新型聲波傳感器在井下聲信號接收中的應用

張育新（中國石油遼河油田興隆臺采油廠，遼寧盤錦 124010）

新型聲波傳感器在井下聲信號接收中的應用

張育新（中國石油遼河油田興隆臺采油廠，遼寧盤錦 124010）

新型加速度型聲波傳感器，采用獨特的三軸組態(tài)模式，具有接收方向性強，靈敏度高及系統(tǒng)噪聲極低的特點。經(jīng)模擬管柱試驗證實，加速度型聲波傳感器單相同軸靈敏度等均符合技術要求，在井下聲信號接收的強噪聲環(huán)境下，有效消除隨機噪聲，提高信噪比，正確還原檢測信號，信號提取的仿真程序運行可靠。

加速度型聲波傳感器；WVD理論；時頻峰值濾波（TFPF）

井下溫度壓力無纜聲導測試技術實現(xiàn)了利用油管長距離傳輸井下測試信號的目的。為解決儀器下井深度較深時，有效的聲信號幅值很小，甚至與環(huán)境噪聲為同一聲級信號，導致信噪比低，解碼還原困難的難題，研制了新型聲電轉換器。該轉換器應用加速度型聲波傳感器，通過組態(tài)和優(yōu)化設計，對發(fā)送上來的垂向振動波具有良好的瞬態(tài)響應，指向性好，因而對噪聲有一定抑制作用。同時在充分借鑒先進的三維地震波數(shù)字處理技術的基礎上研制出地面數(shù)字聲通訊信號采集器。它采用Wiger—Ville分布理論和時頻峰值濾波技術，有效濾除隨機噪聲干擾，較好的提取出有效信號，實現(xiàn)了提高數(shù)據(jù)信噪比及拓展井下測試深度的目的。

1 加速度型聲波傳感器的研制

1.1 原始信號分析

為了研制井口加速度型聲波傳感器及地面數(shù)字聲通訊信號采集器的建模仿真要求，必須要了解原井下無纜聲導測試儀聲源特征及其在不同衰減情況下的聲信號變化特征。

鑒此，先后錄取了不同管柱長度下的接收信號波形并進行了時譜分析，測試取得的資料表明，經(jīng)1800m管柱傳輸后，有用的同相軸信號波形呈近似鐘形時譜包絡，時域寬度20-30ms。經(jīng)4000倍放大后，在弱環(huán)境噪聲條件下，有效信號幅度約為幾十微伏。而在強噪聲環(huán)境下，有效信號已難于分辨。考慮到隨著測試井深的增加，有效信號幅度會進一步減小，則要求井口接收器設計接收信號閾值應達到1-10μv級別。

1.2 加速度型聲波傳感器的設計

井下無纜聲導測試儀中的大功率電聲轉換器規(guī)屬于點狀聲源，發(fā)出的聲音信號按球面波規(guī)律向周圍輻射。采用三維加速度傳感器，并采用多片組合模塊式結構，增強重力軸方向上的信號。同時采用差動平衡電原理削弱和抵消水平分量對重力軸的影響，確保檢測信號的高信噪比。

經(jīng)實驗室內(nèi)的測試，已達到項目技術指標要求。即信號輸入范圍0-2g，折算最小信號閾值1μv，垂直軸頻帶0-400Hz，采樣率1-50ms，靈敏度達到2000mv/g，最大容限噪聲8×10-6V。

2 地面數(shù)字聲通訊信號采集器的研制

由于來自加速度型聲波傳感器的信號很微弱，尤其是其安裝的位置是在井口附近，隨機干擾很多，尤以環(huán)境噪聲為主。特點是無法人為降低干擾水平。環(huán)境噪聲從頻譜上看，主頻較低，與有效波的頻率重疊較多，僅從頻率域來壓制比較困難。

綜上所述，如果直接對傳感器輸出信號進行解碼還原將無法取得良好效果。為此，依據(jù)經(jīng)典聲學中的Wiger-Ville分布理論及時頻峰值濾波技術進行了重點應用研究，目的是完成強干擾背景下微弱信號的檢測。

3 室內(nèi)實驗及現(xiàn)場應用

主要任務：使用電子設備模擬和測試整個系統(tǒng)的電原理功能和仿真軟件的實用性和技術指標，判斷及驗證在強噪聲條件下（包括信號頻偏）利用TFPT濾波技術提取有用信號的可信性。

實驗結論：在室內(nèi)試驗過程中，采用改變輸入信號幅頻特性及改變噪聲信號強度等多種組態(tài)模擬方式，仿真了實際應用中的各種條件。通過室內(nèi)試驗結果表明，采用時頻峰值濾波算法來提取有用信號，能在存在較小失真情況下有效恢復出強噪聲環(huán)境下的有用信號。同時也驗證了數(shù)字仿真處理技術及整套系統(tǒng)測試精度已達到設計指標。

通過對興古7井進行無纜聲導測試試驗，實時錄取該井的壓力、溫度變化，考核地面無纜聲通訊裝置技術性能。

下井儀在井下測試層位共采集溫度壓力數(shù)據(jù)87組，其中發(fā)送數(shù)據(jù)82組，地面接收儀共接收數(shù)據(jù)82組，全部接收。

井下發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)值與地面接收儀接收數(shù)據(jù)數(shù)值完全吻合，證明井下溫度采集系統(tǒng)測試精度達到設計指標。

4 結語

4.1 采用加速度型聲波傳感器接收井下聲通訊信號，具有靈敏度高，指向性好等特點，具有拓展井下測試深度的作用。

4.2 應用WVD分布理論及TFPF時頻峰值濾波算法，能夠在強噪聲條件下提取有效信號，起到了進一步拓展井下測試深度的關鍵作用。

4.3 通過現(xiàn)場實際測試（興古7井）證實，整套井下無纜聲通訊接收裝置達到合同要求技術指標，同時仍有拓展井下測試深度的空間。

4.4 建議在現(xiàn)有技術基礎上，增加數(shù)據(jù)遠傳和雙向控制功能，該功能可在基地主控中心隨時調取井下測試數(shù)據(jù)，直至最終實現(xiàn)地面井下雙向測控目標。

［1］機電一體化手冊編輯委員會編.機電一體化手冊（上、下冊）.北京：機械工業(yè)出版社，1994，56-71.

［2］李勇敏主編.數(shù)字化測試技術-模擬信號調整.數(shù)據(jù)轉換及采集技術.北京：航空工業(yè)出版社，1987，61-78.

［3］張建民主編.傳感器與檢測技術.北京：機械工業(yè)出版社，1996，53-67.

［4］王克協(xié)許吉慶。柱狀雙層準彈性介質中聲輻射場的理論分析-聲法測井理論研究（1）.吉林：吉林大學自然科學學報，1979，第二期，47-56.

［5］王克協(xié)許吉慶.柱狀多層準彈性介質中聲壓波形的數(shù)值計算與分析-聲法測井理論研究（2）.北京：地球物理學報，V01，28，No，2，208-217，1985.

［6］王克協(xié).聲波測井物理基礎上冊第四章，下冊第五章（1976）.吉林：吉林大學出版社.

張育新（1971-），男，工程師，1996年畢業(yè)于遼河油田職工大學自動化儀表專業(yè)，從事油田測試工作25年。