基于声学的油井液面高度测量仪器研制论文.docx

1、基于声学的油井液面高度测量仪器研制论文CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目：基于声学的油井液面高度测量仪器研制学生姓名： 赵高翔学 号： 200857050112班 级: 055710801专 业： 电子信息工程指导教师： 李 鸿 2012 年 6 月题 目：基于声学的油井液面高度 测量仪器研制 学生姓名： 赵 高 翔学 号： 200857050112 班 级： 055710801所在院(系): 电气与信息工程学院指导教师： 李 鸿完成日期:基于声学的油井液面高度的测量仪器研制摘要在油井的开采过程当中，需要对油井的温度、压

2、力、液面高度等一系列参数进行测量，监控整个油井的开采过程，同时为下一步的工作提供相关的指导，其中油井的液面高度是一个非常重要的参数。它能够真实的反应地质储量、优化生产，减少抽汲车的空返、提高采油泵的泵效并提高其的使用寿命。本设计中的油井液面高度测量主要通过渡越时间法，即在井口利用爆炸声源产生的一大功率声波信号，利用声波信号在油井环套中传播遇到接管管面和液面反射的原理，再通过微音器接收反射回来的信号。然后通过对回波信号的曲线进行分析，得到液面波反射回井口的时间，最后通过声波在空气中的传播速度计算出油井的液面高度。在对油井液面高度测量的返回曲线进行分析的过程当中，根据在声波法测油井液面高度的过程当

3、中声波频率的研究和噪声信号产生的原因，设计低通数字滤波器和利用谱相相减法对液面反射波进行处理，达到将具有高频特性的油井接箍波和噪声波信号去除掉的目的。然后将短时幅值及过零率函数用于液面反射波的识别，得到液面反射波的具体位置，从而得到从发射声波到微音器接收到液面反射声波的时间。最后通过对接箍反射波利用快速傅里叶变换计算出声波在油套环空气中传播的速度，从而计算出油井液面的高度。关键词：声波；数字滤波器；短时幅值及过零率函数；傅里叶变换DEVELOPED BASED ON THE ACOUSTIC WELL LIQUID LEVEL MEASURING INSTRUMENTSABSTRACTWhen

4、 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 reaction

5、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 the e

6、xplosion 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 wellhea

7、d, 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 to me

8、asure 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 crossing ra

9、te 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 speed of

10、 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 transform目录第一章 绪论 1课题背景 1研究意义 1国内外研究状况 2第二章 相关技术简介 52.1 声波的定义 52.2 声波的反射 52.3 声波的吸收与衰减 7第三章 声波法测油

11、井液面技术研究 93.1液面深度、沉没度和泵效、系统效率的关系 93.2声波法测油井液面的工作原理 133.3声波法测油井液面误差原因分析 14第四章 反射波信号的处理 174.1 反射波信号的频率分析 174.2 声波信号的数字滤波 174.2.1 数字滤波器原理 174.2.2 数字滤波器用于滤波时的设计方法 204.2.3 用数字滤波器对反射声波曲线滤波 204.3 利用短时幅值过零率对液面反射波的识别 23第五章 声波法测油井液面误差处理 265.1 利用谱减法消除背景噪声的影响 265.1.1谱相减法原理 265.1.2利用谱减法对声波曲线滤波 275.2 声波在空气的传播的速度的确

12、定 285.2.1 用傅里叶变换对信号进行描述和处理 285.2.2 对傅立叶变换的改进 325.2.3 对接箍反射波利用快速傅立叶变换计算声速 33第六章 总结 37参考文献 38致 谢 401 绪论1.1 课题背景随着社会的发展，人类未来的发展将越来越离不开能源，而现在人类主要使用的能源来自于石油的提炼，所以说石油的开采会在我们未来的世界扮演一个很重要的角色。在油井的勘探和开发当中，需要对油井的温度、压力，液面高度等等一系列参数进行测量，监控整个开采的过程，同时为下一步的工作提供相关的指导。在油井的开采过程当中，有一个易发生易喷、易漏储层试油压井期间，在这段时间可以通过准确的计算出地层压力

