基于聲學(xué)的油井液面高度測(cè)量?jī)x器研制論文

1、CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于聲學(xué)的油井液面高度測(cè)量?jī)x器研制學(xué)生姓名： 趙高翔學(xué) 號(hào)： 200857050112班 級(jí): 055710801專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程指導(dǎo)教師： 李 鴻 2012 年 6 月 基于聲學(xué)的油井液面高度的測(cè)量?jī)x器研制 題 目：基于聲學(xué)的油井液面高度 測(cè)量?jī)x器研制 學(xué)生姓名： 趙 高 翔學(xué) 號(hào)： 200857050112班 級(jí)： 055710801所在院(系): 電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師： 李 鴻完成日期:基于聲學(xué)的油井液面高度的測(cè)量?jī)x器研制摘要在油井的開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)油井的

2、溫度、壓力、液面高度等一系列參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)控整個(gè)油井的開(kāi)采過(guò)程，同時(shí)為下一步的工作提供相關(guān)的指導(dǎo)，其中油井的液面高度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。它能夠真實(shí)的反應(yīng)地質(zhì)儲(chǔ)量、優(yōu)化生產(chǎn)，減少抽汲車(chē)的空返、提高采油泵的泵效并提高其的使用壽命。本設(shè)計(jì)中的油井液面高度測(cè)量主要通過(guò)渡越時(shí)間法，即在井口利用爆炸聲源產(chǎn)生的一大功率聲波信號(hào)，利用聲波信號(hào)在油井環(huán)套中傳播遇到接管管面和液面反射的原理，再通過(guò)微音器接收反射回來(lái)的信號(hào)。然后通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的曲線進(jìn)行分析，得到液面波反射回井口的時(shí)間，最后通過(guò)聲波在空氣中的傳播速度計(jì)算出油井的液面高度。在對(duì)油井液面高度測(cè)量的返回曲線進(jìn)行分析的過(guò)程當(dāng)中，根據(jù)在聲波法測(cè)油井液面高度

3、的過(guò)程當(dāng)中聲波頻率的研究和噪聲信號(hào)產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器和利用譜相相減法對(duì)液面反射波進(jìn)行處理，達(dá)到將具有高頻特性的油井接箍波和噪聲波信號(hào)去除掉的目的。然后將短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)用于液面反射波的識(shí)別，得到液面反射波的具體位置，從而得到從發(fā)射聲波到微音器接收到液面反射聲波的時(shí)間。最后通過(guò)對(duì)接箍反射波利用快速傅里葉變換計(jì)算出聲波在油套環(huán)空氣中傳播的速度，從而計(jì)算出油井液面的高度。關(guān)鍵詞：聲波；數(shù)字濾波器；短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)；傅里葉變換DEVELOPED BASED ON THE ACOUSTIC WELL LIQUID LEVEL MEASURING INSTRUMENTSABSTRACT

4、When exploration wells, we need to measure temperature, pressure, liquid level and a series of parameters on the wells and monitoring wells as a whole mining process, providing relevant guidance for the next step at the same time. The well fluid level is a very important parameter. It can real react

5、ion geological reserves 、optimize production reduce swabbing car empty return and improve the efficiency of mining pump and increase of its service life.The design of the well liquid level is measured mainly by the transit time method, at the well head using a high-power pulse signals generated by t

6、he explosion source, the use of acoustic signals encountered in principle to take over the tube surface and the surface reflection spread well ring, and then receiving the signal reflected back through the microphone. Curve of the echo signal to obtain the surface wave is reflected back into the wel

7、lhead, and finally through the propagation velocity of sound waves in air to calculate the liquid level of the wells.In return curve analysis on the well surface height measurements, According to the acoustic frequency and noise signals generated in the process of the height of the acoustic method t

8、o measure the well surface, Design low-pass digital filter and spectral subtraction processing, to achieve the purpose of the wells will have high frequency characteristics of the coupling wave and noise-wave signal to get rid of the surface reflection wave. And short-term amplitude and zero crossin

9、g rate function for the identification of the surface reflected wave，get the specific location of the surface reflection wave, which receives sound waves from the transmitter to the microphone surface-wave time. Finally，the docking collar reflection Polly fast Fourier transform to calculate the spee

10、d of sound wave propagation in the oil ring in the air, in order to calculate the height of liquid oil well.Key words: Acoustic wave; Digital filter; Short amplitude and zero crossing rate function; Fourier transformIII目錄第一章 緒論1課題背景1研究意義1國(guó)內(nèi)外研究狀況2第二章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介52.1 聲波的定義52.2 聲波的反射52.3 聲波的吸收與衰減7第三章 聲波法測(cè)油井

11、液面技術(shù)研究93.1液面深度、沉沒(méi)度和泵效、系統(tǒng)效率的關(guān)系93.2聲波法測(cè)油井液面的工作原理133.3聲波法測(cè)油井液面誤差原因分析14第四章 反射波信號(hào)的處理174.1 反射波信號(hào)的頻率分析174.2 聲波信號(hào)的數(shù)字濾波174.2.1 數(shù)字濾波器原理174.2.2 數(shù)字濾波器用于濾波時(shí)的設(shè)計(jì)方法204.2.3 用數(shù)字濾波器對(duì)反射聲波曲線濾波204.3 利用短時(shí)幅值過(guò)零率對(duì)液面反射波的識(shí)別23第五章 聲波法測(cè)油井液面誤差處理265.1 利用譜減法消除背景噪聲的影響265.1.1譜相減法原理265.1.2利用譜減法對(duì)聲波曲線濾波275.2 聲波在空氣的傳播的速度的確定285.2.1 用傅里葉變換對(duì)

12、信號(hào)進(jìn)行描述和處理285.2.2 對(duì)傅立葉變換的改進(jìn)325.2.3 對(duì)接箍反射波利用快速傅立葉變換計(jì)算聲速33第六章 總結(jié)37參考文獻(xiàn)38致 謝40I1 緒論1.1 課題背景隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)未來(lái)的發(fā)展將越來(lái)越離不開(kāi)能源，而現(xiàn)在人類(lèi)主要使用的能源來(lái)自于石油的提煉，所以說(shuō)石油的開(kāi)采會(huì)在我們未來(lái)的世界扮演一個(gè)很重要的角色。在油井的勘探和開(kāi)發(fā)當(dāng)中，需要對(duì)油井的溫度、壓力，液面高度等等一系列參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)控整個(gè)開(kāi)采的過(guò)程，同時(shí)為下一步的工作提供相關(guān)的指導(dǎo)。在油井的開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，有一個(gè)易發(fā)生易噴、易漏儲(chǔ)層試油壓井期間，在這段時(shí)間可以通過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算出地層壓力，在地層流體剛進(jìn)入井筒就發(fā)現(xiàn)溢流，從而控制溢

13、流，降低起下鉆、電纜作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。而地層壓力的計(jì)算主要來(lái)至于通過(guò)油井的液面高度來(lái)計(jì)算得到，所以說(shuō)在油井的開(kāi)發(fā)當(dāng)中液面高度是一個(gè)很重要的參數(shù)。在對(duì)于油田進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的把握油井的液面高度及相關(guān)情況是一個(gè)重要的前提和基本的準(zhǔn)備。在油井開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中對(duì)油井液面進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，能夠真實(shí)地反映地質(zhì)儲(chǔ)量、優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)劃和保證采油設(shè)備安全運(yùn)行。同時(shí)對(duì)于探測(cè)油井液面的高度，確定相關(guān)的情況，我們也能夠科學(xué)而準(zhǔn)確的掌握油田的相關(guān)供液能力，為此作出基本的評(píng)估和推測(cè)，進(jìn)而確定抽油泵的沉沒(méi)深度,制定出合理的油井工作制度，減少抽汲車(chē)的空返或采油泵的功耗，提高泵效，對(duì)有效提高采油泵的使用壽命等方面都具有重要意義。1.

