本发明属于井下动液面回波信号声速提取技术领域，具体涉及一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法。
背景技术：
在石油开采过程中，油井的动液面深度是油藏开采状况监测的重要参数。油井的动液面深度主要是通过动液面监测仪进行监测，在动液面深度的计算中，声速是关键的参数。声速计算的基础是固定长度油管接箍反射周期性的声波信号。现有两类依据接箍周期性反射信号计算声速的方法。第一类是时域法，如最早的人工法、自动识别接箍法、短时平均幅度差函数法(amdf)、短时自相关函数法(acf)、神经网络法等，这类方法在时域通过识别一个或多个接箍信号的时间周期计算声速。第二类是频域法，即傅里叶变换法，这种方法利用频域的频谱中幅度最大频率对应时域信号频率的特点计算声速。对于理想规则的接箍，反射信号波形是规则的周期信号，通过时域法和频域法均可以准确地计算出声速。但是，实际油井的反射信号波形却不是规则的周期信号，其情况十分复杂，导致油井反射信号不规则的主要原因是油管接箍和环境问题。由于接箍是将两根管节连接在一起，多个接箍不可能实现完全等间隔的连接，而且接箍暴露在油管和套管之间的恶劣空气环境中，较长时间后接箍将被腐蚀，导致接箍的反射信号不再规则。另外，油井周围的噪声，包括抽油杆与油管的碰撞、地面抽油机的发电机机械振动等周期性噪声，使从井口到动液面的温度、密度、粘度和压力不断的变化，致使声速不是固定值。由于这些问题可能同时存在，导致目前的基于接箍的声速计算方法精度低，不能适应油井的各种环境，适应面较窄，通用性差。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法，根据不同的油井深度，确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长，识别基于油管接箍的回波周期信号提取回波信号声速，通用性强，声速计算准确，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取动液面深度预估值并采集回波信号：利用油泵在油井中的安装位置获取动液面深度预估值yh，利用计算机控制声波发生器发出次声波信号，所述次声波信号在油管与套管之间形成的环形空间内经动液面、油管和油管接箍反射形成回波信号，利用回波接收器接收所述回波信号，动液面测量仪以采样频率fs采集所述回波信号，得到回波采样信号s(i)，并将回波采样信号s(i)发送至计算机中，其中，i为采样点数编号；
所述声波发生器和回波接收器均安装在油井的井口，声波发生器的输入端与计算机的输出端连接，回波接收器的输出端与动液面测量仪的输入端连接，动液面测量仪通过有线或无线的方式与计算机进行通信；油管设置在所述套管内，油管由多根管节依次连接而成，相邻两根所述管节采用油管接箍连接；
步骤二、回波采样信号的滤波，过程如下：
步骤201、预估次声波在单根管节上的基波频率fb的范围：根据公式fbmin≤fb≤fbmax，预估次声波在单根管节上的基波频率fb的范围，其中，fbmin为次声波在单根管节上的基波最小频率，且
步骤202、归一化处理获取次声波在单根管节上的归一化基波频率的范围：根据公式
步骤203、选取带通滤波器：计算机选取基于kaiser窗函数的带通滤波器，所述带通滤波器的下限频率fbl＝ρ1fnmin，所述带通滤波器的上限频率fbu＝ρ2fnmax，其中，ρ1为下限频率系数且0.5<ρ1<1，ρ2为上限频率系数且5<ρ2<8；
步骤204、滤波处理：计算机采用步骤203中选取的带通滤波器对回波采样信号s(i)进行带通滤波得到带通滤波回波信号sp(i)；
步骤三、带通滤波回波信号的频域变换，过程如下：
步骤301、确定窗口的起始位置：计算机从带通滤波回波信号sp(i)中的第一个采样点开始向后查找，确定带通滤波回波信号sp(i)中三个连续的回波周期信号后停止查找，将带通滤波回波信号sp(i)的三个连续的回波周期信号中的第一个回波周期信号的起始位置作为窗口的起始位置；
步骤302、确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长：根据公式
步骤303、计算机对带通滤波回波信号sp(i)作补零处理后再进行快速傅里叶变换，获得频域回波信号f(k)；
步骤304、计算机对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行β次频域变换，获得频域回波信号序列fβ(k)，其中，2≤β≤4；
计算机对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行β次频域变换时均采用补零处理后再进行快速傅里叶变换，获得频域回波信号序列fβ(k)；
步骤305、计算机对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行γ次频域变换，获得频域回波信号序列fγ(k)，其中，4<γ<15；
计算机对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行γ次频域变换时均采用补零处理后再进行快速傅里叶变换，获得频域回波信号序列fγ(k)；
步骤四、提取回波信号声速，过程如下：