13、，在地层流体刚进入井筒就发现溢流，从而控制溢流，降低起下钻、电缆作业的风险。而地层压力的计算主要来至于通过油井的液面高度来计算得到，所以说在油井的开发当中液面高度是一个很重要的参数。在对于油田进行开发的过程来说，准确的把握油井的液面高度及相关情况是一个重要的前提和基本的准备。在油井开采的过程当中对油井液面进行准确的测量，能够真实地反映地质储量、优化生产规划和保证采油设备安全运行。同时对于探测油井液面的高度，确定相关的情况，我们也能够科学而准确的掌握油田的相关供液能力，为此作出基本的评估和推测，进而确定抽油泵的沉没深度,制定出合理的油井工作制度，减少抽汲车的空返或采油泵的功耗，提高泵效，对有效提

14、高采油泵的使用寿命等方面都具有重要意义。1.2 研究意义油田在刚开始开发的时候，油井主要依靠原始地层能量，利用原始地层压力进行自喷开采。在开采过程中，地层能量逐渐减低，油井必须依靠人工举升的方式将原油从地层举升至地面。在利用人工举升方式进行生产的过程中，需要了解油井的液面深度，来确定油井的在开采过程当中的沉没度，在根据这一要求合理的利用抽油机，以提高泵效和整个系统的效率等等。下面的几点是针对准确的测量出液面高度能够起到的作用(1) 延长抽油机泵寿命，提高它的工作效率；延长修井间隔时间，降低维修费用。(2) 可以使抽油机泵的采液能力适应油井的供液能力，动态调参并且稳定油井液面，合理开采，提高油井

15、产量。 (3) 在正常生产中，根据液面的变化情况，选择最佳速度和对应运行功率的调速方案，使电动机运行在输出功率较低的工况，提高系统效率，减少实际电耗。(4) 全面监控，减少意外停产和风险。1.3 国内外研究状况液位测量在我们的生活当中各个领域都有应用，特别是在一些要求比较高的技术领域，由于其使用环境的特殊性等一些原因，对液位测量结果的要求不但精度高，而且其测量装置还要承受恶劣环境等各种外在的原因的影响。同时还必须具备数字化和线性化，对安全性和可靠性要求都比较高。目前国内外市场上液位测量的主要测量技术有十多种，有超声波、次声波、压力、激光、雷达、射频等等一系列液位传感器系统。下面对几个液位测量传

16、感器进行简单的介绍。1超声液位测量系统超声波液位测量是由于空气和水之间的反射率基本上是100，利用气体与液体对超声波界面的反射进行测量，这样不需要接触测量物质即可测量液位。利用声波源发射超声波，测量超声波达到所测液位面后反射回来所需的时间，利用该时间乘以声波在空气的传播速度来进行测量，称为渡越时间法。超声波液位测量系统中的微处理机能迅速、精密地计算出传感器到被测物之间的距离。在超声波测距传感器研制方面，美国一直处于领先地位，例如美国的Milltronics公司，就研制出了具有测量液位、测量液位差等等几项能力的多量程超声波液位监测系统以及可监视14cm到30cm范围的液位变化研发的非接触式超声波

17、传感器。还有Magmetrol国际公司，其研制的EchtelFII型超声波液位控制仪不仅具有连续波信号的高增益系列和脉冲信号的超增益系列两种控制模式，还增加了一个检验机构，使之具有自检功能。以及Hybepark电子公司，其研发并生产的双液位传感系统，采用二只分别调节上限和下限液位的电位计，并在液体之上装上一个与控制装置相连接的超声波探头，控制装置通过与感受到的极限液位去进行比较后去启动指示器和继电器，然后启动液体输出。2雷达液位测量系统雷达液位测量系统主要利用同步调频技术，通过一微波发射器在液面上方向液面发射经过调频的微波信号。当接收器在接收到液面返回的回波信号时，由于声波在空气中的来回传播导

18、致的时间的延迟，发射频率发生了改变。将发射波和回波这两种信号混合处理，比较所得信号的差频正比于发射源到液面之间的距离。雷达液位测量系统的测量精度高，无需定期维修，而且特别适合类似沥青的高粘度和高污染产品，但是却存在安装复杂且价格偏高的原因一直未真正的走入到大家平时的生活当中去。3电容液位测量系统与其它液位传感器相比，这样一个通过利用被测对象物质的导电率，将液位变化转换成静电电容变化来测量液位的电容液位传感器，具有灵敏度高和输出电压高、动态响应好、无自热现象、对恶劣环境的适应性强、过载能力强等优点。目前市场上新型液位测量系统的相对于常见的变压器电桥式、运算放大器式及脉冲宽度式等电容传感器测量电路

19、的关键在于电路的转换。对测试线路的改进主要有以下几种措施：(1)通过微处理机对干扰信号进行识别剔除；(2)利用电荷平衡式和电压平衡式等零位测量方式，达到降低对电源电压，抑制分布电容影响的目的；(3)通过市场上常常采用功能电路集成化，大幅度降低生产成本、从而提高产品的性价比。由美国Electromatic控制公司最新推出的敏感度可以调节电容传感器，其主要含有两个切断延时范围为0.1min到10min的内部继电器和SA单刀双掷输出继电器。同时由美国Drebrook工程公司研究,工作频率达100kHz点面控制装置，在被测物质达到水平面预定值的时候，该装置在给继电器加上接触防护罩的同时，并对使传感器的

20、电容也发生变化，从而引起电子装置中信号的变化。1990年由美国公开的一种手提式电容液位测量仪专利中介绍到，当电容开关探测到液位时通过其上的一个可见预警和一个可听预警信号显示液位信号。该装置可用于方便直接的测试出贮箱中的液位。同年公开的还有另一项美国专利，介绍的也是一种电容液位传感器。该装置的主要原理是用一个吸量管探头抽取样品液体，并且通过安装在在探头上的一个振荡器产生高频信号幅值和相位来产生液位信号并得到液面高度的实际值，该液位仪器主要的应用是用来探测液体管道中的液位。同时国内外对于油井的液面测量主要还是应用声波的反射进行油井液面的测量，简称渡越时间法。在井口连接处安装一发声装置和微音器，发生

21、装置主要通过激发一颗子弹产生一大功率脉冲信号，该信号在沿着油井管道向下传播的时候，在遇到油管接箍和油井液面时，由于声波的反射，会返回接箍反射波和液面反射波，同时通过微音器将返回的声波信号进行接收，最后对接收到的回波信号进行分析处理，找到液面反射波并通过声波在空气中的传播速度计算出油井的实际液面高度。在液面反射声波信号的处理上，可以利用返回的波形的频率，液面发射波信号主要取决于初始脉冲，传播距离，变化断面的类型和压力等。在井口部位的接箍反射波具有高频能量，深部的接箍回波具有中等频率能量，在液面处反射波具有较低频率的能量。同时由于声波在传播的过程当中受到各种噪声的影响，使得液面反射声波信号很难辨认

22、出来，无法进行下一步的工作。在返回声波信号的处理上，国内学者提出很多利用接箍反射波周期计算出声波的传播速度，有短时自相关函数1、人工神经网络等等方法。例如吴新杰在这一方面的研究就利用的是神经网络处理方法2，将微音器接收到的实际声波返回信号输入到可训练神经网络当中，对接箍反射波进行识别，可以清晰的找到接箍反射波的位置。最后在对于液面反射波的辨识及处理方面的研究相对来说比较少，主要有张朝辉的低通椭圆滤波器滤波的方法3和吴新杰等的分形模糊控制滤波4的方法等等。张朝辉根据声波在传播的过程当中的衰减，最后由液面返回的信号中基本上为低频率的特点，设计低通椭圆滤波器将其高频信号滤除，使波形清楚可见，得到油井

