CN113719274B - 一种钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钻井工程技术领域，公开了一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法，可调频声波信号发生模块在控制模块的控制作用下，产生拥有不同频率的声波信号并且向井下传播，回波信号接收模块接收声波信号并转化为可识别的电信号，进行信号的放大和初步的环境噪声去除之后，再传至智能数据处理和特征提取模块，通过智能数据处理和特征提取模块的小波分析等处理手段，将噪声信号进行抑制，并得到需要的特征信号；之后根据首尾接箍信号产生的位置和相应的时间得到井下的平均声速，判断出声音信号到达井下液面花费的时间，结合钻井过程中钻具组合，计算得到井下动液面的高度。
Description
技术领域
本发明属于钻井工程技术领域，尤其涉及一种钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法。
背景技术
溢流和井漏时钻井工程中常见的复杂事故，对钻井工作由很大的危害，所以需要在两种情况发生的早期及时了解并作出处理，采取有效的措施。因此，井下动液面高度就成为了评判是否溢流漏失的重要指标。对于井下动液面高度的测量，当今使用的主要技术是利用回声法进行测量，也就是通过声音信号在传播时遇到液面会产生反射信号，通过记录反射信号的特点来得出井下动液面的高度，但当前对于钻井动液面监测的研究和具有针对性的装置较少，往往都是直接套用抽油机的井下动液面监测系统来进行检测。但钻井时要应对的井下干扰情况比抽油机要复杂的多。
当前的次声波信号发生装置往往只能产生单一的低频声波信号，无法做到实时控制发生信号的频率大小；当叶面较靠近地面时，如果还是采用单一的低频声波信号作为激励信号，将会影响测量的精度。
由于在常规的钻井用的动液面监测过程中，大部分采用的是抽油井中的动液面监测使用的回声法甚至直接套用抽油井中使用的液面监测系统，但该方法在钻井过程中面临着更多的井下的复杂影响因素，例如钻井过程中的变相和变径、井壁上所沾钻井液产生的声波信号反射、井下钻井产生的复杂噪声的影响和井下复杂气体构成的恶劣环境对于声音传播速度的影响，这些因素都会导致监测到的井下动液面高度产生较大误差。
并且在得到最终的回波信号时，往往通过人工点击回波信号的波形图选择相应的液面回波信号和人工选择声波信号的传播速度，这样的选择方式往往具有随机性并具有很大的误差，因为声波的传播速度很快，所以这种方式将会产生较大的误差，影响动液面高度的监测精度。
为了解决上述问题，本发明提出一种钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法，利用多模块相结合，设计符合实际钻井情况的动液面高度测量算法，合理地提取各回波信号的特征，达到正确计量钻井时动液面高度的目的。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法，通过测量和计算可以得到井下液面的精确高度。本发明的可调频声波信号发生模块在计算机的控制下，根据不同的井况发射可调节频率的声波测量信号，利用声波信号具有的反射性质来实时判断井下液面的深度；可以实现去噪功能并且分离提取激励信号,接箍回波信号和液面回波信号的对应特征，从而分别得到声速和声波信号的传播时间，可以有效提高系统的抗干扰能力并且去除无关信号；并且可以根据提取不同的几种声波脉冲信号的信号特征值，从而选择出最符合液面对应位置的采样点，实现对于井下动液面深度进行实时的精确测量，具有很高的对于复杂井况的自适应能力。
本发明采用如下技术方案：
一种钻井用井下动液面自动监测系统，本系统使用在套管装入井内，钻杆在套管内，钻杆一端没入井内液面，钻杆上间隔相同距离安装若干接箍的环境中；
本系统包括：可调频声波信号发生模块、回波信号接收模块、信号放大和去噪模块、计算机、智能数据处理和特征提取模块、波形显示和动液面高度计算模块。
可调频声波信号发生模块安装在井口位置，可调频声波信号发生模块的输入端与控制电路相连接，便于激励信号的发生，以及设备的维护修理。
回波信号接收模块安装在信号发生的出口处，用于接收井下反射回来的各类回波信号，回波信号主要包括在激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号。
在系统处于初始化阶段而没有产生声波脉冲信号时，通过回波信号接收模块接收当时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并储存。
信号放大和去噪模块，对回波信号接收模块接收到的回波信号进行适当的放大和去噪，便于之后的数据处理。
计算机，用于调用智能数据处理和特征提取模块和波形显示和动液面高度计算模块。
智能数据处理和特征提取模块，利用matlab和labview开发的数据处理模块对来自于信号放大和去噪模块的数据进行处理。
具体包括通过使本系统在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，帮助计算得到井下动液面高度。
具体的是选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对信号放大和去噪模块后的信号进行滤波和信号处理。将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。
利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号。
利用设计的带通滤波器和低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号。
进一步包括，对提取出的接箍回波信号进行特征提取：
