本發(fā)明涉及到油井動液面深度檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種油井動液面測量信號處理方法。

背景技術(shù)：

油井動液面深度的精確檢測在油田開發(fā)中十分重要，油井動液面深度檢測的一種新方法是管柱聲場模型法。該方法是向井內(nèi)連續(xù)不斷地發(fā)送白噪聲，源源不斷的向井內(nèi)補充能量，從而激發(fā)井內(nèi)空氣柱共振，根據(jù)共振頻率與空氣柱之間的數(shù)學(xué)模型，計算出油井動液面的深度。由于是通過白噪聲激發(fā)產(chǎn)生的共振信號，所以接收到的共振信號中存在大量白噪聲的干擾，共振信號幾乎完全被白噪聲淹沒，這嚴(yán)重影響了動液面的檢測精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)信號的welch功率譜，可選取相鄰多個頻率，求出相鄰頻率差的平均值，進而求得管道的長度。理論上相鄰兩階諧波的頻率差應(yīng)相等，然而由于很難對原始信號整周期采樣，導(dǎo)致傅里葉變換后產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，頻譜圖幾乎不能表現(xiàn)出信號的準(zhǔn)確頻率，因此求出來的頻率差都存在誤差。而且通過每次讀取十個頻率求均值的方法效率較低。因此，本發(fā)明主要是通過對welch功率譜繼續(xù)做快速傅里葉變換(fft)，進一步突出共振頻率，從而得到精確的頻率間隔，有效提高了油井動液面的檢測精度。為達到上述目的，本發(fā)明表述一種油井動液面測量信號處理方法，其關(guān)鍵在于按照如下步驟進行：

步驟11：安裝檢測裝置，在檢測管內(nèi)靠近管口處安裝有檢測裝置，該檢測裝置的揚聲器和駐極式話筒伸向所述檢測管內(nèi)，所述揚聲器和駐極式話筒均靠近所述檢測管的管心線；

步驟12：利用發(fā)聲軟件構(gòu)造出白噪聲信號，將白噪聲經(jīng)過功率放大器及揚聲器，揚聲器貼近管口固定住，信號經(jīng)功率放大器放大后由揚聲器送入油管中，通過連續(xù)不斷地向管內(nèi)發(fā)送白噪聲，激發(fā)管中空氣柱共振，將駐極式話筒置于管口內(nèi)5米處，以采集管中能量強的共振信號；

步驟13：設(shè)置采樣頻率fs為1萬hz，采樣時間t1分鐘，采集得到周期為n的共振信號r(n),n＝0,1,2,…,n-1；

步驟14：對周期為n的共振信號做welch多段平均功率譜估計，得到的信號記為a1，如圖5所示，其頻率分辨率δf1＝fs/n1為，fs為采樣頻率，n1為分段后各段共振信號的周期；

步驟15：對welch多段平均功率譜信號a1做高通濾波處理,得到的信號記為a2，如圖8所示；

步驟16：對a2做快速傅里葉變換(fft)，得到的信號記為a3，其頻譜圖如圖9所示；

步驟17：讀取a3頻譜圖中幅值最大的諧波頻率值n，根據(jù)計算出兩階共振頻率之間的差值δf；

步驟18：管內(nèi)空氣柱的共振模型為：

其中，n為諧波階數(shù)，fn為對應(yīng)的諧波頻率，l1為空氣柱的長度，c為聲波信號在空氣中的傳播速度，c≈331.6+0.6t(m/s)，t為環(huán)境溫度，實驗過程中的環(huán)境溫度為28℃，相鄰于fn的另一共振頻率為fn+1：

聯(lián)合上面兩式可得兩個相鄰共振頻率間距δf為：

則空氣柱長度l1為：

考慮管口校正有：

d為管道直徑，實驗過程中溫度為28℃，管口直徑為0.075m，因此針對于本文處理數(shù)據(jù)，空氣柱的長度與共振頻率的表達式為：

根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以計算出油井動液面的深度l1。

采用welch多段平均功率譜法在頻域?qū)π盘栍休^好的去噪效果，且能得到較為清晰光滑的頻譜圖。根據(jù)信號的welch功率譜，可選取k個相鄰頻率的間隔δf，求出相鄰頻率間隔的平均值進而求得管道的長度。但讀取各共振頻率時存在誤差，導(dǎo)致計算的頻率差也存在誤差，且計算步驟繁瑣，從而效率較低。

