CN107389786B - 一种基于时域的气侵检测信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时域的气侵检测信号处理方法，先采用高采样率对气侵检测信号进行A/D转换采集，然后进行累加平均抽取、低通滤波，其中，低通滤波用滤波器依据发射信号的频率范围估算来进行参数设置，这样提高了信号的信杂比，对噪声也有很好地滤除，为后面的流速估算、含气量估算提供了良好的条件；最后，通过寻找峰值个数来计算泥浆的流速，再通过平均峰值与钻井液流速，计算出钻井液的含气量。与现有技术的气侵检测信号处理方法相比，处理方法简单，并能够准确地钻井液的流速和含气量。

Description

一种基于时域的气侵检测信号处理方法

技术领域

本发明属于气侵检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于时域的气侵检测信号处理方法。

背景技术

1、气侵检测方法

气侵检测方法按照传感器安装位置可分为井口检测、海水段检测和随钻检测。井口检测主要包含泥浆池液面增量检测法和泥浆进出口流量差法；海水段检测有压差检测法和声波检测法；随钻检测是将传感器安装于钻柱，通过检测钻井液性能变化判断是否产生气侵。

超声波多普勒检测方法是基于多普勒效应获取信号进行处理的声波检测方法，其基本原理为：当管道内随钻井液运动的反射物与超声波传感器之间存在相对运动时，接收到的反射信号会产生多普勒频偏，当传感器与钻井液中的反射物相互靠近时，接收到的反射信号会产生正频偏；当传感器与钻井液中的反射物相互远离时，接收到的反射信号会产生负频偏。那么反射信号的频偏值就反映了钻井液的流速信息。

此外，接收到的反射信号的强度取决于反射面的大小和反射体的个数。当超声波在钻井液中传播时，遇到了钻井液和气泡交界面时，超声波就会反射回来，被接收传感器接收。那么反射信号的幅值反映了钻井液中的含气量信息。

2、气侵检测信号的获取及其特点

气侵检测信号是由超声波接收传感器接收到的回波信号经过硬件电路处理后输出的待处理信号，气侵检测信号产生框图如图1所示。

首先激励信号产生电路产生激励信号驱动超声波发射传感器向管道中发射超声波信号，超声波信号在钻井液中传播时遇到反射体将信号反射回来，由超声波接收传感器接收信号，但是接收到的回波信号不仅包含了钻井液中气泡的反射信号，还有超声波沿管壁传播接收到的信号和各种干扰信号。

由于管道中的气泡的大小和分布都是随机的，所以接收到的反射信号幅度和相位也具有随机性，反射信号的频偏受到管道流体流速的影响。

若发射信号为u₀＝U₀sinω₀t，那么超声波接收传感器接收到的回波信号表示如下：

由单个气泡反射回的信号其幅值U_i和相位的大小具有随机性，产生的频偏Δω_i受到气泡位置和运动速度的影响，超声波接收传感器接收到的气泡的反射信号是每个气泡反射的信号的叠加，叠加得到的频率和幅值分别包含了流速和气泡含量信息。

在实际应用中，超声波发射、接收传感器安装位置固定，沿管壁传播接收到的信号也基本不变，噪声信号N(t)包含了各种干扰信号。

硬件电路对回波信号u_r进行检波放大后，得到信号u_out表示如下

u_out信号是由多个不同频率Δω_i、不同幅值U_i和相位的信号的叠加，以及包含了环境中的噪声信号N(t)，其波形如图2所示。u_out信号即需要进行处理的气侵检测信号即待处理信号

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于时域的气侵检测信号处理方法，以准确地获得钻井液的流速和含气量。

为实现上述发明目的，本发明基于时域的气侵检测信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、气侵检测信号的预处理