14、2 研究意義油田在剛開(kāi)始開(kāi)發(fā)的時(shí)候，油井主要依靠原始地層能量，利用原始地層壓力進(jìn)行自噴開(kāi)采。在開(kāi)采過(guò)程中，地層能量逐漸減低，油井必須依靠人工舉升的方式將原油從地層舉升至地面。在利用人工舉升方式進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中，需要了解油井的液面深度，來(lái)確定油井的在開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中的沉沒(méi)度，在根據(jù)這一要求合理的利用抽油機(jī)，以提高泵效和整個(gè)系統(tǒng)的效率等等。下面的幾點(diǎn)是針對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量出液面高度能夠起到的作用(1) 延長(zhǎng)抽油機(jī)泵壽命，提高它的工作效率；延長(zhǎng)修井間隔時(shí)間，降低維修費(fèi)用。(2) 可以使抽油機(jī)泵的采液能力適應(yīng)油井的供液能力，動(dòng)態(tài)調(diào)參并且穩(wěn)定油井液面，合理開(kāi)采，提高油井產(chǎn)量。 (3) 在正常生產(chǎn)中，根據(jù)液面的變化

15、情況，選擇最佳速度和對(duì)應(yīng)運(yùn)行功率的調(diào)速方案，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在輸出功率較低的工況，提高系統(tǒng)效率，減少實(shí)際電耗。(4) 全面監(jiān)控，減少意外停產(chǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況液位測(cè)量在我們的生活當(dāng)中各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，特別是在一些要求比較高的技術(shù)領(lǐng)域，由于其使用環(huán)境的特殊性等一些原因，對(duì)液位測(cè)量結(jié)果的要求不但精度高，而且其測(cè)量裝置還要承受惡劣環(huán)境等各種外在的原因的影響。同時(shí)還必須具備數(shù)字化和線性化，對(duì)安全性和可靠性要求都比較高。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上液位測(cè)量的主要測(cè)量技術(shù)有十多種，有超聲波、次聲波、壓力、激光、雷達(dá)、射頻等等一系列液位傳感器系統(tǒng)。下面對(duì)幾個(gè)液位測(cè)量傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。1超聲液位測(cè)量系統(tǒng)超聲波

16、液位測(cè)量是由于空氣和水之間的反射率基本上是100，利用氣體與液體對(duì)超聲波界面的反射進(jìn)行測(cè)量，這樣不需要接觸測(cè)量物質(zhì)即可測(cè)量液位。利用聲波源發(fā)射超聲波，測(cè)量超聲波達(dá)到所測(cè)液位面后反射回來(lái)所需的時(shí)間，利用該時(shí)間乘以聲波在空氣的傳播速度來(lái)進(jìn)行測(cè)量，稱(chēng)為渡越時(shí)間法。超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)中的微處理機(jī)能迅速、精密地計(jì)算出傳感器到被測(cè)物之間的距離。在超聲波測(cè)距傳感器研制方面，美國(guó)一直處于領(lǐng)先地位，例如美國(guó)的Milltronics公司，就研制出了具有測(cè)量液位、測(cè)量液位差等等幾項(xiàng)能力的多量程超聲波液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及可監(jiān)視14cm到30cm范圍的液位變化研發(fā)的非接觸式超聲波傳感器。還有Magmetrol國(guó)際公司，其研

17、制的EchtelFII型超聲波液位控制儀不僅具有連續(xù)波信號(hào)的高增益系列和脈沖信號(hào)的超增益系列兩種控制模式，還增加了一個(gè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，使之具有自檢功能。以及Hybepark電子公司，其研發(fā)并生產(chǎn)的雙液位傳感系統(tǒng)，采用二只分別調(diào)節(jié)上限和下限液位的電位計(jì)，并在液體之上裝上一個(gè)與控制裝置相連接的超聲波探頭，控制裝置通過(guò)與感受到的極限液位去進(jìn)行比較后去啟動(dòng)指示器和繼電器，然后啟動(dòng)液體輸出。2雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)主要利用同步調(diào)頻技術(shù)，通過(guò)一微波發(fā)射器在液面上方向液面發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)頻的微波信號(hào)。當(dāng)接收器在接收到液面返回的回波信號(hào)時(shí)，由于聲波在空氣中的來(lái)回傳播導(dǎo)致的時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。將發(fā)射波

18、和回波這兩種信號(hào)混合處理，比較所得信號(hào)的差頻正比于發(fā)射源到液面之間的距離。雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度高，無(wú)需定期維修，而且特別適合類(lèi)似瀝青的高粘度和高污染產(chǎn)品，但是卻存在安裝復(fù)雜且價(jià)格偏高的原因一直未真正的走入到大家平時(shí)的生活當(dāng)中去。3電容液位測(cè)量系統(tǒng)與其它液位傳感器相比，這樣一個(gè)通過(guò)利用被測(cè)對(duì)象物質(zhì)的導(dǎo)電率，將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化來(lái)測(cè)量液位的電容液位傳感器，具有靈敏度高和輸出電壓高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、無(wú)自熱現(xiàn)象、對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上新型液位測(cè)量系統(tǒng)的相對(duì)于常見(jiàn)的變壓器電橋式、運(yùn)算放大器式及脈沖寬度式等電容傳感器測(cè)量電路的關(guān)鍵在于電路的轉(zhuǎn)換。對(duì)測(cè)試線路的改進(jìn)主要有

19、以下幾種措施：(1)通過(guò)微處理機(jī)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別剔除；(2)利用電荷平衡式和電壓平衡式等零位測(cè)量方式，達(dá)到降低對(duì)電源電壓，抑制分布電容影響的目的；(3)通過(guò)市場(chǎng)上常常采用功能電路集成化，大幅度降低生產(chǎn)成本、從而提高產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比。由美國(guó)Electromatic控制公司最新推出的敏感度可以調(diào)節(jié)電容傳感器，其主要含有兩個(gè)切斷延時(shí)范圍為0.1min到10min的內(nèi)部繼電器和SA單刀雙擲輸出繼電器。同時(shí)由美國(guó)Drebrook工程公司研究,工作頻率達(dá)100kHz點(diǎn)面控制裝置，在被測(cè)物質(zhì)達(dá)到水平面預(yù)定值的時(shí)候，該裝置在給繼電器加上接觸防護(hù)罩的同時(shí)，并對(duì)使傳感器的電容也發(fā)生變化，從而引起電子裝置中信號(hào)的變化

