1、CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 畢業設計（論文）題目：基于聲學的油井液面高度測量儀器研制學生姓名： 趙高翔學 號： 200857050112班 級: 055710801專 業： 電子信息工程指導教師： 李 鴻 2012 年 6 月 基于聲學的油井液面高度的測量儀器研制 題 目：基于聲學的油井液面高度 測量儀器研制 學生姓名： 趙 高 翔學 號： 200857050112班 級： 055710801所在院(系): 電氣與信息工程學院指導教師： 李 鴻完成日期:基于聲學的油井液面高度的測量儀器研制摘要在油井的開采過程當中，需要對油井的

2、溫度、壓力、液面高度等一系列參數進行測量，監控整個油井的開采過程，同時為下一步的工作提供相關的指導，其中油井的液面高度是一個非常重要的參數。它能夠真實的反應地質儲量、優化生產，減少抽汲車的空返、提高采油泵的泵效并提高其的使用壽命。本設計中的油井液面高度測量主要通過渡越時間法，即在井口利用爆炸聲源產生的一大功率聲波信號，利用聲波信號在油井環套中傳播遇到接管管面和液面反射的原理，再通過微音器接收反射回來的信號。然后通過對回波信號的曲線進行分析，得到液面波反射回井口的時間，最后通過聲波在空氣中的傳播速度計算出油井的液面高度。在對油井液面高度測量的返回曲線進行分析的過程當中，根據在聲波法測油井液面高度

3、的過程當中聲波頻率的研究和噪聲信號產生的原因，設計低通數字濾波器和利用譜相相減法對液面反射波進行處理，達到將具有高頻特性的油井接箍波和噪聲波信號去除掉的目的。然后將短時幅值及過零率函數用于液面反射波的識別，得到液面反射波的具體位置，從而得到從發射聲波到微音器接收到液面反射聲波的時間。最后通過對接箍反射波利用快速傅里葉變換計算出聲波在油套環空氣中傳播的速度，從而計算出油井液面的高度。關鍵詞：聲波；數字濾波器；短時幅值及過零率函數；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國內外研究狀況2第二章 相關技術簡介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 聲波法測油井

11、液面技術研究93.1液面深度、沉沒度和泵效、系統效率的關系93.2聲波法測油井液面的工作原理133.3聲波法測油井液面誤差原因分析14第四章 反射波信號的處理174.1 反射波信號的頻率分析174.2 聲波信號的數字濾波174.2.1 數字濾波器原理174.2.2 數字濾波器用于濾波時的設計方法204.2.3 用數字濾波器對反射聲波曲線濾波204.3 利用短時幅值過零率對液面反射波的識別23第五章 聲波法測油井液面誤差處理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

12、信號進行描述和處理285.2.2 對傅立葉變換的改進325.2.3 對接箍反射波利用快速傅立葉變換計算聲速33第六章 總結37參考文獻38致 謝40I1 緒論1.1 課題背景隨著社會的發展，人類未來的發展將越來越離不開能源，而現在人類主要使用的能源來自于石油的提煉，所以說石油的開采會在我們未來的世界扮演一個很重要的角色。在油井的勘探和開發當中，需要對油井的溫度、壓力，液面高度等等一系列參數進行測量，監控整個開采的過程，同時為下一步的工作提供相關的指導。在油井的開采過程當中，有一個易發生易噴、易漏儲層試油壓井期間，在這段時間可以通過準確的計算出地層壓力，在地層流體剛進入井筒就發現溢流，從而控制溢

13、流，降低起下鉆、電纜作業的風險。而地層壓力的計算主要來至于通過油井的液面高度來計算得到，所以說在油井的開發當中液面高度是一個很重要的參數。在對于油田進行開發的過程來說，準確的把握油井的液面高度及相關情況是一個重要的前提和基本的準備。在油井開采的過程當中對油井液面進行準確的測量，能夠真實地反映地質儲量、優化生產規劃和保證采油設備安全運行。同時對于探測油井液面的高度，確定相關的情況，我們也能夠科學而準確的掌握油田的相關供液能力，為此作出基本的評估和推測，進而確定抽油泵的沉沒深度,制定出合理的油井工作制度，減少抽汲車的空返或采油泵的功耗，提高泵效，對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始開發的時候，油井主要依靠原始地層能量，利用原始地層壓力進行自噴開采。在開采過程中，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行生產的過程中，需要了解油井的液面深度，來確定油井的在開采過程當中的沉沒度，在根據這一要求合理的利用抽油機，以提高泵效和整個系統的效率等等。下面的幾點是針對準確的測量出液面高度能夠起到的作用(1) 延長抽油機泵壽命，提高它的工作效率；延長修井間隔時間，降低維修費用。(2) 可以使抽油機泵的采液能力適應油井的供液能力，動態調參并且穩定油井液面，合理開采，提高油井產量。 (3) 在正常生產中，根據液面的變化