使用高采样率的数据采集卡对气侵检测信号做A/D转换采集，得到数字信号进行累加平均抽取，以降低数据冗余，减少后面数据处理的运算量，并且提高信号的信噪比；

然后进行低通滤波，以滤除气侵检测信号中的各种噪声，其中，低通滤波时，根据反射信号的频率范围估算，来设置低通滤波器的参数；

(2)、流速估算

对预处理后的气侵检测信号，逐一寻找其峰值，根据峰值个数与流速的关系，计算出钻井液的流速；

其中，所述峰值个数与流速的关系，采用实测流速值与气侵检测信号的峰值个数进行分析得到；

(3)、含气量估算

根据步骤(2)寻找到的峰值，计算其平均值，得到平均峰值，然后根据步骤(2)计算出的钻井液流速，依据平均峰值与流速、含气量之间的关系，得到钻井液的含气量；

其中，所述平均峰值与流速、含气量之间的关系，采用实测不同流速和含气量下获取的气侵检测信号的峰值的平均峰值进行分析得到。

本发明基于时域的气侵检测信号处理方法，先采用高采样率对气侵检测信号进行A/D转换采集，然后进行累加平均抽取、低通滤波，其中，低通滤波用滤波器依据发射信号的频率范围估算来进行参数设置，这样提高了信号的信杂比，对噪声也有很好地滤除，为后面的流速估算、含气量估算提供了良好的条件；最后，通过寻找峰值个数来计算钻井液的流速，再通过平均峰值与钻井液流速，计算出钻井液的含气量。与现有技术的气侵检测信号处理方法相比，处理方法简单，并能够准确地钻井液的流速和含气量。

附图说明

图1是气侵检测信号的产生原理框图；

图2是气侵检测信号一具体实例波形图；

图3是本发明基于时域的气侵检测信号处理方法一具体实施方式流程图；

图4是气泡上升示意图；

图5是频偏值随时间变化图；

图6是采集到信号抽取前后比较图；

图7是信号及其峰值点一实例图；

图8是信号峰值个数和峰值和统计流程图；

图9是实验装置示意图；

图10是流速与峰值个数一具体关系图；

图11是不同含气量实验的平均峰值结果图；

图12是流速和含气量与平均峰值的拟合结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

一、信号处理过程

在本实施例中，如图3所示，本发明对气侵检测信号的处理过程分为三个部分，包括气侵检测信号的预处理、流速估算和含气量估算。

步骤S1：气侵检测信号的预处理

使用高采样率的数据采集卡对气侵检测信号做A/D转换采集，得到数字信号进行累加平均抽取，高采样率采集信号可以减少A/D转换带来的误差，以降低数据冗余，减少后面数据处理的运算量，并且提高信号的信噪比。

然后进行低通滤波，以滤除气侵检测信号中的各种噪声，其中，低通滤波时，根据反射信号的频率范围估算，来设置低通滤波器的参数。

下面对气侵检测信号的预处理作详细说明。

1.1)、信号的累加平均抽取

由于气侵检测信号包含噪声，信号本身存在很多毛刺，若是将信号直接用低采样率做A/D转换采集，那么采集得到的信号与原信号相比就会存在很大的误差，造成流速和含气量的计算不准确，所以本发明使用高采样率的数据采集卡对气侵检测信号做A/D转换采集，得到数字信号即高采样率采集信号，然后对高采样率采集做累加平均抽取，在减小误差的同时减少数据冗余，降低数据处理运算量，并能够提高信噪比。

对反射信号的频率范围可做如下估计：

若超声波的发射频率为f₀，在钻井液中的波速为c。设单个小气泡在环空管中以速度v匀速上升，如图4所示，小气泡上升到A点时，超声波接收传感器能够接收到气泡从此处反射回的信号，然后逐渐上升，小气泡经过B点后，由于与超声波接收传感器距离较远，反射信号将在钻井液中衰减不会被超声波接收传感器接收。由于超声波传感器的尺寸与环空管的直径相比要小得多，所以可将紧挨着的两个传感器即超声波发射、接收传感器的安装位置看作一个点C。

如图4所示，A点和B点应该有个对称性，即AC＝BC，那么应将气泡上升过程分两段来看：

在AO段，气泡和超声波波束之间的夹角θ在逐渐增大，θ随时间的变化可表示为

气泡接收并反射的超声波频率为f₁，接收传感器接收到的超声波频率为f₂，那么AO段的频偏为：

在OB段，θ随时间的变化可表示为：

OB段的频偏为：

公式(4)和公式(6)的Δf_d表达式一样，但是θ_t的取值范围不一样，可得出单个气泡上升过程中，回波信号的频偏先正后负，并且Δf_d的取值由c、v、θ_t、f₀确定。

例如假设初始夹角θ₀＝π/6，气泡到管壁的距离为r＝0.1m，上升速度为2m/s。超声波发射频率为f₀＝64kHz。超声波在钻井液中的传播速度为1850m/s。通过MATLAB仿真得到频偏曲线如图5所示。

