一种基于导波雷达信号的油井液位高度检测装置的制作方法

1.本发明涉及油井开采技术领域，尤其是一种基于导波雷达信号的油井液位高度检测装置。


背景技术：

2.随着油田产业的发展和油田开采时间的增长，油层压力在不断的减小，当油层压力小于内部相关阻力时，自喷开采已经不能满足生产需求。目前绝大多数油井采用有杆泵抽油工艺，在抽油井生产过程中，对油井环空液面高度的测试是一项重要的工作，通过观测抽油井中液位高度的变化可以了解油井的供油能力，适当调整泵深，合理开采，提高单井产量。
3.现有的油井液位高度检测通常使用回声法，人工定期进行数据的测量，然而由于油管接箍套、液面泡沫等干扰因素的存在，声波反射信号的精度和频率较低，油井测试数据的准确度难以保证，而且每次测量需要工作人员携带设备到现场，测试过程复杂费时，需要耗费大量的人力和物力维护作业，整体效率低下。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供一种基于导播雷达信号的油井液位高度检测装置，能够避免外部环境的干扰，提高检测数据的精度，实现油井内动态液位高度的有效测量与计算。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种基于导波雷达信号的油井液位高度检测装置，包括信号处理及传输单元和油井液位高度检测单元；所述油井液位高度检测单元通过连接器与所述信号处理及传输单元连接；
7.所述信号处理及传输单元实现线性调频连续波的产生、线性调频连续波的转换与传输、雷达基带回波信号的采集与频谱计算来确定油井液位的高度；
8.所述油井液位高度检测单元包括贯穿油井的油管、螺旋固定在油管外壁上的导波管、套接在导波管的下端头的绝缘套管和将导波管的上端头与导线连接的连接插头；所述油井液位高度检测单元实现线性调频连续波的传输，遇到阻抗不连续处发生反射产生回波信号。
9.本发明技术方案的进一步改进在于：所述信号处理及传输单元包括处理器、与处理器连接的可编程逻辑阵列、与可编程逻辑阵列输出端依次相连的数模转换器、倍频器、与可编程逻辑阵列输入端依次相连的模数转换器、低通滤波器、混频器。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：所述处理器的可编程逻辑端采用并行运算的方法，进行多路并行频谱计算。
11.本发明技术方案的进一步改进在于：所述导波管采用螺旋状不锈钢毛细导波管。
12.本发明技术方案的进一步改进在于：所述导波管螺旋固定的倾斜角度能够调节。
13.本发明技术方案的进一步改进在于：所述绝缘套管采用聚烯烃材质热收缩套管。
14.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
15.1、本发明通过在油管外壁螺旋状缠绕的不锈钢导波管传输线性调频连续波雷达信号，相较于传统的回声测距法，导波信号的传输损耗小，抗干扰能力强。
16.2、相较于传统的同轴直杆式探头，本发明通过使用螺旋状不锈钢导波管来增加信号的传输时间，使电平灵敏度得到大幅提高。
17.3、本发明通过应用线性调频连续波中对称三角调频方式产生基带调频信号，实现动态液位高度的精准检测。
18.4、本发明通过应用定点数计算算法，采用并行运算的方法，设计多路并行流水线结构的fft处理器，运算单元对多组输入数据同时进入蝶形运算，其处理速度为串行的几倍，提高动态液位高度的计算效率。
附图说明
19.图1为液位高度检测装置的系统结构示意图；
20.其中，1、处理器，2、可编程逻辑阵列，3、模数转换器，4、数模转换器，5、低通滤波器，6、混频器，7、倍频器，8、连接器，9、连接插头，10、导波管，11、绝缘套管，12、油管。
具体实施方式
21.下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
22.如图1所示，一种基于导播雷达信号的油井液位高度检测装置，包括信号处理及传输单元和油井液位高度检测单元，油井液位高度检测单元通过连接器8与信号处理及传输单元连接。
23.信号处理及传输单元实现线性调频连续波的产生、线性调频连续波的转换与传输、雷达基带回波信号的采集与频谱计算来确定油井液位的高度；油井液位高度检测单元实现线性调频连续波的传输，遇到阻抗不连续处发生反射产生回波信号。
24.信号处理及传输单元包括处理器1、与处理器1连接的可编程逻辑阵列2、与可编程逻辑阵列2输出端依次相连的数模转换器4、倍频器7、与可编程逻辑阵列2输入端依次相连的模数转换器3、低通滤波器5、混频器6。
25.油井液位高度检测单元包括贯穿油井的油管12、螺旋固定在油管12外壁上的导波管10、套接在导波管10的下端头的绝缘套管11和将导波管10的上端头与导线连接的连接插头9。
26.导波管10绕油管12外壁固定，倾斜角度能够调节。导波管10的尾部套接绝缘套管11，能够屏蔽外界环境中的干扰信号。
27.连接器8一端与导波管10通过连接插头9引出的导线连接固定，另外两端分别连接倍频器7的输出导线和混频器6的输入导线。
28.工作原理：
29.可编程逻辑阵列2采用直接数字式频率合成器(digital direct synthesizer,简称dds)应用线性调频连续波中对称三角调频方式产生基带调频信号，通过12位数模转换器(digital analog converter，简称dac)4进行数模转换，然后将模拟信号经倍频器7放大为
