基于次声波的钻井返出液液面检测系统设计

任旭虎 刘 通 汪卫众 王文倩 王智敏

(中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院)

0 引 言

钻井返出液液面检测[1]是石油钻探开发过程中的重要环节。钻井返出液液面深度是石油钻探过程中钻井液在钻杆与套管形成的环空中返出液的液面深度[2]。石油钻探过程中，为了监控井下情况，避免产生生产事故，对钻井返出液液面深度数据监测至关重要[3]。通过对钻井返出液液面进行连续监测，监控井下的液面变化情况，结合相关数据，得到液面恢复曲线，可以及时预防井涌井漏事故的发生[4]，保障油田的安全生产，降低钻探成本[5]。

目前，传统的井筒液位测量仪器主要用于抽油井液面深度检测和钻完井试油，钻井返出液液面的检测设备并不成熟，主要的检测方法有压力计探测法和下抽子探测法[6-8]。这2种方法测量精度较低且无法实现连续测量，极易受到人为因素干扰，无法实现自动测量，必须在关井的情况下工作，严重制约了钻探效率和质量[9-12]。因此，设计一款智能化钻井返出液液面检测系统，对预防井漏事故、提高钻探效率具有重要的科学意义和实用价值。

近年来，国内一些学者和科研院所在声波的井下液面检测方面开展了大量研究工作，在设备集成、气源选择、检测方法、信号处理等方面进行了大量研究，但是目前井下声波检测设备的检测精度有待提高，井下的噪声干扰处理效果较差[13-15]。具体表现为：①在面对较深井现场作业时，液面回波信号微弱，难以识别；②在现场检测环境较为复杂时，难以对反射信号进行有效的处理。

针对上述问题，本文设计了一种基于次声波的钻井返出液液面检测系统。该系统具有以下特点：①采用次声波信号作为信号声源，增强信号在井下的传播能力，提高了仪器的检测精度和检测深度；②针对井下噪声干扰复杂，返出液回波信号难以识别的问题，提出了一种可移植的信号处理算法，采用随机共振滤波对液面反射波信号进行处理，增强对微弱信号的辨识能力，提高测量精度。

1 声波检测法原理

钻井返出液的检测原理如图1所示，主要包括转盘、防喷器等地面钻探设备与钻杆、井眼等地下钻井结构。地下钻柱结构主要包括表层套管、钻杆、钻铤、钻头，每节钻杆之间使用接箍连接。地面钻探设备主要包括钻盘、喇叭口、刮泥器、钻井液流出管、套管四通[15-16]。

图1 钻井返出液检测原理Fig.1 Detection principle of drilling return fluid

声波检测法的基本原理：井口的信号发射装置通过爆破发声产生声波脉冲信号。产生的声脉冲信号沿着井筒套管和钻杆之间的环空向下传播，在脉冲信号的传播过程中，遇到钻杆接箍时会有部分信号被反射回来，这部分信号被称为接箍波[16-17]。当遇到钻井返出液液面时，脉冲信号会反射一个具有明显信号特征的反射波，反射波被井口的微音器接收。接收到的信号经处理后提取出接箍波和钻井返出液的液面反射波。由于钻杆的长度恒定，假设钻杆长度为h，求出每个接箍波之间的时间间隔t1后，得到井下声波的传播速度v：

v=h/t1

(1)

结合返出液液面反射波传播时间t2，即可计算出套管内返出液液面的深度H：

(2)

2 钻井返出液液面检测系统整体方案

图2为钻井返出液液面检测系统结构图，主要由信号发射模块、数据采集模块、数据处理模块、驱动控制模块组成。

图2 钻井返出液检测系统结构图Fig.2 Structure of drilling return fluid detection system

信号发射模块主要实现井下次声信号发射的功能，使储气室内存储的高压氮气通过气体发生装置产生符合检测需求的次声信号。

数据采集模块通过微音器实现对返出液反射波信号的采集，将采集到的数据通过次声电缆发送给USB3106A数据采集卡。数据采集卡将采集到的数据传输至数据处理模块，由其进行处理。

数据处理模块具有对采集到的原始信号识别与处理功能。其将接收到的数据进行信号的滤波锐化处理过后，再使用声速计算模型和液面深度计算模型得到液面深度和压力恢复曲线。

驱动控制模块主要由四通道DIO输出和上位机驱动程序组成，主要实现气枪发射模式的选择以及气枪发射控制和检测方式的管理功能。

3 钻井返出液液面检测系统设计

3.1 硬件设计

3.1.1 信号发射模块

信号发射模块的原理框图与结构示意图如图3和图4所示。

图3 信号发射模块的原理框图Fig.3 Functional block diagram of signal emission module

1—氮气瓶；2—减压器；3—连接总成；4—充气电磁阀；5—储气室；6—发射电磁阀；7—微音器；8—管道。图4 信号发射模块的结构示意图Fig.4 Schematic structure of signal emission module