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，可知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，可以通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期。由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值。由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分。所以，需要分析接箍信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析。
进一步的，对提取出的动液面回波信号进行特征提取：
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析可知，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论可知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，可以有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，也可以设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，可以得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值。
波形显示和动液面高度计算模块，将各种类的回波信号进行提取和合并，并且将该波形和对应的动液面高度在界面中显示出来，并记录钻井全过程中时间与钻井动液面之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度等统计参数实现溢流和井漏的预警。
可调频声波信号发生模块包括阀门、气缸、气泵，气泵与气缸相连接，气缸与阀门相连接，回波信号接收模块为微音器，电源通过控制电路为可调频声波信号发生模块和微音器提供电能。
可调频声波信号发生模块中的阀门包括空腔阀门、空腔、气缸主阀门，可调频声波信号发生模块气缸包括气缸缸体、密封圈、活塞杆、螺纹杆、轮盘、螺母，轮盘通过键与螺纹杆相连接，并实现周向和径向定位，螺母将轮盘固定在螺纹杆上，实现轴向定位固定，并将轮盘固定在螺纹杆一端，活塞杆通过螺纹与螺纹杆固定连接，矩形密封圈安装于活塞杆周向凹槽内，使活塞杆与气缸缸体接触部安装有矩形密封圈，活塞杆安装在螺纹杆另一端，活塞杆内置于气缸缸体内，气缸缸体一侧具有螺纹孔，与活塞杆相连的螺纹杆从该螺纹孔伸出(螺纹杆可以起到有效固定活塞的功能，达到改变内部容积的目的，螺纹旋进能保证活塞杆压缩空间后不会因为气缸压强增大而使活塞杆回退，也可以使活塞杆压缩空间根据旋进螺纹数改变，更容易量化；常规的光杆在内部压强增加之后会使活塞杆产生位移，导致容积无法按照需求改变)，通过旋转轮盘带动螺纹杆旋转进入气缸缸体，进而推动由活塞杆形成的活塞压缩气缸缸体容积，气缸另一侧安装通气管，在气缸缸体出口处的通气管上安装有气缸主阀门，在气缸主阀门后侧的通气管上安装有若干空腔部，空腔部包括空腔管、空腔阀门、空腔，空腔管一端连接通气管，另一端连接空腔，空腔管上安装有空腔阀门。
本发明的一种钻井用井下动液面自动监测方法，包括以下步骤：
步骤一.利用可调频声波信号发生模块产生激励信号并利用回波信号接收模块接收回波信号。
利用计算机启动可调频声波信号发生模块，控制气泵从套管内吸取气体，并且通过加压使气体存储到气缸中，使气缸内的压强不断增加，形成气缸内的高压气体，气缸内压力达到预定程度之后，气体吸收管会停止吸取外部气体，气缸主阀门在控制电路的控制作用下打开，释放高压气体，产生脉冲信号，作为测量井下动液面高度的激励信号。
声波在套管和钻杆之间形成的环形空间经过动液面，井下接箍反射形成组合的回波信号S(i)，其中i为采样带点数编号。
第二步.将回波信号接收模块接收到的微弱回波信号进行放大和并除去环境噪声。
步骤201.送入不具有环境噪声的回波信号
由于存在大量环境噪声，必须消除，在系统处于初始化阶段没有产生脉冲信号时，通过回波信号接收模块接收该时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并存储，送入信号放大和去噪模块；
步骤202.送入掺杂有环境噪声的回波信号
待系统开始运行时，将回波信号接收模块的信号送入信号放大和去噪模块进行放大和去噪处理，结合常态下存储的零点噪声，通过差分信号降噪法，来去除回波信号中包含的环境噪声，再送入计算机中待后期处理；
步骤三.通过计算机调用智能数据处理和特征提取模块
得到的数据传至智能数据处理和特征提取模块，该模块利用matlab和labview开发的数据处理模块对传送至计算机的数据进行处理
步骤301.记录存储并去除井口微音器接收到的激励信号；
具体包括通过使钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后可以根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，可以帮助计算得到井下动液面高度。
步骤302.利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对回波信号进行滤波和信号处理。
将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，可以对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。
利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号。
利用设计的FIR数字带通滤波器和FIR数字低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号。
步骤303.对提取出的接箍回波信号进行特征提取
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，可知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，可以通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期。由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值。由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分。所以，需要分析接箍信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析。