步骤401、计算机提取频域回波信号的能量最大值对应的m倍倍频频率，当频域回波信号为频域回波信号f(k)时，执行步骤402；当频域回波信号为频域回波信号序列fβ(k)时，执行步骤403；当频域回波信号为频域回波信号序列fγ(k)时，执行步骤404，m为不大于5的正整数；
步骤402、计算机对频域回波信号f(k)从频率值为fnmin开始查找到频率值为fnmax，查找位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当fnmin和fnmax之间存在能量最大的谱线，则该能量最大的谱线对应的归一化频率值为次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值，次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值为频域回波信号f(k)的1倍倍频频率fn1，然后在频域回波信号f(k)上频率值分别为2fn、3fn、4fn和5fn的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，根据公式
当fnmin和fnmax之间不存在能量最大的谱线，计算机查找位于2fnmin和2fnmax之间能量最大的谱线对应的频率值，则该能量最大的谱线对应的频率值为频域回波信号f(k)的2倍倍频频率fn2，然后在频域回波信号f(k)上频率值分别为
步骤403、计算机对频域回波信号序列fβ(k)中每一个频域回波信号分别进行回波信号声速计算，且频域回波信号序列fβ(k)中每一个频域回波信号的回波信号声速计算方法均相同；计算机对频域回波信号序列fβ(k)中任一频域回波信号均从频率值为fnmin开始查找到频率值为fnmax，查找位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当fnmin和fnmax之间存在能量最大的谱线，则该能量最大的谱线对应的归一化频率值为次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值，该次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值为频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号的1倍倍频频率fn1，然后在频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为2fn、3fn、4fn和5fn的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，根据公式
当fnmin和fnmax之间不存在能量最大的谱线，计算机查找位于2fnmin和2fnmax之间能量最大的谱线对应的频率值，则该能量最大的谱线对应的频率值为频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号的2倍倍频频率fn2，然后在频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为
根据公式
步骤404、计算机对频域回波信号序列fγ(k)中每一个频域回波信号分别进行回波信号声速计算，且频域回波信号序列fγ(k)中每一个频域回波信号的回波信号声速计算方法均相同；计算机对频域回波信号序列fγ(k)中任一频域回波信号均从频率值为fnmin开始查找到频率值为fnmax，查找位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当fnmin和fnmax之间存在能量最大的谱线，则该能量最大的谱线对应的归一化频率值为次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值，该次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值为频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号的1倍倍频频率fn1，然后在频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为2fn、3fn、4fn和5fn的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，根据公式
当fnmin和fnmax之间不存在能量最大的谱线，计算机查找位于2fnmin和2fnmax之间能量最大的谱线对应的频率值，则该能量最大的谱线对应的频率值为频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号的2倍倍频频率fn2，然后在频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为
计算机对频域回波信号序列fγ(k)中γ个频域回波信号对应的γ个回波信号声速进行筛选，筛选出4个变化率最小的连续的声速值，求取该4个声速值的平均值作为回波信号声速v。
上述的一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法，其特征在于：所述动液面测量仪的采样频率fs为470hz。
