油井超声互相关流量计的研究

　　在油田的开发过程中,油井流量的测量是生产动态测井中一个重要的环节。针对油井流量测量的实际情况,提出了一种新的测量油井流量的方法———超声互相关方法。在借鉴国内外研究的基础上,对声学方面的相关原理进行了深入分析,设计了超声传感器和电路,编制了相关分析软件,对超声互相关方法测量油井流进行了控讨。

　　1　随机流动噪声信号对超声波的调制

　　流体在管道内流动时,内部存在与流体流动状况有关的流动噪声,并具有一定的统计特性[1]。当超声波在流体中传播时,流动噪声会对超声波产生调制现象[2]。通常在信号处理系统中,噪声是一种需要加以抑制的干扰信号,然而在超声互相关测量系统中,这种流动噪声利用超声传感器检测出来,通过信号处理后,提取出含有流体信息的有用流动噪声。

　　2　超声互相关流量测量的基本原理和测量系统

　　2.1　超声互相关流量测量的基本原理

　　图1中,在沿管道轴线相距L的截面aa′和bb′处安装两对超声传感器。工作时,发射传感器向流体发射能量束,流体在管道内流动,流动噪声调制发出的能量束,随之接收传感器检测到引起调制作用的随机信号。再通过信号转换电路,就可以从上、下游接收传感器提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x(t)和y(t)。

　　将图1中虚线所包围的系统视为一信号系统,且将上游传感器的信号作为该系统的输入,下游传感器的信号作为该系统的输出,那么确定流体从aa′运动bb′到所需时间就可归结为一随机信号通过给定系统所需时间的问题。由互相关理论可知,将一个信号系统的输出和输入做互相关运算,得到互相关函数Rxy(τ)的图形,该图形峰值所对应的时间位移τ0就是随机信号在该系统中的传递时间。因此,信号(流体)在该系统中的传播速度

　　通常v_c为相关速度,L为上、下游传感器距离。在理想流动状况下,被测流体的体积平均流速v_cp可以用相关速度v_c来表示。

　　2.2　相关流量测量的数学模型

　　根据图1,设传感器之间的噪声传输系统为一线性系统,其脉冲响应传递函数为h(t),两个传感器的脉冲响应函数为h₁(t)和h₂(t),则图1所示系统可以表示为图2的信号模型。图2中,s(t)、s′(t)为上、下游传感器的流动噪声,n(t)表示与s′(t)不相干的干扰噪声。

　　根据图2的信号模型有

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s(t)与n(t)不相关,即R_sn(τ)=0,可得

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