20、。1990年由美國(guó)公開(kāi)的一種手提式電容液位測(cè)量?jī)x專(zhuān)利中介紹到，當(dāng)電容開(kāi)關(guān)探測(cè)到液位時(shí)通過(guò)其上的一個(gè)可見(jiàn)預(yù)警和一個(gè)可聽(tīng)預(yù)警信號(hào)顯示液位信號(hào)。該裝置可用于方便直接的測(cè)試出貯箱中的液位。同年公開(kāi)的還有另一項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利，介紹的也是一種電容液位傳感器。該裝置的主要原理是用一個(gè)吸量管探頭抽取樣品液體，并且通過(guò)安裝在在探頭上的一個(gè)振蕩器產(chǎn)生高頻信號(hào)幅值和相位來(lái)產(chǎn)生液位信號(hào)并得到液面高度的實(shí)際值，該液位儀器主要的應(yīng)用是用來(lái)探測(cè)液體管道中的液位。同時(shí)國(guó)內(nèi)外對(duì)于油井的液面測(cè)量主要還是應(yīng)用聲波的反射進(jìn)行油井液面的測(cè)量，簡(jiǎn)稱(chēng)渡越時(shí)間法。在井口連接處安裝一發(fā)聲裝置和微音器，發(fā)生裝置主要通過(guò)激發(fā)一顆子彈產(chǎn)生一大功率脈沖信號(hào)

21、，該信號(hào)在沿著油井管道向下傳播的時(shí)候，在遇到油管接箍和油井液面時(shí)，由于聲波的反射，會(huì)返回接箍反射波和液面反射波，同時(shí)通過(guò)微音器將返回的聲波信號(hào)進(jìn)行接收，最后對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行分析處理，找到液面反射波并通過(guò)聲波在空氣中的傳播速度計(jì)算出油井的實(shí)際液面高度。在液面反射聲波信號(hào)的處理上，可以利用返回的波形的頻率，液面發(fā)射波信號(hào)主要取決于初始脈沖，傳播距離，變化斷面的類(lèi)型和壓力等。在井口部位的接箍反射波具有高頻能量，深部的接箍回波具有中等頻率能量，在液面處反射波具有較低頻率的能量。同時(shí)由于聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中受到各種噪聲的影響，使得液面反射聲波信號(hào)很難辨認(rèn)出來(lái)，無(wú)法進(jìn)行下一步的工作。在返回聲波信號(hào)的

22、處理上，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出很多利用接箍反射波周期計(jì)算出聲波的傳播速度，有短時(shí)自相關(guān)函數(shù)1、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等方法。例如吳新杰在這一方面的研究就利用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理方法2，將微音器接收到的實(shí)際聲波返回信號(hào)輸入到可訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，對(duì)接箍反射波進(jìn)行識(shí)別，可以清晰的找到接箍反射波的位置。最后在對(duì)于液面反射波的辨識(shí)及處理方面的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，主要有張朝輝的低通橢圓濾波器濾波的方法3和吳新杰等的分形模糊控制濾波4的方法等等。張朝輝根據(jù)聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中的衰減，最后由液面返回的信號(hào)中基本上為低頻率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)低通橢圓濾波器將其高頻信號(hào)濾除，使波形清楚可見(jiàn)，得到油井液面的液面反射波位置。吳新杰等根據(jù)分形理論，

23、對(duì)分形模糊控制理論的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，并通過(guò)自回歸過(guò)濾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制方法?？偠灾?，目前國(guó)內(nèi)對(duì)聲波測(cè)油井液面的液面返回波信號(hào)辨識(shí)技術(shù)的發(fā)展還不是很理想，還存在很多實(shí)際生產(chǎn)開(kāi)發(fā)當(dāng)中可能遇到的問(wèn)題遇到得到解決。 2 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介2.1 聲波的定義聲波（Sound Wave或Acoustic Wave）是聲音的傳播形式。聲波是一種機(jī)械波，由物體（聲源）振動(dòng)產(chǎn)生，聲波傳播的空間就稱(chēng)為聲場(chǎng)。在氣體和液體介質(zhì)中傳播時(shí)是一種縱波，但在固體介質(zhì)中傳播時(shí)可能混有橫波。人耳可以聽(tīng)到的聲波的頻率一般在20赫茲至20000赫茲之間。 聲波可以理解為介質(zhì)偏離平衡態(tài)的小擾動(dòng)的傳播。這個(gè)傳播過(guò)程只是能量的

24、傳遞過(guò)程，而不發(fā)生質(zhì)量的傳遞。如果擾動(dòng)量比較小，則聲波的傳遞滿足經(jīng)典的波動(dòng)方程，是線性波。如果擾動(dòng)很大，則不滿足線性的聲波方程，會(huì)出現(xiàn)波的色散，和激波的產(chǎn)生。2.2 聲波的反射聲波在介質(zhì)中不斷向前傳播的過(guò)程當(dāng)中，在遇到不同的介質(zhì)的情況下會(huì)發(fā)生反射和折射等等現(xiàn)象。聲波的反射和光學(xué)當(dāng)中學(xué)到的反射現(xiàn)象是類(lèi)似的，在聲波進(jìn)入到別的介質(zhì)發(fā)生反射的現(xiàn)象的時(shí)候，入射角和反射角大小相等（如圖2-1中的t=r）。聲波在不同的介質(zhì)當(dāng)中進(jìn)行傳播過(guò)程當(dāng)中，兩種介質(zhì)具有不同的特性阻抗，在到達(dá)分界面的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)聲波的反射和透射這兩個(gè)現(xiàn)象。對(duì)于這兩個(gè)現(xiàn)象，我們可以通過(guò)聲功率反射系數(shù)和聲功率透射系數(shù)這兩個(gè)系數(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行表征。如

25、下式 (2-1) (2-2)圖2-1 聲波在空氣中的傳播式中，R 為介質(zhì)的特性阻抗，Ns/m3；r 為介質(zhì)密度，kg/m3；c為介質(zhì)聲速，m/s。聲功率反射系數(shù)和聲功率透射系數(shù)分別表示了聲波反射的能量和透射的能量與進(jìn)行入射的聲波能量的比值。當(dāng)R2>>R1的時(shí)候，r幾乎可以等于1，發(fā)生全反射現(xiàn)象。例如聲波由空氣入射到水或油當(dāng)中，聲波的能量幾乎全部被反射。當(dāng)聲波垂直入射的介質(zhì)為固體表面時(shí)，聲功率反射系數(shù)和透射系數(shù)這兩個(gè)系數(shù)可以通過(guò)法向聲阻抗率來(lái)表示 (2-3) (2-4)式中，r n為阻分量，Ns/m3；x n為抗分量，Ns/m3。聲波在介質(zhì)中向前傳播的過(guò)程當(dāng)中，不僅會(huì)發(fā)生反射，同時(shí)也