15、情況，選擇最佳速度和對應運行功率的調速方案，使電動機運行在輸出功率較低的工況，提高系統效率，減少實際電耗。(4) 全面監控，減少意外停產和風險。1.3 國內外研究狀況液位測量在我們的生活當中各個領域都有應用，特別是在一些要求比較高的技術領域，由于其使用環境的特殊性等一些原因，對液位測量結果的要求不但精度高，而且其測量裝置還要承受惡劣環境等各種外在的原因的影響。同時還必須具備數字化和線性化，對安全性和可靠性要求都比較高。目前國內外市場上液位測量的主要測量技術有十多種，有超聲波、次聲波、壓力、激光、雷達、射頻等等一系列液位傳感器系統。下面對幾個液位測量傳感器進行簡單的介紹。1超聲液位測量系統超聲波

16、液位測量是由于空氣和水之間的反射率基本上是100，利用氣體與液體對超聲波界面的反射進行測量，這樣不需要接觸測量物質即可測量液位。利用聲波源發射超聲波，測量超聲波達到所測液位面后反射回來所需的時間，利用該時間乘以聲波在空氣的傳播速度來進行測量，稱為渡越時間法。超聲波液位測量系統中的微處理機能迅速、精密地計算出傳感器到被測物之間的距離。在超聲波測距傳感器研制方面，美國一直處于領先地位，例如美國的Milltronics公司，就研制出了具有測量液位、測量液位差等等幾項能力的多量程超聲波液位監測系統以及可監視14cm到30cm范圍的液位變化研發的非接觸式超聲波傳感器。還有Magmetrol國際公司，其研

17、制的EchtelFII型超聲波液位控制儀不僅具有連續波信號的高增益系列和脈沖信號的超增益系列兩種控制模式，還增加了一個檢驗機構，使之具有自檢功能。以及Hybepark電子公司，其研發并生產的雙液位傳感系統，采用二只分別調節上限和下限液位的電位計，并在液體之上裝上一個與控制裝置相連接的超聲波探頭，控制裝置通過與感受到的極限液位去進行比較后去啟動指示器和繼電器，然后啟動液體輸出。2雷達液位測量系統雷達液位測量系統主要利用同步調頻技術，通過一微波發射器在液面上方向液面發射經過調頻的微波信號。當接收器在接收到液面返回的回波信號時，由于聲波在空氣中的來回傳播導致的時間的延遲，發射頻率發生了改變。將發射波

18、和回波這兩種信號混合處理，比較所得信號的差頻正比于發射源到液面之間的距離。雷達液位測量系統的測量精度高，無需定期維修，而且特別適合類似瀝青的高粘度和高污染產品，但是卻存在安裝復雜且價格偏高的原因一直未真正的走入到大家平時的生活當中去。3電容液位測量系統與其它液位傳感器相比，這樣一個通過利用被測對象物質的導電率，將液位變化轉換成靜電電容變化來測量液位的電容液位傳感器，具有靈敏度高和輸出電壓高、動態響應好、無自熱現象、對惡劣環境的適應性強、過載能力強等優點。目前市場上新型液位測量系統的相對于常見的變壓器電橋式、運算放大器式及脈沖寬度式等電容傳感器測量電路的關鍵在于電路的轉換。對測試線路的改進主要有

19、以下幾種措施：(1)通過微處理機對干擾信號進行識別剔除；(2)利用電荷平衡式和電壓平衡式等零位測量方式，達到降低對電源電壓，抑制分布電容影響的目的；(3)通過市場上常常采用功能電路集成化，大幅度降低生產成本、從而提高產品的性價比。由美國Electromatic控制公司最新推出的敏感度可以調節電容傳感器，其主要含有兩個切斷延時范圍為0.1min到10min的內部繼電器和SA單刀雙擲輸出繼電器。同時由美國Drebrook工程公司研究,工作頻率達100kHz點面控制裝置，在被測物質達到水平面預定值的時候，該裝置在給繼電器加上接觸防護罩的同時，并對使傳感器的電容也發生變化，從而引起電子裝置中信號的變化