上述的一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法，其特征在于：步骤201中次声波在油管与套管之间形成的环形空间内传播的最小声速vmin为220m/s，次声波在油管与套管之间形成的环形空间内传播的最大声速vmax为400m/s。
上述的一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法，其特征在于：所述能量最大的谱线代表频率对应的频谱幅度不小于该频率左右邻域上的频率对应的频谱幅度的2倍。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用带通滤波器对回波采样信号进行带通滤波，确定回波采样信号的截止频率，并对带通滤波回波信号进行时域向频域的变换，由于不同的井深获取的测量数据长度不一样，因此需要的带通滤波回波信号的窗长也不一样，根据不同的油井深度，确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长，识别基于油管接箍的回波周期信号提取回波信号声速，通用性强，能够准确计算各种井况下的声速，便于推广使用。
2、本发明在带通滤波回波信号的频域变换过程中，通过确定窗口的起始位置，由于带通滤波回波信号开始反射的信号噪声干扰较强，分析基于油管接箍的带通滤波回波信号特性时必须截去该部分干扰信号，另外，当井深达到一定深度后，基于油管接箍的带通滤波回波信号消失，因此，确定带通滤波回波信号中三个连续的回波周期信号后停止查找，将带通滤波回波信号的三个连续的回波周期信号中的第一个回波周期信号的起始位置作为窗口的起始位置，使用效果好。
3、本发明根据不同的油井深度，确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长后，对每一个窗长上的带通滤波回波信号进行快速傅里叶变换获取频域回波信号序列，然后对每一个频域回波信号分别进行回波信号声速计算，利用取平均的方式计算回波信号声速，精度高，其中，任一频域回波信号进行回波信号声速计算时，利用位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值作为频域回波信号序列中所选频域回波信号的1倍倍频频率fn1，然后相继查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，利用均值法获取频域回波信号序列中所选频域回波信号对应的回波信号声速。
综上所述，本发明根据不同的油井深度，确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长，识别基于油管接箍的回波周期信号提取回波信号声速，通用性强，声速计算准确，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明声波发生器、回波接收器、动液面测量仪和计算机连接的电路原理框图。
图2为本发明油管、套管和抽油机的安装关系示意图。
图3为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—声波发生器；2—回波接收器；3—动液面测量仪；
4—计算机；5—油管；6—油管接箍；
7—套管；8—动液面；9—抽油机。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的一种基于油管接箍的井下动液面回波信号声速提取方法，包括以下步骤：
步骤一、获取动液面深度预估值并采集回波信号：利用油泵在油井中的安装位置获取动液面深度预估值yh，利用计算机4控制声波发生器1发出次声波信号，所述次声波信号在油管5与套管7之间形成的环形空间内经动液面8、油管5和油管接箍6反射形成回波信号，利用回波接收器2接收所述回波信号，动液面测量仪3以采样频率fs采集所述回波信号，得到回波采样信号s(i)，并将回波采样信号s(i)发送至计算机4中，其中，i为采样点数编号；
所述声波发生器1和回波接收器2均安装在油井的井口，声波发生器1的输入端与计算机4的输出端连接，回波接收器2的输出端与动液面测量仪3的输入端连接，动液面测量仪3通过有线或无线的方式与计算机4进行通信；油管5设置在所述套管7内，油管5由多根管节依次连接而成，相邻两根所述管节采用油管接箍6连接；
需要说明的是，利用油泵在油井中的安装位置获取动液面深度预估值yh，油井上设置有根据动液面8深度调整转速的抽油机9，所述声波发生器1和回波接收器2均安装在油井的井口便于信号的发生与采集，以及设备的维护。
步骤二、回波采样信号的滤波，过程如下：
步骤201、预估次声波在单根管节上的基波频率fb的范围：根据公式fbmin≤fb≤fbmax，预估次声波在单根管节上的基波频率fb的范围，其中，fbmin为次声波在单根管节上的基波最小频率，且
本实施例中，步骤201中次声波在油管5与套管7之间形成的环形空间内传播的最小声速vmin为220m/s，次声波在油管5与套管7之间形成的环形空间内传播的最大声速vmax为400m/s。
