汪玉祥，魏 勇，王路平，陳 強(qiáng)，劉國(guó)權(quán)，劉 杰

(1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北荊州 434023；2.長(zhǎng)江大學(xué)人工智能研究院，湖北荊州 434023；3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西西安 710077)

0 引言

井下動(dòng)液面深度是抽油井在正常生產(chǎn)時(shí)油套管環(huán)形空間中的液面深度。在油田生產(chǎn)過程中，井下液面深度數(shù)據(jù)是掌握地層動(dòng)態(tài)、確定采注方案的重要依據(jù)[1-2]。為了預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)環(huán)空帶壓井的風(fēng)險(xiǎn)，保障油田安全生產(chǎn)，提高油田產(chǎn)量，研制一種智能化井下動(dòng)液面深度測(cè)量系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。目前，比較成熟的井下液面深度檢測(cè)方法主要有示功圖法[3]、壓力計(jì)探測(cè)法[4]和聲波法[5]。由于聲波法不用將儀器下放在井中，操作簡(jiǎn)單，適合在抽油井不停產(chǎn)的情況下進(jìn)行測(cè)量。因此，聲波法被廣泛應(yīng)用于油氣井液面深度測(cè)試中[6]。

過去10年來(lái)，岳強(qiáng)[7]、鄒宇清[8]、張乃祿[9]、王路平[10]等學(xué)者在基于聲波法的井下液面深度檢測(cè)方面開展了大量的研究工作，在氣源壓力、儀器集成度、工作模式、傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理方面做出了貢獻(xiàn)。然而，由于使用環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，傳統(tǒng)的井下動(dòng)液面深度檢測(cè)儀器(以下簡(jiǎn)稱儀器)依然存在檢測(cè)精度低、設(shè)備自檢難以及人機(jī)交互差等3類問題。具體表現(xiàn)為：

(1)井下回波信號(hào)隨油井開采深度的不斷加大而愈發(fā)微弱，傳統(tǒng)16位ADC的數(shù)字化方案測(cè)量系統(tǒng)已無(wú)法滿足深井中的聲波信號(hào)采集要求；

(2)儀器自檢普遍使用模擬管道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法獲取井下聲波數(shù)據(jù)，該方法對(duì)自檢條件要求較高，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下很難滿足；

(3)儀器缺乏人機(jī)交互設(shè)計(jì)，使用體驗(yàn)較差。特別是當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，使用者需要查閱說明書或者求助相關(guān)技術(shù)人員解決。

鑒于上述原因，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于聲波測(cè)距法的新型智能化井下動(dòng)液面深度測(cè)量系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)的低噪聲與高精度采集，采用巴特沃斯二階低通濾波器與24位高精度ADC相結(jié)合的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；針對(duì)儀器自檢難題，提出了一種可存儲(chǔ)式井下聲波信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)方案；同時(shí)為了便于用戶操作并了解儀器當(dāng)前工作狀態(tài)，增加了語(yǔ)音交互技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明該系統(tǒng)測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，能夠滿足油田的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

1 聲波法測(cè)量液面原理

油井的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括地面下的井身結(jié)構(gòu)和地面上的井口裝置。井身結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)管、表層套管、油層套管和油管組成，其中油管每節(jié)長(zhǎng)度恒定，相鄰油管之間使用接箍連接。井口裝置主要由油管四通、套管四通和閥門組成，其中套管四通將油管和油層套管密封，形成井下環(huán)形空間。聲波法測(cè)量液面深度的基本原理是：儀器內(nèi)置的聲波發(fā)射裝置瞬間起爆，在井口環(huán)空處產(chǎn)生一個(gè)沖擊波。沖擊波沿環(huán)空向井下傳播的過程中，遇到油管接箍時(shí)會(huì)有部分接箍波反饋回來(lái)。當(dāng)遇到環(huán)空液面時(shí)，會(huì)反饋回來(lái)一個(gè)信號(hào)特征明顯的液面回波，反射回的聲波由儀器內(nèi)部的微音器接收。根據(jù)聲波測(cè)距原理，若能分別通過反射聲波中的接箍波和液面回波提取聲波的速度v和旅行時(shí)間t，就能計(jì)算出井筒內(nèi)液面深度h。