20、。1990年由美國公開的一種手提式電容液位測量儀專利中介紹到，當電容開關探測到液位時通過其上的一個可見預警和一個可聽預警信號顯示液位信號。該裝置可用于方便直接的測試出貯箱中的液位。同年公開的還有另一項美國專利，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吸量管探頭抽取樣品液體，并且通過安裝在在探頭上的一個振蕩器產生高頻信號幅值和相位來產生液位信號并得到液面高度的實際值，該液位儀器主要的應用是用來探測液體管道中的液位。同時國內外對于油井的液面測量主要還是應用聲波的反射進行油井液面的測量，簡稱渡越時間法。在井口連接處安裝一發聲裝置和微音器，發生裝置主要通過激發一顆子彈產生一大功率脈沖信號

21、，該信號在沿著油井管道向下傳播的時候，在遇到油管接箍和油井液面時，由于聲波的反射，會返回接箍反射波和液面反射波，同時通過微音器將返回的聲波信號進行接收，最后對接收到的回波信號進行分析處理，找到液面反射波并通過聲波在空氣中的傳播速度計算出油井的實際液面高度。在液面反射聲波信號的處理上，可以利用返回的波形的頻率，液面發射波信號主要取決于初始脈沖，傳播距離，變化斷面的類型和壓力等。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。同時由于聲波在傳播的過程當中受到各種噪聲的影響，使得液面反射聲波信號很難辨認出來，無法進行下一步的工作。在返回聲波信號的

22、處理上，國內學者提出很多利用接箍反射波周期計算出聲波的傳播速度，有短時自相關函數1、人工神經網絡等等方法。例如吳新杰在這一方面的研究就利用的是神經網絡處理方法2，將微音器接收到的實際聲波返回信號輸入到可訓練神經網絡當中，對接箍反射波進行識別，可以清晰的找到接箍反射波的位置。最后在對于液面反射波的辨識及處理方面的研究相對來說比較少，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。張朝輝根據聲波在傳播的過程當中的衰減，最后由液面返回的信號中基本上為低頻率的特點，設計低通橢圓濾波器將其高頻信號濾除，使波形清楚可見，得到油井液面的液面反射波位置。吳新杰等根據分形理論，

23、對分形模糊控制理論的參數進行了調整，并通過自回歸過濾，對信號進行濾波處理，簡稱模糊控制方法?？偠灾?，目前國內對聲波測油井液面的液面返回波信號辨識技術的發展還不是很理想，還存在很多實際生產開發當中可能遇到的問題遇到得到解決。 2 相關技術簡介2.1 聲波的定義聲波（Sound Wave或Acoustic Wave）是聲音的傳播形式。聲波是一種機械波，由物體（聲源）振動產生，聲波傳播的空間就稱為聲場。在氣體和液體介質中傳播時是一種縱波，但在固體介質中傳播時可能混有橫波。人耳可以聽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偏離平衡態的小擾動的傳播。這個傳播過程只是能量的

24、傳遞過程，而不發生質量的傳遞。如果擾動量比較小，則聲波的傳遞滿足經典的波動方程，是線性波。如果擾動很大，則不滿足線性的聲波方程，會出現波的色散，和激波的產生。2.2 聲波的反射聲波在介質中不斷向前傳播的過程當中，在遇到不同的介質的情況下會發生反射和折射等等現象。聲波的反射和光學當中學到的反射現象是類似的，在聲波進入到別的介質發生反射的現象的時候，入射角和反射角大小相等（如圖2-1中的t=r）。聲波在不同的介質當中進行傳播過程當中，兩種介質具有不同的特性阻抗，在到達分界面的時候會出現聲波的反射和透射這兩個現象。對于這兩個現象，我們可以通過聲功率反射系數和聲功率透射系數這兩個系數來對其進行表征。如

25、下式 (2-1) (2-2)圖2-1 聲波在空氣中的傳播式中，R 為介質的特性阻抗，Ns/m3；r 為介質密度，kg/m3；c為介質聲速，m/s。聲功率反射系數和聲功率透射系數分別表示了聲波反射的能量和透射的能量與進行入射的聲波能量的比值。當R2>>R1的時候，r幾乎可以等于1，發生全反射現象。例如聲波由空氣入射到水或油當中，聲波的能量幾乎全部被反射。當聲波垂直入射的介質為固體表面時，聲功率反射系數和透射系數這兩個系數可以通過法向聲阻抗率來表示 (2-3) (2-4)式中，r n為阻分量，Ns/m3；x n為抗分量，Ns/m3。聲波在介質中向前傳播的過程當中，不僅會發生反射，同時也

