[发明专利]一种油井动液面识别方法

摘要

本发明公开了一种油井动液面识别方法，包括步骤：一、获取动液面深度预估值并采集回波信号；二、回波采样信号的滤波；三、带通滤波回波信号的频域变换；四、提取回波信号声速；五、回波采样信号的数据归零处理；六、归零回波采样信号的滤波；七、查找动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点；八、获取动液面位置的采样时间；九、识别动液面的实际深度。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，声速计算准确，并查找动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取动液面位置的采样时间，解决动液面信号被噪声淹没无法直接识别问题。

主权项

1.一种油井动液面识别方法，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(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；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f_B的范围：根据公式f_Bmin≤f_B≤f_Bmax，预估次声波在单根管节上的基波频率f_B的范围，其中，f_Bmin为次声波在单根管节上的基波最小频率，且f_Bmax为次声波在单根管节上的基波最大频率且L为单根管节的长度，v_min为次声波在油管(5)与套管(7)之间形成的环形空间内传播的最小声速，v_max为次声波在油管(5)与套管(7)之间形成的环形空间内传播的最大声速；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：根据公式对次声波在单根管节上的基波最小频率f_Bmin进行归一化，得到次声波在单根管节上的归一化基波最小频率f_Nmin，对次声波在单根管节上的基波最大频率f_Bmax进行归一化，得到次声波在单根管节上的归一化基波最大频率f_Nmax，根据f_Nmin≤f_N≤f_Nmax，获取次声波在单根管节上的归一化基波频率f_N的范围；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(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；步骤302、确定带通滤波回波信号的窗长及窗口的步长：根据公式计算单根管节上的预估采样点数q，当α×L≥Y_h时，带通滤波回波信号的窗长此时，窗口无需设定窗口的步长ΔQ，执行步骤303；当时，带通滤波回波信号的窗长Q＝αq，此时，窗口的步长ΔQ满足：q<ΔQ≤3q，执行步骤304；当时，带通滤波回波信号的窗长Q＝αq，此时，窗口的步长ΔQ满足：q<ΔQ≤3q，执行步骤305；其中，α为连续选取的管节的数量，且30<α<40，[·]为取整函数；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f_Nmin开始查找到频率值为f_Nmax，查找位于f_Nmin和f_Nmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当f_Nmin和f_Nmax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f_N的准确值，次声波在单根管节上的归一化基波频率f_N的准确值为频域回波信号F(k)的1倍倍频频率f_N1，然后在频域回波信号F(k)上频率值分别为2f_N、3f_N、4f_N和5f_N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f_N2、3倍倍频频率f_N3、4倍倍频频率f_N4和5倍倍频频率f_N5，根据公式计算回波信号声速v；当f_Nmin和f_Nmax之间不存在能量最大的谱线，计算机(4)查找位于2f_Nmin和2f_Nmax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f_N2，然后在频域回波信号F(k)上频率值分别为和的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的3倍倍频频率f_N3、4倍倍频频率f_N4和5倍倍频频率f_N5，根据公式计算回波信号声速v；步骤403、计算机(4)对频域回波信号序列F_β(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F_β(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F_β(k)中任一频域回波信号均从频率值为f_Nmin开始查找到频率值为f_Nmax，查找位于f_Nmin和f_Nmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当f_Nmin和f_Nmax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f_N的准确值，该次声波在单根管节上的归一化基波频率f_N的准确值为频域回波信号序列F_β(k)中所选频域回波信号的1倍倍频频率f_N1，然后在频域回波信号序列F_β(k)中所选频域回波信号上频率值分别为2f_N、3f_N、4f_N和5f_N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f_N2、3倍倍频频率f_N3、4倍倍频频率f_N4和5倍倍频频率f_N5，根据公式计算频域回波信号序列F_β(k)中所选频域回波信号对应的回波信号声速v_ε；当f_Nmin和f_Nmax之间不存在能量最大的谱线，计算机(4)查找位于2f_Nmin和2f_Nmax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F_β(k)中所选频域回波信号的2倍倍频频率f_N2，然后在频域回波信号序列F_β(k)中所选频域回波信号上频率值分别为和的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的3倍倍频频率f_N3、4倍倍频频率f_N4和5倍倍频频