新型声波传感器在井下声信号接收中的应用

张育新（中国石油辽河油田兴隆台采油厂，辽宁盘锦 124010）

新型声波传感器在井下声信号接收中的应用

张育新（中国石油辽河油田兴隆台采油厂，辽宁盘锦 124010）

新型加速度型声波传感器，采用独特的三轴组态模式，具有接收方向性强，灵敏度高及系统噪声极低的特点。经模拟管柱试验证实，加速度型声波传感器单相同轴灵敏度等均符合技术要求，在井下声信号接收的强噪声环境下，有效消除随机噪声，提高信噪比，正确还原检测信号，信号提取的仿真程序运行可靠。

加速度型声波传感器；WVD理论；时频峰值滤波（TFPF）

井下温度压力无缆声导测试技术实现了利用油管长距离传输井下测试信号的目的。为解决仪器下井深度较深时，有效的声信号幅值很小，甚至与环境噪声为同一声级信号，导致信噪比低，解码还原困难的难题，研制了新型声电转换器。该转换器应用加速度型声波传感器，通过组态和优化设计，对发送上来的垂向振动波具有良好的瞬态响应，指向性好，因而对噪声有一定抑制作用。同时在充分借鉴先进的三维地震波数字处理技术的基础上研制出地面数字声通讯信号采集器。它采用Wiger—Ville分布理论和时频峰值滤波技术，有效滤除随机噪声干扰，较好的提取出有效信号，实现了提高数据信噪比及拓展井下测试深度的目的。

1 加速度型声波传感器的研制

1.1 原始信号分析

为了研制井口加速度型声波传感器及地面数字声通讯信号采集器的建模仿真要求，必须要了解原井下无缆声导测试仪声源特征及其在不同衰减情况下的声信号变化特征。

鉴此，先后录取了不同管柱长度下的接收信号波形并进行了时谱分析，测试取得的资料表明，经1800m管柱传输后，有用的同相轴信号波形呈近似钟形时谱包络，时域宽度20-30ms。经4000倍放大后，在弱环境噪声条件下，有效信号幅度约为几十微伏。而在强噪声环境下，有效信号已难于分辨。考虑到随着测试井深的增加，有效信号幅度会进一步减小，则要求井口接收器设计接收信号阈值应达到1-10μv级别。

1.2 加速度型声波传感器的设计

井下无缆声导测试仪中的大功率电声转换器规属于点状声源，发出的声音信号按球面波规律向周围辐射。采用三维加速度传感器，并采用多片组合模块式结构，增强重力轴方向上的信号。同时采用差动平衡电原理削弱和抵消水平分量对重力轴的影响，确保检测信号的高信噪比。

经实验室内的测试，已达到项目技术指标要求。即信号输入范围0-2g，折算最小信号阈值1μv，垂直轴频带0-400Hz，采样率1-50ms，灵敏度达到2000mv/g，最大容限噪声8×10-6V。

2 地面数字声通讯信号采集器的研制

由于来自加速度型声波传感器的信号很微弱，尤其是其安装的位置是在井口附近，随机干扰很多，尤以环境噪声为主。特点是无法人为降低干扰水平。环境噪声从频谱上看，主频较低，与有效波的频率重叠较多，仅从频率域来压制比较困难。

综上所述，如果直接对传感器输出信号进行解码还原将无法取得良好效果。为此，依据经典声学中的Wiger-Ville分布理论及时频峰值滤波技术进行了重点应用研究，目的是完成强干扰背景下微弱信号的检测。

3 室内实验及现场应用

主要任务：使用电子设备模拟和测试整个系统的电原理功能和仿真软件的实用性和技术指标，判断及验证在强噪声条件下（包括信号频偏）利用TFPT滤波技术提取有用信号的可信性。

实验结论：在室内试验过程中，采用改变输入信号幅频特性及改变噪声信号强度等多种组态模拟方式，仿真了实际应用中的各种条件。通过室内试验结果表明，采用时频峰值滤波算法来提取有用信号，能在存在较小失真情况下有效恢复出强噪声环境下的有用信号。同时也验证了数字仿真处理技术及整套系统测试精度已达到设计指标。

通过对兴古7井进行无缆声导测试试验，实时录取该井的压力、温度变化，考核地面无缆声通讯装置技术性能。

下井仪在井下测试层位共采集温度压力数据87组，其中发送数据82组，地面接收仪共接收数据82组，全部接收。

井下发送数据数值与地面接收仪接收数据数值完全吻合，证明井下温度采集系统测试精度达到设计指标。

4 结语

4.1 采用加速度型声波传感器接收井下声通讯信号，具有灵敏度高，指向性好等特点，具有拓展井下测试深度的作用。

4.2 应用WVD分布理论及TFPF时频峰值滤波算法，能够在强噪声条件下提取有效信号，起到了进一步拓展井下测试深度的关键作用。

4.3 通过现场实际测试（兴古7井）证实，整套井下无缆声通讯接收装置达到合同要求技术指标，同时仍有拓展井下测试深度的空间。

4.4 建议在现有技术基础上，增加数据远传和双向控制功能，该功能可在基地主控中心随时调取井下测试数据，直至最终实现地面井下双向测控目标。

［1］机电一体化手册编辑委员会编.机电一体化手册（上、下册）.北京：机械工业出版社，1994，56-71.

［2］李勇敏主编.数字化测试技术-模拟信号调整.数据转换及采集技术.北京：航空工业出版社，1987，61-78.

［3］张建民主编.传感器与检测技术.北京：机械工业出版社，1996，53-67.

［4］王克协许吉庆。柱状双层准弹性介质中声辐射场的理论分析-声法测井理论研究（1）.吉林：吉林大学自然科学学报，1979，第二期，47-56.

［5］王克协许吉庆.柱状多层准弹性介质中声压波形的数值计算与分析-声法测井理论研究（2）.北京：地球物理学报，V01，28，No，2，208-217，1985.

［6］王克协.声波测井物理基础上册第四章，下册第五章（1976）.吉林：吉林大学出版社.

张育新（1971-），男，工程师，1996年毕业于辽河油田职工大学自动化仪表专业，从事油田测试工作25年。