井下动液面连续监测装置和监测方法与流程

1.本发明涉及一种井下动液面连续监测装置和监测方法。更特别地，本发明涉及一种基于自适应电声系统的井下动液面连续监测装置和监测方法。


背景技术：

2.在水资源管理、地下油气资源开采和土木工程结构施工过程中，精确地监测井下动液面的深度信息非常重要。对于井下动液面深度的监测有很多方法，例如浮筒法、示功图法、压力计探测法和回声测量法等。考虑到测量方法的简单、经济和适用，最常使用的是回声测量法。
3.回声测量法中，主要是使用爆炸声源产生大功率的短时大仰角声脉冲信号，这种声波可以获得清晰的抗干扰的声波反射信号。这种脉冲测距方法易受杂波干扰，测量精度和深度受到限制，想提高信噪比只有靠增加气枪的辐射声压级，同时这种脉冲回波测距法不能连续测量，且安全性不高。


技术实现要素：

4.为解决如上所述的技术问题，克服以往脉冲信号波形不好控制、抗干扰能力差和测量精度不高等缺点，实现对井下动液面实现声源可控、高精度的连续测量，在第一方面中，本发明提出一种井下动液面连续监测装置，包括安装在井口的测量装置、地面控制系统和外部传声器15，所述测量装置和地面控制系统通过电缆连接，外部传声器15与地面控制系统连接。
5.所述测量装置包括声波接收传感器10，低频扬声器11和声波信号阻抗匹配连接器12。所述地面控制系统包括功率放大器13，数据采集卡14，数据解算、分析和显示系统16，以及供电电路。所述外部传声器15与数据解算、分析和显示系统16连接。
6.所述低频扬声器11为基于电声的低频声脉冲发射装置。所述功率放大器13驱动低频扬声器11发射大时宽声波脉冲信号，有效提高声波辐射功率。
7.所述声波接收传感器10为井口接收器，接收反射信号，通过数据采集卡14，与发射信号一起传输到所述数据解算、分析和显示系统16。所述声波接收传感器10为低频高灵敏声波传感设备，有效提高声波的接收灵敏度。
8.所述外部传声器15将实时提取的环境噪声信号传输至数据解算、分析和显示系统16。所述数据解算、分析和显示系统16利用自适应算法滤除背景噪声，提取清晰有用的反射信号，通过反射信号和发射信号的时间差，计算显示动液面深度。
9.所述数据解算、分析和显示系统16动态显示油井动液面深度的等比例模型，示出液面深度的预警信息。
10.所述声波信号阻抗匹配连接器的横截面呈指数s(x)＝s0e-δx
变化，其中，s0表示与声波接收传感器10和低频扬声器11连接的截面面积，s1表示与s0相对的截面面积，且s0＜s1，x方向表示发射声波的传播方向。
11.在第二方面中，本发明涉及一种井下动液面连续监测方法，使用如上所述的监测装置进行，包括以下步骤：
12.(1)通过功率放大器13控制低频扬声器11，发出低频脉冲声信号；
13.(2)所述声信号通过声波信号阻抗匹配连接器12传输到井筒内部环空区域6，并经由环空区域6向井下传播，遇到接箍7和/或液面后，被反射回声波接收传感器10；
14.(3)所述声波接收传感器10将接收到的反射信号和环境噪声信号，通过数据采集卡14传输至数据解算、分析和显示系统16；
15.(4)所述数据解算、分析和显示系统16对外部传声器15接收到的环境噪声信号进行识别，通过数据处理滤除背景噪声信号干扰，提取声波接收传感器10接收到的反射信号；
16.(5)通过数据解算、分析和显示系统16的对反射信号进行快速傅里叶变换，通过频域分析，识别接箍反射声波和液面反射声波，计算动液面深度，在显示设备上显示动液面深度信息。
17.在优选的实施方式中，在步骤(1)中，根据不同井况，采用不同的信号波形，以获得精确的动液面测量数据。在更优选的实施方式中，采用线性调频或者m序编码的低频脉冲声信号，以增强信号的辐射功率和抗干扰性。
18.在优选的实施方式中，在步骤(4)中，所述数据处理为信号自相关计算和自适应滤波算法。
19.在优选的实施方式中，在所述方法中，每隔一定时间发出一个低频脉冲声信号，利用接箍和液面的反射声波计算动液面深度，绘制动液面深度与时间变化关系图。
20.在优选的实施方式中，所述低频脉冲声信号的频率为2hz-1500hz。
21.本发明的井下动液面连续监测装置和监测方法可以基于声波传输时间和声速算出井下动液面的深度，将深度信息显示在屏幕上，实现动液面深度的自动连续测量。
22.与现有技术相比，本发明的的井下动液面连续监测装置和监测方法具有如下优点：
23.(1)本发明克服了传统脉冲声波信号不好控制的问题，可以获得精确控制的声波信号提高声波传输时间的测量精度；
24.(2)本发明改进了传统脉冲回声测量法短距离测量精度不好的问题；
25.(3)本发明的自适应噪声滤波方法，减弱了外部噪声信号对通信信号的干扰，可以使用比传统脉冲信号低的功率实现远距离测量；
26.(4)本发明可以根据不同井况，调节电声系统发出最佳的预设声波测量信号；
27.(5)本发明所采用的声波信号设置方法和装置可以解决以往脉冲信号波形不好控制、抗干扰能力差和测量精度不高等缺点；
28.(6)本发明的声波波形和接收声信号的处理方法，充分考虑不同井的环空区域的声波传输特点，利用管道匹配连接结构使传声器获得较强的回声信号，采用自适应滤波方法根据油井周围噪声情况消除噪声对发射声信号的干扰获得较清晰的声波接收信号，计算声信号的井下传输时间；
29.(7)本发明可以利用发射信号和反射信号的相关性，消除噪声影响，获得声波的传输时间；
30.(8)本发明的测量装置固定在井口，可以耐高压、高温，抗腐蚀。
