CN113108870A - 基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油井动液面深度测量领域，具体涉及一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，包括通过扬声器发出低频窄带噪声对油套环空气柱进行激振，由声传感器组采集多组声波信号进行功率谱估计，结合谱减法滤除低频干扰，截取低频数据段的信号进行分段处理，计算出每段信号的谐波特征值，确定出各传感器信号的共振谐波频段范围；计算出确定频段的重合度和频谱相干性，通过计算共振谐波的波动次数，实现油井动液面深度的测量；本发明采用低频窄带噪声进行激振，能够进一步增强气柱共振强度，降低测量过程中的能源消耗，结合信号的谐波特征实现共振谐波分布频段的自动选取，有效提高了动液面测量的效率。

Description

基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量 方法

技术领域

本发明属于油井动液面深度测量领域，具体涉及一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法。

背景技术

在石油开采领域，油井动液面深度是油田现场作业的关键技术参数之一，是反映地层供液能力的主要指标。由于我国石油储量分布不均，且大多数属于低渗、低压、低丰度油田，开采难度大，技术要求高，严重制约了国内石油产量的提高。而通过精确测量油井动液面的位置，提高油田作业效率，降低石油开采过程中的能源消耗，对实现油田作业的可持续发展有重要作用；

现阶段，基于管柱声场模型的油井动液面测量方法通过发送全频带白噪声进行激励，激发油套管中空气柱产生共振，再通过空气柱长度和共振谐波波动次数之间的数学关系进行液面深度的测量。但由于油井深度一般在500m以上，长距离传播之下高频声波衰减严重，还未传播至动液面处时就已全部衰减，影响油套环空气柱共振效果；其次，发送全频带的白噪声进行激振时会极大地增加激振过程中能源消耗，不符合油田生产过程中节能减排、可持续发展的要求；最后，基于管柱声场模型的动液面测量方法声传感器与扬声器均安装在油套管口，由声传感器采集声波信号时会受到激振源发出的高频噪声的影响，增加提取共振声波信号的难度，造成后续共振谐波信号的提取造成困难。

另一方面，由于油井内部工作环境复杂，目前基于管柱声场原理的油井动液面测量方法均采用单通道声传感器进行测量。由于声传感器处于不同位置时所采集的油套环空气柱共振信号强弱不同，当声传感器处于共振信号较弱的位置时，将进一步增加提取共振信号的难度，严重时会导致测量失败。另外，由于油井内部环境复杂，在高腐蚀性气体、高温高压的作用下，传感器容易发生故障，采用单一传感器进行测量时可能导致测量值与实际值有较大的偏差。因此，基于单通道声传感器测量的方法不够稳定可靠。

通过低频窄带噪声对油套环空气柱进行激振时，由于低频声波信号具有衰减慢、越障能力强的特点，在复杂的油井内部环境向动液面传播时其穿透能力更强，将能适应于对更大范围油井的测量；其次，由于将全频带白噪声改变为低频窄带噪声，使得激振信号能量更集中，油套环空气柱共振信号也将更强，在实际情况下长时间激振所消耗的能量也更小，能够促进生产过程中的节能减排。利用多传感器对油套环空气柱共振信号进行采集，可以避免单通道传感器位置共振信号弱或声传感器故障而导致测量失效的情况，并且通过多传感器信号的融合处理，通过对数据进行频段重合度和频谱相干性检验，排除共振信号较弱或者无效的数据，实现对多传感器数据的优选，减少计算数据量，增强动液面测量的可靠性。

发明内容

为避免了单通道声传感器出现故障时测量失效的缺点，本发明提出一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，具体包括以下步骤：

S1、扬声器1安装于油井套管口，声传感器组2安装于靠近套管口处，且所述扬声器1和声传感器组2均与油井套管3中心轴线平齐；

S2、通过扬声器1发出低频窄带噪声对油套管内空气柱进行激振，由声传感器组2采集多组包含噪声和空气柱共振的混合信号，对各信号进行功率谱估计，得到多组功率谱信号；

S3、对每组功率谱信号进行滑动平均滤波得到其低频包络曲线，结合谱减法滤除频率信号中的低频干扰，输出信号即为包含共振谐波和噪声的频率信号，而当某一传感器数据异常时，输出信号中只含有噪声的频率信号；

S4、对滤除低频干扰的功率谱信号进行数据一致性检验，剔除异常数据，包括对输出信号做自卷积计算，再进行分段处理，并分别计算分段信号频谱的谐波特征，谐波特征越大表示该段信号中的共振谐波信号越强，从而确定共振谐波信号的分布频段范围；

S5、对确定的共振信号频段进行频段重合度和频谱相干性检验，当两组传感器信号间重合度和相干性越大时，认为两个传感器的观测数据越融合，两组数据间的融合度就越高，选取高于设定阀值的多组数据进行处理；