26、會(huì)出現(xiàn)折射、衍射和散射等其他現(xiàn)象。但是在利用聲波測(cè)油井液面的過(guò)程當(dāng)中主要運(yùn)用的還是聲波的反射現(xiàn)象，其他的一些現(xiàn)象會(huì)在測(cè)試的過(guò)程當(dāng)中造成一定的干擾，下面對(duì)聲波的這些現(xiàn)象作一點(diǎn)簡(jiǎn)單的介紹。聲波的折射：當(dāng)聲波進(jìn)入不同介質(zhì)時(shí)，聲波的傳播方向因在介質(zhì)中傳播速度的發(fā)生改變而發(fā)生偏折稱(chēng)為折射現(xiàn)象。聲波的衍射：聲波在向前傳播時(shí)候，當(dāng)被一個(gè)大小接近于或小于波長(zhǎng)的物體阻擋，就繞過(guò)這個(gè)物體，繼續(xù)向前傳播，這就是聲波的衍射現(xiàn)象。聲波的散射：當(dāng)聲波在某種介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)中存在有其他物質(zhì)的微粒，聲波就會(huì)朝四面八方散射。例如在油套環(huán)空液面處有較多的泡沫油存在，聲波傳播到此處時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾，但散

27、射本身的強(qiáng)度并不是很大。2.3 聲波的吸收與衰減根據(jù)能量守恒定律（能量既不能產(chǎn)生也不能消失，而是由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式）。聲波是一種空氣分子的振動(dòng)能量，在傳播的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)由于物體對(duì)聲波能量的吸收轉(zhuǎn)換成熱能。而在本測(cè)試當(dāng)中，聲波在油套環(huán)空中向下傳播的時(shí)候，由于環(huán)中空氣的吸收和溫度梯度等的原因，能量被轉(zhuǎn)換成其他形式而不斷衰減。理想的情況下，介質(zhì)在發(fā)生形變之后是可以恢復(fù)到形變之前的，而且形變的過(guò)程是沒(méi)有阻尼作用和完全絕熱的，所以聲波向前傳播的過(guò)程當(dāng)中，假設(shè)是在理想的介質(zhì)當(dāng)中，那么介質(zhì)也就不會(huì)吸收聲波的能量，聲波的能量也不會(huì)在傳播的過(guò)程當(dāng)中轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。所以說(shuō)聲波在理想的介質(zhì)當(dāng)中傳播時(shí)能

28、量不會(huì)衰減和損耗，始終保持不變。但是，聲波在實(shí)際的傳播過(guò)程當(dāng)中，不可能存在所謂的理想的介質(zhì)，在傳播的過(guò)程當(dāng)中，傳播介質(zhì)會(huì)吸收聲波的能量，并將聲波的能量轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。所以說(shuō)在實(shí)際的聲波傳播過(guò)程當(dāng)中，聲波的能量和幅度會(huì)得到一定的衰減。聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中衰減的原因主要有三個(gè)：第一，聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中，波陣面在空間擴(kuò)展產(chǎn)生的集合衰減，在總能量不變的情況下，傳播的過(guò)程當(dāng)中由于這個(gè)原因聲波的幅度發(fā)生改變。第二，由于介質(zhì)對(duì)聲波能量的吸收，將其的能量轉(zhuǎn)化成熱能。第三，聲波在傳播過(guò)程當(dāng)中會(huì)遇到介質(zhì)中含有的一些小的粒子并發(fā)生散射。在上面講到了聲波在傳播過(guò)程當(dāng)中能量衰減的主要幾種形式，而其中的第二個(gè)介質(zhì)

29、的吸收是最主要的形式。而介質(zhì)對(duì)于聲波能量的吸收也可以細(xì)分為兩種形式，第一種為粘滯吸收。聲波在介質(zhì)當(dāng)中的傳播會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的形變，而介質(zhì)本身具有粘性，在變形和恢復(fù)的過(guò)程當(dāng)中就會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化。在這里我們運(yùn)用聲強(qiáng)的這一系數(shù)來(lái)描述聲波傳播過(guò)程的粘滯吸收，聲波在傳播的時(shí)候受粘滯吸收的影響，離聲源 x處聲強(qiáng)： （2-5）式中，I0為聲源聲強(qiáng)，W/m2；a 為吸收系數(shù)，dB/m。聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中，相鄰質(zhì)點(diǎn)的速度不同，所以存在運(yùn)動(dòng)內(nèi)摩擦力。忽略容變粘滯（流體體積發(fā)生變化產(chǎn)生的粘滯力）的影響，粘滯產(chǎn)生的聲波吸收為： (2-6)式中a h'為粘滯引起的聲波吸收系數(shù)，dB/m； f 為聲波的頻率，Hz；

30、'為介質(zhì)的粘度系數(shù)，m2/s；c為傳播速度，m/s； 為介質(zhì)平均密度，kg/m3；第二種能量的吸收衰減為熱傳導(dǎo)吸收，聲波在向前傳播的過(guò)程當(dāng)中，介質(zhì)經(jīng)過(guò)反復(fù)的壓縮變形、恢復(fù)、壓縮變形的過(guò)程，在這一過(guò)程當(dāng)中，當(dāng)進(jìn)行壓縮變形的時(shí)候，介質(zhì)的體積變小，溫度得到升高；在恢復(fù)的過(guò)程當(dāng)中體積變大，溫度得到降低。所以造成在介質(zhì)當(dāng)中分別進(jìn)行壓縮和恢復(fù)的兩個(gè)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生溫度差，這兩個(gè)區(qū)域從而進(jìn)行能量的傳遞。根據(jù) Kirchhoff 提出的聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中由于熱傳導(dǎo)引起的聲波能量的吸收，吸收系數(shù)定義為： (2-7)式中，k 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；C v為定容比熱，r=Cp/Cv從式中我們可

31、以看出熱傳導(dǎo)的吸收系數(shù)和聲波頻率的平方成正比，和聲波傳播的速度的三次方成反比。綜合 Stokes 和 Kirchhoff 的理論，聲波在傳播過(guò)程當(dāng)中由于介質(zhì)的吸收造成的總的吸收系數(shù)為： (2-8)從上式我們不難看出，聲波在向前傳播的過(guò)程當(dāng)中，不同頻率的聲波在傳播的過(guò)程當(dāng)中衰減的程度不同，衰減的程度與聲波的頻率的平方成正比，也就是說(shuō)在傳播的過(guò)程當(dāng)中頻率越高，衰減程度就越大，所能傳播的距離也就越短。 3 聲波法測(cè)油井液面技術(shù)研究3.1 液面深度、沉沒(méi)度和泵效、系統(tǒng)效率的關(guān)系在油井的開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，液面深度和抽油泵的沉沒(méi)度對(duì)油井的抽油泵的效率有著很重要的影響。一般情況下通過(guò)增大沉沒(méi)度可以提高抽油泵的效

