基于电磁式声波的环空声速和环空液面计算方法

技术领域

本发明涉及控压钻井重浆帽起下钻环空声速和环空液面计算方法，属于钻井工程技术领域。

技术背景

声波在环空内传播主要受温度、压力、介质本身所影响，在环空液面监测时，当液面距离井口较浅时，可以通过测量井口的温度来计算声速，而当液面距离井口较远时，井内的温度受地温的影响与井口的温度有一定的差异，而井内的温度一般难以精确测量，通常可用接箍波的时间差与接箍间距算出环空声速，但通常气枪法测距时的声波频率过低，接箍回波不明显，难以通过接箍波计算声速。

另外，2019年10月《测井技术》中公开了一种基于压力波信源的环空液面测试方法，该方法是以静压扰动的方式将压力施加于环空内，该方法不可调频，无法精确获取接箍波计算环空声速，环空液面位置计算误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种基于电磁式声波的环空声速和环空液面计算方法。本发明测量精度高，误差小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于电磁式声波的环空声速和环空液面计算方法，其特征在于：通过电磁式声波发射器向环空发射调频声波，通过发射的调频声波获取接箍回波，通过接箍波时间差及接箍间距计算环空声速；当液面较低不能用接箍波判断环空声速时，则采用温度传感器采集到的温度计算环空声速。

所述方法包括如下步骤：

a、发射调制声波并采集回波信号：向环空发射调制声波，并采集接箍回波和液面回波数据，得到采样信号；

b、滤波处理：将采样信号通过滤波处理后获得滤波后的信号；

c、分段处理：将滤波后的信号分为两段，第一段为发射段信号，第二段为接收段信号；

d、接箍波与液面回波检测：将接收段信号与发射段信号进行检测，得到极大值点，极大值点记为液面回波点；

e、判断步骤d中的极大值点是否大于3，若极大值点大于3时利用接箍波计算环空声速，若极大值点小于3时，通过增大调制声波频率的方式使接箍波增强，使极大值点大于3为止，再利用接箍波计算环空声速；最后通过得到的环空声速得出环空液面位置。

所述步骤a中，控压钻井液面不在井口或探测时，调制高频低响度的调制声波，调制声波的调制频率为f，20Hz≤f≤1500Hz，发声时间为T

所述调制声波经过前置功率放大器和后置功率放大器放大至500～2000W后，由电磁式声波发射器发射。

所述声波经环空沿轴向下传输，经过钻杆接箍时一部分向上反射，形成接箍回波，另外一部分声波继续向下传输，遇到液面时向上反射，形成液面回波。

所述数据采集，声波传感器开始采集数据时定义为起始点T1，声波传感器以采样频率fs进行采样，采样时间为T，5s≤T≤10s，采样信号为s(i)。

所述步骤b中，选取基于凯撒窗函数的带通滤波器，滤波器的最小频率fmin＝0.7f，最大频率fmax＝2f，将采样信号s(i)通过带通滤波器获得滤波后的信号sn(i)。

所述步骤c中，将滤波后的信号sn(i)分为两段，第一段为发射段，时间为：T

所述步骤d中，将接收段信号s(t)与发射段信号M(t)利用如下公式进行检测：

对R(τ)求极大值点，分别为R’(t

所述步骤e中，若步骤d中的极大值点大于3，利用公式

所述步骤e中，当液面较低不能用接箍波判断环空声速时，利用采集到的环空温度tem计算环空声速，环空声速C

采用本发明的优点在于：

1、传统爆破式发声法不可调节频率响度，本发明采用电磁式声波发射器作为发声源，发射声波频率响度可以调节，能够有效提升浅液面的识别效果。

2、本发明可根据发射声波的频率精确滤波，减弱噪声干扰；采用的相关性检测能提高接箍回波和液面回波的识别率。

3、环空声速主要受环空温度影响，随着井深的增加环空温度一般难以测量，本发明针对不同回波情况采取不同的环空声速计算方法，当环空液面较浅时采用温度传感器实时监测环空温度从而计算环空声速，对于环空液面较深的情况下利用两个接箍波的时间差来计算环空声速，该方法能有效减少温度对声速计算的影响，环空液面测量误差小。

附图说明

图1为本发明中不同频率对应的接箍波示意图；

图2为浅液面情况下气枪法探测回波图；

图3为浅液面情况下电磁式声波发射器300Hz回波时域图；

图4为浅液面情况下300Hz相关检测图；

图5为深液面情况下电磁式声波发射器300Hz回波时域图；

图6a为深液面情况下300Hz接箍波R’(t

图6b为深液面情况下300Hz接箍波R’(t

图6c为深液面情况下300Hz液面回波R’max回波图；

图7为本发明方法在应用时涉及到的装置示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供以下方法来确定环空声速，通过电磁式声波发射器发射调频声波以获取清晰的接箍回波，通过接箍波时间差及接箍间距计算环空声速，当液面较低不能用接箍波判断环空声速时则采用温度传感器采集到的温度计算环空声速。

