CN104389586A - 油井动液面深度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油井动液面深度检测装置及方法，所述装置包括声源发生模块、信号接收模块以及信号处理模块，所述声源发生模块包括控制单元与次声发生单元，所述次声发生单元设置有一气室，该气室的一端通过连接件与号筒的进气口相连，在所述气室的腔室内设置有活塞，该活塞的活塞杆从所述气室的另一端伸出并通过连接套连接在直线电机的伸缩杆上，所述直流电机在控制单元的控制下，带动活塞在所述气室内做推挽式运动。其显著效果是：可有效避免泡沫、温度、湿度等因素造成的测量误差，测量精度高；采用次声波作为声源信号避免了信号衰减，适用于管道长、声阻大的场合；体积小，便于自动化控制。

Description

油井动液面深度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及到油井动液面深度检测技术领域，具体地说，是一种油井动液面深度测量装置及方法。

背景技术

在石油开采的过程中，通过检测油井动液面深度，能够科学地了解油井供应能力，不但可以反映油井供液能力，还是确定采油泵的浸没深度，制定出科学合理的采油井工作制度的重要参数。同时，可以推算油层压力，采油指数和有效渗透率等参数，对分析油层能量衰减异常原因，优化生产规划，保证采油设备安全运行具有很重要的意义。

目前，比较成熟的传统油井动液面深度检测方法可分为：浮筒法、压力计探测法以及回波法。以上三种测量方法中，压力计法解决了浮筒法只能用于敞口井，回波法解决了压力计法设备安装、维护不便的问题，因此被被广泛使用。但是，回波法在油井动液面超过2000m或者有泡沫层等因素影响时，会出现检测不到液面回波或者测量值的真实性较低的情况，因此需要一种适用于长管道，测量精度高的油井动液面深度测量装置及方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种油井动液面测量装置及方法，能够避免泡沫层以及管道长度等对结果造成影响，测量精度高。

具体技术方案如下：

一种油井动液面深度测量装置，包括声源发生模块、信号接收模块以及信号处理模块，所述声源发生模块用于发出有限带宽的声音；所述信号接收模块用于接收经油井动液面反射后的声音信号，并进行A/D转换成声音数字信号；所述信号处理模块用于进行数据读取和分析；其关键在于：所述声源发生模块包括控制单元与次声发生单元，所述次声发生单元设置有一气室，该气室的一端通过连接件与号筒的进气口相连，在所述气室的腔室内设置有活塞，该活塞的活塞杆从所述气室的另一端伸出并通过连接套连接在直线电机的伸缩杆上，所述直流电机在控制单元的控制下，带动活塞在所述气室内做推挽式运动。

本装置在使用时，声源驱动模块发出不同频率的次声波信号，信号接收模块把所有声音记录并转换成声音数字信号传递给信号分析模块，信号分析模块找出油井空气柱的共振频率，并计算出油井动液面的深度。所述次声发生单元中直线电机做推挽式运动，当伸缩杆推动活塞杆向前运动时，活塞压缩气室内的气体，气室内形成短暂的正气压室，高速气流从正气压室经号筒流出，在号筒前方产生正向声压辐射；当直线电机向反方向运动时，活塞杆带动活塞向后运动，气室内形成短暂的负压环境，高速气流从外界经号筒流入负气压室，号筒前的空气向内运动，在号筒喉部产生负向声压；如此形成推挽气流驱动号筒产生油井动液面深度测量所需的声源信号。本测量装置不用将测量仪器伸入油井管道内，可有效避免泡沫、温度、湿度等因素造成的测量误差；采用次声波作为声源信号避免了信号衰减，适用于管道长、声阻大的场合；体积小，便于自动化控制，测量精度高。

所述气室一端的腔壁上开设有一带内螺纹的安装孔，所述连接件的一端通过外螺纹连接在所述安装孔内，连接件的另一端通内螺纹连接所述号筒的进气口。

采用上述结构，不仅便于安装号筒，且不会影响装置发出次声波的质量；还能够使得号筒能够稳固的连接在气室的侧壁上，同时便于后期维护。

所述连接套的一端通过螺纹连接所述活塞杆，连接套的另一端通过带插销的套筒连接所述直线电机的伸缩杆。

活塞杆与连接套通过螺纹连接，连接牢靠，便于维护；伸缩杆与连接套通过插销固定，能够有效防止直线电机的伸缩杆在直线运功过程中出现卡死现象。

结合上述油井动液面深度测量装置的结构，本发明还提出一种基于该装置的油井动液面深度测量方法，按照以下步骤进行：

步骤1：通过所述控制单元发送一个正弦波信号至所述直线电机，直线电机带动活塞在所述气室内做推挽式运动，形成的推挽气流驱动所述号筒发出频率为f的次声波信号，并通过管柱将该次声波信号传入油井内；