32、率，但并不是為了提高泵效而可以盲目的不斷加深泵掛深度，增大沉沒(méi)度。在這一方面有盧建平利用統(tǒng)計(jì)和曲線擬合的方法對(duì)其進(jìn)行過(guò)研究，主要通過(guò)在油井當(dāng)中不同沉沒(méi)度和油井泵效的關(guān)系曲線5（如圖3-1）。從圖中我們不難看出，在沉沒(méi)度比較低的時(shí)候通過(guò)不斷增加沉沒(méi)度，泵效可以得到顯著的提高。泵效能夠得到顯著提高的原因是：在較低的沉沒(méi)度的情況下泵入口的壓力比較小，所以進(jìn)入泵內(nèi)的流體的含氣量比較高，增加沉沒(méi)度可以增大泵入口的壓力，氣液的含量可以達(dá)到降低的效果，最終達(dá)到提高泵的充滿程度的效果。但是隨著沉沒(méi)度的慢慢增加，泵效的提高幅度慢慢減緩，沉沒(méi)度對(duì)泵效的影響慢慢減弱，最后在沉沒(méi)度達(dá)到一定的值后，增加沉沒(méi)度對(duì)泵效的提

33、高已經(jīng)基本上不存在影響，因?yàn)楸眯б呀?jīng)穩(wěn)定在一個(gè)固定的值不再改變，這時(shí)再增加沉沒(méi)度的話還可能會(huì)造成懸點(diǎn)載荷過(guò)大等一系列的問(wèn)題。所以說(shuō)沉沒(méi)度并不是越大越好，而是應(yīng)該確定在合適的位置。圖3-1 沉沒(méi)度與油井泵效關(guān)系圖在開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，原始地層能量逐漸降低，油井必須依靠人工舉升的方法將原油從地層舉升到地面。在這個(gè)舉升的過(guò)程當(dāng)中，用于舉升液體所消耗的有用功率與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的輸入功率之比稱(chēng)為機(jī)械采油的系統(tǒng)效率。液面和沉沒(méi)度對(duì)機(jī)械采油的系統(tǒng)效率有著非常重要的影響，抽油機(jī)在工作的時(shí)候存在一個(gè)合適沉沒(méi)度，機(jī)械采油的系統(tǒng)效率能夠達(dá)到最高。在過(guò)大沉沒(méi)度的時(shí)候，抽油機(jī)下泵的位置太深，會(huì)造成兩個(gè)后果，一個(gè)就是沖程損失會(huì)增大

34、，泵效降低；另一個(gè)就是加到懸點(diǎn)的載荷加大，系統(tǒng)正常運(yùn)行需要的輸入功率會(huì)增加，系統(tǒng)耗電量相應(yīng)增加。在沉沒(méi)度較低的時(shí)候，由于沉沒(méi)壓力的太低從而造成抽油泵的充滿程度下降本校也就相應(yīng)的降低。所以沉沒(méi)度要在合理的值的時(shí)候，機(jī)械采油的系統(tǒng)效率才能夠達(dá)到最高，機(jī)械采油的系統(tǒng)效率和沉沒(méi)度的關(guān)系如下圖3-2圖3-2 沉沒(méi)度和油井機(jī)械效率關(guān)系圖在分析油井液面和沉沒(méi)度對(duì)機(jī)械采油的系統(tǒng)影響時(shí)還要考慮到的問(wèn)題是系統(tǒng)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)和設(shè)備的正常運(yùn)行。這里主要考慮的的是對(duì)抽油桿的受力情況。在生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中，油井液面的深度會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致抽油桿的受力狀態(tài)也發(fā)生了改變，從而造成抽油桿的疲勞損壞和對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行會(huì)受到影響。特別是

35、對(duì)于地面的驅(qū)動(dòng)螺桿泵井，液面高度的改變會(huì)導(dǎo)致抽油桿的負(fù)載扭矩發(fā)生劇烈的變化，例如液面突然降低和可能造脫扣的現(xiàn)象。從上面的分析不難看出，油井的機(jī)械采油和液面的高度有著十分密切的關(guān)系。油井的液面深度體現(xiàn)了地層能夠向油井供液的能力與油井當(dāng)前生產(chǎn)工作的匹配情況，需要根據(jù)油井的液面深度來(lái)確定抽油機(jī)合理的生產(chǎn)抽吸參數(shù)。在油井的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，根據(jù)油井的液面深度來(lái)監(jiān)控并協(xié)調(diào)開(kāi)采油井，可以最大的發(fā)揮油層的潛能和延長(zhǎng)油井的工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的壽命，經(jīng)濟(jì)利益能夠得到最大的優(yōu)化。綜上可以了解到，得到油井準(zhǔn)確的液面深度對(duì)油井的生產(chǎn)有十分重要的意義。在確定油井的最優(yōu)下泵深度的設(shè)計(jì)的時(shí)候6，應(yīng)當(dāng)綜合考慮提高采油機(jī)械的系統(tǒng)效率、經(jīng)

36、濟(jì)效益得到最優(yōu)化和對(duì)機(jī)桿泵的影響雙方面，合理下泵深度的確定過(guò)程如下圖3-3 圖3-3 合理泵深的確定過(guò)程在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中可以設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)來(lái)設(shè)定最佳的沉沒(méi)度，利用測(cè)得的實(shí)際油井液面深度來(lái)判斷沉沒(méi)度是否在合理的范圍之內(nèi)，再根據(jù)實(shí)際的沉沒(méi)度和設(shè)定的沉沒(méi)度的關(guān)系來(lái)調(diào)整設(shè)備生產(chǎn)的參數(shù)。在實(shí)際的沉沒(méi)度小于設(shè)定的沉沒(méi)度的時(shí)候，減小小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并降低抽油機(jī)的沖次；在實(shí)際的沉沒(méi)度大于設(shè)定的沉沒(méi)度的時(shí)候，減小小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并提高抽油機(jī)的沖次；在調(diào)整完抽油機(jī)參數(shù)后，可以通過(guò)再次對(duì)油井液面的測(cè)量，直到實(shí)際的沉沒(méi)度達(dá)到最佳沉沒(méi)度為止。根據(jù)油井的液面深度來(lái)對(duì)抽油機(jī)井和螺桿泵井7進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的控制流程如圖 3-4 和圖 3-

37、5 所示圖3-4 抽油機(jī)井參數(shù)調(diào)整的控制流程液面深度信號(hào)調(diào)整變頻器頻率調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速調(diào)整螺桿泵排量調(diào)整后沉沒(méi)度最佳沉沒(méi)度液面深度測(cè)試儀圖3-5 螺桿泵井參數(shù)調(diào)整的控制流程3.2聲波法測(cè)油井液面的工作原理聲波測(cè)井油井液面的測(cè)量一般是采用渡越時(shí)間法，即利用聲波在空氣當(dāng)中傳播時(shí)遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射的原理。在測(cè)得發(fā)射波到接收到液面波的時(shí)間t的情況下，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度v，可求的液面高度h為： (3-1)本設(shè)計(jì)當(dāng)中的油井液面測(cè)量裝置是利用爆炸聲源來(lái)產(chǎn)生一個(gè)大功率的聲波脈沖信號(hào)（在這里可以通過(guò)在井口處擊發(fā)一顆子彈），這一聲波脈沖信號(hào)沿著油管和套管的環(huán)形空間向油井下面?zhèn)鞑ィ?dāng)遇到兩節(jié)油管向外突出的接