26、會出現折射、衍射和散射等其他現象。但是在利用聲波測油井液面的過程當中主要運用的還是聲波的反射現象，其他的一些現象會在測試的過程當中造成一定的干擾，下面對聲波的這些現象作一點簡單的介紹。聲波的折射：當聲波進入不同介質時，聲波的傳播方向因在介質中傳播速度的發生改變而發生偏折稱為折射現象。聲波的衍射：聲波在向前傳播時候，當被一個大小接近于或小于波長的物體阻擋，就繞過這個物體，繼續向前傳播，這就是聲波的衍射現象。聲波的散射：當聲波在某種介質中傳播時，由于介質中存在有其他物質的微粒，聲波就會朝四面八方散射。例如在油套環空液面處有較多的泡沫油存在，聲波傳播到此處時，會產生散射現象，對測試結果產生干擾，但散

27、射本身的強度并不是很大。2.3 聲波的吸收與衰減根據能量守恒定律（能量既不能產生也不能消失，而是由一種形式轉化為另一種形式）。聲波是一種空氣分子的振動能量，在傳播的過程當中，會由于物體對聲波能量的吸收轉換成熱能。而在本測試當中，聲波在油套環空中向下傳播的時候，由于環中空氣的吸收和溫度梯度等的原因，能量被轉換成其他形式而不斷衰減。理想的情況下，介質在發生形變之后是可以恢復到形變之前的，而且形變的過程是沒有阻尼作用和完全絕熱的，所以聲波向前傳播的過程當中，假設是在理想的介質當中，那么介質也就不會吸收聲波的能量，聲波的能量也不會在傳播的過程當中轉化成其他形式的能量。所以說聲波在理想的介質當中傳播時能

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

29、的吸收是最主要的形式。而介質對于聲波能量的吸收也可以細分為兩種形式，第一種為粘滯吸收。聲波在介質當中的傳播會導致介質的形變，而介質本身具有粘性，在變形和恢復的過程當中就會發生能量的轉化。在這里我們運用聲強的這一系數來描述聲波傳播過程的粘滯吸收，聲波在傳播的時候受粘滯吸收的影響，離聲源 x處聲強： （2-5）式中，I0為聲源聲強，W/m2；a 為吸收系數，dB/m。聲波在傳播的過程當中，相鄰質點的速度不同，所以存在運動內摩擦力。忽略容變粘滯（流體體積發生變化產生的粘滯力）的影響，粘滯產生的聲波吸收為： (2-6)式中a h'為粘滯引起的聲波吸收系數，dB/m； f 為聲波的頻率，Hz；

30、'為介質的粘度系數，m2/s；c為傳播速度，m/s； 為介質平均密度，kg/m3；第二種能量的吸收衰減為熱傳導吸收，聲波在向前傳播的過程當中，介質經過反復的壓縮變形、恢復、壓縮變形的過程，在這一過程當中，當進行壓縮變形的時候，介質的體積變小，溫度得到升高；在恢復的過程當中體積變大，溫度得到降低。所以造成在介質當中分別進行壓縮和恢復的兩個區域會產生溫度差，這兩個區域從而進行能量的傳遞。根據 Kirchhoff 提出的聲波在傳播的過程當中由于熱傳導引起的聲波能量的吸收，吸收系數定義為： (2-7)式中，k 為熱傳導系數，W/(m·K)；C v為定容比熱，r=Cp/Cv從式中我們可

31、以看出熱傳導的吸收系數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，聲波在傳播過程當中由于介質的吸收造成的總的吸收系數為： (2-8)從上式我們不難看出，聲波在向前傳播的過程當中，不同頻率的聲波在傳播的過程當中衰減的程度不同，衰減的程度與聲波的頻率的平方成正比，也就是說在傳播的過程當中頻率越高，衰減程度就越大，所能傳播的距離也就越短。 3 聲波法測油井液面技術研究3.1 液面深度、沉沒度和泵效、系統效率的關系在油井的開采過程當中，液面深度和抽油泵的沉沒度對油井的抽油泵的效率有著很重要的影響。一般情況下通過增大沉沒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，增大沉沒度。在這一方面有盧建平利用統計和曲線擬合的方法對其進行過研究，主要通過在油井當中不同沉沒度和油井泵效的關系曲線5（如圖3-1）。從圖中我們不難看出，在沉沒度比較低的時候通過不斷增加沉沒度，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：在較低的沉沒度的情況下泵入口的壓力比較小，所以進入泵內的流體的含氣量比較高，增加沉沒度可以增大泵入口的壓力，氣液的含量可以達到降低的效果，最終達到提高泵的充滿程度的效果。但是隨著沉沒度的慢慢增加，泵效的提高幅度慢慢減緩，沉沒度對泵效的影響慢慢減弱，最后在沉沒度達到一定的值后，增加沉沒度對泵效的提