步骤304.对提取出的动液面回波信号进行特征提取
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析可知，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论可知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，可以有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，也可以设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，可以得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值。
步骤四.通过接箍信号特征值，利用公式得到井下的平均声速
声波在钻柱与套管之间形成的环空中传播，由于地下环境复杂和一般钻井深度往往较深的原因，会导致该空间内各处的空气密度不同，温度也有很大的差距，这些因素会导致声波信号的传播速度发生较大幅度的变化，与空气中的340m/s的传播速度有较大的差距，所以不能用空气中的平均声速直接计算得出动液面高度。
选择首尾的接箍信号来得到首尾接箍之间的声波信号的传播时间来计算得到井下声波信号传播的平均速度；
在步骤三中提取回波信号特征值时，记录得到接箍首波信号和尾波信号产生的时间点，得到并记录两者之间声音传播所用的时间，再结合接箍回波信号的总数量(接箍数量)和现场已知的钻具组合方式，得到首尾两个接箍之间的距离和声波信号在两接箍之间传播所用的时间，根据L＝V*T得到声波信号从发射处到井底动液面的平均速度。
步骤五.将合并的有效回波信号和动液面高度计算等结果显示在波形显示和动液面高度计算模块中
在步骤四中得到一系列关于井下动液面的有效参数后，将有关参数传输到由labview开发的波形显示和动液面高度计算模块中，进行信号的合并并且直观的显示给现场的工作人员；并记录钻井过程中时间与钻井动液面高度之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度等统计参数来实现溢流和井漏的预警，达到有效监控钻井过程中井下是否发生漏失等情况的目的。
进一步的，回波信号主要包括激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号。
进一步的，控制电路调整活塞杆的位置来调整气缸内部的压强大小，利用空腔和空腔阀门的开闭状态调节组合来改变气缸的气路通道的特点，由此可以调节发出的声波信号的频率。
本发明的有益效果：
(1)本发明中的可调频声波信号发生模块，采用调整气泵和气缸的工作状态来产生不同的频率信号，克服了常规声音信号发生器只能产生单一频率的低频次声波，对于液面与地面距离较近时的问题实现了改进，提高了测试精度。
(2)本发明利用未工作时微音器接收到的环境噪声，将其接收并存储，利用软硬件相结合对于系统正常运行时的回波信号进行一个预先的降噪处理，方便了后续的信号处理，提高了测量精度。
(3)本发明提出了根据首尾接箍信号配合已知的下入井中的钻杆长度，来计算得出声音传播至井下动液面的平均速度，减少了工作量，提高了测量精度。
(4)本装置采用基于LabVIEW和matlab编写的程序进行信号处理和显示，可以进行即时的对于激励信号，接箍信号和液面回波信号的信号提取分离、特征提取和噪声去除等功能，并且可以进行相应的声速计算、声音传播时间的计算和井下回波信号的合成显示，使工作人员可以了解井下动液面高度的变化情况，是否发生溢流漏失等情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的井下结构示意图；
图2为本发明实施例提供的系统运行流程图；
图3为本发明实施例提供的井下动液面声波信号收发结构图；
图4为本发明实施例提供的可调频声波信号发生模块气缸和阀门部分结构图；
图5为本发明的步骤流程图。
图中：1-套管、2-接箍、3-液面、4-钻杆、5-可调频声波信号发生模块、6-回波信号接收模块、7-信号放大和去噪模块、8-计算机、9-智能数据处理和特征提取模块、10-波形显示和动液面高度计算模块、11-气缸、12-气泵、13-电源、14-控制电路、15-微音器、16-阀门、17-空腔阀门、18-空腔、19-气缸主阀门、20-气缸缸体、21-矩形密封圈、22-活塞杆、23-螺纹杆、24-轮盘、25-螺母。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
如图1所示，将套管1装入井内，将钻杆4从套管1内下入井内，钻杆一端没入井内液面3，钻杆4上间隔相同距离安装若干接箍2。
如图2所示，一种钻井用井下动液面自动监测系统包括：可调频声波信号发生模块5、回波信号接收模块6、信号放大和去噪模块7、计算机8、智能数据处理和特征提取模块9、波形显示和动液面高度计算模块10。
可调频声波信号发生模块5安装在井口位置，可调频声波信号发生模块5的输入端与控制电路14相连接，便于激励信号的发生，以及设备的维护修理。
回波信号接收模块6安装在信号发生的出口处，用于接收井下反射回来的各类回波信号，回波信号主要包括在激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍2反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号。
在系统处于初始化阶段而没有产生声波脉冲信号时，通过回波信号接收模块6接收当时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并储存，之后在系统开始运行时，对放大后的回波信号，结合常态下存储的零点噪声，通过差分信号降噪法，来去除回波信号中包含的环境噪声。