38、箍和油井的液面的時(shí)候，都會(huì)由于聲波在空氣中傳播的反射，產(chǎn)生反射脈沖聲波。反射的聲波脈沖信號(hào)反射回來(lái)向上傳播到油井的井口，安裝在井口的微音器將返回的聲波脈沖信號(hào)接收，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)來(lái)處理。在聲波脈沖信號(hào)的處理當(dāng)中，從油井油管的接箍位置反射回來(lái)的聲波信號(hào)稱(chēng)為接箍波，到達(dá)油井的液面而反射回來(lái)的聲波信號(hào)稱(chēng)為液面波。其工作的具體原理如下圖3-6。對(duì)于回聲脈沖信號(hào)，在未擊發(fā)槍彈時(shí)由于電機(jī)及電泵設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)等背景噪聲就存在的，所以假設(shè)背景噪聲與所需要記錄的回聲脈沖信號(hào)是獨(dú)立不相關(guān)的，利用譜相減發(fā)對(duì)回聲信號(hào)處理可以去除這些背景噪聲的影響。

39、同時(shí)由于在油井井口發(fā)射的聲波來(lái)自于槍彈的擊發(fā)，槍彈擊發(fā)的聲波信號(hào)當(dāng)中含有各種頻率成分的，但由于聲波在傳播過(guò)程當(dāng)中的衰減，高頻率的聲波信號(hào)衰減的比頻率低的衰減的更快。所以在回聲脈沖信號(hào)的記錄當(dāng)中，油井的井口部位的接箍反射波具有高頻能量，深部的接箍反射波具有中等的頻率能量，在液面的反射波具有低頻率的能量。根據(jù)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器將接收到的返回聲波信號(hào)的高頻信號(hào)濾除掉，然后再根據(jù)短時(shí)自相關(guān)及過(guò)零率函數(shù)判斷出油井的液面反射波的具體位置，得到油井液面反射波接收的具體時(shí)間。最后可以通過(guò)聲波在空氣中的傳播速度計(jì)算出油井液面的實(shí)際深度，在聲波在空氣中的傳播速度取值上，利用節(jié)箍反射波的的周期性，對(duì)其進(jìn)行快速

40、傅里葉變換計(jì)算出聲波在油套環(huán)空氣中的傳播速度。FFT計(jì)算聲速計(jì)算油井液面高度譜相減低通數(shù)字濾波A/D轉(zhuǎn)換放大器微音器環(huán)套空間聲波信號(hào)發(fā)射槍彈的聲波信號(hào)發(fā)射短時(shí)幅值及過(guò)零率增益控制圖3.6 設(shè)計(jì)工作原理圖3.3聲波法測(cè)油井液面誤差原因分析在油井液面的高度測(cè)量這一設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮到在實(shí)際的操作當(dāng)中有很多的情況并不是和我們想象中的理想環(huán)境一樣，所以很多在實(shí)際的操作當(dāng)中可能的存在會(huì)對(duì)我們的記過(guò)造成影響其主要有下面一些：油井的深度一般都比較大，在2000m以上，油井的井身設(shè)計(jì)并不是完全按照直線向下鉆進(jìn)的，會(huì)出現(xiàn)彎曲地方，油套管因此也會(huì)彎曲變形。所以用聲波法測(cè)油井的液面深度，聲波不能夠按照理想的直線那樣沿著

41、油套環(huán)向下傳播，而是會(huì)在彎曲的油套管的地方產(chǎn)生聲波的反射，這會(huì)對(duì)測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生影響。油井的液面高度測(cè)試信號(hào)受到死油、稠油、泡沫油等的影響。由于重力的原因，在油井的泵入口上面會(huì)覆蓋很多密度小的原油，當(dāng)油井的液面高度距離出油層位置較遠(yuǎn)的時(shí)候，溫度會(huì)降低，當(dāng)溫度下降到原油的凝固點(diǎn)的時(shí)候，原油會(huì)凝固成固態(tài)，形成死油帽子，在用聲波發(fā)油井液面深度的時(shí)候，這個(gè)死油帽子會(huì)對(duì)聲波進(jìn)行反射，使得真正的油井液面反射波無(wú)法真正辨認(rèn)出來(lái)，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定的影響。同時(shí)當(dāng)油井產(chǎn)出的原油比較稠的情況下，這些較稠的原油中的會(huì)附在油管和套管的壁上，當(dāng)油井的液面下降的時(shí)候，這些稠油卻還粘在上面，對(duì)聲波也會(huì)造成反射，從而對(duì)油井的測(cè)

42、試造成影響。當(dāng)油井產(chǎn)出的原油比較稠的情況下，這些較稠的原油中的輕質(zhì)組分含量相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，結(jié)晶的溫度就會(huì)相對(duì)的較高。再加上原油中的膠質(zhì)等等影響，原油很容易結(jié)蠟。在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，油井的液面會(huì)一段時(shí)間的保持在穩(wěn)定的水平，這些結(jié)晶出來(lái)的蠟就很容易附在油管外和套管的內(nèi)壁上，形成一個(gè)環(huán)狀的結(jié)蠟。在用聲波發(fā)測(cè)油井的液面高度的時(shí)候，這些結(jié)蠟會(huì)對(duì)聲波形成發(fā)射，對(duì)聲波信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響油井的液面高度的測(cè)量。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，氣體會(huì)從原油中慢慢的分離出來(lái)，油管環(huán)空會(huì)存在著大量的氣體。如果通過(guò)打開(kāi)放氣閥門(mén)，那么這些套管中的氣體會(huì)在流動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生“嗞嗞”的聲響，即使放氣閥門(mén)沒(méi)有打開(kāi)，由于平衡的原因，這些氣體也會(huì)不斷的

43、流動(dòng)著，這種原因造成的噪聲對(duì)反射聲波的記錄存在很大的影響。油井當(dāng)中應(yīng)用的潛油電機(jī)一般是異步感應(yīng)電機(jī)，這種電機(jī)在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，主要是機(jī)械噪聲、電磁噪聲和通風(fēng)噪聲。機(jī)械噪聲主要是由于電機(jī)在工作當(dāng)中電機(jī)本身機(jī)械的不平衡、電刷的摩擦。電磁噪聲的主要來(lái)源是由于電流的不平衡和鐵芯的松動(dòng)。雖說(shuō)現(xiàn)在油井的開(kāi)采工作都具有產(chǎn)生噪聲小的特點(diǎn)，但并不是和我們想象中的理想環(huán)境一樣，這些電機(jī)和各種不確定因素產(chǎn)生的噪聲都會(huì)對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行干擾并產(chǎn)生影響。最后一個(gè)對(duì)我們測(cè)試結(jié)果造成影響的是我們?cè)诘贸鲇途囊好娣瓷洳ǖ挠砂l(fā)射到接受到的這整個(gè)的一個(gè)時(shí)間，利用聲波在空氣中的傳播速度來(lái)計(jì)算出油井的液面深度這一過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生