需要说明的是，次声波在油管5与套管7之间形成的环形空间内传播，由于环形空间内空气密度不同，导致次声波传播速度发生变化，根据实际测井经验值设定步骤201中次声波在油管5与套管7之间形成的环形空间内传播的最小声速vmin为220m/s，次声波在油管5与套管7之间形成的环形空间内传播的最大声速vmax为400m/s。
步骤202、归一化处理获取次声波在单根管节上的归一化基波频率的范围：根据公式
本实施例中，所述动液面测量仪3的采样频率fs为470hz。
步骤203、选取带通滤波器：计算机选取基于kaiser窗函数的带通滤波器，所述带通滤波器的下限频率fbl＝ρ1fnmin，所述带通滤波器的上限频率fbu＝ρ2fnmax，其中，ρ1为下限频率系数且0.5<ρ1<1，ρ2为上限频率系数且5<ρ2<8；
需要说明的是，利用带通滤波器对回波采样信号进行带通滤波，确定回波采样信号的截止频率，下限频率系数ρ1满足：0.5<ρ1<1是为了限定下限截止频率，上限频率系数ρ2满足：5<ρ2<8是为了限定上限截止频率。
步骤204、滤波处理：计算机采用步骤203中选取的带通滤波器对回波采样信号s(i)进行带通滤波得到带通滤波回波信号sp(i)；
需要说明的是，带通滤波器滤除了回波采样信号s(i)中的周期性高频噪声。
步骤三、带通滤波回波信号的频域变换，过程如下：
步骤301、确定窗口的起始位置：计算机4从带通滤波回波信号sp(i)中的第一个采样点开始向后查找，确定带通滤波回波信号sp(i)中三个连续的回波周期信号后停止查找，将带通滤波回波信号sp(i)的三个连续的回波周期信号中的第一个回波周期信号的起始位置作为窗口的起始位置；
需要说明的是，在带通滤波回波信号的频域变换过程中，通过确定窗口的起始位置，由于带通滤波回波信号开始反射的信号噪声干扰较强，分析基于油管接箍的带通滤波回波信号特性时必须截去该部分干扰信号，另外，当井深达到一定深度后，基于油管接箍的带通滤波回波信号消失，因此，确定带通滤波回波信号中三个连续的回波周期信号后停止查找，将带通滤波回波信号的三个连续的回波周期信号中的第一个回波周期信号的起始位置作为窗口的起始位置。
步骤302、确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长：根据公式
需要说明的是，根据不同的油井深度，确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长，当α×l≥yh时，说明油井为浅井，以该井的井口至动液面深度预估值yh为窗长进行一次快速傅里叶变换，获得频域回波信号f(k)；
当
当
步骤303、计算机4对带通滤波回波信号sp(i)作补零处理后再进行快速傅里叶变换，获得频域回波信号f(k)；
步骤304、计算机4对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行β次频域变换，获得频域回波信号序列fβ(k)，其中，2≤β≤4；
计算机4对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行β次频域变换时均采用补零处理后再进行快速傅里叶变换，获得频域回波信号序列fβ(k)；
步骤305、计算机4对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行γ次频域变换，获得频域回波信号序列fγ(k)，其中，4<γ<15；
计算机4对带通滤波回波信号sp(i)以q为窗长、δq为窗口的步长进行γ次频域变换时均采用补零处理后再进行快速傅里叶变换，获得频域回波信号序列fγ(k)；
步骤四、提取回波信号声速，过程如下：
步骤401、计算机4提取频域回波信号的能量最大值对应的m倍倍频频率，当频域回波信号为频域回波信号f(k)时，执行步骤402；当频域回波信号为频域回波信号序列fβ(k)时，执行步骤403；当频域回波信号为频域回波信号序列fγ(k)时，执行步骤404，m为不大于5的正整数；
步骤402、计算机4对频域回波信号f(k)从频率值为fnmin开始查找到频率值为fnmax，查找位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当fnmin和fnmax之间存在能量最大的谱线，则该能量最大的谱线对应的归一化频率值为次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值，次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值为频域回波信号f(k)的1倍倍频频率fn1，然后在频域回波信号f(k)上频率值分别为2fn、3fn、4fn和5fn的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，根据公式
当fnmin和fnmax之间不存在能量最大的谱线，计算机4查找位于2fnmin和2fnmax之间能量最大的谱线对应的频率值，则该能量最大的谱线对应的频率值为频域回波信号f(k)的2倍倍频频率fn2，然后在频域回波信号f(k)上频率值分别为
需要说明的是，步骤402表示浅井的回波信号声速计算，仅需在频域回波信号f(k)上找到频域回波信号f(k)的1倍倍频频率fn1、2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5位置，即可采用均值法计算回波信号声速v。
