低频声波油井液面检测方法研究∗

刘迎新　杨亦春　韩宝坤　肖 颖　郭 泉

（1山东科技大学　机械电子工程学院　青岛　266590）

（2中国科学院声学研究所　北京　100190）

低频声波油井液面检测方法研究∗

刘迎新1,2杨亦春2†韩宝坤1肖 颖1,2郭 泉2

（1山东科技大学机械电子工程学院青岛266590）

（2中国科学院声学研究所北京100190）

为克服冲击声波法油井液面检测设备寿命短的缺陷，研究了一种低频声波测量油井内液面深度的方法，采用电磁式扬声器产生伪随机码调制的低频声波作为探测信号。通过对回波信号的解码和相关检测处理可以抑制背景噪声的干扰。完成了油井液面检测仪的硬件和软件系统的初样设计，并对不同信噪比下的回波信号作了仿真分析，仿真分析结果表明，该方法在低信噪比情况下，仍具有良好的辨识效果。

低频声波，液面检测，调制信号

1　引言

在原油开采过程中，采油系统的效率与油井泵的沉没度有很大关系［1］，因此油井液面深度是油井开采过程中的一项重要参数。目前，各油田广泛采用声波法测油井液面深度，此方法是根据液面反射波的时间延迟与声速的乘积来计算油井液面深度，通常采用爆炸声源作为激励源，用击发空爆弹或者空气炮的方法产生强脉冲声波。对爆炸声源回波信号的提取主要有低通滤波、短时幅度-过零率函数［2］、谱减法［3］等液面回波识别方法和短时自相关函数［4］、椭圆滤波器［5］、短时平均幅度差函数［6］等接箍回波识别方法。这些方法对背景噪声的抑制均取得了良好效果。

空爆弹激发的爆炸脉冲声源会由于火药的爆炸产生高温冲击和火药残留，导致仪器腐蚀老化，降低使用寿命。空气炮在使用中会出现气阀老化失效而寿命短，使用频度受限，需要经常更换且不能完成常年连续监测［7］。因此本文提出采用电磁式低频扬声器作为声源，通过发射伪随机码调制的低频声波来实现对深井的测量，既实现了长寿命工作，又具有较大的测深能力。目前广泛采用的测量方法所使用的脉冲声波信号为宽带信号，本文的低频声波法采用的调制余弦信号为150 Hz～300 Hz窄带信号。

2　伪随机码调制低频声波检测原理

低频声波油井液面检测原理为：油井液面检测仪向井内发射一小段调制低频声波，该声波沿油管和套管的环形空隙向下传播，当遇到接箍和液面时会发生反射，低频声波传感器和数据采集设备可将回波信号记录下来。通过对回波信号的分析可以得到液面波和接箍波的时延值。图1所示为将低声频声波油井液面检测仪安装在油井口的示意图。

图1　油井液面检测仪安装在油井口的示意图Fig.1 The structure diagram of oil well liquid level detector installed in the mouth of oil well

当井内温度梯度已知时，可据此计算油井内的声速梯度，再结合液面回波的时延值即可求出液面深度。当井内温度梯度未知时，可将已知的接箍间距除以相邻两接箍的时延得到井内的声速梯度，从而求得液面位置。声波的衰减系数与频率的平方成正比，因此频率越低，声波的传播距离越远，但是频率太低时，声波容易穿透液面，导致液面回波的幅值较小。因此文中采用调制低频声波作为探测信号。

2.1伪随机码调制声波法液面检测流程

油井液面检测时，为了提高油井回波信号的抗噪声干扰能力，本文对扬声器发射的信号进行幅度调制，幅度用伪随机码控制。对传感器检测到的回波信号解码处理后进行识别，然后将解码信号和调制信号作相关检测。检测原理流程如图2所示。

m序列是一种典型的伪随机码，其码元具有随机性，而且它具有尖锐的自相关峰值。m序列可以通过线性移位寄存器来产生，对于某一确定的m序列表述如下：

2.2二值调幅（2ASK）法

二值调幅法是对信号进行幅度调制的一种典型的方法。二值调幅信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘［8］，即

式中，g（t）是矩形脉冲，持续时间为Ts；ai为某一伪随机码；ωc为载波角频率。

令

则式（1）变为

式（3）为调制信号，它是幅度受伪随机码控制的单极性矩形脉冲信号。α0e0（t）为扬声器所要发射的调幅信号，其中α0为发射信号的幅值。

图2　伪随机码调制声波法油井液面检测原理流程图Fig.2 The flow chart of oil well liquid level detection with pseudorandom code modulation acoustic method

2.3回波信号的干扰

油井油管和套管环空中主要存在气流噪声、机械噪声、电磁噪声等，而信号采集设备中也存在一定的噪声。油井回波信号只考虑加性噪声的干扰时，探测声波α0e0（t）向井内传播，位于井口的传声器检测到的信号可表示为

式中，n为接箍总数，αs为液面反射波幅值系数，τs为液面反射波的时间延迟，α0为发射信号的幅值系数，αi为第i个接箍的反射波幅值系数，τi为第i个接箍反射波的时间延迟，αj为多次反射回波信号的幅值系数，τj为二次、三次反射波的时间延迟，N（t）为加性噪声。