23、液面的液面反射波位置。吴新杰等根据分形理论，对分形模糊控制理论的参数进行了调整，并通过自回归过滤，对信号进行滤波处理，简称模糊控制方法。总而言之，目前国内对声波测油井液面的液面返回波信号辨识技术的发展还不是很理想，还存在很多实际生产开发当中可能遇到的问题遇到得到解决。 2 相关技术简介2.1 声波的定义声波（Sound Wave或Acoustic Wave）是声音的传播形式。声波是一种机械波，由物体（声源）振动产生，声波传播的空间就称为声场。在气体和液体介质中传播时是一种纵波，但在固体介质中传播时可能混有横波。人耳可以听到的声波的频率一般在20赫兹至20000赫兹之间。 声波可以理解为介质偏离

24、平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递过程，而不发生质量的传递。如果扰动量比较小，则声波的传递满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，则不满足线性的声波方程，会出现波的色散，和激波的产生。2.2 声波的反射声波在介质中不断向前传播的过程当中，在遇到不同的介质的情况下会发生反射和折射等等现象。声波的反射和光学当中学到的反射现象是类似的，在声波进入到别的介质发生反射的现象的时候，入射角和反射角大小相等（如图2-1中的t=r）。声波在不同的介质当中进行传播过程当中，两种介质具有不同的特性阻抗，在到达分界面的时候会出现声波的反射和透射这两个现象。对于这两个现象，我们可以通过声功率反射系数

25、和声功率透射系数这两个系数来对其进行表征。如下式 (2-1) (2-2)图2-1 声波在空气中的传播式中，R 为介质的特性阻抗，Ns/m3；r 为介质密度，kg/m3；c为介质声速，m/s。声功率反射系数和声功率透射系数分别表示了声波反射的能量和透射的能量与进行入射的声波能量的比值。当R2R1的时候，r几乎可以等于1，发生全反射现象。例如声波由空气入射到水或油当中，声波的能量几乎全部被反射。当声波垂直入射的介质为固体表面时，声功率反射系数和透射系数这两个系数可以通过法向声阻抗率来表示 (2-3) (2-4)式中，r n为阻分量，Ns/m3；x n为抗分量，Ns/m3。声波在介质中向前传播的过程

26、当中，不仅会发生反射，同时也会出现折射、衍射和散射等其他现象。但是在利用声波测油井液面的过程当中主要运用的还是声波的反射现象，其他的一些现象会在测试的过程当中造成一定的干扰，下面对声波的这些现象作一点简单的介绍。声波的折射：当声波进入不同介质时，声波的传播方向因在介质中传播速度的发生改变而发生偏折称为折射现象。声波的衍射：声波在向前传播时候，当被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体，继续向前传播，这就是声波的衍射现象。声波的散射：当声波在某种介质中传播时，由于介质中存在有其他物质的微粒，声波就会朝四面八方散射。例如在油套环空液面处有较多的泡沫油存在，声波传播到此处时，会产生散射现

27、象，对测试结果产生干扰，但散射本身的强度并不是很大。2.3 声波的吸收与衰减根据能量守恒定律（能量既不能产生也不能消失，而是由一种形式转化为另一种形式）。声波是一种空气分子的振动能量，在传播的过程当中，会由于物体对声波能量的吸收转换成热能。而在本测试当中，声波在油套环空中向下传播的时候，由于环中空气的吸收和温度梯度等的原因，能量被转换成其他形式而不断衰减。理想的情况下，介质在发生形变之后是可以恢复到形变之前的，而且形变的过程是没有阻尼作用和完全绝热的，所以声波向前传播的过程当中，假设是在理想的介质当中，那么介质也就不会吸收声波的能量，声波的能量也不会在传播的过程当中转化成其他形式的能量。所以说

