基于數(shù)字濾波的液面深度測量系統(tǒng)設計

文/黎愛瓊 李雪 王川

測量油井液面深度是測井技術(shù)中一項重要的工作，而采用何種技術(shù)才能精確計算出井深一直是測井技術(shù)的一個難題，目前數(shù)控測井技術(shù)使用廣泛。由于傳統(tǒng)聲速測井法在計算井深時，如果知道氣體在井中各部位的成分或氣體的組成情況，即可較準確地計算出液面深度。而實際油井中不同深度處的壓力、溫度、密度、成分不同，因而氣體在油井中具體分布情況很難確定，從而導致聲速在各個部位的速度也不同，無法精確計算出液面深度。為了實現(xiàn)精確測量，本文提出了數(shù)字濾波測井法。

1 硬件系統(tǒng)

本測井系統(tǒng)主要由微處理器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、輸出顯示模塊、人機交互系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾個部分組成。傳感器系統(tǒng)中的微音器輸出的反射波電信號經(jīng)電纜輸入到放大濾波電路、微處理器處理電路、輸出顯示電路，通過放大濾波電路和數(shù)據(jù)處理電路，由輸出顯示模塊將反射波形輸出。

本系統(tǒng)中微處理器系統(tǒng)是核心，它是利用聲波來測量油井，根據(jù)套管內(nèi)液面柱高度及其變化推算出油層壓力與井底壓力及其變化情況，從而確定油層的采油效率，使抽油泵保持最佳沉沒度。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理是：首先將發(fā)生器與井口套管連接好，打開套管閥門，轉(zhuǎn)動發(fā)生器的扳機，使擊針在彈簧作用下撞擊子彈引爆，子彈爆炸產(chǎn)生了一個強大的聲波脈沖信號，聲波脈沖信號傳入油井套管，通過套管環(huán)形空間內(nèi)的氣體介質(zhì)向下傳播，脈沖信號碰到油管的接箍、音標、液面以及其它障礙物產(chǎn)生反射；傳感器將這些反射脈沖信號接收并轉(zhuǎn)換成電信號送到放大電路中；在放大電路中將傳感器接收的信號進行濾波、放大后，通過系統(tǒng)程序?qū)⑵鋱D形顯示在LCD上；根據(jù)顯示圖形曲線上的接箍波數(shù)目、音標波位置、液面波位置，即可方便地計算出液面深度；同時如果確認記錄的數(shù)據(jù)正確，記錄油井號以及記錄時間將其存儲在系統(tǒng)存儲器中，這樣方便以后調(diào)用。

使擊針在彈簧作用下撞擊子彈引爆，產(chǎn)生一個壓力脈沖；該脈沖通過套管環(huán)形空間的氣體介質(zhì)向下傳播，碰到油管接箍、音標、液面及其它障礙物產(chǎn)生反射；傳感器將這些反射脈沖信號接收并轉(zhuǎn)換成電信號送到放大電路中；在放大電路中將傳感器接收的信號進行濾波、放大后，通過系統(tǒng)程序?qū)⑵鋱D形顯示在LCD上；根據(jù)顯示圖形曲線上的接箍波數(shù)目、音標波位置、液面波位置，即可方便地計算出液面深度；同時如果確認記錄的數(shù)據(jù)正確，記錄油井號以及記錄時間將其存儲在系統(tǒng)存儲器中，這樣方便以后調(diào)用。

2 液面深度計算

本系統(tǒng)的液面探測原理是：在井口連接器處安裝傳感器及發(fā)生裝置，擊發(fā)一顆發(fā)聲子彈產(chǎn)生聲脈沖，聲脈沖沿著油井套管向井下傳播，當遇到油管接箍、音標和液面等障礙物便產(chǎn)生反射脈沖，返回的聲脈沖由傳感器接收并轉(zhuǎn)換成電信號，通過雙通道放大、濾波電路后，輸出顯示兩路聲脈沖波形；一路信號記錄接箍、液面、音標和其他較大障礙物反射波的高頻信號，另一路信號只記錄液面、音標或其他較大障礙物反射波低頻信號；通過對輸出波形的特征位置（接箍、音標、液面）的定位，可得到油井深度。有4種計算液面的算法：平均聲速法、單接箍法、多接箍法、音標法，本系統(tǒng)采用平均聲速法。平均聲速法，在知道當前油井中的聲速，測量出聲脈沖發(fā)射到返回的時間就可以計算出液面的深度。即：液面深度=聲速×（到達液面的時間-發(fā)射的時間）/2。

圖2為聲反射波形示意圖，起始位是發(fā)射聲波信號位置或者液面波結(jié)束的位置；接箍（油管是一節(jié)一節(jié)的接在一起的，就形成了一個個等間距的接箍）是等間隔的，因而反射回的波形就是有規(guī)律的、等間隔的波形，在此接箍波的長度用選取這段接箍波的波峰或波谷到起始位的點數(shù)表示；音標是為測量油井液面深度而特地放的標記，它的反射波形比較強烈，即其波形幅度比較大，在此音標波距起始位的長度用音標波的波峰或波谷到起始位的點數(shù)表示；當聲波碰到液面反彈特別強烈，波形的幅度最高，在此液面波距起始位的長度用液面波的波峰或波谷距離起始位的點數(shù)表示。根據(jù)以上的論述，因為油管的接箍長度、音標長度是已知的，因而可以用比例法來計算液面的深度。

另外，實際的數(shù)據(jù)在采集的過程中存在不同頻段的噪聲干擾，因而很難準確地區(qū)分信號的接箍位置、音標位置、液面位置，因而需要對反射波進行處理，本系統(tǒng)采用數(shù)字濾波的方法對采集到的聲波信號進行處理。

3 最小均方法濾波分析

在MATLAB中的FDATool中設計最小均方低通濾波器，對信號進行濾波。先把濾波器導入到SPTool的濾波列表中，然后選中該濾波器，再選中信號列表中的信號，然后單擊應用，再單擊瀏覽即可顯示出濾波后波形，如圖3所示。

經(jīng)過濾波處理后，可以得到清晰的接箍位置、音標位置、液面位置反射信號，采用合適的液面計算方法就可以計算出液面的深度。

圖1：系統(tǒng)功能框圖

圖2：聲反射波形示意圖

圖3：信號經(jīng)最小乘方法濾波后的波形圖

4 結(jié)論

本文通過對采集的聲波信號進行分析，通過對傳感器的試驗測量建立起各個參數(shù)之間的對應關(guān)系；同時，利用MATLAB進行數(shù)字濾波處理，得到較清晰的濾波數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同的油井采用合適的液面算法，就可以計算出液面的深度。