通过回波信号接收模块6(微音器)接收到的井下回波信号转换为可以用计算机处理的电信号，便于之后的数据处理。
声音在井下的传播距离往往较远，声波信号在运行过程中有衰减，最终接收到的回波信号是较为微弱的，所以回波信号接收模块6在接收到微弱的井下回波信号之后被传输到回波信号放大去噪模块7中进行放大和去噪处理(由于钻井过程中存在着大量的环境噪声，要求必须有效消除井口处接收到的环境噪声)。
信号放大和去噪模块7，对回波信号接收模块6接收到的回波信号进行适当的放大和去噪，便于之后的数据处理。
计算机8，用于调用智能数据处理和特征提取模块9和波形显示和动液面高度计算模块10。
智能数据处理和特征提取模块9，利用matlab和labview开发的数据处理模块对来自于信号放大和去噪模块7的数据进行处理。
包括通过使钻井用井下动液面自动监测系统在无噪环境下正常工作(将本发明所述的系统放置在室内环境中，保证该环境中具有较少或没有复杂的环境噪声；在这样的工作环境下启动可调频声波信号发生模块5，产生相应的声音信号，此时微音器15接收到的声音信号就是可调频声波信号发生模块5产生的初始激励信号)，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后可以根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，可以帮助计算得到井下动液面高度。
具体的选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对信号放大和去噪模块7后的信号进行滤波和信号处理。又包括：
将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，可以对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。
利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号。
利用设计的带通滤波器和低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号。
进一步包括，对提取出的接箍回波信号进行特征提取：
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，可知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，可以通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期。由于接箍2长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍2信号的周期，即找到接箍2信号基波的位置，所以从接箍2信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值。由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分。所以，需要分析接箍2信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析。
进一步的，对提取出的动液面回波信号进行特征提取：
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析可知，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论可知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，可以有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，也可以设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，可以得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值。
波形显示和动液面高度计算模块，将各种类的回波信号进行提取和合并，并且将该波形和对应的动液面高度在界面中显示出来，并记录钻井全过程中时间与钻井动液面之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度等统计参数实现溢流和井漏的预警。
如图3所示，可调频声波信号发生模块16包括阀门16、气缸11、气泵12，气泵12与气缸11相连接，气缸12与阀门16相连接，回波信号接收模块6为微音器15，电源13通过控制电路14为可调频声波信号发生模块16和微音器15提供电能。
如图4所示，可调频声波信号发生模块5中的阀门16包括空腔阀门17、空腔18、气缸主阀门19，可调频声波信号发生模块5气缸包括气缸缸体20、矩形密封圈21、活塞杆22、螺纹杆23、轮盘24、螺母25，轮盘24通过键与螺纹杆23相连接，并实现周向和径向定位，螺母将轮盘24固定在螺纹杆23上，实现轴向定位固定，并将轮盘24固定在螺纹杆23一端，活塞杆22通过螺纹与螺纹杆23固定连接，矩形密封圈21安装于活塞杆22周向凹槽内，使活塞杆22与气缸缸体20接触部安装有矩形密封圈21，活塞杆22安装在螺纹杆23另一端，活塞杆22内置于气缸缸体20内，气缸缸体20一侧具有螺纹孔，与活塞杆22相连的螺纹杆23从该螺纹孔伸出(将本发明所述的系统放置在室内环境中，保证该环境中具有较少或没有复杂的环境噪声；在这样的工作环境下启动可调频声波信号发生模块5，产生相应的声音信号，此时微音器15接收到的声音信号就是可调频声波信号发生模块5产生的初始激励信号)，通过旋转轮盘24带动螺纹杆23旋转进入气缸缸体20，进而推动由活塞杆22形成的活塞压缩气缸缸体20容积，气缸另一侧安装通气管，在气缸缸体20出口处的通气管上安装有气缸主阀门19，在气缸主阀门19后侧的通气管上安装有若干空腔部，空腔部包括空腔管、空腔阀门17、空腔18，空腔管一端连接通气管，另一端连接空腔18，空腔管上安装有空腔阀门18。
如图5所示，本发明的一种钻井用井下动液面自动监测方法，包括以下步骤：
步骤一.利用可调频声波信号发生模块5产生激励信号并利用回波信号接收模块6接收回波信号。