从图5可看出，气泡在通过超声波可检测范围时，多普勒频偏绝对值先增大再减小。且变化速度越来越快。图5中的频偏值为正时，是气泡在AO段的上升过程时得到的频偏；频偏值为负时，是气泡在OB段上升过程得到的频偏。当θ₀＝π/6时，经计算频偏绝对值最大为120Hz；当θ₀趋于0时，计算得到频偏绝对值最大约为138Hz。实验中获得的信号是通过管道中很多反射粒子所反射信号的叠加，这些信号所产生的频偏范围与单个粒子引起的频偏范围一致。

累加平均算法利用噪声信号为随机过程其均值为零这一统计特性，对同一个样本点进行多次采样后计算其均值，使噪声大大降低。实验中对信号做A/D转换采集的采样率远大于有效信号的频偏范围，所以对信号做抽取不会造成有用信号在频谱上的混叠，降低了数据量并且信号的幅度几乎和抽取前没发生变化。若信号频率为f，采样频率为f_s，当采样频率远大于信号频率时，可以将相邻m个采样点的采样值看做同一采样点的采样值，对每m个点进行累加平均，则得到累加平均后的采样信号为：

累加平均后，等效于信号采样频率降低为f_s/m，并且经过m次累加信噪比为：

累加平均提高了信噪比，降低了噪声。取一组采集到的实验数据进行抽取前后的对比如图6所示。其中采样率f_s＝80kHz，抽取倍数m＝40。

从图6的两组波形可观察出信噪比得到了明显的改善，采样率降低了m倍，去掉了冗余信号，减少了数据处理时间。

1.2)、信号的低通滤波

对信号做累加平均抽取后提高了信噪比，但仍然不能将噪声完全去除。所以使用一个低通滤波器对信号进行滤波是十分必要的。

选择FIR低通滤波器，那么需要设置的参数就有滤波器截止频率、滤波器窗函数以及滤波器阶数。滤波器的截止频率设置可根据有用信号的频率范围估算结果来确定。考虑一定余量，将截止频率设置为稍微大于对信号估计的最大频偏值。例如若是计算出最大频偏值为138Hz，由于管道中有的反射粒子运动速度较快，产生的频偏值也会大一些，那么可将截止频率设置为200Hz。由于得到的信号是随机信号，并且频谱比较复杂，选择旁瓣峰值较小并且衰减速度较快的汉宁窗。滤波器阶数过高会增大计算量，并且产生较大延时，对于N阶的FIR滤波器的延时是N/(2f_s)，可将阶数设置为50阶。

预处理后的气侵检测信号记为y(n)。

步骤S2：流速估算

在本发明中，对预处理后的气侵检测信号，逐一寻找其峰值，根据峰值个数与流速的关系，计算出钻井液的流速。其中，所述峰值个数与流速的关系，采用实测流速值与气侵检测信号的峰值个数进行分析，得到它们之间的对应关系。

下面对钻井液的流速估计作详细说明。

2.1)、钻井液流速估算原理

根据多普勒效应可知，信号的频偏值能够反映管道中的钻井液流速值，对于单个反射体而言，由公式(4)和公式(6)可得管道内反射体流速和频偏的关系如下，其中超声波发射频率f₀远大于频偏值Δf_d：

管道内的实际情况是在任意时刻都有多个角度不同、大小不同的气泡反射信号，所以有用信号的频谱不是表现出一个单一的频点，而是表现了多个气泡的反射信号带来的不同频偏值。所以流速不能根据公式(9)直接计算，需要根据信号计算出一个能够反映整体流速的平均频偏进行估计。

其中，为反射颗粒或气泡的多普勒频偏的平均值；N_i(Δf_di)表示产生多普勒频偏值Δf_di的粒子数；∑_iN_i(Δf_di)表示所有能够反射超声波的粒子个数；Δf_di表示任一颗粒产生的多普勒频偏值。

2.2)、信号峰值点的确定

对信号的峰值为：判断采集点是否为极大值点，也即它的前一个点和后一个点是否小于它的值，若判断条件成立，则这个点就是一个峰值点。

为了提高统计值的稳定性，在判断当前采样点是否为峰值时，选择该值的前面两个采样点和后面两个采样点参与比较，也就是说在通常求极值的比较过程中再在前后各增加一点进行比较。即假设当前判断的点是序列的第n个值y(n)，若y(n)及其前后的点满足如下条件

那么y(n)就为对预处理后的气侵检测信号的一个峰值点。

2.3)、统计信号峰值个数

随机信号的峰值个数是指信号幅值的转折次数。一个信号从频域上看它的频率越高，那么在时域上信号的幅度变化就越快，信号幅值转折次数越多，所以信号的转折次数能够从时域上说明信号的频率大小。