圖1 聲波法測(cè)量井下液位原理

由于井下油管長(zhǎng)度L是恒定的(約9.6 m)，假設(shè)聲波采樣系統(tǒng)的采樣頻率fs為1 kHz，相鄰兩個(gè)油管接箍波之間的平均采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，平均時(shí)間為t1，則有t1=n/fs。若能通過數(shù)據(jù)處理方法得到n，就能計(jì)算出聲波的速度v。因此，可以將聲速v的提取問題轉(zhuǎn)換為平均采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)n的計(jì)算問題，二者之間的關(guān)系為

(1)

假設(shè)聲波從發(fā)射到接收，在井筒環(huán)空中的旅行時(shí)間為t，聲波從起爆波到液面回波之間的采樣點(diǎn)數(shù)為N，則計(jì)算聲波旅行時(shí)間t的問題可轉(zhuǎn)換為采樣點(diǎn)數(shù)N的計(jì)算問題，二者之間的關(guān)系為

(2)

因此，如果能夠通過算法提取采樣次數(shù)n和N，那么即可計(jì)算井下液面深度h：

(3)

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖2所示，系統(tǒng)以嵌入式STM32單片機(jī)為核心，主要由數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)讀寫模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊和人機(jī)交互模塊5部分組成。

圖2 硬件電路總體設(shè)計(jì)方案

(1)數(shù)據(jù)通信模塊主要由串口通信模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊組成。其中串口模塊的主要功能是與上位機(jī)通信，便于儀器調(diào)試與檢修；網(wǎng)絡(luò)模塊以4G DTU(Data Transfer Unit)Air720為核心，支持五模十四頻網(wǎng)絡(luò)接入。DTU通過MQTT協(xié)議將儀器采集的聲波數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行接收處理[11]。同時(shí)接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的指令，儀器通過指令解析后執(zhí)行相關(guān)操作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的遠(yuǎn)程控制。

(2)數(shù)據(jù)讀寫模塊主要由SRAM和SD卡組成。由于儀器單次采集產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大于60 KB，超出控制器內(nèi)部容量，故外接SRAM作為數(shù)據(jù)緩沖器。為了應(yīng)對(duì)井場(chǎng)突發(fā)網(wǎng)絡(luò)異常導(dǎo)致上傳數(shù)據(jù)丟失，確保井下聲波數(shù)據(jù)云端數(shù)據(jù)庫(kù)與本地存儲(chǔ)雙備份，使用SD卡作為本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

(3)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)井口微音器、井下聲波信號(hào)模擬器、壓力變送器和儀器工作電壓4路模擬信號(hào)采集的功能，并將采集的數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)送給控制器。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器統(tǒng)一編排后以JSON格式通過DTU上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，供其分析和處理。

(4)驅(qū)動(dòng)控制模塊主要由四通道MOS管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路組成，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)井下聲波信號(hào)模擬器的激勵(lì)、氣槍內(nèi)外爆模式的控制以及低功耗模式下對(duì)主電源的管理功能。

(5)人機(jī)交互模塊主要由指示燈、按鍵與語(yǔ)音播報(bào)組成。其中指示燈與語(yǔ)音播報(bào)能夠幫助使用者快速準(zhǔn)確地了解儀器當(dāng)前的工作狀態(tài)以及后期故障排查；按鍵可以在儀器休眠時(shí)調(diào)整工作參數(shù)和手動(dòng)啟動(dòng)儀器。