利用计算机8启动可调频声波信号发生模块5，控制气泵12从套管1内吸取气体，并且通过加压使气体存储到气缸11中，使气缸11内的压强不断增加，形成气缸11内的高压气体，气缸11内压力达到预定程度之后，气体吸收管会停止吸取外部气体，气缸主阀门19在控制电路14的控制作用下打开，释放高压气体，产生脉冲信号，作为测量井下动液面高度的激励信号。
声波在套管1和钻杆4之间形成的环形空间经过动液面，井下接箍2反射形成组合的回波信号S(i)，其中i为采样带点数编号。
进一步的，回波信号主要包括激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍2反射回的接箍2回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号。
进一步的，控制电路14调整活塞杆22的位置来调整气缸11内部的压强大小，利用空腔18和空腔阀门17的开闭状态调节组合来改变气缸的气路通道的特点，由此可以调节发出的声波信号的频率。
步骤二.将回波信号接收模块6接收到的微弱回波信号进行放大和并除去环境噪声。
声音在井下的传播距离往往较远，声波信号在运行过程中有衰减，最终接收到的回波信号是较为微弱的，所以回波信号接收模块6(微音器15)在接收到微弱的井下回波信号之后被传输到回波信号放大去噪模块7中进行放大和去噪处理(由于钻井过程中存在着大量的环境噪声，要求必须有效消除井口处接收到的环境噪声)。
步骤201.送入不具有环境噪声的回波信号
由于存在大量环境噪声，必须消除，在系统处于初始化阶段没有产生脉冲信号时，通过回波信号接收模块6(微音器15)接收该时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并存储，送入信号放大和去噪模块；
步骤202.送入掺杂有环境噪声的回波信号
待系统开始运行时，将回波信号接收模块6的信号送入信号放大和去噪模块7进行放大和去噪处理，结合常态下存储的零点噪声，通过差分信号降噪法，来去除回波信号中包含的环境噪声，再送入计算机8中待后期处理；
步骤三.通过计算机8调用智能数据处理和特征提取模块9
得到的数据传至智能数据处理和特征提取模块9，该模块利用matlab和labview开发的数据处理模块对传送至计算机8的数据进行处理
步骤301.记录存储并去除井口微音器15接收到的激励信号；
具体包括通过使钻井用井下动液面自动监测系统在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后可以根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，可以帮助计算得到井下动液面高度。
步骤302.利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对回波信号进行滤波和信号处理。
将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，可以对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。
利用设计的FIR数字带通滤波器和FIR数字低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号。
步骤303.对提取出的接箍回波信号进行特征提取
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，可知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，可以通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期。由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值。由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分。所以，需要分析接箍信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析。
步骤304.对提取出的动液面回波信号进行特征提取
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析可知，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论可知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，可以有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，也可以设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，可以得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值。
步骤四.通过接箍信号特征值，利用公式得到井下的平均声速
声波在钻柱与套管之间形成的环空中传播，由于地下环境复杂和一般钻井深度往往较深的原因，会导致该空间内各处的空气密度不同，温度也有很大的差距，这些因素会导致声波信号的传播速度发生较大幅度的变化，与空气中的340m/s的传播速度有较大的差距，所以不能用空气中的平均声速直接计算得出动液面高度。
选择首尾的接箍信号来得到首尾接箍之间的声波信号的传播时间来计算得到井下声波信号传播的平均速度；
在步骤三中提取回波信号特征值时，记录得到接箍首波信号和尾波信号产生的时间点，得到并记录两者之间声音传播所用的时间，再结合接箍回波信号的总数量(接箍数量)和现场已知的钻具组合方式，得到首尾两个接箍之间的距离和声波信号在两接箍之间传播所用的时间，根据L＝V*T得到声波信号从发射处到井底动液面的平均速度。
步骤五.将合并的有效回波信号和动液面高度计算等结果显示在波形显示和动液面高度计算模块中；