S6、对于融合度最高的多组数据进行互相关计算，增强共振谐波信号的信噪比，通过快速傅里叶变换计算出共振谐波波动次数；

S7、由共振谐波波动次数和动液面深度的数学关系计算出油井液面的深度。

进一步的，在安装扬声器1和声传感器组2时，扬声器1安装于套管口，声传感器组2中各传感器沿套管轴线呈线性均匀分布，各传感器间距小于20cm。

进一步的，步骤S4中分段信号频谱的谐波特征表示为：

其中，HE为六阶矩值，即分段信号频谱的谐波特征；S_i为信号S的第i个数据，

为信号S的均值，σ为信号S的标准差，M为信号分段个数。

进一步的，确定共振谐波信号的分布频段范围包括取高频段(优选的，本发明高频段指500Hz以上信号)分段信号频谱的谐波特征的中值的1.5倍设置为阈值，大于阈值的频段为共振谐波频段，其他为非共振谐波频段。

本发明对多通道传感器信号进行融合处理，选取融合度较高的数据进行动液面计算，并提出一种基于频谱六阶矩自动选取共振谐波，通过重合度和相干性优选数据，实现动液面深度值的自动计算的方法，与现有技术相比，主要包括以下优点：

1、传统算法采用全频带白噪声的激振方式，在高频噪声的作用下，油套环空气柱共振强度弱，导致提取共振信号的难度高，使得测量范围受限，激振过程中的能源消耗也较大。本发明采取低频窄带噪声的激振方式，使得声波信号能量更集中，传播距离更远，增强油套环空气柱共振强度，提高动液面测量范围，相比之下，低频窄带噪声激振下的能源消耗也更小。

2、在强噪声的作用下，空气柱共振信号容易被淹没，基于单通道声传感器测量的方法不够稳定可靠，本发明通过对多通道传感器信号进行融合处理，进一步计算各传感器信号共振谐波分布频段重合度以及频谱相干性，实现了声传感器数据的优选，剔除了异常的传感器数据，进一步减少了计算数据量；并且克服了采用单通道声传感器时，由于传感器故障或声传感器安装位置处的共振信号较弱而不能实现测量的缺陷；

3、传统算法需要通过短时傅里叶变换算法定位、手动选取共振谐波频段，难以实现共振频段的精准定位，本发明提出了一种表征谐波度的特征值HE，通过计算频率信号频谱的HE实现了共振谐波频率段的自动选取。

附图说明

图1为本发明提出算法流程图；

图2为本发明提供优选实施例中测量装置的安装示意图；

图3为实施例中声传感器组(2)采集的声信号时域图；

图4为实施例中声传感器采集的声信号y₁的功率谱；

图5为实施例中声传感器采集的声信号y₁功率谱滑动滤波后提取的低频包络信号；

图6为实施例中声传感器(2)信号功率谱经谱减消除低频干扰后的低频段信号；

图7为实施例中声传感器(2)信号功率谱经谱减消除低频干扰后的高频段信号；

图8为实施例中各传感器数据信号的峭度曲线图；

图9为实施例中各传感器数据信号的HE曲线图；

图10为实施例中互相关计算后的信号；

图11为实施例中互相关计算后信号中包含的共振谐波波动次数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，如图1，具体包括以下步骤：

S1、扬声器1安装于油井套管口，声传感器组2安装于靠近套管口处，且所述扬声器1和声传感器组2均与油井套管3中心轴线平齐；

S2、通过扬声器1发出低频噪声对油套管内空气柱进行激振，由声传感器组2采集多组包含噪声和空气柱共振的混合信号，对各信号进行功率谱估计，得到多组功率谱信号；

S3、对每组功率谱信号进行滑动平均滤波得到其低频包络曲线，结合谱减法滤除频率信号中的低频干扰，输出信号即为包含共振谐波和噪声的频率信号，而当某一传感器数据异常时，输出信号中只含有噪声的频率信号；

S4、对滤除低频干扰的功率谱信号进行数据一致性检验，剔除异常数据，包括对输出信号做自卷积计算，再进行分段处理，并分别计算分段信号频谱的谐波特征，谐波特征越大表示该段信号中的共振谐波信号越强，从而确定共振谐波信号的分布频段范围；

S5、对确定的共振信号频段进行频段重合度和频谱相干性检验，当两组传感器信号间重合度和相干性越大时，认为两个传感器的观测数据越融合，两组数据间的融合度就越高，选取高于设定阀值的多组数据进行处理；