本方法不是簡單地求取welch多段平均功率譜的多個頻譜間隔δf，再對多個δf求平均得到最終的而是對welch多段平均功率譜進一步做快速傅里葉變換(fft)，得到welch多段平均功率頻譜圖的fft頻譜，通過讀取頻譜圖中幅值最大的諧波頻率值n，再根據(jù)計算出兩階共振頻率之間的差值δf。

針對直接采用welch多段平均功率譜估計，計算多個共振頻率差的均值而言，理論上相鄰兩階諧波的頻率差應(yīng)相等，然而由于很難對原始信號整周期采樣，導(dǎo)致傅里葉變換后產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，頻譜圖幾乎不能表現(xiàn)出信號的準(zhǔn)確頻率，因此求出來的頻率差都存在誤差,而且通過每次讀取十個頻率求均值的方法效率較低。

本發(fā)明的顯著效果是：由于圖5中的welch多段平均功率譜呈現(xiàn)周期性，則可通過對其進行傅里葉變換，直接求出其周期即為所需要的頻率差，即t＝δf。圖6為圖5的范圍擴大圖，圖7所示為圖6中信號的傅里葉變換，3018號譜線對應(yīng)的頻率即為圖6中信號的周期，然而由于信號中接近直流的低頻信號能量過強，導(dǎo)致3018點幾乎被淹沒，因此需要先對圖6作高通濾波。高通濾波后信號如圖8所示，圖9為圖8的傅里葉變換圖。顯然，圖9中所需要的頻率凸顯出來了，幅值為最大。現(xiàn)對圖9中的3018號譜線轉(zhuǎn)化為實際為圖6中的實際頻率間隔。3018表示圖6中有3018個共振諧波，而圖6中實際有100001個點，則諧波波峰的間距有100001/3018個點；同時每兩個點的間距即為圖6的分辨率，為50000/200000，因此最終的諧波頻率差為：

得到δf之后，帶入數(shù)學(xué)模型計算得到l1＝21.0161(m)?？梢姡ㄟ^該方法計算得到的動液面深度的誤差非常小，有效提高了油井動液面深度的檢測精度。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于100米以內(nèi)的管道，采樣時間達到1分鐘，即可滿足測量要求，當(dāng)管道長達1000米時，采樣時間達到3分鐘也可滿足測量要求，但在滿足實時性的前提下，采樣時間越長，welch平均的效果會越好，對噪聲的濾除效果也就越好，根據(jù)粗測深度l1，取精測采樣時間t2為3分鐘。

因此，對于82.376米長的管道，我們?nèi)〔蓸訒r間t2為3分鐘，共振信號rd(nd)的時域波形如圖10所示，rd(nd)的welch功率譜如圖11所示，隨著管道長度的加大，相鄰頻率間距越小，噪聲的干擾影響變大，導(dǎo)致welch多段平均功率譜中諧波的周期性變差，因此很難選擇較理想的諧波頻率求相鄰峰值之差。雖然二次傅里葉變換后表現(xiàn)相鄰諧波頻率差的譜線已經(jīng)非常明顯，但是頻譜中也出現(xiàn)了大量的較小干擾噪聲，這些噪聲表明welch多段平均功率譜中很多頻段周期性較差。為了增強welch功率譜諧波信號的周期性，即進一步提高信噪比，進一步對welch功率譜信號做短時傅里葉變換，即對welch功率譜信號依次取部分頻段做傅里葉變換，這樣突出了諧波信號幅值最大的信號頻段，取出幅值最大的信號頻段再做傅里葉變換，得到頻譜圖的頻率信噪比更高，效果更好。因此，我們采用一種基于短時傅里葉變換的油井動液面深度檢測方法進行驗證，其關(guān)鍵在于按照如下步驟進行：

步驟21：利用發(fā)聲軟件構(gòu)造出白噪聲信號，將白噪聲經(jīng)過功率放大器及揚聲器，揚聲器貼近管口固定住，信號經(jīng)功率放大器放大后由揚聲器送入油管中，通過連續(xù)不斷地向管內(nèi)發(fā)送白噪聲，激發(fā)管中空氣柱共振，將駐極式話筒置于管口內(nèi)5米處，以采集管中能量強的共振信號，管道模型切面圖及管內(nèi)支架切面圖分別如圖1、圖2；

步驟22：設(shè)置采樣頻率fsd為5萬hz，根據(jù)粗測深度l1，確定精測采樣時間t2(t2＞t1)分鐘，采樣時間t2取3分鐘，采集得到周期為nd的共振信號rd(nd),nd＝0,1,2,…,nd-1；