3 主要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

3.1.1 輸入端信號(hào)特性分析

聲波在環(huán)空中向下傳播的過程中，由于受到接箍反射、管壁散射以及耦合振動(dòng)等因素的影響，使得聲波在管道內(nèi)表現(xiàn)出明顯的衰減特性[12]。因此，井口接收的聲波信號(hào)頻率主要集中在低頻段[13]，信號(hào)中有效頻率成分小于100 Hz。聲波接收裝置的核心是微音器，為了測(cè)試微音器的響應(yīng)特性，在無(wú)外界干擾的情況下，給微音器一個(gè)模擬井下聲波的激勵(lì)信號(hào)，其響應(yīng)信號(hào)如圖3所示?？梢?，微音器的響應(yīng)信號(hào)是帶有mV級(jí)直流分量的雙極性信號(hào)[14]，即便在最大沖擊作用下，響應(yīng)信號(hào)峰峰值仍未超過250 mV。因此，設(shè)計(jì)與之匹配的信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路尤為重要。

圖3 微音器對(duì)連續(xù)沖擊信號(hào)的響應(yīng)

3.1.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

井下聲波信號(hào)往往夾雜著各種干擾和噪聲，主要包括工頻干擾和高頻噪聲。其中工頻干擾可由內(nèi)部帶有50 Hz/60 Hz陷波濾波器的ADC消除，高頻噪聲可由帶有低通濾波器的信號(hào)調(diào)理電路消除。為此，本文提出了如圖4所示的三級(jí)運(yùn)算放大器信號(hào)調(diào)理方案。首先，為了降低對(duì)微音器輸出阻抗的要求，第一級(jí)采用儀表放大器AD620對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，該放大器具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，且增益可通過外部電阻R2靈活設(shè)置，非常適合微弱信號(hào)的前置放大；其次，針對(duì)普遍頻率較高的噪聲，將第二級(jí)設(shè)計(jì)為具有通帶增益的低通濾波器，截止頻率為100 Hz，進(jìn)一步提高信噪比；最后，為了滿足高精度ADC轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)帶有直流偏置的要求，設(shè)計(jì)了第三級(jí)電平抬升電路，在前級(jí)輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上疊加2.5 V的直流偏置電壓，以達(dá)到ADC的輸入要求。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

為保證信號(hào)調(diào)理電路通帶內(nèi)頻率響應(yīng)具有良好的一致性，將第二級(jí)電路設(shè)計(jì)為巴特沃斯二階低通濾波器。其品質(zhì)因數(shù)Q取0.707，濾波器傳遞函數(shù)如式(4)所示。

(4)

由于巴特沃斯濾波器中品質(zhì)因數(shù)與通帶增益Avp的關(guān)系式如(5)所示，因此，通帶增益應(yīng)設(shè)置為1.59。根據(jù)式(6)進(jìn)而確定R5、R6的阻值，取常用阻值，R5、R6分別取9.1 kΩ、5.1 kΩ。

(5)

(6)

信號(hào)調(diào)理前后的波形對(duì)比如圖5所示。圖5表明：信號(hào)的幅度被明顯放大，實(shí)際放大倍數(shù)約為15.3倍；調(diào)理后的信號(hào)表現(xiàn)為疊加了2.5 V直流偏置的雙極性信號(hào)；輸出信號(hào)的峰值電壓未超過4.2 V，這說明電路末端的TVS管(瞬態(tài)電壓抑制二極管)正常工作，有效地避免了因起爆波幅度較大而導(dǎo)致末端信號(hào)可能超過ADC的輸入范圍的弊端。

圖5 微音器信號(hào)調(diào)理前后的波形對(duì)比

3.1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外井下動(dòng)液面深度檢測(cè)儀普遍采用12或16位ADC數(shù)字化方案，但是聲波信號(hào)隨著油井深度的增加不斷衰減，傳統(tǒng)的儀器已無(wú)法滿足深井中的聲波信號(hào)采集要求。加之測(cè)井微音器的分辨率隨著工藝的發(fā)展得到進(jìn)一步提高，對(duì)數(shù)據(jù)采集電路也提出了更高的要求。主要表現(xiàn)為：