高频雷达信号；高频雷达信号传输至导波管10，根据油井液位高度产生雷达回波信号；雷达回波信号通过混频器6、滤波器5和模数转换器(analog digital converter，简称adc)3处理后传输回可编辑逻辑阵列2进行频谱计算，将得到的数据传入处理器1上并采用定点数计算算法，实现抽油井内动态液位高度的计算功能。
30.三角调频方式具体为：在一个周期内，信号频率分别经过上调频和下调频，假设对称三角波的调制周期为tr，则上扫频发射信号为：
[0031][0032]
下扫频的发射信号为：
[0033][0034]
式中，k为信号周期序号，满足条件k＝0,1,2,...n-1，a0为发射信号的初始幅度，f0为发射信号的初始频率，b为信号有效带宽，t为信号的发射周期，μ＝b/t为调频率，φ0为初始相位。
[0035]
频谱计算的具体过程为：假设液位以径向速度v0向上匀速增加，当液位与雷达初始距离为r0时，二者之间的时延为：τk(t)＝2(r
0-v0(t kt))/c，则在周期k时的回波信号为：
[0036][0037][0038]
将回波信号与本振信号进行混频低通处理，获取差拍信号，差拍信号在上调频和下调频时的近似频率为：
[0039][0040]
式中fr＝μτ0，为距离r0处的回波频率，τ0＝2r0/c为目标液位的时延，fd＝2v0/λ为目标多普勒频移，λ为信号的波长。
[0041]
由上式可进一步获得距离计算公式和速度计算公式：
[0042][0043][0044]
线性调频连续波雷达在液位检测过程中，距离维上的采样个数相对较大，导致计算复杂度较高，采用定点数计算算法，即采用稀疏傅里叶变换算法解决这一问题，在保证时频分析的同时降低计算复杂度。
[0045]
首先输入差拍信号x(n)，初始化参数，包括稀疏度k、定位循环次数、估值循环次数、次数阈值；
[0046]
从差拍信号x(n)的长度[1,...,n]中选取随机奇数σ和τ，对差拍信号进行频谱重
排f(n)＝x(n
·
σ τ)；
[0047]
将f(n)通过大小为w的窗函数g(n)进行滤波，输出y(n)＝f(n)
·
g(n)；
[0048]
对y(n)进行时域混叠，其中m为频点分筐大小，
[0049]
为提高稀疏傅里叶变换算法中快速傅里叶变换(fast fourier transform，以下简称fft)速度，采用并行运算的方法，结合处理器1的可编程逻辑(progarmmable logic，以下简称pl)端，对z(n)做m点fft运算，将长度为m的信号输入4路并行流水线结构的fft处理器，包括运算单元、数据交换单元和重排单元。其中，运算单元对4组输入数据同时进行蝶形运算，其处理速度为串行的4倍；数据交换单元使每一级的输入均采用顺序输入，内部用先进先出数据存储器(first in first out，以下简称fifo)缓存数据，按照逆序形式配对数据，等待数据到来，将加法结果输出，减法结果存至fifo中，待加法结果输出完毕，继续输出减法结果，如此输出结果即为顺序输出；数据重排单元负责对最终计算结果进行重新排序后输出其中最大的d
·
k个频点对应的坐标到集合j。
[0050]
其中，d为给定的参数，k为稀疏度。
[0051][0052]
其中，z(k)为z(n)的频域表达式。
[0053]
定义一个哈希函数h
σ
(i)，公式如下
[0054]hσ
(i)＝round(σi m/n)
[0055]
其中round()为四舍五入函数，根据哈希映射关系，将其中包含的混叠坐标反映射回差拍信号初始频谱中对应的坐标并存放在集合i中，
[0056]
i＝{i∈[0,n-1]h
σ
(i)∈j}
[0057]
j的大小为d
·
k，混叠的个数为n/m，则i的大小为dk n/m，并记录每次循环中，集合i中对应频点出现的次数，将集合i中记录的频点次数与设置的次数阈值进行比较，大于阈值则视为一个“大值”频点，将其归入集合i'中。若循环次数小于定位循环次数，则进行多次定位操作；循环结束后，从i'中选出幅值最大的k个值作为最终的结果。
[0058]
遍历这k个值，将其按幅值的大小排序，其中幅值最大的点为导波管的顶端对应的频率f1，幅值第二大的点为液面对应的频率f2，因此液面距离计算公式为
[0059][0060]
其中fm和fk分别为在初始状态下导波管末端和顶端对应的频率；l为导波管的长度，θ为螺旋倾斜角度。
[0061]
实施例
[0062]
信号处理及传输单元包括处理器1和可编程逻辑阵列2，处理器1为zynq处理器，是xilinx公司推出的一款arm fpga的soc平台；可编程逻辑阵列2包括dds ip核、采集控制模块、rom存储器、bram存储器、乘法器和加法器ip核，可以实现基带发射信号的产生以及回波信号的采集和处理。
[0063]
信号处理及传输单元还包括高集成度的宽带收发器，其内部集成模数转换器3、数
模转换器4、低通滤波器5、混频器6、倍频器7，可以实现基带信号的ad/da、倍频放大以及雷达回波信号的混频、低通滤波等一系列信号处理流程。
[0064]
连接器8采用t-bnc连接器，连接插头9采用trc-04三同轴bnc公转4mm香蕉插头，导波管10采用螺旋状不锈钢毛细导波管，绝缘套11采用聚烯烃材质热收缩套管。
[0065]
t-bnc连接器选用两卡口型，与螺旋状不锈钢毛细导波管之间采用trc-04三同轴bnc公转4mm香蕉插头连接，t-bnc连接器与trc-04三同轴bnc公转4mm香蕉插头之间使用三同轴三卡口trb母转bnc公转接头连接固定。
[0066]
螺旋状不锈钢毛细导波管绕油管外壁固定，螺旋状不锈钢毛细管的尾部套接聚烯烃材质热收缩套管，可以屏蔽外界环境中的干扰信号。
[0067]
综上所述，本发明能够避免外部环境的干扰，提高检测数据的精度，实现油井内动态液位高度的有效测量与计算。