环空液面探测声波最佳频率响度测定方法

技术领域

本发明涉及到钻井工程技术领域，尤其涉及一种环空液面最佳探测声波频率及响度的测定方法。

背景技术

目前现场一般使用回声法测量环空液面，使用的高压气枪作为发声源，爆破声源能量较大，频率一般小于20Hz，该发声方式由于其发声的频率很低，响度很大，且频率响度、发声时间不可调，而低频声波衰减的慢，高频声波衰减的快，且接箍对高频声波反射更好，因此爆破声源具有很高的瞬时能量，对于深井、超深井测量有一定的优势，但在测量浅液面时发射的声波在环空内的能量过大，在浅液面的情况下难以衰减，容易在声波通道内持续震荡，使液面回波淹没在发射声波内，造成有效信息难以提取，导致液面位置误判。

并且次声波的穿透力较强，在接箍处的反射较弱，因此只能通过液面回波判断液面位置，环空声速难以确定，造成误差较大。

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，提供一种环空液面探测声波最佳频率响度测定方法。本发明使用电磁式声波作为探测声源，可以改变发射声波的频率响度及发声时间，并确定不同液面高度对应的最佳探测频率响度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种环空液面探测声波最佳频率响度测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、计算环空液面位置：下钻至井底，灌浆至见返，液面在井口后开始起钻，计算环空液面深度；

b、计算环空声速：通过采集到的环空温度计算环空声速；

c、发射调制探测声波：设定调制发声时间、频率和音频，通过功率放大器放大后由电磁式声波发射器向环空发射声波；

d、确定某一液位下的最佳发声强度：声波在环空内沿钻杆向下传输，遇到接箍和液面时返回，对回波信号进行采集、滤波处理、分段处理后得到处理后的接箍回波及液面回波，根据接箍回波及液面回波，确定某一液位下的最佳发声强度；

e、确定某一液位下的最佳发声频率：以确定的最佳发声强度调制声波，重复步骤d，记录该液面深度下最佳的发声频率，得到该液面深度下最佳的发射响度和频率组合；

f、确定不同液位下的最佳发声响度及频率：每起出一柱钻杆后，坐卡，重复步骤a-e，记录不同液面深度下对应的最佳发声响度和频率组合。

所述步骤a中，利用公式

所述步骤b中，通过温度传感器采集到的环空温度Tem，计算环空声速C＝331.45+0.61Tem。

所述步骤c中，分别调制发声时间为T0＝0.05s、频率f＝1500Hz声波，响度为100％，70％，50％，30％的音频，通过功率放大器放大后由电磁式声波发射器向环空发射。

所述步骤d中，声波传感器负责采集回波数据，当发出探测声波指令时，声波传感器开始采集数据，将此时定义为起始点T1，声波传感器以采样频率fs进行采样，采样时间为T(5≤T≤10)，采样信号为s(i)。

所述步骤d滤波处理中，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d分段处理中，将滤波后的信号sn(i)分为两段，第一段为发射段，时间为：T1～T1+T0，发射段信号为M(t)，第二段为接收段，时间为：T1+T0～T-T1-T0，接收段信号为：s(t)。

所述步骤d中，对接箍回波与液面回波检测，将接收段信号s(t)与发射段信号M(t)进行检测，利用公式：

对R(τ)求极大值点，极大值最大点记为液面回波点Rmax，记录该点的时间为τ，则液面回波时间为T0+τ，环空液面深度为：L＝C*(T0+τ)/2，对比不同发声强度所对应的液面回波极大值点，取极大值最大的点对应的发声强度作为该液面深度下最佳发声强度A