(1)從分辨率方面考慮，微音器輸出信號(hào)的幅度折合到ADC輸入端的范圍為0.1 mV～2.5 V，這說明信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍約為87.96 dB，理論上分辨率為16位的ADC能夠滿足要求，若進(jìn)一步考慮電路噪聲和實(shí)際有效分辨率，24位的ADC是不錯(cuò)的選擇。

(2)從采樣率方面考慮，為了降低系統(tǒng)對(duì)抗混疊濾波器的要求和保證波形的精度，ADC應(yīng)以奈奎斯特頻率的2～5倍的速率完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣?？紤]到實(shí)際井下聲波信號(hào)的頻率一般在100 Hz以下，選擇采樣頻率為1 kHz時(shí)能夠較好地描述波形。

(3)從通道數(shù)量方面考慮，ADC的通道數(shù)量宜大于或等于實(shí)際待轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)的數(shù)量，從而省去額外的多路選擇器，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。

綜合考慮上述因素，系統(tǒng)采用AD7192作為數(shù)據(jù)采集的核心器件。該芯片是一款適合高精密測(cè)量應(yīng)用的四通道低噪聲24位∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其理論動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)144 dB，輸出數(shù)據(jù)速率可在4.7 Hz～4.8 kHz的范圍內(nèi)變化，同時(shí)支持單極性與雙極性輸入。在雙極性模式下，為使ADC的輸入范圍達(dá)到以2.5 V為基準(zhǔn)的0～5 V最大量程，需要給其AINCOM引腳提供2.5 V的電壓基準(zhǔn)。

基于AD7192的數(shù)據(jù)采集模塊方案如圖6所示。由于ADC的通道數(shù)與待采集的模擬信號(hào)種類一致，故將4路采集通道配置為偽差分模擬輸入模式。待采集的模擬信號(hào)分別為：儀器工作電壓信號(hào)(AIN1)、套管壓力信號(hào)(AIN2)、聲波模擬器信號(hào)(AIN3)和來(lái)自微音器的實(shí)際聲波信號(hào)(AIN4)。

圖6 多通道數(shù)據(jù)采集模塊方案設(shè)計(jì)

3.2 井下聲波信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

在儀器研制的過程中需要對(duì)儀器進(jìn)行自檢和校驗(yàn)[15]，傳統(tǒng)的校驗(yàn)方式為人工利用模擬井或者模擬管道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法獲取井下聲波數(shù)據(jù)，該方法校驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高。為了解決這一難題，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的可存儲(chǔ)式井下聲波信號(hào)模擬器，其基本原理如圖7所示。

圖7 井下聲波信號(hào)模擬器原理圖

設(shè)計(jì)井下聲波信號(hào)模擬器要解決信號(hào)的來(lái)源、存儲(chǔ)與輸出3個(gè)關(guān)鍵問題：首先，為了獲得靈活多變的信號(hào)，信號(hào)源不僅可以來(lái)自于油井現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)際聲波數(shù)據(jù)，還能源于用戶合成的波形，為此設(shè)計(jì)了一種基于Python的數(shù)據(jù)編輯和燒錄功能的上位機(jī)工具；其次，為了能夠存儲(chǔ)多組信號(hào)，方便模擬不同深度和幅度的回波波形，需要一種容量大、價(jià)格低、掉電不丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，SD卡成為信號(hào)存儲(chǔ)器的首選；最后，針對(duì)信號(hào)輸出問題，提出了DDS(直接數(shù)字頻率合成)解決方案[16]。FPGA通過判斷波形序號(hào)讀取指定地址的聲波數(shù)據(jù)，之后通過D/A模塊將相應(yīng)的聲波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。