在步骤四中得到一系列关于井下动液面的有效参数后，将有关参数传输到由labview开发的波形显示和动液面高度计算模块中，进行信号的合并并且直观的显示给现场的工作人员；并记录钻井过程中时间与钻井动液面高度之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度等统计参数来实现溢流和井漏的预警，达到有效监控钻井过程中井下是否发生漏失等情况的目的。
本发明使用信号处理手段去除多余的无效井下回波信号并分别提取井下接箍回波信号和动液面回波信号；对于钻井过程中的回波信号中的噪声信号，主要处理的是由于变径变相和钻井液附着产生的无效回波信号和有关的噪声信号，要得到有效的回波信号，则需要对信号做降噪处理，通过衰减噪声来突显信号特征。
本发明使用窗函数法设计的FIR数字滤波器对检测信号做降噪处理，在降噪处理之前，需根据回波信号的频率幅值等特点来设计不同的数字滤波器，分别用设计得到带通滤波器来得到接箍回波信号，低通滤波器来得到井下动液面回波信号并单独存储。
本发明在使用时，根据不同的钻井深度，确定并产生不同频率的激励信号，识别基于接箍的回波信号并提取首尾波位置得到信号的井下声速，并提取动液面的突变峰和动液面位置的采样点，来获取回波信号的传播时间，从而计算达到井下动液面高度，适应性较强，解决了钻井时复杂的井况造成回波信号无法识别的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，包括：可调频声波信号发生模块、回波信号接收模块、信号放大和去噪模块、计算机、智能数据处理和特征提取模块、波形显示和动液面高度计算模块；
可调频声波信号发生模块安装在井口位置，可调频声波信号发生模块的输入端与控制电路相连接，用于激励信号的发生；
可调频声波信号发生模块包括阀门、气缸、气泵，气泵与气缸相连接，气缸与阀门相连接，可调频声波信号发生模块中的阀门包括空腔阀门、空腔、气缸主阀门，可调频声波信号发生模块中的气缸包括气缸缸体、矩形密封圈、活塞杆、螺纹杆、轮盘、螺母，轮盘通过键与螺纹杆相连接，并实现周向和径向定位，螺母将轮盘固定在螺纹杆上，实现轴向定位固定，并将轮盘固定在螺纹杆一端，活塞杆通过螺纹与螺纹杆固定连接，矩形密封圈安装于活塞杆周向凹槽内，使活塞杆与气缸缸体接触部安装有矩形密封圈，活塞杆安装在螺纹杆另一端，活塞杆内置于气缸缸体内，气缸缸体一侧具有螺纹孔，与活塞杆相连的螺纹杆从该螺纹孔伸出，通过旋转轮盘带动螺纹杆旋转进入气缸缸体，进而推动由活塞杆形成的活塞压缩气缸缸体容积，气缸另一侧安装通气管，在气缸缸体出口处的通气管上安装有气缸主阀门，在气缸主阀门后侧的通气管上安装有若干空腔部，空腔部包括空腔管、空腔阀门、空腔，空腔管一端连接通气管，另一端连接空腔，空腔管上安装有空腔阀门；
回波信号接收模块为微音器，安装在信号发生的出口处，用于接收井下反射回来的各类回波信号，回波信号包括在激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号；
在系统处于初始化阶段而没有产生声波脉冲信号时，通过回波信号接收模块接收当前时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并储存；
信号放大和去噪模块，用于对回波信号接收模块接收到的回波信号进行适当的放大和去噪，便于之后的数据处理；
计算机，用于调用智能数据处理和特征提取模块、波形显示和动液面高度计算模块；
智能数据处理和特征提取模块，利用matlab和labview开发的数据处理模块对来自于信号放大和去噪模块的数据进行处理，钻井用井下动液面自动监测系统在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，帮助计算得到井下动液面高度，选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对信号放大和去噪模块处理后的信号进行滤波和信号处理；
波形显示和动液面高度计算模块，将各种类的回波信号进行提取和合并，并且将波形和对应的动液面高度在界面中显示出来，并记录钻井全过程中时间与钻井动液面之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度，统计参数实现溢流和井漏的预警。
2.根据权利要求1所述的钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，系统使用在套管装入井内，钻杆在套管内，钻杆一端没入井内液面，钻杆上间隔相同距离安装若干接箍的环境中。
3.根据权利要求1所述的钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器具体是，将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。
4.根据权利要求1所述的钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，对信号放大和去噪模块后的信号进行滤波和信号处理具体包括：
利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号；
利用设计的带通滤波器和低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号；
对提取出的接箍回波信号进行特征提取：
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件，对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，可知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期，由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值，由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分，所以，需要分析接箍信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析；
对提取出的动液面回波信号进行特征提取：