S6、对于融合度最高的多组数据进行互相关计算，增强共振谐波信号的信噪比，通过快速傅里叶变换计算出共振谐波波动次数；

S7、由共振谐波波动次数和动液面深度的数学关系计算出油井液面的深度。

本实施例，进一步对上述步骤进行说明。

步骤11：安装检测装置，扬声器1安装于管道口，声传感器组2安装于扬声器前端，声传感器间距为5cm，如图2所示；实验管道直径d＝406mm，管道实际长度806.92m，管道末端刚性封闭；

步骤12：设置信号采样频率f_s＝2048Hz，采样时间t₁＝40s，实验环境温度T＝20℃。本次实验中，声传感器组2中共有4个声传感器，采集的声信号分别为y₁、y₂、y₃、y₄，时域信号如图3所示，可以看出，有用信号被扬声器1发出的低频噪声完全淹没；

步骤13：在本次实验中，y₁、y₂、y₃、y₄四组信号中含有空气柱共振信号，对四组信号进行功率谱估计，采样数据的总长度N₁＝40f_s，将该数据平分，每段数据点数M₂＝20f_s，功率谱估计点数均为N_w＝80f_s，得到四组功率谱估计信号，y₁的功率谱估计信号如图4所示；

步骤14：设置滑动平均点数为100，对每组功率谱信号进行滑动平均滤波处理，提取功率谱信号中的低频包络成分，y₁的低频成分如图5所示；

步骤15：对功率谱信号和低频包络曲线做谱减处理，消除频率信号中的低频干扰，得到多组频率信号Y₁(ω)、Y₂(ω)、Y₃(ω)、Y₄(ω)，选取10～310Hz的低频段数据进行处理，确定共振谐波频段的范围，Y_1-Low(ω)、Y_2-Low(ω)、Y_3-Low(ω)和Y_4-Low(ω)信号如图6所示，选取400～800Hz的高频段数据进行处理，计算各传感器选取共振谐波信号的阀值，Y_1-High(ω)、Y_2-High(ω)、Y_3-High(ω)和Y_4-High(ω)如图7所示；

步骤16：对第i个传感器的信号Y_i-Low(ω)，首先对信号进行卷积计算，然后进行分段处理，对每段信号补4倍零后进行FFT计算，对FFT计算后的信号进行重采样，每隔5点的数据组成一段频谱信号，共得到5组信号；

步骤17：分别计算5组频谱信号的HE，并将5组频谱六阶矩乘积的五次方根作为该段信号的HE值，增加计算HE值的稳定性，HE计算公式如式(1)所示：

式中，S_i为信号S的第i个数据，

为信号S的均值，σ为信号S的标准差。

步骤18：对第i个传感器的信号Y_i-High(ω)，重复步骤14～15，得到信号Y_i-High(ω)的HE曲线，取该曲线HE的中位数的1.5倍作为阀值，对信号Y_i-Low(ω)的HE进行选择，大于阀值的频段即为共振谐波频段，小于阀值的频段为非共振谐波频段；

步骤19：HE值越大，表示该段信号中包含的共振谐波信号越强，通过HE对信号进行分段表示，初步确定出每个传感器的共振谐波频段范围；

步骤20：HE由峭度特征改进而来，从图8和图9可以看出HE选取共振频段的优势，虽然峭度和HE均能实现对谐波频段的检测，但各传感器HE的阀值曲线更靠近非谐波频段，通过HE值确定出的共振谐波频段也更加精准。选取的共振谐波频段点数范围分别为[7401,12700]、[7001,12700]、[6901,13400]、[7201,12500]；

表1.各声传感器共振谐波频段重合度

步骤21：对同一声传感器组所采集的信号，经频谱六阶矩选取的共振谐波频段重合度较高，当某一传感器信号重合度较低时，认为其无共振谐波信号或者谐波信号较弱，设选取的传感器1功率谱信号频段范围为A，传感器2功率谱信号频段范围为B，则通过式(1)计算各传感器之间的频段重合度CD：

式中∪为取两个频段范围的并集，∩为取两个频段的交集，L(·)为计算区间长度算子。则声传感器组中各传感器共振谐波频段重合度CD分别为表1所示。

步骤22：由表1可以看出，当各声传感器正常工作时，均有效采集到了共振信号，且共振信号的分布频段高度一致，当有传感器出现故障或者共振信号较微弱时，频段重合度将会减小。在计算信号重合度的基础上，剔除重合度较低的数据，在进行各传感器信号频谱的相干性检验；设选取的传感器1的功率谱信号频谱为X，传感器2功率谱信号频谱为Y，则频谱相干系数CF计算公式如式(3)所示：