步驟23：對長度為nd的共振信號rd(nd)做welch功率譜估計，取各段長度為n1d，記得到的信號為a1d，其頻率分辨率為δf1d＝fsd/n1d，welch功率譜圖如圖12所示，此處提供將二次傅里葉變換后的譜線號轉(zhuǎn)化為實際頻率的公式：

步驟24：對a1dwelch功率譜信號做高通濾波處理，得到高通濾波后的welch功率譜信號(記為b1d)和包絡(luò)信號，得到b1d的頻譜圖如圖14所示，其中包絡(luò)信號如圖13所示；

步驟25：對b1dwelch功率譜信號做短時傅里葉變換，記為c1d信號，得到c1d信號的三維短時傅里葉變換頻譜圖如圖15所示，其二維頻譜圖如圖16所示，圖15中第13到第37對應(yīng)圖16中6500點到20000點，根據(jù)三維短時傅里葉變換頻譜圖可以看出只有某些區(qū)間的傅里葉變換諧波頻率幅值較大，圖15中第10到第37次顏色較深，說明此區(qū)間諧波的周期性較強；

步驟26：根據(jù)c1d信號的二維頻譜圖和三維頻譜圖，取6500到20000這個頻段，并補零至周期為nd，再做二次傅里葉變換，得到信號記為d1d，結(jié)果如圖17所示；

步驟27：根據(jù)信號d1d的二次傅里葉變換頻譜圖，讀取圖17中幅值最大的頻率值nd，根據(jù)計算出兩階共振頻率之間的差值δfd；

步驟28：根據(jù)管內(nèi)空氣柱的共振模型nd＝1,2,3,…，有相鄰另一駐波共振頻率為nd＝1,2,3,…，聯(lián)合兩式可得兩個相鄰共振頻率間距δfd為則空氣柱長度ld為考慮管口校正有由兩階共振頻率之間的差值δfd，根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以計算出油井動液面的深度ld。

在welch多段平均功率譜估計之后，濾除了低頻包絡(luò)，有效提高了信噪比。進一步又對welch功率譜做短時傅里葉變換，這樣能有效突出welch功率譜信號幅值較大、周期性較強的諧波頻段。取出幅值較大的信號頻段，補零至與原welch功率譜信號等長后再一次做傅里葉變換，得到的頻譜圖有更高的信噪比，其頻率也更接近真實值。從而根據(jù)計算得到的δfd更精確，計算得到的動液面的深度也更準(zhǔn)確，有效提高了油井動液面檢測的精度。

根據(jù)三維短時傅里葉變換頻譜，可以看出只有某些區(qū)間的傅里葉變換諧波頻率幅值較大，圖15中第13到第37次顏色較深，說明此區(qū)間諧波的周期性較強。此區(qū)間對應(yīng)圖16中6500點到20000點，只對這個頻段做二次傅里葉變換，得到頻譜圖如圖17所示。因此最終的諧波頻率差為：

得到δfd之后，帶入數(shù)學(xué)模型計算有：

此時的絕對誤差為0.013m，相對誤差為0.016％?？梢?，通過該方法計算得到的動液面深度的誤差非常小，有效提高了油井動液面深度的檢測精度。

作為優(yōu)選：所述檢測裝置包括主動轉(zhuǎn)軸，該主動轉(zhuǎn)軸外端部經(jīng)支架轉(zhuǎn)筒安裝在支架上，所述支架安裝在所述檢測管的管口，在所述主動轉(zhuǎn)軸上固套有太陽輪，在該太陽輪兩側(cè)均設(shè)置有夾板，其中位于外側(cè)的所述夾板與所述支架轉(zhuǎn)筒固定連接，在所述夾板之間經(jīng)軸分別安裝有至少三個行星輪，所述行星輪均勻分布在所述太陽輪外周向，且所述述行星輪均與所述太陽輪嚙合；在所述行星輪側(cè)面均固定有支桿，所述支桿能夠同時向外延伸或向內(nèi)收，在該支桿外端設(shè)置有磁鐵；所述主動轉(zhuǎn)軸內(nèi)端均穿出所述夾板，在該主動轉(zhuǎn)軸的穿出端上固定有固定板，在該固定板內(nèi)側(cè)面上安裝有所述揚聲器和駐極式話筒；安裝檢測裝置時，先將支架轉(zhuǎn)筒靠在所述支架的支撐架上，然和握住支架轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動調(diào)整，使得所述揚聲器和駐極式話筒均靠近所述檢測管的管心線，然后翻動與所述支撐架鉸接的鎖緊架將支架轉(zhuǎn)筒卡緊，所述支撐架和鎖緊架通過其下部設(shè)置的卡槽和卡子卡緊。以上先對揚聲器和駐極式話筒的位置進行調(diào)整，使得其靠近管心線，然后在將支架轉(zhuǎn)筒固定，這樣能夠很好的保證檢測裝置中揚聲器和駐極式話筒的位置靠近管心線，使得測量更加可靠。