33、高已經基本上不存在影響，因為泵效已經穩定在一個固定的值不再改變，這時再增加沉沒度的話還可能會造成懸點載荷過大等一系列的問題。所以說沉沒度并不是越大越好，而是應該確定在合適的位置。圖3-1 沉沒度與油井泵效關系圖在開采過程當中，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。在這個舉升的過程當中，用于舉升液體所消耗的有用功率與系統運行時的輸入功率之比稱為機械采油的系統效率。液面和沉沒度對機械采油的系統效率有著非常重要的影響，抽油機在工作的時候存在一個合適沉沒度，機械采油的系統效率能夠達到最高。在過大沉沒度的時候，抽油機下泵的位置太深，會造成兩個后果，一個就是沖程損失會增大

34、，泵效降低；另一個就是加到懸點的載荷加大，系統正常運行需要的輸入功率會增加，系統耗電量相應增加。在沉沒度較低的時候，由于沉沒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的降低。所以沉沒度要在合理的值的時候，機械采油的系統效率才能夠達到最高，機械采油的系統效率和沉沒度的關系如下圖3-2圖3-2 沉沒度和油井機械效率關系圖在分析油井液面和沉沒度對機械采油的系統影響時還要考慮到的問題是系統的安全穩定生產和設備的正常運行。這里主要考慮的的是對抽油桿的受力情況。在生產的過程當中，油井液面的深度會發生改變，導致抽油桿的受力狀態也發生了改變，從而造成抽油桿的疲勞損壞和對設備的正常運行會受到影響。特別是

35、對于地面的驅動螺桿泵井，液面高度的改變會導致抽油桿的負載扭矩發生劇烈的變化，例如液面突然降低和可能造脫扣的現象。從上面的分析不難看出，油井的機械采油和液面的高度有著十分密切的關系。油井的液面深度體現了地層能夠向油井供液的能力與油井當前生產工作的匹配情況，需要根據油井的液面深度來確定抽油機合理的生產抽吸參數。在油井的生產過程當中，根據油井的液面深度來監控并協調開采油井，可以最大的發揮油層的潛能和延長油井的工業開采價值的壽命，經濟利益能夠得到最大的優化。綜上可以了解到，得到油井準確的液面深度對油井的生產有十分重要的意義。在確定油井的最優下泵深度的設計的時候6，應當綜合考慮提高采油機械的系統效率、經

36、濟效益得到最優化和對機桿泵的影響雙方面，合理下泵深度的確定過程如下圖3-3 圖3-3 合理泵深的確定過程在生產過程當中可以設計一控制系統來設定最佳的沉沒度，利用測得的實際油井液面深度來判斷沉沒度是否在合理的范圍之內，再根據實際的沉沒度和設定的沉沒度的關系來調整設備生產的參數。在實際的沉沒度小于設定的沉沒度的時候，減小小電動機轉速并降低抽油機的沖次；在實際的沉沒度大于設定的沉沒度的時候，減小小電動機轉速并提高抽油機的沖次；在調整完抽油機參數后，可以通過再次對油井液面的測量，直到實際的沉沒度達到最佳沉沒度為止。根據油井的液面深度來對抽油機井和螺桿泵井7進行參數調整的控制流程如圖 3-4 和圖 3-

37、5 所示圖3-4 抽油機井參數調整的控制流程液面深度信號調整變頻器頻率調整螺桿泵轉速調整螺桿泵排量調整后沉沒度最佳沉沒度液面深度測試儀圖3-5 螺桿泵井參數調整的控制流程3.2聲波法測油井液面的工作原理聲波測井油井液面的測量一般是采用渡越時間法，即利用聲波在空氣當中傳播時遇到障礙物會發生反射的原理。在測得發射波到接收到液面波的時間t的情況下，根據聲波在空氣中的傳播速度v，可求的液面高度h為： (3-1)本設計當中的油井液面測量裝置是利用爆炸聲源來產生一個大功率的聲波脈沖信號（在這里可以通過在井口處擊發一顆子彈），這一聲波脈沖信號沿著油管和套管的環形空間向油井下面傳播，當遇到兩節油管向外突出的接

38、箍和油井的液面的時候，都會由于聲波在空氣中傳播的反射，產生反射脈沖聲波。反射的聲波脈沖信號反射回來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接收，并將其轉換成電信號，電信號經過放大處理后進行A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號來處理。在聲波脈沖信號的處理當中，從油井油管的接箍位置反射回來的聲波信號稱為接箍波，到達油井的液面而反射回來的聲波信號稱為液面波。其工作的具體原理如下圖3-6。對于回聲脈沖信號，在未擊發槍彈時由于電機及電泵設備產生的機械振動等背景噪聲就存在的，所以假設背景噪聲與所需要記錄的回聲脈沖信號是獨立不相關的，利用譜相減發對回聲信號處理可以去除這些背景噪聲的影響。