式中，X_i表示信号X的第i个数据，

为信号X的均值；Y_i表示信号Y的第i个数据，

为信号Y的均值，N为信号X和信号Y的数据点数。

表2.各声传感器共振谐波频段频谱相干系数

步骤23：由上述处理可知，四个传感器均满足重合度要求，四个传感器数据通过六阶矩自动选取的共振谐波点数最少为3300，计算频谱相干系数时，保证计算点数一致，选取点数也为3300，并由最大六阶矩值对应点向两侧选取，得到的频谱相干系数如表2所示；

步骤24：当两组数据间的重合度CD和相干性CF越大时，认为两个传感器的观测数据越融合，数据间的融合度就越高，取0.5作为CD和CF的预设阀值，选取大于阀值的传感器数据做相关计算；四组声传感器经相关计算后输出信号如图10所示；

步骤25：选取相关计算后的信号，总点数M_w＝15997，通过FFT计算波动次数γ＝939，如图11所示；

步骤26：将γ带入式(5)可以得到计算长度l＝806.75m，实际测量误差0.021％；

其中，υ_c为套管内的声波传播速度，计算公式如式(4)所示；γ为共振谐波波动次数；d为油管和套管的内径之差，N_w为功率谱估计点数，M_w为选取的共振频带点数，f_s为信号采样频率，T为管道内的平均温度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、扬声器(1)安装于油井套管口，声传感器组(2)安装于靠近套管口处，且所述扬声器(1)和声传感器组(2)均与油井套管(3)中心轴线平齐；

S2、通过扬声器(1)发出低频窄带噪声对油套环空气柱进行激振，由声传感器组(2)采集多组包含噪声和空气柱共振的混合信号，对各信号进行功率谱估计，得到多组功率谱信号；

S3、对每组功率谱信号进行滑动平均滤波得到其低频包络曲线，结合谱减法滤除频率信号中的低频干扰，输出信号即为包含共振谐波和噪声的频率信号，而当某一传感器数据异常时，输出信号中只含有噪声的频率信号；

S4、对滤除低频干扰的功率谱信号进行数据一致性检验，剔除异常数据，包括对输出信号做自卷积计算，再进行分段处理，并分别计算分段信号频谱的谐波特征，谐波特征越大表示该段信号中的共振谐波信号越强，从而确定共振谐波信号的分布频段范围；

S5、对确定的共振信号频段进行频段重合度和频谱相干性检验，当两组传感器信号间重合度和相干性越大时，认为两个传感器的观测数据越融合，两组数据间的融合度就越高，选取高于设定阀值的多组数据进行处理；

S6、对于融合度最高的多组数据进行互相关计算，增强共振谐波信号的信噪比，再通过快速傅里叶变换计算出共振谐波波动次数；

S7、由共振谐波波动次数和动液面深度的数学关系计算出油井液面的深度。

2.根据权利要求1所述的一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，扬声器(1)所发的低频窄带噪声频率小于200Hz，在安装扬声器(1)和声传感器组(2)时，扬声器(1)安装于套管口，声传感器组(2)中各传感器沿套管轴线呈线性均匀分布，各传感器间距小于20cm。

3.根据权利要求1所述的一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，步骤S4中分段信号频谱的谐波特征表示为：

其中，HE为六阶矩值，即分段信号频谱的谐波特征；S_i为信号S的第i个数据，

为信号S的均值，σ为信号S的标准差，M为信号分段个数。

4.根据权利要求4所述的一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，确定共振谐波信号的分布频段范围包括取高频段分段信号频谱谐波特征的中值的1.5倍设置为阈值，大于阈值的频段为共振谐波频段，其他为非共振谐波频段。

5.根据权利要求1所述的一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，对确定出的共振谐波信号进行频段重合度检验，传感器1功率谱信号频段范围为A，传感器2功率谱信号频段范围为B，则重合度CD表示为：

(当A∈B或B∈A时，CD＝1)；

其中，∪为取两个频段范围的并集，∩为取两个频段的交集，L(·)为计算区间长度算子。

6.根据权利要求5所述的一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，剔除共振信号中重合度CD低于设置的阈值的数据，并进行信号频谱的相干性检验，传感器1的功率谱信号其频谱为X，传感器2功率谱信号频谱为Y，则频谱相干系数CF表示为：

其中，X_i表示信号X的第i个数据，

为信号X的均值；Y_i表示信号Y的第i个数据，

为信号Y的均值，N为信号X和信号Y的总数据点数。

7.根据权利要求1所述的一种基于低频窄带噪声激振和多传感器融合的油井动液面测量方法，其特征在于，由共振谐波波动次数和动液面深度的数学关系计算出油井液面的深度包括：

其中，l为油井液面的深度；υ_c为套管内的声波传播速度；γ为共振谐波波动次数；d为油管和套管的内径之差，N_w为功率谱估计点数，M_w为互相关计算后信号的总点数，f_s为信号采样频率。

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