信号发射模块主要包括：①发射总成，高压氮气通过发声装置，产生次声信号；②连接总成，包括减压器、连接软管、充气接头等气动原件，为储气室提供符合发射强度的压缩气体；③充气与发射电磁阀，与驱动控制模块连接，控制次声信号的发射；④储气室，与发射总成连接，存储高压氮气。

3.1.2 数据采集模块

数据采集模块的原理框图如图5所示。数据采集模块作为液位测量装置的核心部分，以高速数据采集卡为主控制设备，包含微音器及信号调理电路等。

图5 数据采集模块的原理框图Fig.5 Functional block diagram of data acquisition module

(1)回波信号特性分析。声波信号沿着井筒环空向下传播的过程中，由于管壁扩散以及耦合振动等因素的影响，信号表现出明显的衰减特性。经计算分析发现，信号中的有效频率主要集中在低频段。在不受外界干扰的情况下，通过微音器对井下发射波信号进行模拟。对模拟的次声波进行分析可知，信号是具有直流分量的双极性信号[17-18]，最大检测峰值未超过200 mV。直接使用采集卡对回波数据进行采集较为不易，得到的回波信号也难以识别，因此需要设计与其相匹配的信号调理电路。

(2)信号调理电路设计。钻井现场条件恶劣，井下环境复杂，多种噪声干扰并存，反馈到回波信号上就是其往往夹杂着各种工频干扰和高频噪声，夹杂着各种井口设备产生的脉冲和窄带噪声干扰。其中工频干扰可以通过采集卡内部的限波器消除。为了降低微音器对输出阻抗的要求，采用放大器对信号进行放大。该放大器具有较高的输入阻抗和共模抑制比，且增益可以灵活设置，适合对微弱信号进行放大。为了消除高频噪声，设计二阶RC低通滤波器，由于次声波的有效频段为0～20 Hz，所以截止频率设为20 Hz，提高输出信号的信噪比。次声波信号调理电路原理图如图6所示。

图6 次声波信号调理电路Fig.6 Signal conditioning circuit of infrasound wave

3.2 软件开发

3.2.1 系统软件组成

系统软件的整体框图如图7所示，主要由井口采集子程序和数据处理子程序组成。其软件功能主要实现设备控制、数据处理、波形显示、软件设置等功能。上位机系统的开发采用了模块化设计，提高了开发效率。

图7 系统软件整体框图Fig.7 Overall block diagram of system software

3.2.2 系统软件设计流程

井口采集子程序的工作流程如图8所示。系统通电后，等待程序初始化，待初始化完成后，数据采集模块等待主程序的测量指令信号。当数据采集卡接收到主程序传来的测量指令后，打开充气电磁阀对气枪进行充气，储气室内气体压力达到检测需求后，打开发射电磁阀，产生次声信号。液面回波信号和接箍波信号被微音器接收，经过调理电路处理后得到原始波形数据。通过USB3106A数据采集卡将采集到的原始波形数据传输给数据处理模块，信号接收完成后，收到数据处理模块发来的测量完成应答信号，结束采集，准备下一次测量。

图8 井口采集子程序流程Fig.8 Flowchart of wellhead acquisition program

数据处理子程序作为软件系统的核心部分，其程序流程如图9所示。当系统初始化后，读取井口采集子程序传来的应答信号，对井口仪器的参数进行配置。配置完成后，按下测量按钮，数据采集卡接收到检测信号后，向井口检测装置发送测量指令，接收原始回波数据。

图9 数据处理子程序流程图Fig.9 Flowchart of signal processing program

采集结束后，调用声速计算模型对信号进行处理。根据接箍波的原始数据得到井下声速v后，调用液面深度计算模型，识别液面回波信号，计算声波在井下的传播时间t，结合之前计算的声速v，调用液面深度计算公式(2)计算得到返出液液面深度H。将得到的数据存储至数据存储器。

液面变化曲线的绘制：设定固定时间间隔，进行多次测量，得到每次的液面深度H1，H2，H3，…，Hn。根据数据绘制液面变化曲线，在线监控液面的变化，实时掌握液面变化动态，当增溢漏失量过大时，停止检测，报警模块立刻进行异常显示。