率f_N5，根据公式计算频域回波信号序列F_β(k)中所选频域回波信号对应的回波信号声速v_ε，其中，ε为频域回波信号序列F_β(k)中频域回波信号的编号且ε≤β；根据公式计算回波信号声速v；步骤404、计算机(4)对频域回波信号序列F_γ(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F_γ(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F_γ(k)中任一频域回波信号均从频率值为f_Nmin开始查找到频率值为f_Nmax，查找位于f_Nmin和f_Nmax之间能量最大的谱线对应的归一化频率值，当f_Nmin和f_Nmax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f_N的准确值，该次声波在单根管节上的归一化基波频率f_N的准确值为频域回波信号序列F_γ(k)中所选频域回波信号的1倍倍频频率f_N1，然后在频域回波信号序列F_γ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为2f_N、3f_N、4f_N和5f_N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f_N2、3倍倍频频率f_N3、4倍倍频频率f_N4和5倍倍频频率f_N5，根据公式计算频域回波信号序列F_γ(k)中所选频域回波信号对应的回波信号声速v_φ；当f_Nmin和f_Nmax之间不存在能量最大的谱线，计算机(4)查找位于2f_Nmin和2f_Nmax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F_γ(k)中所选频域回波信号的2倍倍频频率f_N2，然后在频域回波信号序列F_γ(k)中所选频域回波信号上频率值分别为和的左右邻域之间查找能量最大的谱线对应的3倍倍频频率f_N3、4倍倍频频率f_N4和5倍倍频频率f_N5，根据公式计算频域回波信号序列F_γ(k)中所选频域回波信号对应的回波信号声速v_φ，其中，φ为频域回波信号序列F_γ(k)中频域回波信号的编号且φ≤γ；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；步骤五、回波采样信号的数据归零处理：计算机(4)提取回波采样信号s(i)中各采样点的幅度η(i)，根据公式计算各采样点的平均幅度其中，M为回波采样信号s(i)中采样点的总数；根据公式计算各采样点的归零幅度η'(i)，获取归零回波采样信号s'(i)；步骤六、归零回波采样信号的滤波：根据动液面深度预估值Yh对归零回波采样信号s'(i)进行滤波，当Yh>600m时，将油井视为深井，执行步骤601；当Yh≤600m时，将油井视为浅井，执行步骤602；步骤601、计算机(4)依次采用第一低通滤波器、带阻滤波器和第二低通滤波器对归零回波采样信号s'(i)进行滤波，得到深井归零回波滤波信号S(i)，其中，所述第一低通滤波器的截止频率为0.01Hz，所述第一低通滤波器的旁瓣衰减为80dB，所述带阻滤波器的阻带衰减为80dB，所述第二低通滤波器的截止频率为0.02Hz，所述第二低通滤波器的旁瓣衰减为80dB；步骤602、计算机(4)采用第二低通滤波器对归零回波采样信号s'(i)进行滤波，得到浅井归零回波滤波信号S'(i)；步骤七、查找动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点：计算机(4)根据油井深浅确定动液面深度搜索范围，并在动液面深度搜索范围内确定动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点，所述深井分为第一深井、第二深井和第三深井，所述第一深井的动液面深度预估值Yh满足：600m≤Yh<1100m；所述第二深井的动液面深度预估值Yh满足：1100m≤Yh≤1800m；所述第三深井的动液面深度预估值Yh满足：Yh>1800m；当油井为浅井时，动液面深度搜索范围为0.7Y_h～1.2Y_h，计算机(4)在0.7Y_h～1.2Y_h对应的采样点内采集浅井归零回波滤波信号S'(i)中的各个峰值，当时，将h_j视为动液面位置的突变峰值，将动液面位置的突变峰值h_j对应的采样点j视为动液面位置的采样点，其中，h_‑和h₊分别为与动液面位置的突变峰值h_j左右相邻的峰值；当油井为第一深井时，动液面深度搜索范围为0.4Yh～1.3Yh，计算机(4)在0.4Yh～1.3Yh对应的采样点内采集该深井归零回波滤波信号S(i)中的各个峰值，第一深井的动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取方式与浅井的动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取方式相同；当油井为第二深井时，动液面深度搜索范围为0.5Yh～1.3Yh，计算机(4)在0.5Yh～1.3Yh对应的采样点内采集该深井归零回波滤波信号S(i)中的各个峰值，第二深井的动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取方式与浅井的动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取方式相同；当油井为第三深井时，动液面深度搜索范围为0.6Yh～1.2Yh，计算机(4)在0.6Yh～1.2Yh对应的采样点内采集该深井归零回波滤波信号S(i)中的各个峰值，第三深井的动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取方式与浅井的动液面位置的突变峰值和动液面位置的采样点获取方式相同；步骤八、获取动液面位置的采样时间：计算机(4)在动液面位置的采样点j左右两侧分别查找采样点j‑1和采样点j+1，采样点j‑1对应的幅度为h_j‑1，采样点j+1对应的幅度为h_j+1，利用(j‑1,h_j‑1)、(j,h_j)和(j+1,h_j+1)三点求取以采样点为变量x、以幅度为函数值y的二次函数y＝ax²+bx+c，其中，a、b和c为常数；获取二次函数y＝ax²+bx+c的极值点坐标根据公式计算动液面位置的采样时间t；步骤九、识别动液面的实际深度：根据公式计算动液面的实际深度Y_s。