步骤2：通过信号接收模块接收经油井动液面反射后的声音信号，并进行A/D转换成声音数字信号；

步骤3：将接收到的声音数字信号送入信号分析模块，该信号分析模块通过声场幅值信号的时域分布与频域分布获得油井声场的各阶共振频率；

步骤4：计算出各相邻两阶共振频率之间差值的平均值Δf，按照公式计算出油井动液面深度l，其中，c₀为油井中的声速，d为管柱半径。

作为更进一步的技术方案，步骤4中所述共振频率平均差值Δf的计算步骤为：

步骤4-1：将得到的K阶共振频率点中的相邻两个点分别求差值，得到K-1个共振频率差值数据；

步骤4-2：将K-1个共振频率差值数据进行升序排序，然后采用中值滤波技术取出中间的J个差值数据；

步骤4-3：采用均值滤波技术对J个差值数据求平均值，得到共振频率平均差值Δf。

由于次声波在空气中传播时不易衰减，采用上述方法，将次声波作为油井动液面测量的声源，避免了可见声声波在管道内发生严重的衰减的现象，因此能够激励管道内的空气中发生共振，便于测得空气柱的共振频率，从而准确测得油井动液面深度。

本发明的显著效果是：装置不用将测量仪器伸入油井管道内，可有效避免泡沫、温度、湿度等因素造成的测量误差；采用次声波作为声源信号避免了信号衰减，适用于管道长、声阻大的场合；同时，体积小，便于自动化控制，测量精度高。

附图说明

图1是本发明的结构原理框图；

图2是图1中次声发生单元的结构示意图；

图3是图2中连接件2的结构示意图；

图4是图2中连接套5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

参见附图1，一种油井动液面深度测量装置，包括声源发生模块、信号接收模块以及信号处理模块，所述声源发生模块用于发出有限带宽的声源信号；所述信号接收模块用于接收经油井动液面反射后的声音信号，并进行A/D转换成声音数字信号；所述信号处理模块用于进行数据读取和分析；所述声源发生模块包括控制单元与次声发生单元，所述次声发生单元设置有一气室3，如图2所示，该气室3的一端通过连接件2与号筒1的进气口相连，在所述气室3的腔室内设置有活塞，该活塞的活塞杆4从所述气室3的另一端伸出并通过连接套5连接在直线电机7的伸缩杆6上，所述直流电机7在控制单元的控制下，带动活塞在所述气室3内做推挽式运动。

如图3所示，所述气室3一端的腔壁上开设有一带内螺纹的安装孔，所述连接件2的一端通过外螺纹连接在所述安装孔内，连接件2的另一端通内螺纹连接所述号筒1的进气口。

如图4所示，所述连接套5的一端通过螺纹连接所述活塞杆4，连接套5的另一端通过带插销8的套筒连接所述直线电机7的伸缩杆6。

本装置在使用时，声源驱动模块发出不同频率的次声波信号，信号接收模块把所有声音记录并转换成声音数字信号，然后传递给信号分析模块进行处理计算。

其中，所述次声发声单元中的直线电机7做推挽运动，当伸缩杆6推动活塞杆4向前运动时，活塞压缩气室3内的气体，活塞左侧的气室3内形成短暂的正气压室，高速气流从正气压室经号筒1流出，在号筒1前方产生正向声压辐射；

当直线电机7向反方向运动时，活塞杆6带动活塞向后运动，活塞左侧的气室3内形成短暂的负压环境，高速气流从外界经号筒1流入负气压室，号筒1前的空气向内运动，在号筒1喉部产生负向声压，如此反复形成推挽气流，从而驱动号筒1产生一定频率的油井动液面深度测量所需的声源信号。

结合上述油井动液面深度测量装置的结构，本发明还提出一种基于上述装置的油井动液面深度测量方法，按照以下步骤进行：

步骤1：通过所述控制单元发送一个正弦波信号至所述直线电机7，直线电机7带动活塞在所述气室3内做推挽式运动，形成的推挽气流驱动所述号筒1发出频率为f的次声波信号，并通过管柱将该次声波信号传入油井内；

步骤2：通过信号接收模块中的拾音器接收经油井动液面反射后的声音信号，并通过A/D转换器进行A/D转换，将声音信号转换成声音数字信号；

步骤3：将接收到的声音数字信号送入信号分析模块即计算机中进行计算处理，计算机按公式计算声场的幅值信号时域分布；按公式计算声场的幅值信号频域分布；然后基于特定算法计算得出油井声场的各阶共振频率，其中，f(t)为信号幅值，函数F(ω)为f(t)的频谱密度函数，e为自然对数的底，j为虚数单位，k为固定系数，t为时间，ω为信号角频率；