作為優(yōu)選：所述行星輪為三個，三個該行星輪均勻分布在所述太陽輪外周向。

作為優(yōu)選：在所述主動轉(zhuǎn)軸的外端安裝有轉(zhuǎn)動手把。

附圖說明

圖1是檢測裝置在管道中安裝的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的右視圖；

圖3是采集到信號的時域圖；

圖4是傅里葉變化后頻譜圖；

圖5是welch多段平均功率譜信號a1的頻譜圖；

圖6是a1的范圍擴大頻譜圖；

圖7是a1信號繼續(xù)做fft的頻譜圖；

圖8是a1信號高通濾波后b1的頻譜圖；

圖9是b1信號再做fft后c1的頻譜圖；

圖10是共振信號rd(nd)的時域波形圖；

圖11共振信號rd(nd)的welch多段平均功率譜圖；

圖12是a1d信號的全部譜圖；

圖13是包絡(luò)信號；

圖14是a1d信號高通濾波后的頻譜圖；

圖15是c1d信號的三維短時傅里葉變換頻譜圖；

圖16是c1d信號的二維短時傅里葉變換頻譜圖；

圖17是c1d信號6500到20000頻段的二次傅里葉變換頻譜圖。

具體實施方式

一種油井動液面測量信號處理方法，按照以下步驟進行：

步驟11：安裝檢測裝置，在檢測管內(nèi)靠近管口處安裝有檢測裝置，該檢測裝置的揚聲器和駐極式話筒伸向所述檢測管內(nèi)，所述揚聲器和駐極式話筒均靠近所述檢測管的管心線(如圖1和圖2所示)；

步驟12：利用發(fā)聲軟件構(gòu)造出白噪聲信號，將白噪聲經(jīng)過功率放大器及揚聲器，揚聲器貼近管口固定住，信號經(jīng)功率放大器放大后由揚聲器送入油管中，通過連續(xù)不斷地向管內(nèi)發(fā)送白噪聲，激發(fā)管中空氣柱共振，將駐極式話筒置于管口內(nèi)5米處，以采集管中能量強的共振信號，管道模型切面圖及管內(nèi)支架切面圖分別如圖1、圖2；

步驟13：設(shè)置采樣頻率fs為1萬hz，采樣時間t1分鐘，采集得到周期為n的共振信號r(n),n＝0,1,2,…,n-1，其結(jié)構(gòu)如后圖；

步驟14：對周期為n的共振信號做welch多段平均功率譜估計，得到的信號記為a1，其頻率分辨率δf1＝fs/n1為，fs為采樣頻率，n1為分段后各段共振信號的周期；

步驟15：對welch多段平均功率譜信號a1做高通濾波處理,得到的信號記為a2；

步驟16：對a2做快速傅里葉變換(fft)，得到的信號記為a3；

步驟17：讀取a3頻譜圖中幅值最大的諧波頻率值n，根據(jù)計算出兩階共振頻率之間的差值δf；

步驟18：管內(nèi)空氣柱的共振模型為：

其中，n為諧波階數(shù)，fn為對應(yīng)的諧波頻率，l為空氣柱的長度，c為聲波信號在空氣中的傳播速度，c≈331.6+0.6t(m/s)，t為環(huán)境溫度，相鄰于fn的另一共振頻率為fn+1：

聯(lián)合上面兩式可得兩個相鄰共振頻率間距δf為：

則空氣柱長度l1為：

考慮管口校正有：

d為管道直徑，根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以計算出油井動液面的深度l1。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，對于100米以內(nèi)的管道，采樣時間達到1分鐘，即可滿足測量要求，當(dāng)管道長達1000米時，采樣時間達到3分鐘也可滿足測量要求，但在滿足實時性的前提下，采樣時間越長，welch平均的效果會越好，對噪聲的濾除效果也就越好。為了增強welch功率譜諧波信號的周期性，即進一步提高信噪比，進一步對welch功率譜信號做短時傅里葉變換，以突出諧波信號幅值最大的信號頻段，取出幅值最大的信號頻段再做傅里葉變換，得到頻譜圖的頻率信噪比更高，效果更好。因此，我們采用一種基于短時傅里葉變換的油井動液面深度檢測方法進行驗證，其關(guān)鍵在于按照如下步驟進行：