44、的。因?yàn)槁暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣炔皇谴_定的值，其與空氣中的溫度、壓力、粘滯系數(shù)有著密切的關(guān)系，特別是在油井的油套環(huán)空中向下傳播的過(guò)程溫度、壓力都在不斷地而變化，傳播的速度有著較大的差異。所以在計(jì)算處理當(dāng)中我們采用的聲波在空氣中的傳播速度這一值也對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響。這些不同的因素的對(duì)我們的測(cè)試結(jié)果造成的影響也是不一樣的，很多對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響的噪聲具有高頻的特性，這些噪聲的幅度隨時(shí)間的變化很快，例如油管中氣體流動(dòng)而產(chǎn)生的“嗞嗞”聲響、電動(dòng)機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的噪聲，這些噪聲對(duì)反射聲波信號(hào)的測(cè)量，特別是接箍反射聲波信號(hào)的測(cè)量造成很大的影響，會(huì)產(chǎn)生一些尖銳的波形夾雜在所需測(cè)量的反射聲波信號(hào)當(dāng)中。

45、這些干擾通過(guò)本文后面介紹的低通數(shù)字濾波器可以濾除這些影響。但是對(duì)于油管當(dāng)中存在像結(jié)蠟這樣的大的障礙物而發(fā)生反射被記錄到聲波返回信號(hào)曲線當(dāng)中去了，這個(gè)產(chǎn)生的影響不一樣。因?yàn)槿绻@個(gè)障礙物比較大的時(shí)候，甚至將環(huán)空的位置堵死，這個(gè)障礙物對(duì)聲波法測(cè)油井液面深度產(chǎn)生的效果和油井的真實(shí)液面產(chǎn)生的效果是一樣的，無(wú)法將他們分開(kāi)。 4 反射波信號(hào)的處理4.1 反射波信號(hào)的頻率分析對(duì)于記錄的反射聲波信號(hào)，由于在油井井口發(fā)射的聲波信號(hào)來(lái)自于槍彈的擊發(fā)，所以發(fā)射的聲波信號(hào)當(dāng)中含有各種頻率成分的，但由于聲波在傳播過(guò)程當(dāng)中的衰減，高頻率的聲波信號(hào)衰減的比頻率低的衰減的更快。所以在記錄的反射波信號(hào)的當(dāng)中，油井的井口部位的接

46、箍反射波具有高頻能量，深部的接箍反射波具有中等的頻率能量，在液面的反射波具有低頻率的能量。同時(shí)由于微音器在對(duì)反射聲波信號(hào)接收的時(shí)候，會(huì)有一些環(huán)境和其他因素產(chǎn)生的噪聲，例如電機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。這些噪聲會(huì)摻雜在我們接收的信號(hào)當(dāng)中，對(duì)我們的測(cè)量分析造成影響和干擾。我們對(duì)反射聲波信號(hào)的處理主要就是將這些噪聲信號(hào)減弱或者將其消除，并找出真正的液面反射波。這些由于電機(jī)工作產(chǎn)生的噪聲等具有尖銳，頻率和節(jié)箍反射波一樣具有高頻的特性。通過(guò)根據(jù)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器將接收到的返回聲波信號(hào)的高頻信號(hào)濾除掉。4.2 聲波信號(hào)的數(shù)字濾波4.2.1 數(shù)字濾波器原理當(dāng)我們輸入的信號(hào)在通過(guò)數(shù)字濾波器的時(shí)候，處在不同

47、頻帶的信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出不同的特性，某些特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)在通過(guò)數(shù)字濾波器的時(shí)候會(huì)被衰減或者阻斷。根據(jù)信號(hào)響應(yīng)的頻率區(qū)域不一樣，可將濾波器分為低通濾波器 LPF、高通濾波器 HPF、帶通濾波器 BPF 和帶阻濾波器 BEF四種。圖4.1 各理想濾波器頻域圖當(dāng)我們將信號(hào)輸入到數(shù)字低通濾波器的時(shí)候，頻率在小于W c的范圍內(nèi)信號(hào)將會(huì)通過(guò)，而頻率在大于W c的范圍內(nèi)的信號(hào)會(huì)衰減，幅值基本上為零；當(dāng)輸入到的高通濾波器的時(shí)候，頻率大于Wc的范圍內(nèi)信號(hào)將會(huì)通過(guò)，而頻率在小于W c的范圍內(nèi)的信號(hào)會(huì)衰減，且幅值基本上為零；而當(dāng)通過(guò)帶通濾波器的時(shí)候，頻率在W 1和W 2的區(qū)間范圍內(nèi)的信號(hào)能夠通過(guò)，其他頻率的信號(hào)將會(huì)衰

48、減，幅度基本變?yōu)榱?。IIR 濾波器的系統(tǒng)函數(shù) (4-1)式中an和b n為濾波器系數(shù)其差分方程為N=4 時(shí)，用結(jié)構(gòu)圖表示如下圖圖4.2 N=4時(shí)IIR濾波器的結(jié)構(gòu)圖FIR 濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為 (4-2)式中an和b n為濾波器系數(shù)，其差分方程為，M=4 時(shí)，用結(jié)構(gòu)圖表示為圖4.3 M=4時(shí)FIR濾波器結(jié)構(gòu)圖聲波信號(hào)在通過(guò)數(shù)字濾波器的時(shí)候，并不是像我們想象的那樣完全將一定頻率的全部阻斷或通過(guò)，而是對(duì)阻帶范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行衰減，在這里就存在一個(gè)頻率的過(guò)渡帶，同時(shí)通過(guò)的頻帶信號(hào)的幅值和相位也發(fā)生了改變。在這里我們以低通濾波器為例，為表示低通濾波器的處理性能，用通帶波紋和阻帶波紋來(lái)表示： 其中1和2分別

49、為絕對(duì)指標(biāo)中的通帶波紋和阻帶波紋4.2.2 數(shù)字濾波器用于濾波時(shí)的設(shè)計(jì)方法在利用用窗口法設(shè)計(jì)濾波器就是在頻域當(dāng)中運(yùn)用窗口對(duì)理想的濾波器脈沖響應(yīng)截?cái)嗟玫綌?shù)字濾波器。可用于對(duì)理想濾波器脈沖響應(yīng)進(jìn)行截?cái)嗟拇翱谟泻芏?，平時(shí)當(dāng)中用到的最簡(jiǎn)單莫過(guò)于矩形窗，但是其處理的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的阻帶波紋8，其他的窗口還有Kaiser窗、Hanning 窗、Hamming 窗、Blackman 窗。Kaiser 窗函數(shù)為 (4-3)I 0為修正的零階貝塞爾函數(shù)，為阻帶波紋系數(shù)，M 為濾波器長(zhǎng)度。 M 和 的計(jì)算方法為,4.2.3 用數(shù)字濾波器對(duì)反射聲波曲線濾波在運(yùn)用聲波測(cè)油井的液面高度時(shí)，微音器接收到反射聲波信號(hào)當(dāng)中，