31.本发明通过简单的结构，提供了一种可以利用电声系统实现连续的井下动液面深度监测的监测装置和监测方法，克服了以往爆炸声测试设备笨重不能连续工作、测量精度差的缺点。这种新的测量装置和方法发射时变信号进入井下，对于接收到的反射声信号利用自适应滤波方法消除环境噪声对测量信号的干扰，克服了原有的脉冲回声法信号声源需要较高的辐射声功率缺点。利用相关运算从液面和接箍反射的声信号中提取出与发射信号相同的声信号模式，获得声波在井下传输的时间，最终计算出动液面的深度。利用这种电声装置可以连续发射声信号，保证信号发射和接收的稳定性，可以连续的监测液面的深度变化情况。
附图说明
32.图1示出本发明井下动液面连续监测装置的示意图。
33.图2示出横截面呈指数变化(s(x)＝s0e-δx
)的大管道和小管道声波信号阻抗匹配连接器的示意图，其中，s0表示与声波的接收和发射装置连接的截面，s1表示与细管道连接的截面，x方向表示发射声波的传播方向。
34.图1-2仅用于示意性地描述本发明的监测装置，各部分并未按比例绘制。其中，附图标记如下：1、地面，2、井筒的延伸地面部分，3、连接环空区的管道，4、管道阀门，5、液体或气体输送管道，6、环空区域，7、接箍，8、井下液体区域，9、动液面到传感器的距离，10、声波接收传感器，11、低频扬声器，12、声波信号阻抗匹配连接器，13、功率放大器，14、数据采集卡，15、外部传声器，16、数据解算、分析和显示系统。
35.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
具体实施方式
36.下文结合附图来对本发明的原理和特征进行描述，所描述的实施例仅用于解释本发明，并不意图对本发明的范围构成任何限定，本发明所要求保护的范围仅通过所附的权利要求来限定。
37.实施例1
38.实施例1用于说明本发明的井下动液面连续监测装置。
39.所述动液面连续监测装置包括安装在井口的测量装置、地面控制系统和外部传声器15，所述测量装置和地面控制系统通过电缆连接。
40.所述测量装置包括声波接收传感器10，低频扬声器11和声波信号阻抗匹配连接器12。所述地面控制系统包括功率放大器13，数据采集卡14，数据解算、分析和显示系统16，以及供电电路。所述外部传声器15与数据解算、分析和显示系统16连接。
41.所述低频扬声器11为基于电声的低频声脉冲发射装置。所述功率放大器13驱动低频扬声器11发射大时宽声波脉冲信号，有效提高声波辐射功率。
42.所述声波接收传感器10为井口接收器，接收反射信号，通过数据采集卡14，与发射信号一起传输到所述数据解算、分析和显示系统16。所述声波接收传感器10为低频高灵敏声波传感设备，有效提高声波的接收灵敏度。
43.所述外部传声器15将实时提取的环境噪声信号传输至数据解算、分析和显示系统
16。所述数据解算、分析和显示系统16利用自适应算法滤除背景噪声，提取清晰有用的反射信号，通过反射信号和发射信号的时间差，计算显示动液面深度。
44.所述数据解算、分析和显示系统16动态显示油井动液面深度的等比例模型，示出液面深度的预警信息。
45.所述声波信号阻抗匹配连接器的横截面呈指数s(x)＝s0e-δx
变化，其中，s0表示与声波接收传感器10和低频扬声器11连接的截面面积，s1表示与s0相对的截面面积，且s0＜s1，x方向表示发射声波的传播方向。
46.实施例2
47.实施例2用于说明本发明的井下动液面连续监测方法。
48.所述方法包括以下步骤：
49.(1)通过功率放大器13控制低频扬声器11，发出低频脉冲声信号；
50.(2)所述声信号通过声波信号阻抗匹配连接器12传输到井筒内部环空区域6，并经由环空区域6向井下传播，遇到接箍7和/或液面后，被反射回声波接收传感器10；
51.(3)所述声波接收传感器10将接收到的反射信号和环境噪声信号，通过数据采集卡14传输至数据解算、分析和显示系统16；
52.(4)所述数据解算、分析和显示系统16对外部传声器15接收到的环境噪声信号进行识别，通过数据处理滤除背景噪声信号干扰，提取声波接收传感器10接收到的反射信号；
53.(5)通过数据解算、分析和显示系统16的对反射信号进行快速傅里叶变换，通过频域分析，识别接箍反射声波和液面反射声波，计算动液面深度，在显示设备上显示动液面深度信息。
54.在步骤(1)中，根据不同井况，采用不同的信号波形，以获得精确的动液面测量数据。例如，可以采用线性调频或者m序编码的低频脉冲声信号，以增强信号的辐射功率和抗干扰性。
55.在步骤(4)中，所述数据处理为信号自相关计算和自适应滤波算法。
56.在监测时每隔一定时间、例如每隔2分钟发出一个低频脉冲声信号，利用接箍和液面的反射声波计算动液面深度，绘制动液面深度与时间变化关系图。所述低频脉冲声信号的频率为2hz-1500hz。
57.本发明的监测装置和监测方法可以有效提高井下动液面测量精度，可以自主控制连续测量的时间间隔，可以利用自适应降噪系统针对不同的井况消除噪声干扰获得精确的传输声信号，保证这个系统可以对不同井况的动液面深度进行精确连续自动检测。
58.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
59.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，本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物限定。
60.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。