39、同時由于在油井井口發射的聲波來自于槍彈的擊發，槍彈擊發的聲波信號當中含有各種頻率成分的，但由于聲波在傳播過程當中的衰減，高頻率的聲波信號衰減的比頻率低的衰減的更快。所以在回聲脈沖信號的記錄當中，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。根據這一點設計數字低通濾波器將接收到的返回聲波信號的高頻信號濾除掉，然后再根據短時自相關及過零率函數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間。最后可以通過聲波在空氣中的傳播速度計算出油井液面的實際深度，在聲波在空氣中的傳播速度取值上，利用節箍反射波的的周期性，對其進行快速

40、傅里葉變換計算出聲波在油套環空氣中的傳播速度。FFT計算聲速計算油井液面高度譜相減低通數字濾波A/D轉換放大器微音器環套空間聲波信號發射槍彈的聲波信號發射短時幅值及過零率增益控制圖3.6 設計工作原理圖3.3聲波法測油井液面誤差原因分析在油井液面的高度測量這一設計當中，考慮到在實際的操作當中有很多的情況并不是和我們想象中的理想環境一樣，所以很多在實際的操作當中可能的存在會對我們的記過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，油井的井身設計并不是完全按照直線向下鉆進的，會出現彎曲地方，油套管因此也會彎曲變形。所以用聲波法測油井的液面深度，聲波不能夠按照理想的直線那樣沿著

41、油套環向下傳播，而是會在彎曲的油套管的地方產生聲波的反射，這會對測試的結果產生影響。油井的液面高度測試信號受到死油、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覆蓋很多密度小的原油，當油井的液面高度距離出油層位置較遠的時候，溫度會降低，當溫度下降到原油的凝固點的時候，原油會凝固成固態，形成死油帽子，在用聲波發油井液面深度的時候，這個死油帽子會對聲波進行反射，使得真正的油井液面反射波無法真正辨認出來，對測試結果造成一定的影響。同時當油井產出的原油比較稠的情況下，這些較稠的原油中的會附在油管和套管的壁上，當油井的液面下降的時候，這些稠油卻還粘在上面，對聲波也會造成反射，從而對油井的測

42、試造成影響。當油井產出的原油比較稠的情況下，這些較稠的原油中的輕質組分含量相對來說較少，結晶的溫度就會相對的較高。再加上原油中的膠質等等影響，原油很容易結蠟。在生產過程當中，油井的液面會一段時間的保持在穩定的水平，這些結晶出來的蠟就很容易附在油管外和套管的內壁上，形成一個環狀的結蠟。在用聲波發測油井的液面高度的時候，這些結蠟會對聲波形成發射，對聲波信號產生干擾，影響油井的液面高度的測量。隨著生產的進行，氣體會從原油中慢慢的分離出來，油管環空會存在著大量的氣體。如果通過打開放氣閥門，那么這些套管中的氣體會在流動的過程當中產生“嗞嗞”的聲響，即使放氣閥門沒有打開，由于平衡的原因，這些氣體也會不斷的

43、流動著，這種原因造成的噪聲對反射聲波的記錄存在很大的影響。油井當中應用的潛油電機一般是異步感應電機，這種電機在工作的時候會產生很大的噪聲，主要是機械噪聲、電磁噪聲和通風噪聲。機械噪聲主要是由于電機在工作當中電機本身機械的不平衡、電刷的摩擦。電磁噪聲的主要來源是由于電流的不平衡和鐵芯的松動。雖說現在油井的開采工作都具有產生噪聲小的特點，但并不是和我們想象中的理想環境一樣，這些電機和各種不確定因素產生的噪聲都會對聲波信號進行干擾并產生影響。最后一個對我們測試結果造成影響的是我們在得出油井的液面反射波的由發射到接受到的這整個的一個時間，利用聲波在空氣中的傳播速度來計算出油井的液面深度這一過程當中產生

44、的。因為聲波在空氣中的傳播速度不是確定的值，其與空氣中的溫度、壓力、粘滯系數有著密切的關系，特別是在油井的油套環空中向下傳播的過程溫度、壓力都在不斷地而變化，傳播的速度有著較大的差異。所以在計算處理當中我們采用的聲波在空氣中的傳播速度這一值也對測量結果造成較大的影響。這些不同的因素的對我們的測試結果造成的影響也是不一樣的，很多對測試結果造成影響的噪聲具有高頻的特性，這些噪聲的幅度隨時間的變化很快，例如油管中氣體流動而產生的“嗞嗞”聲響、電動機因為轉動摩擦而產生的噪聲，這些噪聲對反射聲波信號的測量，特別是接箍反射聲波信號的測量造成很大的影響，會產生一些尖銳的波形夾雜在所需測量的反射聲波信號當中。

