基于管柱声场模型的油井动液面检测新方法
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错半ｊｌ｝崴扛 西南石油大学学报（自然科学版） ２０１５年８月第３７卷第４期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３７Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１５
ＤＯＩ：１０．１１８８５４．ｉｓｓｎ．１６７４—５０８６．２０１３．１０．１７．１ｌ 文章编号：１６７４—５０８６（２０１５）０４—０１６６—０７ 中图分类号：ＴＥ３５５．５ 文献标志码：Ａ
基于管柱声场模型的油井动液面检测新方法
周伟 ，贾威ｚ，郭小渝ｓ，李太福 ，易军－
１重庆科技学院智能油气田研究所，重庆沙坪坝４０１３３１ ２．西安石油大学电子工程学院，陕西西安７１００６５ ３重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆沙坪坝４０００５４
摘要：针对传统回波法测油井动液面存在回波信号弱、干扰噪音大和液面波辨识难等问题，提出一种基于管柱声场 模型的油井动液面检测方法。受管乐器声乐频率可反映乐管长度的启发，利用管道声学理论对典型的管柱结构进行 分析，借助管柱的声场特性和管内空气柱的共振原理，建立油井动液面深度与管内声场固有频率的关系，再通过快速 傅立叶变换测定管内声场的固有频率，从而获得管内动液面深度。实验结果表明，提出的新方法验证了管柱空气共振 频率和动液面深度的关系，能较精确地得到管内液面深度，相对误差在２％以内，为精确检测油井动液面深度提供了
一种新途径。 关键词：动液面；检测；固有频率；声场模型；快速傅立叶变换
Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｉｌ Ｗｅｌｌ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｌｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｔｈｅ Ｃｏｌｕｍｎ Ｓｏｕｎｄ Ｆｉｅｌｄ Ｍｏｄｅｌ
Ｚｈｏｕ Ｗｅｉ ，Ｊｉａ Ｗｅｉ２，Ｇｕｏ Ｘｉａｏｙｕ３，Ｌｉ Ｔａｉｆｕ１，Ｙｉ Ｊｕｎｌ
１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｏｉｌ＆Ｇａｓ Ｆｉｅｌｄ．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｐｉｎｇｂａ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１３３１，Ｃｈｉｎａ ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ａｎ ＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｐｉｎｇｂａ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏ￣ａｎｔ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｏｉｌ ｗｅｌｌ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｅｔ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｏｉｌ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｉｌ ｗｅｌｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎ．ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｗｅａｋ ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａｌ，ｌａｒｇｅ ｎｏｉｓｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｔｅ ａｎｄ ｄｉｆｉｃｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｗａｖｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｃｈｏ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｓｔｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｈｅｏｒｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ．ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｄｅｐｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆｔｈｅ ｔｕｂｅ ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎ ａｎｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｕｂｅ ａｉｒｃｏｌｕｍｎ，ｉｎｓｐｉｒｅｄｂｙｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｃａ１ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｉｐｅ ｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｎ ｗｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａ１￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｍｅ ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｕｂｅ ｂｙ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＦＦＴ），ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｔｕｂｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｉｎｇ ａｉｒ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ，ａｎｄ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｗｉｔｈｉｎ ２％ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｆ０ｒ ｍｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｕｉｄ １ｅｖｅｌ ｄｅｐｔｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃ ｆｌｕｉｄ ｌｅｖｅ１；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｓｏｕｎｄ ｆｉｅｌｄ ｍｏｄｅｌ；ＦＦＴ
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５１．１７１８．ＴＥ．２０１５０７０８．１０００．００１．ｈｔｍｌ 周伟，贾威，郭小渝，等．基于管柱声场模型的油井动液面检测新方法［Ｊ］．西南石油大学学报：自然科学版，２０１５。３７（４）：１６６—１７２． Ｚｈｏｕ Ｗｅｉ，Ｊｉａ Ｗｅｉ。Ｇｕｏ Ｘｉａｏｙｕ，ｅｔ ａｌ Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｏｉｌ Ｗｅｌｌ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｌｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｌｕｍｎ Ｓｏｕｎｄ Ｆｉｅｌｄ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ，２０１５，３７（４）：１６６ １７２．
收稿日期：２０１３—１０—１７ 网络出版时间：２０１５—０７—０８ 通信作者：周伟，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｗ１９８５＠１６３．ｔｏｍ 基金项目：国家自然科学基金（５１４０４０５１）；重庆市科技人才项目（ｃｓｔｃ２０１３ｋｊｒｃ—ｑｎｒｃ４０００８）；重庆市教委科学技术研究项目（ＫＪ１４０１３２６）
第４期 周伟，等：基于管柱声场模型的油井动液面检测新方法 １６７
引 言
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，确定抽油泵的
沉没深度、油层压力，分析能量衰减的异常原因等，
从而合理安排采油工艺，使油井产油率最大化。而
目前油井动液面深度检测方法往往存在检测精度不
高等问题。因此，如何精确地进行油井动液面深度
检测就成为了石油工作者和其他科技人员致力解决
的问题。
随着现代油田科技的不断进步，油井动液面检
测技术得到了很大的发展。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ｎ］，工艺
操作简便，数据直观，但不能在带有压力的环空油 井中测试；压力计探测法［２】，适用于一切油水井，但
须保证压力计停点至少有３个点在液面以下，施工
周期长；示功图法［ ｌ４】，它可进行连续计算，但受到 惯性、振动及摩擦载荷的影响；物质平衡法［５］’通过
测试环空中的气体排量折算出油井动液面，但折算 过程并不精确；声波法［ ，它不用将仪器下人井中，
施工方便，但当井下液面较深或有泡沫层等因素
时，检测精确大大降低。这几种方法模型简单，都
需要在一定的条件下进行检测。在长期探索的过程 中，又陆续提出了一些改进方法，如孟开元等［ ］对
抽油井液位回音曲线特性分析，设计了回音信号检
测电路，利用计算机提取回音信号中的特性脉冲来
计算液位值；ＭｃＣｏｙ Ｊ Ｎ等 提出一种基于声音传 播的油井动液面检测方法；田学隆等［ ］提出基于泡
沫液的光电传感器液位检测方法；Ｔｅｒｚｉｃ Ｅ等［１０３提
出基于电容式传感器的神经网络动液面检测方法； Ｓｅｎｇｕｐｔａ Ｄ等［１１］提出基于静水压力ＦＢＧ传感的液
位检测方法。这些方法能实时监控跟踪油井动液面
的变化，但往往油井环形空间狭窄，液面偏深，声波
信号衰减幅度大，最终难以进行精确检测。上述方 法中遇到的问题，必然会影响到油井动液面深度检
测的精度，也是制约油井供应能力、油田科学发展
的瓶颈。
本研究发现生活中一个有趣的现象：乐师在吹
奏长号时，通过拉动套管发出不同音高的声音。长
号又称拉管，在拉动套管时会改变所连入的乐管长 度，进而改变管内空气的固有频率，空气柱振动特
点是管子越长，则频率越低，反之亦然。这意味着
管乐器声乐频率可以反映乐管的长度。而油井套管
与长号的管筒有着相似的形状（如图１），那么上述
现象是否暗示着可以通过测油井管柱声场固有频率
来测油井动液面深度呢？
图１长号与油管结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｒｕｍｐｅｔ ａｎｄ ｏｉｌ ｗｅｌｌｓ
通过分析相关文献，范理等［１２］指出在管中气
体、温度、压力等条件一定时，谐振管长度和管两端
阻抗是影响谐振频率的最主要因素，并提出了运用
声压模拟法和驻波最小点法计算声谐振管的谐振 频率。宫瑞婷等［１３］对声制冷机中均匀声共振管声
场进行了研究，指出在共振时声波在管的刚性端面 处的声压最大。汤珂等［１４］研究了热声驱动器谐振 油管
油套 环空 接箍
套管 Ｉ
．＿一 ．—一 ｆ Ｈ
Ｉ ｌ
频率的影响因素，指出一端封闭一端开口谐振管的
驻波热声驱动器，其谐振频率与谐振管长成反比。 赵辉等［１５］介绍了运用管内音频信号共振的原理对
管件长度进行测量的方法，并进行了相应的理论分
析。在不考虑声音信号的衰减、声速变化、泡沫油
等影响的情况下，油井可简化为管道模型。由此可
知，油井动液面深度与管内声场固有频率之间必然