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件，对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，能有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值。
5.应用权利要求1-4中任意一项所述的钻井用井下动液面自动监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一.利用可调频声波信号发生模块产生激励信号并利用回波信号接收模块接收回波信号；
利用计算机启动可调频声波信号发生模块，控制气泵从套管内吸取气体，并且通过加压使气体存储到气缸中，使气缸内的压强不断增加，形成气缸内的高压气体，气缸内压力达到预定程度之后，气体吸收管会停止吸取外部气体，气缸主阀门在控制电路的控制作用下打开，释放高压气体，产生脉冲信号，作为测量井下动液面高度的激励信号；
步骤二.将回波信号接收模块接收到的微弱回波信号进行放大和除去环境噪声；
步骤201.送入不具有环境噪声的回波信号
由于存在大量环境噪声，必须消除，在系统处于初始化阶段没有产生脉冲信号时，通过回波信号接收模块接收该阶段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并存储，送入信号放大和去噪模块；
步骤202.送入掺杂有环境噪声的回波信号
待系统开始运行时，将回波信号接收模块的信号送入信号放大和去噪模块进行放大和去噪处理，结合常态下存储的零点噪声，通过差分信号降噪法，来去除回波信号中包含的环境噪声，再送入计算机中待后期处理；
步骤三.通过计算机调用智能数据处理和特征提取模块
得到的数据传至智能数据处理和特征提取模块，该模块利用matlab和labview开发的数据处理模块对传送至计算机的数据进行处理；
步骤301.记录存储并去除井口微音器接收到的激励信号；
具体包括通过使本系统在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，帮助计算得到井下动液面高度；
步骤302.利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对回波信号进行滤波和信号处理；
将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数；
利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号；
利用设计的FIR数字带通滤波器和FIR数字低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号；
步骤303.对提取出的接箍回波信号进行特征提取
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件，对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期，由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值，由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分，所以，需要分析接箍信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析；
步骤304.对提取出的动液面回波信号进行特征提取
在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件，对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论可知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，也设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值；
步骤四.通过接箍信号特征值，利用公式得到井下的平均声速
声波在钻柱与套管之间形成的环空中传播，由于地下环境复杂和一般钻井深度往往较深的原因，会导致钻柱与套管之间形成的环空内各处的空气密度不同，温度也有很大的差距，这些因素会导致声波信号的传播速度发生较大幅度的变化，与空气中的340m/s的传播速度有较大的差距，所以不能用空气中的平均声速直接计算得出动液面高度；
选择首尾的接箍信号来得到首尾接箍之间的声波信号的传播时间来计算得到井下声波信号传播的平均速度；
在步骤三中提取回波信号特征值时，记录得到接箍首波信号和尾波信号产生的时间点，得到并记录两者之间声音传播所用的时间，再结合接箍回波信号的总数量和现场已知的钻具组合方式，得到首尾两个接箍之间的距离和声波信号在两接箍之间传播所用的时间，根据L＝V*T得到声波信号从发射处到井底动液面的平均速度；
步骤五.将合并的有效回波信号和动液面高度计算结果显示在波形显示和动液面高度计算模块中
在步骤四中得到一系列关于井下动液面的有效参数后，将有关参数传输到由labview开发的波形显示和动液面高度计算模块中，进行信号的合并并且直观的显示给现场的工作人员；并记录钻井过程中时间与钻井动液面高度之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度，统计参数来实现溢流和井漏的预警，达到有效监控钻井过程中井下是否发生漏失情况的目的。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，步骤一中，声波在套管和钻杆之间形成的环形空间经过动液面，井下接箍反射形成组合的回波信号S(i)，其中i为采样带点数编号；
回波信号包括激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号；
控制电路调整活塞杆的位置来调整气缸内部的压强大小，利用空腔和空腔阀门的开闭状态调节组合来改变气缸的气路通道的特点，由此调节发出的声波信号的频率。
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