步骤4：为了避免测量的偶然性，提高测量的精确度，本方案中采用各相邻两阶共振频率之间差值的平均值Δf来计算油井动液面深度，共振频率平均差值Δf的具体计算步骤为：

步骤4-1：将得到的K阶共振频率点中的相邻两个点分别求差值，得到K-1个共振频率差值数据；

步骤4-2：将K-1个共振频率差值数据进行升序排序，然后采用中值滤波技术取出中间的J个差值数据；

步骤4-3：采用均值滤波技术对J个差值数据求平均值，得到共振频率平均差值Δf；

接着进行油井动液面深度计算，本发明中采用根据管柱声场模型推出的共振频率差值公式，计算出油井动液面深度l，具体步骤如下：

首先，以油井管道管口处为坐标原点，则油井管道中入射波声压表示为p_i＝p_aie^j(ωt-kx)，反射波声压表示为p_r＝p_are^j(ωt+kx)，得出管道中的总声压为p＝p_i+p_r，其中p_ai为入射波声压的幅值，p_ar为反射波声压的幅值；

然后，我们得出管道中任一质点的速度表示为v＝v_i+v_r，其中ρ₀为空气的密度，c₀为油井中的声速；

接着，由管道中的总声压P以及质点速度v得出油井管口处的声阻抗率为以及油井管口处的声阻抗为其中，Z_sl为油井动液面处的声阻抗率，Z_al为油井动液面处的声阻抗， S为管道的截面积，d为管道半径；

之后，由声学理论可知，管道由于油井动液面存在，故为非刚性封闭，则有当管道内空气柱发生共振时有tan(kl)＝0，即Z_a0取得最小值，则得出共振频率为可以推出

其中，l_p＝l+Δl为管道内空气柱的长度，为管道末端修正量，n＝1～N；

据此，共振频率平均差值Δf为：

最后，由管柱声场模型推出的油井动液面深度计算公式为： $l=\frac{c_0}{2\mathrm{\Δf}}-\mathrm{\Δl};$

本实施例中，由经验所知，式中的管道末端修正量Δl＝0.3d才准确得到空气柱的长度，即油井动液面深度l实际计算公式为 $l=\frac{c_0}{2\mathrm{\Δf}}-0.3d.$

本方法将次声波作为油井动液面测量的声源，能够有效避免可见声声波在管道内发生严重的衰减的现象，进而能够激励管道内的空气中发生共振，从而准确测得油井动液面深度。

Claims (5)

1.一种油井动液面深度测量装置，包括声源发生模块、信号接收模块以及信号处理模块，所述声源发生模块用于发出有限带宽的声源信号；所述信号接收模块用于接收经油井动液面反射后的声音信号，并进行A/D转换成声音数字信号；所述信号处理模块用于进行数据读取和分析；其特征在于：所述声源发生模块包括控制单元与次声发生单元，所述次声发生单元设置有一气室(3)，该气室(3)的一端通过连接件(2)与号筒(1)的进气口相连，在所述气室(3)的腔室内设置有活塞，该活塞的活塞杆(4)从所述气室(3)的另一端伸出并通过连接套(5)连接在直线电机(7)的伸缩杆(6)上，所述直流电机(7)在控制单元的控制下，带动活塞在所述气室(3)内做推挽式运动。

2.根据权利要求1所述的油井动液面深度测量装置，其特征在于：所述气室(3)一端的腔壁上开设有一带内螺纹的安装孔，所述连接件(2)的一端通过外螺纹连接在所述安装孔内，连接件(2)的另一端通内螺纹连接所述号筒(1)的进气口。

3.根据权利要求1所述的油井动液面深度测量装置，其特征在于：所述连接套(5)的一端通过螺纹连接所述活塞杆(4)，连接套(5)的另一端通过带插销(8)的套筒连接所述直线电机(7)的伸缩杆(6)。

4.一种基于如权利要求1所述的油井动液面深度测量装置的油井动液面深度测量方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：通过所述控制单元发送一个正弦波信号至所述直线电机(7)，直线电机(7)带动活塞在所述气室(3)内做推挽式运动，形成的推挽气流驱动所述号筒(1)发出频率为f的次声波信号，并通过管柱将该次声波信号传入油井内；

步骤2：通过信号接收模块接收经油井动液面反射后的声音信号，并进行A/D转换成声音数字信号；

步骤3：将接收到的声音数字信号送入信号分析模块，该信号分析模块通过声场幅值信号的时域分布与频域分布获得油井声场的各阶共振频率；

步骤4：计算出各相邻两阶共振频率之间差值的平均值Δf，按照公式计算出油井动液面深度l，其中，c₀为油井中的声速，d为管柱半径。

5.根据权利要求4所述的油井动液面深度测量方法，其特征在于：步骤4中所述共振频率平均差值Δf的计算步骤为：

步骤4-1：将得到的K阶共振频率点中的相邻两个点分别求差值，得到K-1个共振频率差值数据；

步骤4-2：将K-1个共振频率差值数据进行升序排序，然后采用中值滤波技术取出中间的J个差值数据；

步骤4-3：采用均值滤波技术对J个差值数据求平均值，得到共振频率平均差值Δf。