所述步骤e中，确定最佳发声强度后，分别调制发声时间为T0＝0.05s、响度为A

所述步骤f中，每起出一柱钻杆后，坐卡，重复步骤a-e，记录不同液面深度下对应的最佳发声响度和频率组合(L

采用本发明的优点如下：

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。

3、本发明采用的互相关检测方法能提高回波的识别率。

4、本发明采用温度传感器实时监测环空温度，能够实时计算环空声速，减小液面计算误差。

5、对于不同的环空液位，不同频率不同响度的探测声波所对应的回波不同，本发明可以测定不同液位下最佳的发射频率及响度，为实际液面探测推荐最佳频率及响度。

附图说明

图1为气枪法探测回波信号图；

图2a为频率300Hz响度100％调制声波回波信号回波时域图；

图2b为频率300Hz响度100％调制声波回波信号相关性检测图；

图3a为频率500Hz响度100％调制声波回波信号回波时域图；

图3b为频率300Hz响度100％调制声波回波信号相关性检测图；

图4为本发明方法流程示意图；

图5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

由于不同频率响度的声波在不同液面高度的情况下的传播规律不同，为确保电磁式声波发射器能在不同液位条件下发射最佳探测频率及响度，本发明提供以下方法确定最佳频率响度。

如图4所示，最佳频率响度测试方法如下：

1、计算环空液面位置。

先下钻至井底，灌浆至见返，保证液面在井口后开始起钻，利用公式

2、计算环空声速。

记录温度传感器数据Tem，计算声速C＝331.45+0.61Tem。

3、通过电磁式声波发射器发射调制探测声波。

通过电脑分别调制发声时间为T0＝0.05s、频率f＝1500Hz声波，响度为100％，70％，50％，30％的音频，通过功率放大器放大后由电磁式声波发射器发射。

4、确定某一液位下的最佳发声强度。

声波在环空内沿钻杆向下传输，遇到接箍和液面时返回，对回波信号进行采集、滤波、短时能量计算后得到处理后的有效回波(接箍回波及液面回波)

401：声波传感器负责采集回波数据，当电脑发出探测声波指令时，声波传感器开始采集数据，将此时定义为起始点T1，数据采集器以采样频率fs进行采样，采样时间为T(5≤T≤10)，采样信号为s(i)。

402：滤波处理：将采样信号s(i)通过带通滤波器获得滤波后的信号sn(i)，滤波器的通带范围为20～30Hz。

403：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：T1～T1+T0，发射段信号为M(t)，第二段为接收段，时间为：T1+T0～T-T1-T0，接收段信号为：s(t)。

404：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)进行相关性检测，利用公式：

对R(τ)求极大值点，极大值最大点记为液面回波点Rmax，记录该点的时间为τ，则液面回波时间为T0+τ，环空液面深度为：L＝C*(T0+τ)/2，对比不同发声强度所对应的液面回波极大值点，取极大值最大的点对应的发声强度作为该液面深度下最佳发声强度A

5、确定某一液位下的最佳发声频率。

确定好发声强度后，通过电脑分别调制发声时间为T0＝0.05s、响度为A

6、确定不同液位下的最佳发声响度及频率。

每起出一柱钻杆后，坐卡，重复步骤1-5，记录不同液面深度下对应的最佳发声响度和频率组合(L

实施例2

本实施例结合附图，对本发明的具体应用例进行说明。

一种环空液面探测声波最佳频率响度测定方法，包括：

1、下钻至井底，灌浆至见返，液面在井口后开始起钻，计算环空液面深度，利用公式

2、在节流管汇处安装气枪式环空液面监测仪，反射探测声波并记录相应回波，回波信号如图1所示。探测波由于在环空内衰减过慢，造成液面回波淹没在发射波内，难以辨别准确的液面回波起始点。

3、在相同位置安装电磁式声波发射器。

a、计算环空声速：温度传感器为16℃，则环空声速为

C(16℃)＝331.45+0.61*16＝341.21m/s

b、利用电磁式声波发射器发射不同频率响度组合的探测声波，声波在环空内沿钻杆向下传输，遇到接箍和液面时返回，对回波信号进行采集、滤波后如图2(a)，图3(a)所示，进行相关性检测后得到相关性检测图如图2(b)，图3(b)所示，其液面回波时间为0.92s，则环空液面深度为：

c、由图2(b)、图3(b)可知，当频率为300Hz响度100％时，液面回波相关检测值为1502，当频率为500Hz响度100％时，液面回波相关检测值为612，因此当环空液面深度为156m时，最佳的探测声波组合为300Hz，100％响度。

探测声波频率响度组合有多个，在此列举了最优组合与其中一个组合，因此，并不局限于上述应用。

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5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，频响范围为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。