關(guān) 靜

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

油井動(dòng)液面遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)是利用聲波在氣體介質(zhì)傳播的過(guò)程中，遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射的原理來(lái)計(jì)算動(dòng)液面的[1]。由于油井的油套管中的情況比較復(fù)雜，聲波在其傳播過(guò)程中會(huì)受到各種噪聲的干擾[2]，使液面反射回波和接箍反射回波不容易辨識(shí)，導(dǎo)致信號(hào)中提取聲速和計(jì)算動(dòng)液面時(shí)出現(xiàn)誤差，無(wú)法達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)算動(dòng)液面的目的[3]。在對(duì)含噪信號(hào)中提取有效信息之前，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征分析，則檢測(cè)信號(hào)的特征分析則變得至關(guān)重要[4]。

近年來(lái)，有不少學(xué)者對(duì)動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了研究。王海文、林立星等[5，6]針對(duì)反射聲波信號(hào)常常出現(xiàn)液面反射位置不容易辨識(shí)的情況，采用小波變換法和譜減法對(duì)反射信號(hào)做去噪處理，經(jīng)過(guò)去噪處理后，液面反射信號(hào)位置清晰可辨。任建、王平、于天津[7]提出利用DSP的FFT方法來(lái)提取聲速，從而提高測(cè)量精度。當(dāng)前，學(xué)者們都主要對(duì)油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)做去噪處理，但是很少有人做動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)特征分析。

小波變換時(shí)頻分析是一種將時(shí)域與頻域結(jié)合起來(lái)的信號(hào)處理方法，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[8]、雷達(dá)檢測(cè)[9]、地震研究[10]等各個(gè)領(lǐng)域。

為克服時(shí)頻分析方法的難題，本文利用小波變換分析油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)的特征。通過(guò)仿真信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)分析可知，利用小波變換進(jìn)行時(shí)頻分析，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)時(shí)域與頻域同時(shí)分析，并且能夠有效地分析信號(hào)的突變特征，可應(yīng)用于油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)特征分析。

1 油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)的采集

在油井下，油管的兩根管段之間是用油管接箍連在一起的，每?jī)蓚€(gè)接箍之間的距離是一致的且已知距離為9.6 m，油井下的整根油管由上百根管段連接而成。油井動(dòng)液面測(cè)量?jī)x器測(cè)量時(shí)，聲波發(fā)聲裝置爆破發(fā)聲，產(chǎn)生一個(gè)脈沖聲源。聲波在油管與套管的空氣柱內(nèi)向井下傳播，在傳播過(guò)程中，每遇到一個(gè)油管接箍就會(huì)反射一個(gè)回波，組成接箍回波信號(hào)。由于兩個(gè)管段接箍的間距基本相等，則安裝在井口的微音器采集到的節(jié)箍回波信號(hào)是一個(gè)近似周期信號(hào)。當(dāng)聲波到達(dá)液面時(shí)，節(jié)箍波信號(hào)已經(jīng)衰減為很小，此時(shí)接收到的一個(gè)較強(qiáng)的回波就是液面回波信號(hào)。

2 油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)的小波時(shí)頻分析

利用小波變換對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行特征分析。原始信號(hào)和小波時(shí)頻分析圖如圖1所示。

將小波時(shí)頻分析圖放大，找到接箍回波時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)頻圖，對(duì)應(yīng)時(shí)間觀察分析接箍回波信號(hào)頻率特性。在套管內(nèi)，接箍長(zhǎng)度一般為9.8 m，聲波在空氣柱內(nèi)傳播的速度為300～500 m/s，則理論上計(jì)算的接箍回波的頻率帶為15.3～25.5 Hz。原始接箍回波信號(hào)與放大的小波時(shí)頻分析圖如圖2所示。

圖1 原始信號(hào)和小波時(shí)頻分析圖

圖2 原始接箍回波信號(hào)和放大的小波時(shí)頻分析圖

將小波時(shí)頻分析圖放大，找到液面回波時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)頻圖，對(duì)應(yīng)時(shí)間觀察分析液面回波信號(hào)頻率特性。原始液面回波信號(hào)與放大的小波時(shí)頻分析圖如圖3所示。

圖3 原始液面回波信號(hào)和放大的小波時(shí)頻分析圖

完整的原始信號(hào)的小波時(shí)頻分析圖如圖4所示。

由圖2可知，在0～2 s的時(shí)間內(nèi)，原始信號(hào)的接箍回波信號(hào)較清晰。對(duì)原始信號(hào)做小波時(shí)頻分析后，在小波時(shí)頻分析圖4中可知，接箍回波信號(hào)清晰的時(shí)間范圍內(nèi)，16.52 Hz和33.05 Hz兩個(gè)頻率段的信號(hào)較強(qiáng)，同時(shí)在理論上，計(jì)算的接箍頻率帶為15.3～25.5 Hz，結(jié)合理論與時(shí)頻分析結(jié)果，在對(duì)接箍信號(hào)進(jìn)分析處理時(shí)，選用16.52 Hz～33.50 Hz附近頻率段的信號(hào)。

圖4 完整的原始信號(hào)的小波時(shí)頻分析圖

由于油田上有淺井與深井之分，深井井深一般大于1 500 m，理論上，聲速為340 m/s，則時(shí)間則大于8.8 s。在小波時(shí)頻分析圖4中可知，在大于8.8 s后，只有1.8 Hz附近頻率段的信號(hào)還存在，則在對(duì)液面信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，選用1.8 Hz附近頻率段的信號(hào)。

3 結(jié)論

1) 小波變換分析信號(hào)特征，具有時(shí)頻分析特性，解決了頻譜分析法不能分析信號(hào)局部特性的問(wèn)題，對(duì)油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)的分析效果理想。

2) 通過(guò)利用小波變換分析油井動(dòng)液面檢測(cè)信號(hào)，可知檢測(cè)信號(hào)的接箍回波信號(hào)的有效頻率在16.52 Hz～33.05 Hz附近，液面回波信號(hào)的有效頻率在1.8 Hz附近。

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