对采集的数字信号进行逐点比较，使用公式(11)判断它们是否满足峰值点的条件。从信号的第三个点开始判断，直到信号的倒数第二个点结束判断。信号峰值个数以及峰值和统计流程如图8所示。

2.3)、估算流速

由于峰值个数反映了信号的频率，前面提到采集信号的频率受到流体流速的影响，所以将峰值个数用来估算流速。

采集不同流速条件下的实验数据，对这些数据进行分析得到它们对应的峰值个数，提取信号峰值个数与实验中流量计测得的实际流速值之间的关系。通过对大量的实验数据分析，得到实验流速值v与峰值个数num为二次拟合关系，表示如下：

num＝av²+bv+c (12)

具体的拟合系数a、b、c由实验流速值v与峰值个数num确定，不同密度的钻井液实验对应不同的拟合系数。那么在实际测量中，在某一钻井液(泥浆)密度下的流速可根据检测信号的峰值个数计算得到。

步骤S3：含气量估算部分

根据步骤S2寻找到的峰值，计算其平均值，得到平均峰值，然后根据步骤S3计算出的钻井液流速，依据平均峰值与流速、含气量之间的关系，得到钻井液的含气量。其中，所述平均峰值与流速、含气量之间的关系，采用实测不同流速和含气量下获取的气侵检测信号的峰值的平均峰值进行分析，得到平均峰值与流速和含气量之间的关系。

3.1)、钻井液含气量估算原理

超声波在碰到声阻抗有差别的界面就会发生反射作用，两种介质的声阻抗差别越大，反射信号能量就越强。钻井液的声阻抗远大于气泡的声阻抗，当钻井液中含气时，超声波在钻井液中传输遇到气泡时基本上会发生全反射。

对于钻井液中含气量的分析，由于管道内含气量可以通过气泡的数量和大小反映，即游离气含量可以表示成气泡数量与气泡平均大小的乘积。而在检测过程中，超声波通过气泡表面反射信号。钻井液中气体含量越多，那么全反射面就越大，意味着反射的能量越多，超声波接收传感器接收到的回波信号也就越强。

此外，考虑超声波在钻井液(泥浆)中的衰减问题，在含气量越多时，管道内的气泡增多，并且这些气泡随机地分布在管道内各个区域，那么在管壁附近区域内的气泡也会相应增多，超声波在钻井液中传播时遇到管壁附近的气泡就会被反射回来，缩短了它的传播距离，衰减也会相应变小。

从上面的分析可知，含气量越多，接收到的回波信号幅度也会越大，那么检波过后的有用信号幅度也会越大，计算出的信号功率值也会越大。同时在实验中发现，流速加快后，也使得有用信号幅度增大，应该是流速加快影响了气泡在管道中的分布，导致气泡更靠近管壁或者增大了反射面积，所以信号的功率与含气量和流速都有关系。

3.2)、计算信号平均峰值

信号的平均峰值是指信号幅度转折点的平均值，在钻井液流速估算中统计峰值个数的过程中，将判断出是峰值的点的绝对值进行求和，得到信号的峰值和sum，信号的平均峰值pk就等于峰值和除以峰值个数，即pk＝sum/num。

3.3)、估算含气量

采集不同流速和不同含气量条件下的实验数据，对这些数据进行分析得到每组数据对应的平均峰值，寻找出平均峰值与计算出的流速和实际的含气量之间的关系。通过对大量的实验数据分析，对流速v、含气量g和平均峰值pk做曲面拟合，可得到它们之间有如下关系：

pk＝k₀₀+k₁₀g+k₀₁v+k₂₀g²+k₁₁gv+k₀₂v² (13)

具体的拟合系数k₀₀、k₁₀、k₀₁、k₂₀、k₁₁、k₀₂由实验确定，不同密度的钻井液(泥浆)实验对应不同的系数。那么在实际的含气量估算中，在某一钻井液(泥浆)密度下的含气量可根据计算出的流速和信号的平均峰值得到。

二、实验结果

(1)实验装置

实验装置由空压机、泥浆储存和搅拌桶、活塞装置、高压气瓶、主体循环装置、循环泵及其控制设备6部分组成。首先空压机提供压力将搅拌桶中的泥浆注入主体循环装置。泥浆的循环流动在封闭的主体循环装置中进行，配备循环泵保持泥浆在管中稳定的流动状态，并通过改变泵的转速控制管道中的泥浆速度。使用高压氮气瓶连接活塞装置可向管道内加压，天然气罐连接活塞装置可向管道内注入天然气模拟气侵。装置示意图如图9所示。