当声波波长大于等于套管直径时，油套环空可以看作变直径的波导管［9］，根据这一理论可以得到探测声波在油套环空中的衰减规律

式中，pa为探测声波初始声压，β为声波衰减系数，h为深度。

理论上位于井口的传感器接收到的液面回波为

式中，r为液面反射系数，n为接箍总数，D为接箍透射系数，h0为油井深度。

传感器接收到的第i个接箍一次反射回波信号为

式中，R为接箍处反射系数，L为接箍间距。

传感器接收到的第i个接箍与其前一个接箍之间的j次反射后的回波为

第i个接箍除了与其前一个接箍发生j次反射外，还会在其他接箍处发生j次反射，因此需考虑声波在接箍处的多次反射、透射以及声波随距离的增加产生的衰减。但是从上式可以看到，多次反射的反射系数与R2j-1成正比，式中R取值很小，因此这一高次幂项可以略去不计。

2.4解调与相关检测

二进制调幅余弦波有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。本文以非相干解调法为例，其解调过程为：液面回波信号经带通滤波器、全波整流器、低通滤波器、抽样判决器处理并整形，得到解码信号。

序列x（n）和y（n）的互相关函数［8］如下：

该式表示，Rxy（τ）在时刻τ的值为将x（n）保持不动而y（n）左移τ后两个序列卷积的结果。因此，m序列ai的自相关函数［10］为其中，N为序列的周期，N·P为序列自相关的峰值，δ为序列自相关的旁瓣值，δ≪N·P。m序列的自相关函数具有尖锐的自相关性。

对解码信号与调制信号作互相关检测，假设回波信号经解码得到解码信号为xr（n），n=0，1，···，N-1，原调制信号为x0（n），将信号xr（n）与信号x0（n）做互相关，如下所示：

式中，K为信号的长度；τ为时延量。

从式（11）中可以看出，m序列ai的自相关函数为周期函数。在理想情况下，解码信号xr（n）与调制信号x0（n）的互相关峰值为N·P。实际采用非相干解调法进行解码时，解码信号xr（n）存在一定的误码率，抽样判决器阈值选取的不同，会得到不同的误码率。

3　回波信号识别仿真

3.1余弦调幅信号设计

本文采用一种探测信号完成接箍回波和液面回波的探测。因此接箍间距会限制m序列的长度。通过3阶移位寄存器来生成7位m序列［11］如下：

由m序列ai生成的调制信号x0（t）及其调制的归一化探测信号e0（t）如图3、4所示。

图3　调制信号Fig.3 Modulation signal

图4　余弦载波的伪随机码调幅信号Fig.4 Pseudorandom code modulation signal of cosine carrier

3.2油井回波信号

假设油井液面深度为h=600 m，接箍间距L=12 m，接箍数量为49个；套管内径0.2747 m，油管外径0.1397 m，接箍外径0.1537 m，接箍长度0.1 m；油套环空中的介质为空气，背景噪声为高斯白噪声。根据变直径波导管理论［9］，可得250 Hz余弦波的液面反射系数r=0.9926，接箍反射系数R=0.0499，接箍透射系数为D=0.9988，声波衰减系数β=0.0033。

根据式（5）对回波信号幅值作归一化处理，得到信噪比5 dB条件下的油井回波的仿真结果如图5所示。从图中可以看到，液面回波和接箍回波都全部淹没在噪声信号中，无法辨识出液面回波和接箍回波的位置。

图5　信噪比5 dB的调制余弦波回波信号Fig.5 Modulation cosine wave echo signal with SNR=5 dB

3.3解码信号

对图5所示的井内回波信号进行去噪、解码，可得到解码信号如图6所示。从图中可以看出，3.5 s位置处的一组矩形波信号为液面回波的解码信号，其余为接箍回波解码信号及噪声干扰信号，且接箍回波在1～3.5 s之间衰减严重，其幅值小于阈值，因此得到的解码信号大多为码元“0”。

图6　调制余弦波回波信号的解码信号Fig.6 The decoding signal of modulation cosine wave echo signal

3.4相关检测结果

将油井反射波的解码信号（图6所示）与调制信号（图3所示）作互相关检测，可得到信噪比5 dB条件下的油井回波信号相关检测波形，如图7所示。图中3.5 s附近的尖峰即为液面回波对应位置，其峰值非常突出。对于接箍回波则只能识别出12个，可识别范围在0～1 s内。

图7　信噪比5 dB的调制余弦波回波信号相关检测结果Fig.7 Correlation detection results of the modulation cosine wave echo signal with SNR=5 dB

对信噪比为15 dB、10 dB、0 dB、-5 dB、-10 dB、-15 dB情况下的油井回波仿真信号分别进行解码和相关检测处理，结果如图8所示。

从图8中可以看出，信噪比15 dB、10 dB条件下，液面回波尖峰位于3.5 s附近，且峰值突出，容易辨识；接箍回波分别能识别出前14个和13个。信噪比0 dB时，液面回波位置可辨，其峰值约为干扰值的2倍；接箍回波可识别出10个，但是其旁瓣干扰比较严重。信噪比-5 dB时，液面回波位置可辨，其峰值约为干扰值的2倍；接箍波只有零散几个可以辨识，且旁瓣干扰严重。信噪比-10 dB、-15 dB时，液面回波和接箍回波均不可辨识。