為了驗(yàn)證井下聲波信號(hào)模擬器的性能，給模擬器一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，使用示波器觀察輸出波形，結(jié)果如圖8(a)所示。由于存儲(chǔ)在SD卡中的聲波數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息是已知的，例如聲波的傳播速度以及液面回波位置。因此，可以將儀器測(cè)量的液面深度與模擬器模擬的深度進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證儀器的精度與可靠性。不僅如此，還可以利用模擬器合理地疊加不同幅度的噪聲，以驗(yàn)證儀器的抗干擾能力和信號(hào)處理能力。圖8(b)為調(diào)整了液面回波的位置和幅度后的輸出波形。測(cè)試表明，模擬器可以將井下聲波信號(hào)特征復(fù)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)特征波形的編輯與自定義，滿足儀器的自檢與校驗(yàn)需求。

(a)原始波形(b)調(diào)整后波形

3.3 語(yǔ)音交互模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的動(dòng)液面深度檢測(cè)儀普遍缺乏人機(jī)交互設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致操作人員在使用時(shí)無(wú)法了解儀器當(dāng)前工作狀態(tài)，人機(jī)交互感普遍缺乏。特別是當(dāng)儀器出現(xiàn)故障時(shí)，使用者需要查閱說明書或者求助相關(guān)技術(shù)人員才能解決，這加大了儀器的維護(hù)難度。因此，為儀器添加一種友好的人機(jī)交互接口將能夠極大提升使用體驗(yàn)。常見的人機(jī)交互方式有觸控交互和語(yǔ)音交互，而觸控交互方式需要外接顯示屏?？紤]到儀器特殊的使用環(huán)境以及對(duì)低功耗的要求，本系統(tǒng)選用語(yǔ)音交互方式。

語(yǔ)音交互以語(yǔ)音芯片WT588F為核心，區(qū)別于傳統(tǒng)OTP(一次性可編程)芯片，該芯片具有可編輯的單片機(jī)內(nèi)核，最多可以存放320 s的語(yǔ)音內(nèi)容，224段地址，可以通過專用APP將語(yǔ)音文件在線燒錄到芯片內(nèi)部。圖9為語(yǔ)音播放單元電路圖，主要包括語(yǔ)音芯片WT588F02B-8S和功放芯片WT4890。

圖9 語(yǔ)音模塊電路

在本系統(tǒng)中，WT588F采用兩線串口模式，控制器通過數(shù)據(jù)引腳DATA和時(shí)鐘引腳CLK輸出語(yǔ)音索引地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音芯片的命令，進(jìn)而控制語(yǔ)音播放。音頻信號(hào)由PWMP/DAC端輸出，經(jīng)過功率放大器放大后通過揚(yáng)聲器進(jìn)行播報(bào)。儀器共存儲(chǔ)語(yǔ)音36段，可在關(guān)鍵工作節(jié)點(diǎn)或發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行提示，表1列出部分語(yǔ)音內(nèi)容。根據(jù)語(yǔ)音提示的發(fā)生條件和應(yīng)對(duì)需要，可以將儀器語(yǔ)音分為告知類語(yǔ)音與警報(bào)類語(yǔ)音2種。告知類語(yǔ)音是對(duì)儀器當(dāng)前工作狀態(tài)的提示，引導(dǎo)使用者進(jìn)行相關(guān)操作；警報(bào)類語(yǔ)音說明儀器處于非正常的工作狀態(tài)，需要使用者根據(jù)相關(guān)提示進(jìn)行處理，以便快速診斷并排除故障。

表1 語(yǔ)音地址與內(nèi)容對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 動(dòng)液面深度檢測(cè)儀實(shí)驗(yàn)