(2)、流速分析结果

实验中通过逐级改变变频器频率来改变流体流速，采集不同流速条件下的实验数据。实验中使用的油基钻井液(泥浆)密度为1.39g/mL。表1是密度为1.39g/mL的钻井液(泥浆)实验中变频器频率与流速的变化关系。

表1

统计每组实验数据的峰值个数如表2所示。表2密度为1.39g/mL的钻井液(泥浆)实验峰值个数结果。

表2

将表2中的峰值个数与表1中对应的流速结合分析，拟合流速和信号峰值个数之间的关系，得到的结果如图10所示，拟合曲线表示如下

num＝-92.352v²+325.4v-19.808 (14)

其中num为信号峰值个数，v为钻井液(泥浆)实测流速值，单位m/s。

不同实验条件下得到的拟合系数会有差别，但钻井液流速与信号峰值个数之间是二次拟合关系。在钻井液流速计算中，通过统计采集的随机信号的峰值个数，将得到的峰值个数代入与流速的函数关系反解即得到流速值。

(3)、含气量分析结果

分析的实验数据包含了含气量分别为<0.5％、1.25％、3％的实验采集到的数据，变频器频率从16Hz开始，逐次增加4Hz进行实验，计算采集数据的平均峰值结果如图11所示。

从图11中可以看出，在不同含气量下的平均峰值之间的差别较大，在相同流速条件下，即变频器频率一定时，含气量越多，获取到的信号的平均峰值越大；同时，含气量一定时，平均峰值也在流速增加时呈逐渐增大趋势。将图11中的平均峰值和计算出的流速值与实验中的含气量做曲面拟合，拟合结果如图12所示。

图12中的拟合结果表达式为

pk＝-0.06775+0.08056g+0.2395v-0.02079g²+0.1491gv-0.08362v² (13)

式中pk表示信号的平均峰值，单位V；g为钻井液含气量(％)；v为钻井液流速，单位m/s。

在不同的实验条件下得到的系数会有差别。在气侵检测中，得出钻井液流速后，根据当前流速值下采集的信号计算其平均峰值的大小即可判断出含气量的多少。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于时域的气侵检测信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、气侵检测信号的预处理

使用高采样率的数据采集卡对气侵检测信号做A/D转换采集，得到数字信号进行累加平均抽取，以降低数据冗余，减少后面数据处理的运算量，并且提高信号的信噪比；

然后进行低通滤波，以滤除气侵检测信号中的各种噪声，其中，低通滤波时，根据反射信号的频率范围估算，来设置低通滤波器的参数；

(2)、流速估算

对预处理后的气侵检测信号，逐一寻找其峰值，根据峰值个数与流速的关系，计算出钻井液的流速；

其中，所述峰值个数与流速的关系，采用实测流速值与气侵检测信号的峰值个数进行分析得到；

(3)、含气量估算

根据步骤(2)寻找到的峰值，计算其平均值，得到平均峰值，然后根据步骤(2)计算出的钻井液流速，依据平均峰值与流速、含气量之间的关系，得到钻井液的含气量；

其中，所述平均峰值与流速、含气量之间的关系，采用实测不同流速和含气量下获取的气侵检测信号的峰值的平均峰值进行分析得到。

2.根据权利要求1所述的气侵检测信号处理方法，其特征在于，所述峰值个数与流速的关系为二次拟合关系，表示如下：

num＝av²+bv+c

具体的拟合系数a、b、c由实验的流速值v与峰值个数num确定，不同密度的钻井液实验对应不同的拟合系数。

3.根据权利要求1所述的气侵检测信号处理方法，其特征在于，所述平均峰值与流速、含气量之间的关系为：

pk＝k₀₀+k₁₀g+k₀₁v+k₂₀g²+k₁₁gv+k₀₂v² (13)

其中，v为流速值，g为含气量，pk为平均峰值，具体的拟合系数k₀₀、k₁₀、k₀₁、k₂₀、k₁₁、k₀₂由实验确定，不同密度的钻井液实验对应不同的系数。

4.根据权利要求1所述的气侵检测信号处理方法，其特征在于，所述峰值采用以下方法获得：

在判断当前采样点是否为峰值时，选择该值的前面两个采样点和后面两个采样点参与比较，也就是说在通常求极值的比较过程中再在前后各增加一点进行比较，即假设当前判断的点是序列的第n个值y(n)，若y(n)及其前后的点满足如下条件

那么y(n)就为对预处理后的气侵检测信号的一个峰值点。