步驟21：利用發(fā)聲軟件構(gòu)造出白噪聲信號，將白噪聲經(jīng)過功率放大器及揚聲器，揚聲器貼近管口固定住，信號經(jīng)功率放大器放大后由揚聲器送入油管中，通過連續(xù)不斷地向管內(nèi)發(fā)送白噪聲，激發(fā)管中空氣柱共振，將駐極式話筒置于管口內(nèi)5米處，以采集管中能量強的共振信號，管道模型切面圖及管內(nèi)支架切面圖分別如圖1、圖2；

步驟22：設(shè)置采樣頻率fsd為5萬hz，根據(jù)粗測深度l1，確定精測采樣時間t2(t2＞t1)分鐘，采集得到周期為nd的共振信號rd(nd),nd＝0,1,2,,nd-1；

步驟23：對長度為nd的共振信號rd(nd)做welch功率譜估計，取各段長度為n1d，記得到的信號為a1d，其頻率分辨率為δf1d＝fsd/n1d，此處提供將二次傅里葉變換后的譜線號轉(zhuǎn)化為實際頻率的公式：

步驟24：對a1dwelch功率譜信號做高通濾波處理，得到高通濾波后的welch功率譜信號(記為b1d)和包絡(luò)信號；

步驟25：對b1dwelch功率譜信號做短時傅里葉變換，記為c1d信號，得到c1d信號短時傅里葉變換的二維頻譜圖和三維頻譜圖，根據(jù)三維短時傅里葉變換頻譜圖可以知只有某段區(qū)間的傅里葉變換諧波頻率幅值最大，說明此區(qū)間諧波的周期性較強；

步驟26：根據(jù)c1d信號的二維頻譜圖和三維頻譜圖，取幅值最大的頻段，并補零至周期為nd，再做二次傅里葉變換，得到信號記為d1d；

步驟27：根據(jù)信號d1d的二次傅里葉變換頻譜圖，讀取頻譜圖中幅值最大的頻率值nd，根據(jù)計算出兩階共振頻率之間的差值δfd；

步驟28：根據(jù)管內(nèi)空氣柱的共振模型nd＝1,2,3,，有相鄰另一駐波共振頻率為nd＝1,2,3,，聯(lián)合兩式可得兩個相鄰共振頻率間距δfd為則空氣柱長度ld為考慮管口校正有由兩階共振頻率之間的差值δfd，根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以計算出油井動液面的深度ld

再結(jié)合圖1和圖2可以看出：所述檢測裝置包括主動轉(zhuǎn)軸3，該主動轉(zhuǎn)軸3外端部經(jīng)支架轉(zhuǎn)筒4安裝在支架2上，所述支架2安裝在所述檢測管1的管口，在所述主動轉(zhuǎn)軸3上固套有太陽輪6，在該太陽輪6兩側(cè)均設(shè)置有夾板8，其中位于外側(cè)的所述夾板8與所述支架轉(zhuǎn)筒4固定連接，在所述夾板8之間經(jīng)軸分別安裝有三個行星輪7，三個該行星輪7均勻分布在所述太陽輪6外周向，且所述述行星輪7均與所述太陽輪6嚙合；在所述行星輪7側(cè)面均固定有支桿10，所述支桿10能夠同時向外延伸或向內(nèi)收，在該支桿10外端設(shè)置有磁鐵11；所述主動轉(zhuǎn)軸3內(nèi)端均穿出所述夾板8，在該主動轉(zhuǎn)軸3的穿出端上固定有固定板12，在該固定板12內(nèi)側(cè)面上安裝有所述揚聲器13和駐極式話筒14，在所述主動轉(zhuǎn)軸3的外端安裝有轉(zhuǎn)動手把5；安裝檢測裝置時，先將支架轉(zhuǎn)筒4靠在所述支架2的支撐架21上，然和握住支架轉(zhuǎn)筒4轉(zhuǎn)動調(diào)整，使得所述揚聲器13和駐極式話筒14均靠近所述檢測管1的管心線，然后翻動與所述支撐架21鉸接的鎖緊架22將支架轉(zhuǎn)筒4卡緊，所述支撐架21和鎖緊架22通過其下部設(shè)置的卡槽和卡子卡緊。