步骤403、计算机4对频域回波信号序列fβ(k)中每一个频域回波信号分别进行回波信号声速计算，且频域回波信号序列fβ(k)中每一个频域回波信号的回波信号声速计算方法均相同；计算机4对频域回波信号序列fβ(k)中任一频域回波信号均从频率值为fnmin开始查找到频率值为fnmax，查找位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当fnmin和fnmax之间存在能量最大的谱线，则该能量最大的谱线对应的归一化频率值为次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值，该次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值为频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号的1倍倍频频率fn1，然后在频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为2fn、3fn、4fn和5fn的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，根据公式
当fnmin和fnmax之间不存在能量最大的谱线，计算机4查找位于2fnmin和2fnmax之间能量最大的谱线对应的频率值，则该能量最大的谱线对应的频率值为频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号的2倍倍频频率fn2，然后在频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为
根据公式
需要说明的是，频域回波信号序列fβ(k)中包含2至4个频域回波信号，实际计算时，对频域回波信号序列fβ(k)上的2至4个频域回波信号分别进行找到其1倍倍频频率fn1、2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5位置，采用均值法计算频域回波信号序列fβ(k)中所选频域回波信号对应的回波信号声速vε，然后再利用均值法对2至4个频域回波信号所对应的回波信号声速vε进行取平均，计算回波信号声速v。
步骤404、计算机4对频域回波信号序列fγ(k)中每一个频域回波信号分别进行回波信号声速计算，且频域回波信号序列fγ(k)中每一个频域回波信号的回波信号声速计算方法均相同；计算机4对频域回波信号序列fγ(k)中任一频域回波信号均从频率值为fnmin开始查找到频率值为fnmax，查找位于fnmin和fnmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当fnmin和fnmax之间存在能量最大的谱线，则该能量最大的谱线对应的归一化频率值为次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值，该次声波在单根管节上的归一化基波频率fn的准确值为频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号的1倍倍频频率fn1，然后在频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为2fn、3fn、4fn和5fn的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5，根据公式
当fnmin和fnmax之间不存在能量最大的谱线，计算机4查找位于2fnmin和2fnmax之间能量最大的谱线对应的频率值，则该能量最大的谱线对应的频率值为频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号的2倍倍频频率fn2，然后在频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为
计算机4对频域回波信号序列fγ(k)中γ个频域回波信号对应的γ个回波信号声速进行筛选，筛选出4个变化率最小的连续的声速值，求取该4个声速值的平均值作为回波信号声速v。
需要说明的是，频域回波信号序列fγ(k)中包含大于4个频域回波信号，实际计算时，对频域回波信号序列fγ(k)上的大于4个频域回波信号分别进行找到其1倍倍频频率fn1、2倍倍频频率fn2、3倍倍频频率fn3、4倍倍频频率fn4和5倍倍频频率fn5位置，采用均值法计算频域回波信号序列fγ(k)中所选频域回波信号对应的回波信号声速vφ，然后筛选出4个变化率最小的连续的声速值，求取该4个声速值的平均值作为回波信号声速v。
本实施例中，所述能量最大的谱线代表频率对应的频谱幅度不小于该频率左右邻域上的频率对应的频谱幅度的2倍。
本发明使用时，根据不同的油井深度，确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长，识别基于油管接箍的回波周期信号提取回波信号声速，通用性强，声速计算准确。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。