具体实施步骤如下：

第一步发射调制声波并采集回波信号：控压钻井液面不在井口或收到探测指令时，打开电磁阀，由中央处理器调制高频低响度的调制声波，调制频率为f(20≤f≤1500)，发声时间为T0(0.01s≤T

第二步：滤波处理：选取基于凯撒窗函数的带通滤波器，滤波器的最小频率fmin＝0.7f，最大频率fmax＝2f，将采样信号s(i)通过带通滤波器获得滤波后的信号sn(i)。

第三步：分段处理：将滤波后的信号sn(i)分为两段，第一段为发射段，时间为：T

第四步：接箍波与液面回波检测：将接收段信号s(t)与发射段信号M(t)进行相关检测，利用公式：

对R(τ)求极大值点，分别为R’(t

第五步：判断第四步所求得的极大值点是否大于3，若大于3则可利用公式

若极大值点小于3，说明接箍波不明显，可通过增大入射波频率的方式使接箍波增强，直到增大到得出的极大值点大于3。

第五步中，当液面较低不能用接箍波判断环空声速时，环空声速计算与液面位置确定，利用温度传感器采集到的的温度tem计算声速：C

例如：温度传感器采集到的温度为10℃，则声速为：

C

再利用计算所得环空声速求出环空液面位置：

若第四步求得的极大值点大于3，如图1所示，高频探测声波对应的接箍回波强于低频探测声波对应的接箍回波，可利用接箍波计算声速，钻杆接箍间的间距为L，则声速C

实施例2

本实施例结合附图对本发明方法的具体应用进行说明。

当液面较浅时，使用气枪法测距时的声波频率过低、响度较大，声波在环空内持续震荡，造成接箍回波及液面回波不明显，如图2所示，因此难以通过接箍波计算声速和环空液面距离。

当液面较浅时，使用电磁式声波发射器发射调制声波，打开电磁阀，由中央处理器调制高频低响度的调制声波，调制频率为f＝300Hz，发声时间为T

由图3可知，使用电磁式声波发射器发射频率响度发射时间调制后的探测声波可以使液面回波清晰可见。

由图4相关性检测可知，接箍回波不明显，难以通过接箍波判断环空声速，此时温度传感器采集到的温度为20℃，因此通过公式：C

当液面较深时，使用电磁式声波发射器发射调制声波，打开电磁阀，由中央处理器调制高频低响度的调制声波，调制频率为f＝300Hz，发声时间为T0＝0.05s，响度为100％,液面回波如图5所示。

对其进行滤波、分段处理后进行相关检测，相关检测图如图6所示，其中图6(a)为接箍波R’(t

实施例3

本实施例对本发明中的方法涉及到的装置进行说明。

本发明方法涉及到的装置包括中央处理器、前置功率放大器、后置功率放大器、电磁式声波发射器、声波传感器、温度传感器、电磁阀、数据采集器及滤波器。

如图7所示，图中标记为：1-井筒，2-钻杆，3-环空，4-接箍，5-液面，6-电磁阀，7-声波传感器，8-温度传感器，9-电磁式声波发射器，10-数据采集器，11-滤波器，12-后级功率放大器，13-前级功率放大器，14-中央处理器，15-录井数据。

中中央处理器调制探测声波、分析回波、控制电磁阀开关及计算计算环空液面位置，所发射的探测声波能根据井身结构及液面深度自动选择最佳频率及响度。

前置功率放大器能将中央处理器输出的调制音频信号电压放大，能提高系统的信噪比，减少外界的干扰并实现阻抗转换与匹配。

后置功率放大器负责将前级功率放大器输出的音频信号电流放大，使电磁式声波发射器正常工作。

电磁式声波发射器负责发出后置功率放大器输出的音频信号，其特征在于频率及响度可调，频率范围在200～1500Hz，响度范围为70～130dB。

声波传感器负责采集通道内的发射声波及回波信号，声波传感器与电磁式声波发射器处于同一个通道内，其数量可以有一个或多个，其灵敏度不同，单一声波发射器对某一特定频率范围内的声波信号敏感。

温度传感器负责采集音频传感器所在通道内的温度，用于声速计算，与声波传感器与电磁式声波发射器在同一通道内。

电磁阀负责开通或关断电磁式声波发射器与环空相连的通道，可以根据监测任务需要而自动打开或关闭，有一定的承压能力，能阻挡泥浆进入电磁式声波发射器所在的通道内。

数据采集器负责采集电磁阀、温度传感器、声波传感器的信号。滤波器负责将数据采集器采集到的声波信号进行相应的滤波，可以将电磁式声波发射器发出的频率范围外的信号滤掉，能减少噪声信号，提高信噪比。