45、這些干擾通過本文后面介紹的低通數字濾波器可以濾除這些影響。但是對于油管當中存在像結蠟這樣的大的障礙物而發生反射被記錄到聲波返回信號曲線當中去了，這個產生的影響不一樣。因為如果這個障礙物比較大的時候，甚至將環空的位置堵死，這個障礙物對聲波法測油井液面深度產生的效果和油井的真實液面產生的效果是一樣的，無法將他們分開。 4 反射波信號的處理4.1 反射波信號的頻率分析對于記錄的反射聲波信號，由于在油井井口發射的聲波信號來自于槍彈的擊發，所以發射的聲波信號當中含有各種頻率成分的，但由于聲波在傳播過程當中的衰減，高頻率的聲波信號衰減的比頻率低的衰減的更快。所以在記錄的反射波信號的當中，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。同時由于微音器在對反射聲波信號接收的時候，會有一些環境和其他因素產生的噪聲，例如電機在工作時產生的機械噪聲。這些噪聲會摻雜在我們接收的信號當中，對我們的測量分析造成影響和干擾。我們對反射聲波信號的處理主要就是將這些噪聲信號減弱或者將其消除，并找出真正的液面反射波。這些由于電機工作產生的噪聲等具有尖銳，頻率和節箍反射波一樣具有高頻的特性。通過根據這一點設計數字低通濾波器將接收到的返回聲波信號的高頻信號濾除掉。4.2 聲波信號的數字濾波4.2.1 數字濾波器原理當我們輸入的信號在通過數字濾波器的時候，處在不同

47、頻帶的信號會表現出不同的特性，某些特定頻率范圍內的信號在通過數字濾波器的時候會被衰減或者阻斷。根據信號響應的頻率區域不一樣，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我們將信號輸入到數字低通濾波器的時候，頻率在小于W c的范圍內信號將會通過，而頻率在大于W c的范圍內的信號會衰減，幅值基本上為零；當輸入到的高通濾波器的時候，頻率大于Wc的范圍內信號將會通過，而頻率在小于W c的范圍內的信號會衰減，且幅值基本上為零；而當通過帶通濾波器的時候，頻率在W 1和W 2的區間范圍內的信號能夠通過，其他頻率的信號將會衰

48、減，幅度基本變為零。IIR 濾波器的系統函數 (4-1)式中an和b n為濾波器系數其差分方程為N=4 時，用結構圖表示如下圖圖4.2 N=4時IIR濾波器的結構圖FIR 濾波器的系統函數為 (4-2)式中an和b n為濾波器系數，其差分方程為，M=4 時，用結構圖表示為圖4.3 M=4時FIR濾波器結構圖聲波信號在通過數字濾波器的時候，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，而是對阻帶范圍內的信號進行衰減，在這里就存在一個頻率的過渡帶，同時通過的頻帶信號的幅值和相位也發生了改變。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表示： 其中1和2分別

49、為絕對指標中的通帶波紋和阻帶波紋4.2.2 數字濾波器用于濾波時的設計方法在利用用窗口法設計濾波器就是在頻域當中運用窗口對理想的濾波器脈沖響應截斷得到數字濾波器。可用于對理想濾波器脈沖響應進行截斷的窗口有很多，平時當中用到的最簡單莫過于矩形窗，但是其處理的時候會產生較大的阻帶波紋8，其他的窗口還有Kaiser窗、Hanning 窗、Hamming 窗、Blackman 窗。Kaiser 窗函數為 (4-3)I 0為修正的零階貝塞爾函數，為阻帶波紋系數，M 為濾波器長度。 M 和 的計算方法為,4.2.3 用數字濾波器對反射聲波曲線濾波在運用聲波測油井的液面高度時，微音器接收到反射聲波信號當中，

50、不僅含有來自于油井的液面反射的低頻反射波，還具有相對高頻的接箍反射波和電機在工作的時候產生的機械噪聲，其中噪聲產生的原因在前面已經進行了分析。這些聲波信號當中，接箍反射波利用了發射聲波當中的高頻成分，電機工作產生機械噪聲等具有尖銳，頻率也比較高。但是在油套環空當中傳播的發射聲波信號，由于油井的深度比較深和傳播過程當中的衰減的原因，真正達到油井液面并反射回來的聲波信號都具有低頻的特性。利用這一特性，通過數字低通濾波器，對微音器接收到的聲波信號進行濾波，從而得到油井液面的反射聲波信號的位置。根據對目前市場的發射聲波裝置的研究，液面的反射聲波信號的頻率一般都低于40 Hz。所以對液面反射波處理的低通