28、声波在理想的介质当中传播时能量不会衰减和损耗，始终保持不变。但是，声波在实际的传播过程当中，不可能存在所谓的理想的介质，在传播的过程当中，传播介质会吸收声波的能量，并将声波的能量转化成其他形式的能量。所以说在实际的声波传播过程当中，声波的能量和幅度会得到一定的衰减。声波在传播的过程当中衰减的原因主要有三个：第一，声波在传播的过程当中，波阵面在空间扩展产生的集合衰减，在总能量不变的情况下，传播的过程当中由于这个原因声波的幅度发生改变。第二，由于介质对声波能量的吸收，将其的能量转化成热能。第三，声波在传播过程当中会遇到介质中含有的一些小的粒子并发生散射。在上面讲到了声波在传播过程当中能量衰减的主要

29、几种形式，而其中的第二个介质的吸收是最主要的形式。而介质对于声波能量的吸收也可以细分为两种形式，第一种为粘滞吸收。声波在介质当中的传播会导致介质的形变，而介质本身具有粘性，在变形和恢复的过程当中就会发生能量的转化。在这里我们运用声强的这一系数来描述声波传播过程的粘滞吸收，声波在传播的时候受粘滞吸收的影响，离声源 x处声强： （2-5）式中，I0为声源声强，W/m2；a 为吸收系数，dB/m。声波在传播的过程当中，相邻质点的速度不同，所以存在运动内摩擦力。忽略容变粘滞（流体体积发生变化产生的粘滞力）的影响，粘滞产生的声波吸收为： (2-6)式中a h为粘滞引起的声波吸收系数，dB/m； f 为声

30、波的频率，Hz； 为介质的粘度系数，m2/s；c为传播速度，m/s； 为介质平均密度，kg/m3；第二种能量的吸收衰减为热传导吸收，声波在向前传播的过程当中，介质经过反复的压缩变形、恢复、压缩变形的过程，在这一过程当中，当进行压缩变形的时候，介质的体积变小，温度得到升高；在恢复的过程当中体积变大，温度得到降低。所以造成在介质当中分别进行压缩和恢复的两个区域会产生温度差，这两个区域从而进行能量的传递。根据 Kirchhoff 提出的声波在传播的过程当中由于热传导引起的声波能量的吸收，吸收系数定义为： (2-7)式中，k 为热传导系数，W/(mK)；C v为定容比热，r=Cp/Cv从式中我们可以看

31、出热传导的吸收系数和声波频率的平方成正比，和声波传播的速度的三次方成反比。综合 Stokes 和 Kirchhoff 的理论，声波在传播过程当中由于介质的吸收造成的总的吸收系数为： (2-8)从上式我们不难看出，声波在向前传播的过程当中，不同频率的声波在传播的过程当中衰减的程度不同，衰减的程度与声波的频率的平方成正比，也就是说在传播的过程当中频率越高，衰减程度就越大，所能传播的距离也就越短。 3 声波法测油井液面技术研究3.1 液面深度、沉没度和泵效、系统效率的关系在油井的开采过程当中，液面深度和抽油泵的沉没度对油井的抽油泵的效率有着很重要的影响。一般情况下通过增大沉没度可以提高抽油泵的效率，

32、但并不是为了提高泵效而可以盲目的不断加深泵挂深度，增大沉没度。在这一方面有卢建平利用统计和曲线拟合的方法对其进行过研究，主要通过在油井当中不同沉没度和油井泵效的关系曲线5（如图3-1）。从图中我们不难看出，在沉没度比较低的时候通过不断增加沉没度，泵效可以得到显著的提高。泵效能够得到显著提高的原因是：在较低的沉没度的情况下泵入口的压力比较小，所以进入泵内的流体的含气量比较高，增加沉没度可以增大泵入口的压力，气液的含量可以达到降低的效果，最终达到提高泵的充满程度的效果。但是随着沉没度的慢慢增加，泵效的提高幅度慢慢减缓，沉没度对泵效的影响慢慢减弱，最后在沉没度达到一定的值后，增加沉没度对泵效的提高已经基本上不存在影响，因为泵效已经稳定在一个固定的值不再改变，