50、不僅含有來(lái)自于油井的液面反射的低頻反射波，還具有相對(duì)高頻的接箍反射波和電機(jī)在工作的時(shí)候產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，其中噪聲產(chǎn)生的原因在前面已經(jīng)進(jìn)行了分析。這些聲波信號(hào)當(dāng)中，接箍反射波利用了發(fā)射聲波當(dāng)中的高頻成分，電機(jī)工作產(chǎn)生機(jī)械噪聲等具有尖銳，頻率也比較高。但是在油套環(huán)空當(dāng)中傳播的發(fā)射聲波信號(hào)，由于油井的深度比較深和傳播過(guò)程當(dāng)中的衰減的原因，真正達(dá)到油井液面并反射回來(lái)的聲波信號(hào)都具有低頻的特性。利用這一特性，通過(guò)數(shù)字低通濾波器，對(duì)微音器接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行濾波，從而得到油井液面的反射聲波信號(hào)的位置。根據(jù)對(duì)目前市場(chǎng)的發(fā)射聲波裝置的研究，液面的反射聲波信號(hào)的頻率一般都低于40 Hz。所以對(duì)液面反射波處理的低通

51、濾波器進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)：阻斷頻率為大于40Hz，阻帶波紋為50db；通過(guò)頻率為小于35Hz，通帶的波紋為1db。然后根據(jù)采樣的頻率來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化，下面對(duì)通過(guò)對(duì)一數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬處理，從網(wǎng)上了解到由北京威爾泰石油科技公司生產(chǎn)使用的測(cè)試儀使用的采樣頻頻率為222Hz，我們根據(jù)這一數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行處理。所以歸一化的結(jié)果為：通帶截止頻率為wp =0.32，阻帶截止頻率為w s= 0.36。根據(jù)這些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行FIR低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，得到的理想脈沖響應(yīng)和實(shí)際的脈沖響應(yīng)如下圖，Kaiser窗函數(shù)如圖，幅值響應(yīng)也分別如下圖。圖4-4 設(shè)計(jì)濾波器的理想脈沖響應(yīng)圖圖4-5 設(shè)計(jì)濾波器實(shí)際脈沖響應(yīng)圖圖4-6 Kaise

52、r窗函數(shù)圖圖47 Kaiser窗函數(shù)幅值函數(shù)然后利用設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器對(duì)反射波曲線進(jìn)行濾波處理，可以達(dá)到將微音器接收回來(lái)的反射聲波信號(hào)當(dāng)中的接箍波信號(hào)濾除掉，并將原來(lái)像“毛刺”一樣的高頻噪聲信號(hào)濾除，反射聲波信號(hào)的曲線得到了很好的平滑效果，但僅靠濾波的方法并不能使液面反射波的信號(hào)凸顯出來(lái)，并計(jì)算出油井的液面高度。4.3 利用短時(shí)幅值過(guò)零率對(duì)液面反射波的識(shí)別通過(guò)查閱資料我們可以了解到液面的反射聲波信號(hào)具有這樣的特點(diǎn)9：1. 反射的聲波信號(hào)具有比較大的幅值，即該處的能量較大，所以在記錄的聲波信號(hào)曲線當(dāng)中是一個(gè)突起。2.由于聲波衰減的原因，液面反射的聲波信號(hào)當(dāng)中主要的是一些低頻信號(hào)，這些低頻的信號(hào)

53、具有較低的短時(shí)過(guò)零率，即在一段短的時(shí)間通過(guò)零電平的次數(shù)較少。通過(guò)較短的時(shí)間窗口對(duì)要處理的聲波信號(hào)進(jìn)行截?cái)啵玫降木褪嵌虝r(shí)的幅值函數(shù)，在實(shí)際的操作一般為利用一個(gè)較短的矩形時(shí)間窗口和信號(hào)相乘，產(chǎn)生一個(gè)新的信號(hào)，它是原始信號(hào)在一時(shí)間片段內(nèi)的截?cái)唷Ｔ谶@個(gè)用時(shí)間窗口截?cái)嗟男盘?hào)中，數(shù)值符號(hào)改變的次數(shù)就是短時(shí)過(guò)零率函數(shù)，將二者綜合起來(lái)就是短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)，可以用來(lái)對(duì)液面不明顯的回波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。用短時(shí)幅值及過(guò)零率處理的過(guò)程如下圖。短時(shí)幅值函數(shù)識(shí)別液面反射波重建新號(hào)短時(shí)幅值及過(guò)零率處理數(shù)據(jù)預(yù)處理短時(shí)過(guò)零率函數(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)圖4-8 短時(shí)幅值及過(guò)零率處理流程圖設(shè)原始的聲波信號(hào)序列為 x ( n )，用一個(gè)矩形時(shí)間

54、窗口 w( n )對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行截?cái)啵?（4-4）式中，N 為幀長(zhǎng)（每一幀內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)）。截?cái)嗪蟮玫降牡趍幀的第n個(gè)幅值為 式中，n為數(shù)據(jù)點(diǎn)在該幀中的次序，0 < n N，L為每一幀移動(dòng)的距離，即對(duì)聲波信號(hào)截?cái)鄷r(shí)窗口移動(dòng)的長(zhǎng)度。第m幀的短時(shí)幅值函數(shù)定義為 ，為幅值影響系數(shù)，它表示了在該幀中大幅值對(duì)短時(shí)幅值函數(shù)的影響程度。當(dāng)較大的時(shí)候，表示在這一幀中的大幅值對(duì)短時(shí)幅這函數(shù)的影響比較大，這時(shí)候的短時(shí)幅值函數(shù)的大小主要由這一幀當(dāng)中的較大幅值來(lái)確定；而當(dāng)較小的時(shí)候，大幅值對(duì)短時(shí)幅值函數(shù)的影響相對(duì)來(lái)所比較小，所以這個(gè)時(shí)候的短時(shí)幅值函數(shù)和其他的一般幅值也有關(guān)系。當(dāng)聲波信號(hào)的相鄰的采樣點(diǎn)數(shù)值的符號(hào)不一

55、樣的時(shí)候，我們稱(chēng)這個(gè)信號(hào)在這一點(diǎn)的狀態(tài)為過(guò)零。短時(shí)過(guò)零率函數(shù)的定義是在階段的時(shí)間窗口的聲波信號(hào)的幅值數(shù)值符號(hào)干變得次數(shù)10，用公式表示為： （4-5）式中，短時(shí)幅值函數(shù)主要體現(xiàn)的是聲波信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)的幅值情況，而短時(shí)過(guò)零率函數(shù)主要體現(xiàn)的是聲波信號(hào)的數(shù)字序列隨時(shí)間變化過(guò)程的特性。將兩者綜合起來(lái)，可以定義短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)，可以同時(shí)體現(xiàn)體現(xiàn)聲波信號(hào)的幅值和隨時(shí)間變化的特性。短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)的定義為 (4-6)其中的f（S m）和 f（Z m） 分別表示短時(shí)幅值函數(shù)和短時(shí)過(guò)零率函數(shù)的函數(shù)，它們都是根據(jù)情況可以選擇使用的。這里選擇使用式中的a和b是短時(shí)幅值函數(shù)和短時(shí)過(guò)零率函數(shù)對(duì)短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)的影響系數(shù)，分別表示它們對(duì)短時(shí)幅值及過(guò)零率函數(shù)的影響，的出現(xiàn)是為了防止分母為零和控制過(guò)零率對(duì)整