51、濾波器進行下面的設計：阻斷頻率為大于40Hz，阻帶波紋為50db；通過頻率為小于35Hz，通帶的波紋為1db。然后根據采樣的頻率來對信號進行歸一化，下面對通過對一數據進行模擬處理，從網上了解到由北京威爾泰石油科技公司生產使用的測試儀使用的采樣頻頻率為222Hz，我們根據這一數據來進行處理。所以歸一化的結果為：通帶截止頻率為wp =0.32，阻帶截止頻率為w s= 0.36。根據這些技術指標進行FIR低通數字濾波器設計，得到的理想脈沖響應和實際的脈沖響應如下圖，Kaiser窗函數如圖，幅值響應也分別如下圖。圖4-4 設計濾波器的理想脈沖響應圖圖4-5 設計濾波器實際脈沖響應圖圖4-6 Kaise

52、r窗函數圖圖47 Kaiser窗函數幅值函數然后利用設計的數字低通濾波器對反射波曲線進行濾波處理，可以達到將微音器接收回來的反射聲波信號當中的接箍波信號濾除掉，并將原來像“毛刺”一樣的高頻噪聲信號濾除，反射聲波信號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凸顯出來，并計算出油井的液面高度。4.3 利用短時幅值過零率對液面反射波的識別通過查閱資料我們可以了解到液面的反射聲波信號具有這樣的特點9：1. 反射的聲波信號具有比較大的幅值，即該處的能量較大，所以在記錄的聲波信號曲線當中是一個突起。2.由于聲波衰減的原因，液面反射的聲波信號當中主要的是一些低頻信號，這些低頻的信號

53、具有較低的短時過零率，即在一段短的時間通過零電平的次數較少。通過較短的時間窗口對要處理的聲波信號進行截斷，得到的就是短時的幅值函數，在實際的操作一般為利用一個較短的矩形時間窗口和信號相乘，產生一個新的信號，它是原始信號在一時間片段內的截斷。在這個用時間窗口截斷的信號中，數值符號改變的次數就是短時過零率函數，將二者綜合起來就是短時幅值及過零率函數，可以用來對液面不明顯的回波信號進行識別。用短時幅值及過零率處理的過程如下圖。短時幅值函數識別液面反射波重建新號短時幅值及過零率處理數據預處理短時過零率函數參數調節圖4-8 短時幅值及過零率處理流程圖設原始的聲波信號序列為 x ( n )，用一個矩形時間

54、窗口 w( n )對聲波信號進行截斷： （4-4）式中，N 為幀長（每一幀內的數據點數）。截斷后得到的第m幀的第n個幅值為 式中，n為數據點在該幀中的次序，0 < n N，L為每一幀移動的距離，即對聲波信號截斷時窗口移動的長度。第m幀的短時幅值函數定義為 ，為幅值影響系數，它表示了在該幀中大幅值對短時幅值函數的影響程度。當較大的時候，表示在這一幀中的大幅值對短時幅這函數的影響比較大，這時候的短時幅值函數的大小主要由這一幀當中的較大幅值來確定；而當較小的時候，大幅值對短時幅值函數的影響相對來所比較小，所以這個時候的短時幅值函數和其他的一般幅值也有關系。當聲波信號的相鄰的采樣點數值的符號不一

55、樣的時候，我們稱這個信號在這一點的狀態為過零。短時過零率函數的定義是在階段的時間窗口的聲波信號的幅值數值符號干變得次數10，用公式表示為： （4-5）式中，短時幅值函數主要體現的是聲波信號在一段時間內的幅值情況，而短時過零率函數主要體現的是聲波信號的數字序列隨時間變化過程的特性。將兩者綜合起來，可以定義短時幅值及過零率函數，可以同時體現體現聲波信號的幅值和隨時間變化的特性。短時幅值及過零率函數的定義為 (4-6)其中的f（S m）和 f（Z m） 分別表示短時幅值函數和短時過零率函數的函數，它們都是根據情況可以選擇使用的。這里選擇使用式中的a和b是短時幅值函數和短時過零率函數對短時幅值及過零率函數的影響系數，分別表示它們對短時幅值及過零率函數的影響，的出現是為了防止分母為零和控制過零率對整