通过上位机程序可以将之前存储的数据导入系统内，在显示界面查看信号的原始波形、处理后的波形以及液面恢复曲线。为了便于查看，每次采集到的数据都会被存储到上位机中。

3.2.3 钻井返出液回波信号处理算法

信号处理算法是整个软件开发的核心部分，主要由信号的预处理、井下声音传播速度计算、返出液液面深度计算3个部分组成。

(1)信号的预处理

井下的噪声干扰极其复杂，不仅存在着广义平稳随机干扰，而且存在着声波遇到接箍反射引起的多径衰落干扰，井下的各种流体也会产生不同的干扰[19]。硬件调理电路并不能完全将这些干扰消除，因此在上位机进行信号的预处理至关重要。

信号的预处理主要分为2个部分：第一部分是对信号内噪声的干扰进行滤波处理；第二部分是对信号进行锐化处理，便于识别较为微弱的接箍波和返出液信号。

传统的信号预处理方法多对资源和内存有较高的要求，占用大量资源，且对信号的噪声处理效果并不理想[15]。为此，本文采取了一种基于吸引了曲线形态调整的随机共振信号滤波方法。该方法与传统的信号预处理方法相比，能够更好地降低测量噪声中的异常干扰，对低频非稳态噪声有着更好的抑制效果。基于吸引子曲线形态调整的随机共振系统方程为：

(3)

式中：x为实测信号，mV；a、b为实参数，决定双稳态系统的结构，通常a>0、b>0；A为激励信号幅值，mV；w为激励信号的频率，Hz；N(t)为高斯白噪声，dB；k为阻尼系数。

选取模拟返出液液面回波信号对其进行预处理，为了对照结果，选取市面上的设备进行对比。2种仪器的信号处理波形与信号频谱如图10所示。经过对比可以看出，随机共振在低频信号的处理上有着较好的效果，在不同的噪声干扰下，经过处理过后的信噪比达到10 dB以上，满足实际信号处理要求。

图10 钻井返出液信号对比图Fig.10 Comparison of drilling return fluid signals

(2)计算井下的声波传播速度

根据接箍波具有周期性的特点，接箍反射波信号会是一个周期性的方波信号[20]，记为f(t)。该方波信号的宽度τ表示方波信号在1个周期内的持续时间，s；幅值E表示接箍反射波信号的能量大小，J/(kg·℃)；周期T表示声波在相邻2个钻杆接箍之间传播时所用的时间，s。该周期性方波信号的波形如图11所示。

图11 理想接箍波的波形Fig.11 Waveform of ideal coupling wave

信号在一个周期内(-t/2

(4)

(5)

(6)

式中：δ(ω-ω1)为单位冲激信号；ω1为信号平移距离，rad/s。

数字频率与模拟频率之间的关系为：

(7)

式中：f为模拟频率，Hz；fs为采样频率，Hz。

由快速傅里叶变换的意义可知，周期信号的数字频率与除0外幅值最大点的关系为：

(8)

式中：N1为除0外幅值最大的点；N为进行快速傅里叶变换的数据点数。得到接箍反射波的周期为：

(9)

得到的这个周期实际上是声波在2个接箍之间来回2个钻杆长度路程所用的时间，因此声波在井下的传播速度为：

v=N1fs

(10)

(3)返出液液面深度计算

根据液面反射波的位置自动辨识液面回波信号，通过自动处理得到液面反射波的位置为第Nl个数据点，次声信号在井下的传播时间为：

(11)

调用声速计算模型计算声速，钻井返出液液面深度为L，于是有：

(12)

4 测试验证

2022年5月，次声波钻井返出液液面检测系统在胜利油田某现场进行试验测试。模拟井下不同液位深度，井下温度25 ℃，井口空气密度为11.5 kg/m3，当天测量状态未发生变化。

仪器的测试时间选取为10：15—16：15，测试间隔为30 min。为了实现效果对比，在相同条件下选取市面使用较为成熟的仪器进行对比，检测数据见表1。

表1 液面深度检测数据Table1 Fluid level depth detection data

表1中：设备1为次声波检测仪，设备2为市场购买设备。结果表明，2种仪器深度差小于2 m，数据符合度较高。

结合图10信号频谱以及表1的检测结果的分析可知，购买设备波动范围较大，次声波检测仪的反射波信号幅值强于购买设备，便于识别，测量精度更高，证明该仪器的准确性和稳定性有所提升。

5 结 论

(1)基于次声波的钻井返出液液面检测系统以USB3106A数据采集卡为主控模块，该设备集数据接收、信号处理、波形显示及声光报警为一体。

(2)现场测试发现，利用频率较低的次声信号作为检测声源，可以实现远距离返出液回波信号采集，结合信号调理电路实现了液面回波信号的低噪声采集和高精度量化。

(3)采用随机共振滤波算法对返出液液面回波信号进行处理，不仅可以滤除井下存在的广义平稳随机干扰，以及声波传播过程中遇到接箍反射引起的多径衰落干扰，而且可以大幅度降低液面回波信号的信噪比。