油井动液面检测信号的小波时频分析

关 静

(西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065)

0 引言

油井动液面远程检测系统是利用声波在气体介质传播的过程中，遇到障碍物会发生反射的原理来计算动液面的[1]。由于油井的油套管中的情况比较复杂，声波在其传播过程中会受到各种噪声的干扰[2]，使液面反射回波和接箍反射回波不容易辨识，导致信号中提取声速和计算动液面时出现误差，无法达到准确计算动液面的目的[3]。在对含噪信号中提取有效信息之前，需对信号进行特征分析，则检测信号的特征分析则变得至关重要[4]。

近年来，有不少学者对动液面检测信号进行了研究。王海文、林立星等[5，6]针对反射声波信号常常出现液面反射位置不容易辨识的情况，采用小波变换法和谱减法对反射信号做去噪处理，经过去噪处理后，液面反射信号位置清晰可辨。任建、王平、于天津[7]提出利用DSP的FFT方法来提取声速，从而提高测量精度。当前，学者们都主要对油井动液面检测信号做去噪处理，但是很少有人做动液面检测信号特征分析。

小波变换时频分析是一种将时域与频域结合起来的信号处理方法，已广泛应用于生物医学[8]、雷达检测[9]、地震研究[10]等各个领域。

为克服时频分析方法的难题，本文利用小波变换分析油井动液面检测信号的特征。通过仿真信号与实测信号分析可知，利用小波变换进行时频分析，能够实现信号时域与频域同时分析，并且能够有效地分析信号的突变特征，可应用于油井动液面检测信号特征分析。

1 油井动液面检测信号的采集

在油井下，油管的两根管段之间是用油管接箍连在一起的，每两个接箍之间的距离是一致的且已知距离为9.6 m，油井下的整根油管由上百根管段连接而成。油井动液面测量仪器测量时，声波发声装置爆破发声，产生一个脉冲声源。声波在油管与套管的空气柱内向井下传播，在传播过程中，每遇到一个油管接箍就会反射一个回波，组成接箍回波信号。由于两个管段接箍的间距基本相等，则安装在井口的微音器采集到的节箍回波信号是一个近似周期信号。当声波到达液面时，节箍波信号已经衰减为很小，此时接收到的一个较强的回波就是液面回波信号。

2 油井动液面检测信号的小波时频分析

利用小波变换对原始信号进行特征分析。原始信号和小波时频分析图如图1所示。

将小波时频分析图放大，找到接箍回波时间范围内的时频图，对应时间观察分析接箍回波信号频率特性。在套管内，接箍长度一般为9.8 m，声波在空气柱内传播的速度为300～500 m/s，则理论上计算的接箍回波的频率带为15.3～25.5 Hz。原始接箍回波信号与放大的小波时频分析图如图2所示。

图1 原始信号和小波时频分析图

图2 原始接箍回波信号和放大的小波时频分析图

将小波时频分析图放大，找到液面回波时间范围内的时频图，对应时间观察分析液面回波信号频率特性。原始液面回波信号与放大的小波时频分析图如图3所示。

图3 原始液面回波信号和放大的小波时频分析图

完整的原始信号的小波时频分析图如图4所示。

由图2可知，在0～2 s的时间内，原始信号的接箍回波信号较清晰。对原始信号做小波时频分析后，在小波时频分析图4中可知，接箍回波信号清晰的时间范围内，16.52 Hz和33.05 Hz两个频率段的信号较强，同时在理论上，计算的接箍频率带为15.3～25.5 Hz，结合理论与时频分析结果，在对接箍信号进分析处理时，选用16.52 Hz～33.50 Hz附近频率段的信号。

图4 完整的原始信号的小波时频分析图

由于油田上有浅井与深井之分，深井井深一般大于1 500 m，理论上，声速为340 m/s，则时间则大于8.8 s。在小波时频分析图4中可知，在大于8.8 s后，只有1.8 Hz附近频率段的信号还存在，则在对液面信号进行分析时，选用1.8 Hz附近频率段的信号。

3 结论

1) 小波变换分析信号特征，具有时频分析特性，解决了频谱分析法不能分析信号局部特性的问题，对油井动液面检测信号的分析效果理想。

2) 通过利用小波变换分析油井动液面检测信号，可知检测信号的接箍回波信号的有效频率在16.52 Hz～33.05 Hz附近，液面回波信号的有效频率在1.8 Hz附近。

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