旁瓣干擾嚴(yán)重。信噪比-10 dB、-15 dB時(shí)，液面回波和接箍回波均不可辨識(shí)。

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

油井液面檢測儀的系統(tǒng)硬件部分主要由信號(hào)采集和系統(tǒng)控制器、電磁式低頻聲波發(fā)生器（含功放）、低頻測量傳感器及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主體組成，硬件系統(tǒng)主要完成探測信號(hào)的發(fā)射和回波信號(hào)的采集與傳輸。硬件系統(tǒng)框架如圖9所示。

信號(hào)采集和系統(tǒng)控制器包括24 bits數(shù)據(jù)采集、程控模擬信號(hào)發(fā)生器、無線和有線通信、系統(tǒng)狀態(tài)控制和顯示等組件，通過軟件控制發(fā)出聲音和采集傳感器信號(hào)，并且進(jìn)行計(jì)算后輸出結(jié)果。油井液面檢測儀的信號(hào)采集與控制器如圖10所示。

采用自制電磁式揚(yáng)聲器來產(chǎn)生調(diào)制的聲波探測信號(hào)，揚(yáng)聲器規(guī)格為：膜片直徑180 mm，厚度1 mm，功率300 W，阻抗4 ?。電磁式揚(yáng)聲器的實(shí)物及測量所得的頻響曲線如圖11所示。該揚(yáng)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(huán)境中使用的低頻聲波傳感器。樣機(jī)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(yīng)油田潮濕和油污的環(huán)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(jù)揚(yáng)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(tǒng)的軟件功能主要有模式選擇、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)回放和硬件配置等。本軟件系統(tǒng)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(jìn)行硬件工作狀態(tài)的控制和數(shù)據(jù)的傳輸。信號(hào)處理功能模塊主要負(fù)責(zé)信號(hào)的去噪、解碼和相關(guān)計(jì)算等。結(jié)果顯示部分包括原始波形、去噪波形、相關(guān)檢測波形、接箍聲速曲線和液面深度的顯示窗口。數(shù)據(jù)回放模塊可以實(shí)現(xiàn)保存數(shù)據(jù)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(shí)靈敏度和增益的準(zhǔn)確性。

該低頻聲波油井液面檢測儀硬件系統(tǒng)的處理器采用utu2440-S-V4.1開發(fā)板，內(nèi)部寄存器和尋址總線32 bit，ARM920T內(nèi)核，標(biāo)稱工作頻率400 MHz；GPS采用SZ05-ADV-1無線方式；數(shù)據(jù)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(shí)物如圖14所示。

圖8　調(diào)制余弦波回波信號(hào)相關(guān)檢測結(jié)果Fig.8 Correlation detection results of modulation cosine wave echo signal

圖9　硬件系統(tǒng)框架Fig.9 Framework of hardware system

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

圖11　電磁式揚(yáng)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(tǒng)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(jié)論

本文研究了用偽隨機(jī)調(diào)制的低頻聲波測量油井液面深度的方法，設(shè)計(jì)了油井液面檢測儀各功能部件，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)組裝，并對(duì)所采用的低頻聲波油井液面檢測方法進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，該方法可以有效地排除井內(nèi)干擾聲波的影響，提高目標(biāo)信號(hào)的信噪比；相關(guān)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(shí)。

本系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)有線和無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測。電磁揚(yáng)聲器的使用大大增加了儀器的使用壽命，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(yīng)油田的潮濕和油污環(huán)境。

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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(xué)基金項(xiàng)目（11304352，11174320）

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

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