4　系统实现

油井液面检测仪的系统硬件部分主要由信号采集和系统控制器、电磁式低频声波发生器（含功放）、低频测量传感器及系统结构主体组成，硬件系统主要完成探测信号的发射和回波信号的采集与传输。硬件系统框架如图9所示。

信号采集和系统控制器包括24 bits数据采集、程控模拟信号发生器、无线和有线通信、系统状态控制和显示等组件，通过软件控制发出声音和采集传感器信号，并且进行计算后输出结果。油井液面检测仪的信号采集与控制器如图10所示。

采用自制电磁式扬声器来产生调制的声波探测信号，扬声器规格为：膜片直径180 mm，厚度1 mm，功率300 W，阻抗4 Ω。电磁式扬声器的实物及测量所得的频响曲线如图11所示。该扬声器-12 dB下的频响范围是150 Hz～800 Hz。

为油井液面检测仪研制了一种可以在气体和液体（水、油）环境中使用的低频声波传感器。样机及其灵敏度曲线如图12所示。该传感器不仅灵敏度高，频带宽，而且适应油田潮湿和油污的环境。油井液面检测仪的气液通用低频声波传感器及其频响曲线如图12所示。低频声波传感器的测量范围为0.5 Hz～300 Hz。根据扬声器的频响范围和低频传感器的测量范围可以确定油井液面检测仪的工作频带为150 Hz～300 Hz。

该系统的软件功能主要有模式选择、数据通信、信号处理、结果显示、数据回放和硬件配置等。本软件系统的框架如图13所示。本软件可以通过有线或无线通讯的方式进行硬件工作状态的控制和数据的传输。信号处理功能模块主要负责信号的去噪、解码和相关计算等。结果显示部分包括原始波形、去噪波形、相关检测波形、接箍声速曲线和液面深度的显示窗口。数据回放模块可以实现保存数据的再次回放功能；硬件配置模块主要完成传感器的灵敏度和增益配置。从而保证更换传感器时灵敏度和增益的准确性。

该低频声波油井液面检测仪硬件系统的处理器采用utu2440-S-V4.1开发板，内部寄存器和寻址总线32 bit，ARM920T内核，标称工作频率400 MHz；GPS采用SZ05-ADV-1无线方式；数据传输支持有线、Wlan和3G通讯；供电采用24 V直流电源。低频声波油井液面检测仪实物如图14所示。

图8　调制余弦波回波信号相关检测结果Fig.8 Correlation detection results of modulation cosine wave echo signal

图9　硬件系统框架Fig.9 Framework of hardware system

图10　油井液面检测仪的信号采集和系统控制器Fig.10 Signal acquisition and system controller of oil well liquid level detector

图11　电磁式扬声器及其频响曲线Fig.11 Electromagnetic loudspeaker and its frequency response curve

图12　油井液面检测仪的低频声波传感器及其灵敏度曲线Fig.12 Low frequency sonic sensor and its sensitivity curve of oil well liquid level detector

图13　软件系统框架Fig.13 Framework of software system

图14　油井液面检测仪Fig.14 Oil well liquid level detector

5　结论

本文研究了用伪随机调制的低频声波测量油井液面深度的方法，设计了油井液面检测仪各功能部件，实现了样机组装，并对所采用的低频声波油井液面检测方法进行了仿真分析。仿真结果表明，该方法可以有效地排除井内干扰声波的影响，提高目标信号的信噪比；相关检测方法可以使液面反射波和接箍反射波的峰值更加突出、更加尖锐，从而使得液面波和接箍波的位置更加容易辨识。

本系统可通过计算机客户端软件实现有线和无线远程实时检测。电磁扬声器的使用大大增加了仪器的使用寿命，同时可实现连续不间断液面检测。低频声波传感器的使用使得该仪器可以适应油田的潮湿和油污环境。

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Liquid level detection method of oil well with acoustic waves in a low frequency∗

LIU Yingxin1，2YANG Yichun2†HAN Baokun1XIAO Ying1，2GUO Quan2

（1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

（2 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

To avoid short-term life of pulse sound generator used in oil well liquid level detection,a new acoustic detection method in a low frequency for liquid level in an oil well is proposed in this paper.A low frequency electro-magnetic loudspeaker has been developed to emit strong sound waves modulated by pseudorandom code.Decoding and correlation detection are used to restrain the background noise from echo signal.The hardware and software of oil well liquid level detection system are designed.Meanwhile,simulation is made in different SNR in digital signal processing,which shows that there is a desired result of echo identification even in low SNR.

Low-frequency acoustic waves,Liquid level detection,Modulating signals

O429

A

1000-310X（2015）01-0024-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.01.004

2014-03-17收稿；2014-05-10定稿

∗国家自然科学基金项目（11304352，11174320）

刘迎新（1988-），男，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理。

E-mail：yychun@mail.ioa.ac.cn