油井動液面檢測信號的小波時頻分析

關(guān) 靜

(西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065)

0 引言

油井動液面遠程檢測系統(tǒng)是利用聲波在氣體介質(zhì)傳播的過程中，遇到障礙物會發(fā)生反射的原理來計算動液面的[1]。由于油井的油套管中的情況比較復雜，聲波在其傳播過程中會受到各種噪聲的干擾[2]，使液面反射回波和接箍反射回波不容易辨識，導致信號中提取聲速和計算動液面時出現(xiàn)誤差，無法達到準確計算動液面的目的[3]。在對含噪信號中提取有效信息之前，需對信號進行特征分析，則檢測信號的特征分析則變得至關(guān)重要[4]。

近年來，有不少學者對動液面檢測信號進行了研究。王海文、林立星等[5，6]針對反射聲波信號常常出現(xiàn)液面反射位置不容易辨識的情況，采用小波變換法和譜減法對反射信號做去噪處理，經(jīng)過去噪處理后，液面反射信號位置清晰可辨。任建、王平、于天津[7]提出利用DSP的FFT方法來提取聲速，從而提高測量精度。當前，學者們都主要對油井動液面檢測信號做去噪處理，但是很少有人做動液面檢測信號特征分析。

小波變換時頻分析是一種將時域與頻域結(jié)合起來的信號處理方法，已廣泛應用于生物醫(yī)學[8]、雷達檢測[9]、地震研究[10]等各個領(lǐng)域。

為克服時頻分析方法的難題，本文利用小波變換分析油井動液面檢測信號的特征。通過仿真信號與實測信號分析可知，利用小波變換進行時頻分析，能夠?qū)崿F(xiàn)信號時域與頻域同時分析，并且能夠有效地分析信號的突變特征，可應用于油井動液面檢測信號特征分析。

1 油井動液面檢測信號的采集

在油井下，油管的兩根管段之間是用油管接箍連在一起的，每兩個接箍之間的距離是一致的且已知距離為9.6 m，油井下的整根油管由上百根管段連接而成。油井動液面測量儀器測量時，聲波發(fā)聲裝置爆破發(fā)聲，產(chǎn)生一個脈沖聲源。聲波在油管與套管的空氣柱內(nèi)向井下傳播，在傳播過程中，每遇到一個油管接箍就會反射一個回波，組成接箍回波信號。由于兩個管段接箍的間距基本相等，則安裝在井口的微音器采集到的節(jié)箍回波信號是一個近似周期信號。當聲波到達液面時，節(jié)箍波信號已經(jīng)衰減為很小，此時接收到的一個較強的回波就是液面回波信號。

2 油井動液面檢測信號的小波時頻分析

利用小波變換對原始信號進行特征分析。原始信號和小波時頻分析圖如圖1所示。

將小波時頻分析圖放大，找到接箍回波時間范圍內(nèi)的時頻圖，對應時間觀察分析接箍回波信號頻率特性。在套管內(nèi)，接箍長度一般為9.8 m，聲波在空氣柱內(nèi)傳播的速度為300～500 m/s，則理論上計算的接箍回波的頻率帶為15.3～25.5 Hz。原始接箍回波信號與放大的小波時頻分析圖如圖2所示。

圖1 原始信號和小波時頻分析圖

圖2 原始接箍回波信號和放大的小波時頻分析圖

將小波時頻分析圖放大，找到液面回波時間范圍內(nèi)的時頻圖，對應時間觀察分析液面回波信號頻率特性。原始液面回波信號與放大的小波時頻分析圖如圖3所示。

圖3 原始液面回波信號和放大的小波時頻分析圖

完整的原始信號的小波時頻分析圖如圖4所示。

由圖2可知，在0～2 s的時間內(nèi)，原始信號的接箍回波信號較清晰。對原始信號做小波時頻分析后，在小波時頻分析圖4中可知，接箍回波信號清晰的時間范圍內(nèi)，16.52 Hz和33.05 Hz兩個頻率段的信號較強，同時在理論上，計算的接箍頻率帶為15.3～25.5 Hz，結(jié)合理論與時頻分析結(jié)果，在對接箍信號進分析處理時，選用16.52 Hz～33.50 Hz附近頻率段的信號。

圖4 完整的原始信號的小波時頻分析圖

由于油田上有淺井與深井之分，深井井深一般大于1 500 m，理論上，聲速為340 m/s，則時間則大于8.8 s。在小波時頻分析圖4中可知，在大于8.8 s后，只有1.8 Hz附近頻率段的信號還存在，則在對液面信號進行分析時，選用1.8 Hz附近頻率段的信號。

3 結(jié)論

1) 小波變換分析信號特征，具有時頻分析特性，解決了頻譜分析法不能分析信號局部特性的問題，對油井動液面檢測信號的分析效果理想。

2) 通過利用小波變換分析油井動液面檢測信號，可知檢測信號的接箍回波信號的有效頻率在16.52 Hz～33.05 Hz附近，液面回波信號的有效頻率在1.8 Hz附近。

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