摘要：在油井開採過程中，需要對油井的溫度、壓力、動液面等引數進行不定期測量以監控採油過程，其中動液面是乙個重要的引數。目前常用的測量方法是次聲波測量, 在測量過程中聲波的傳播速度是乙個關鍵引數，該文提出利用dsp的fft方法來提取聲速，從而提高測量精度。
關鍵詞：動液面；數字訊號處理；快速傅利葉變換；聲速提取
1、油井動液面測量系統
油井動液面系統組成見圖1
在實際測量過程中，為了不干擾油井中的抽油杆，通常把測量儀連線到油井油管、套管的環隙空間處。次聲波發生器發出聲脈衝通過套管環隙空氣向下傳播, 這些聲脈衝分別通過油管節箍和液面向上反射，反射回來被地面的聲脈衝接收器接收, 最後通過濾波器、放大器和資料採集與處理系統。根據次聲波脈衝回音訊號以及油管節箍的間距, 可以測出油井動液面值。
根據聲波傳播公式s= vt ，其中測量過程中到達液面的時間t可以精確測得, 而速度v受眾多引數影響, 根據聲波的傳播速度[1]公式:
1）其中p表示傳播介質的壓強，代表傳播介質的密度,下標 s表示絕熱過程。
對於理想氣體中的小振幅聲波其聲速為:
2）式中為介質常數。
根據理想氣體的克拉伯龍公式
3）其中p,v,t為m千克氣體的壓強、體積和絕對溫度, 為氣體摩爾量, r為氣體常數。於是式 (2)可改寫為:
4）由此可見，聲速與無聲擾動時媒介平衡狀態的絕對溫度 t0 的平方根成正比，同時與密度有關。利用此方法計算出在20℃時, 聲波在空氣中的傳播速度為344m/s，在水中的傳播速度為1480m/s, 差異非常顯著。由於在抽油井中各個油井之間的溫度存在差異, 此外所含天然氣的壓力也相差甚遠, 因此聲波傳播的介質密度和溫度都存在差異, 直接影響傳播速度。
對於同一口井由於單次測量時間較短，可以近似認為在一次發聲過程中的聲波傳播速度為常數，測量出這個傳播速度是精確測量動液面的關鍵所在。
以往大量的測試和分析表明，回音曲線具有如下特性[2]:
1)回音曲線具有脈衝特性。反映其特性的脈衝為起始脈衝、液面脈衝和節箍脈衝。
2)起始脈衝與液面脈衝幅度與寬度較大。
3)節箍脈衝訊號為一準週期訊號,從統計規律來看, 在每乙個節箍週期內節箍脈衝幅度最大。當時間大於一定值時,液面脈衝幅度最大。根據回音訊號的上述特性可以測量出聲速和動液面值。
3 動液面回音訊號濾波處理
抽油井結構複雜且井內不確定引數較多, 因此聲波傳播過程中干擾比較嚴重, 訊號濾波是數字訊號處理的基礎，也是提供可靠訊號的必要保證。數字濾波相比傳統的模擬濾波器更加可靠, 抽油井回音訊號的特殊性在於它要求濾出高頻雜波的同時保持原有訊號嚴格的相位關係[3], 即不同頻率訊號具有線性相位關係,因此選用經典的 fir數字濾波器。
濾波器的系統函式為，它的非遞迴性使其始終穩定, 即只有零點沒有極點。 這是它的乙個優點, 此外就是它的嚴格線性相位關係, 這是iir濾波器難以做到的, 因此使它得到了廣泛的應用。在系統中由於有用的次聲波訊號頻率較低, 一般在 20hz左右, 當取樣頻率為137hz時, 可以採用n =50 , fc = 40hz的低通濾波器, 其幅頻特性如圖 3所示[4], 可以達到濾波效能要求。
動液面回音訊號聲速提取原理
基於上述分析可知, 通過節箍的回音訊號具有週期訊號特徵, 理想回音訊號的波形見圖 4, 訊號幅度為 e、寬度為τ、週期為 т。
訊號頻譜中除直流分量外, 基波的幅值最大, 脈衝能量主要集中在基波上, 基波頻率與理想液面訊號週期t的關係為。因此, 可以認為矩形脈衝訊號能量由基波攜帶, 為了提取基波訊號, 需對回音訊號進行處理。由於訊號代表的是經過節箍的週期訊號, 而抽油井的節箍長度l是固定不變的, 訊號處理的關鍵就變成找出該訊號的週期t, 即訊號頻譜中基波的位置。
dsp相對其他微處理器具有更強的計算能力, 可以在簡短的時間內利用fft 計算出訊號的頻譜。假設訊號fft點數為n, 基波出現的時刻的點數為n, 取樣頻率為 fs, 取樣週期為ts, 抽油杆長度為l, 則聲波的傳播速度v為:
5）5 實驗分析
在遼河油田油井的液面深度測量中, 以油井j-383測量資料為例[5], 由於開始階段資料飽和, 後面資料較小,為了減小誤差,利用中間一段,取樣點數為n=512。其中l=10m, ts=7. 293 ms, 資料經過fir濾波和ff變換後如圖 5、圖所6示。
基波出現位置在77.1719，取整n=77。
如果取聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s,可計算其誤差為:
結論(1)採用了數字濾波，有效抑制了雜訊干擾，提高了動液面測量精度。
(2)對不同井採取聲速單次測量檢測，相比固定聲速測量可以提高測量精度。
(3)該測量方法提供了聲速測量的一種高精度方法,它同樣適用於其他具有該特性的訊號的週期測量。
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