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

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为避免了单通道声传感器出现故障时测量失效的缺点，本专利技术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；Si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，本专利技术高频段指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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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为本专利技术提出算法流程图；图2为本专利技术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专利技术实施例中的附图，对本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、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；/nS4、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；/nS5、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；/nS6、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；/nS7、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。/n...

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锐，冉超，杨平安，罗久飞，冯松，郑明轩，李靖，张彬，李海青，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50