4.1 儀器簡(jiǎn)介

由于儀器正常工作時(shí)電流較大，并且與井口環(huán)空中天然氣等可燃?xì)怏w直接接觸，所以儀器的結(jié)構(gòu)需要滿足油田安全生產(chǎn)的防爆要求。圖10(a)為研制的井下動(dòng)液面深度測(cè)量?jī)x外部結(jié)構(gòu)，該儀器的外部為矩形鑄鋁箱體，表面高壓靜電噴塑，其左側(cè)為采油樹接口，使用時(shí)直接與采油樹連接即可；正面為功能接口，從左到右依次為天線接口、按鍵/指示接口、存儲(chǔ)接口、電源接口和內(nèi)爆排氣口。圖10(b)為儀器使用聲波信號(hào)模擬器做出廠前的自檢與校驗(yàn)。

(a)儀器外觀圖

4.2 系統(tǒng)噪聲測(cè)試

模擬系統(tǒng)中的噪聲是衡量?jī)x器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)將ADC的聲波采集通道對(duì)地短接，任意截取1 000個(gè)樣本點(diǎn)作為噪聲估計(jì)。當(dāng)調(diào)理電路增益為15.3時(shí)，等效輸入噪聲波形如圖11所示，通過分析可知噪聲均方根值為4.99 μV，峰峰值小于36 μV。

圖11 系統(tǒng)噪聲圖

已知ADC最大測(cè)量范圍為0～5 V(參考電壓2.5 V)，當(dāng)調(diào)理電路增益為15.3時(shí)，最大輸入信號(hào)的峰峰值為3.8 V。由式(7)可計(jì)算出電路信噪比約為108.6 dB。

(7)

上述測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較低的噪聲水平和較高的信噪比，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)低噪聲采集與高精度量化的需求。

4.3 油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證儀器性能，2022年3月使用該儀器在某油田采油廠進(jìn)行實(shí)時(shí)液面測(cè)量實(shí)驗(yàn)。該油井為環(huán)空帶壓井，井口壓力約為1.15 MPa，測(cè)量當(dāng)天油井工況未發(fā)生變化，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

圖12 油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

儀器連續(xù)測(cè)試時(shí)間大于12 h、測(cè)試間隔30 min。在同時(shí)段使用市面上某種較成熟的動(dòng)液面檢測(cè)儀進(jìn)行對(duì)比。圖13為2種儀器測(cè)量的25組深度數(shù)據(jù)對(duì)比圖，結(jié)果表明：2種儀器測(cè)量的液面深度差小于0.7 m，數(shù)據(jù)符合度較高；自制儀器的波動(dòng)范圍更小，說明儀器在穩(wěn)定性方面有所提升，能夠滿足油田實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖13 動(dòng)液面深度測(cè)量對(duì)比圖

此外，為了使操作人員直觀地觀察聲波全波列信號(hào)以及數(shù)據(jù)處理過程，開發(fā)了如圖14所示的動(dòng)液面深度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用戶可以通過數(shù)據(jù)分析界面查看數(shù)據(jù)采集時(shí)間、液面深度和套管壓力等信息，不僅極大地提升了數(shù)據(jù)處理過程的可視性和便利性，而且進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)算法的有效性。

圖14 數(shù)據(jù)分析界面

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)井下動(dòng)液面深度檢測(cè)的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型井下動(dòng)液面深度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式STM32單片機(jī)為主控單元，將聲波發(fā)射、接收與采集裝置集成在同一箱體內(nèi)，提高了儀器的集成度。相比于傳統(tǒng)的儀器，該儀器的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

(1)使用24位高精度ADC實(shí)現(xiàn)了聲波信號(hào)的低噪聲采集與高精度量化，在滿增益的條件下系統(tǒng)噪聲均方根值小于5 μV、采集電路信噪比約為108.6 dB；

(2)針對(duì)傳統(tǒng)儀器無(wú)法自檢和校驗(yàn)弊端，提出了一種可存儲(chǔ)式井下聲波信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)方案；

(3)為了提升人機(jī)交互體驗(yàn)，增加了語(yǔ)音交互技術(shù)，便于用戶了解儀器狀態(tài)和診斷儀器故障。