油气管道电磁超声法检测的信号处理.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 0 6年 5月 石 油 学 报 ACTA PETROLEI SI NI CA Vo 1 ． 2 7 NO． 3 M a y 2 00 6 文 章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 6 0 3 0 1 1 2 0 3 油气管道 电磁超 声法检测 的信 号处理 李莺莺 靳世 久 曹丽娜 天津大学精 密仪器 与光 电子工程学院天津3 0 0 0 7 2 摘要 为从 油气管道 电磁超声检测 的反 射信 号中提取 出有 用信息 采用 了新 的 时域 分析技术 进行 电磁 超声 反射信 号的处理 。对 该 算法进行 了数学推导 ， 数学仿 真试验证 明， 该算法具有高的抗干扰性。 当设 置的初始频率偏离输入信号频率 2 0 ％时 ， 输 出信号仍 可 以正 常收敛 。实 际信号处理表 明， 该 方法可以明显地 降低 电磁超 声回波信 号的噪声， 有助于提高 电磁超声管道检测器 的测量精度。 关键词 油气管道； 在线检测 ； 电磁超 声法； 噪音消除； 信 号处理 中圈分类号 TE 8 7 3 ． 6 文献标识码 A Si g n a l p r o c e s s i n g o f e l e c t r o ma g ne t i c u l t r a s o ni c de t e c t i o n f o r o i l g a s pi pe l i ne s L i Yi n g y i n g J i n S h i j i u Ca o L i n a S c h o o l o f Pr e c i s i o n I n s t r u me n t s a n d Ph o t o e l e c t r i c En g i n e e r i n g，Ti a n j i n Un i v e r s i t y，Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2，Ch i n a Ab s t r ac t Re f l e c t e d s i gna l s i n t he e l e c t r oma g ne t i c u l t r a s o ni c d e t e c t i on o f oi l ga s p i p e l i ne we r e t r e a t e d us i n g a n ov e l t i me - do ma i n me t h o d ．A n e w a l g o r i t h m i s p r e s e n t e d ．Th e ma t h e ma t i c s i mu l a t i o n e x e mp l i f i e d t h a t t h i s a l g o r i t h m h a s b e t t e r a n t i j a mmi n g p r o p e r t y ．Th e o ut pu t s i gn a l c a n be c o nv e r g e d n or ma l l y whe n t h e d e s i gne d f r e q ue nc y de p a r t s t he i n put s i gn al f r e q ue n cy by 2 0％ ．The t e s t e d r e s ul t o f e l e c t r oma g ne t i c s i g na l de t e c t i o n s h ows t he v a l i di t y of t hi s me t ho d t O e l i mi na t e n oi s e of e l e c t r oma g ne t i c ul t r a s oni c s i g na l a nd i mp r ov e me a s u r e me nt pr e c i s i o n o f e l e c t r o ma gne t i c de t e c t or u s e d f or de t e ct i n g pi pe l i ne ． Ke y wo r d s oi l g a s pi pe l i ne；i n l i ne de t e c t i o n；el e c t r o ma gne t i c u l t r a s on i c t e c hn i q ue ；no i s e e l i mi na t i on；s i g na l pr oc e s s i ng 在管 道检 测手 段 中 ， 漏 磁 法_ 1 和 压 电超 声 法 管 道 检 测器 的应用 最为 广泛 ， 漏 磁检 测器 不需要 耦合 剂 ， 但 分辨率和准确率较低； 压电超声管道检测器则测量精 度高， 数据解读清晰， 但需要耦合剂， 这就使其在输气 管道上 的应用 变得 复杂 ] 。 电磁超声技术 E MAT 是 2 0世纪 7 0年代发展起 来的无损检测新技术 。这一技术是以洛仑兹力、 磁致 伸缩力 、 电磁力为基础 ， 用电磁感应涡流原理激发超声 波 。然 而 E MAT 技 术 具 有 较 大 的 插 入 损 耗 ， 其 转 换 效率低 ， 由于受到噪声的污染 ， 接收的超声信号质量较 差。前人采用合适 的信号处理方法来消除噪声[ 3 和识 别缺 陷 ] 。笔 者采 用 时域 分 析 方 法 来 提取 淹 没 在 噪 声中的时变正弦信号 ， 可以提高 E MAT信号的质量。 1 特定频率成分信号提取 的算法 电磁超声技术多采用脉冲能量 ， 如脉冲调制正 弦 波激发换能器， 其 回波信号应为频率 与激励脉冲频率 相同的调幅信号， 但是 ， 噪声 的叠加使得输出信号为非 稳态信号， 其中各种频率正弦成分的幅值、 相位等均为 时变参数 。理想频域分析方法离散傅立叶变换在 输入信号的频率随时间变化的情况下就失去 了其有效 性 。非线 性 的 自适 应滤 波时 频信 号处理 方法 在处 理非 线性 、 非稳态问题有较好 的性能， 但它 的结构复杂 ， 灵 敏度 主要依赖于初始参数。笔者采用的时域分析方法 是以上两种正弦信号提取方法的结合 ， 它可 以处理频 率变化较大的信号。 算法的目的就是从输入信号中提取出一个特定频 率成分的信号。在典型情况下 ， 输入信号 U f 可以表 示 成 f 一∑A s i n w t f 1 L _ 0 其 中 ， f 代表所 有 的未知 噪声 。 定 义 ￡ 一 [ A ￡ ， ∞ ￡ ， ￡ ] 为属于参数 空间 的参数矢量 。参数空间的表达式 为 一 { [ A i ‰ “ 基金项目 国家 自然科学基金项 目 N o ． 6 9 9 7 4 0 2 5 资助 。 作者简介 李莺莺 ， 女 ， 1 9 7 9年 1 0月生 ， 2 0 0 3年获天津大学精 密仪 器及机械专业工学硕 士学位， 现为天津大学 博士研究生 ， 主要从事 无损检测 、 精 密 测试技术及仪器研 究工作 。E - ma i l b i r d l i j l 1 6 3 ． c o rn 维普资讯 第 3期 李莺莺等 油气管道 电磁超声法检测 的信号处理 1 1 3 想 要得 到 的正 弦成 分可 以表 示为 y [ t ， ￡ ]一 A ￡ s i n r o t t ￡ ] 算 法 的输 出结 果 ￡ 为可 以使 [ ￡ ， ￡ ] 和 “ ￡ 之 间的距离 函数 最小 的最 优解 。其 表达式 为 0 o p l a r g m i n d { Y I t ， O t J ， “ ￡ } 定义误差平方函数为价值 函数 ， 可以采用梯度下 降 法估计 参数 矢量 ， 为调 整参 数 。 r 、 2 d O t a { “ ￡ 一y [ t ， ￡ ] } 一 一 一 将 其展 开可 以表示 为 dA ￡ d￡ d c J ￡ d ￡ d t d ￡ { 一 A ￡ s i n [ ￡ ] } { 一 A ￡ s i n [ ￡ ] } { 一 A ￡ s i n [ ￡ ] } 定 义 P ￡ 一 “ ￡ 一A ￡ s i n [- w t t ￡ ] 则方 程组 可展开 为 一 2 ， e ￡ s i n [ ∞ ￡ ￡ ￡ ] 2 叠 一 2 P ￡ A ￡ ￡ c 。 s [ ∞ ￡ ￡ ￡ ] 3 dS 一t 一 2 3 P ￡ A ￡ c 。 s [ cJ ￡ ￡ ￡ ] 4 由于 ￡ c J ￡ t ￡ ， 贝 0 有 d t一 ∞ ￡ ￡ d t d t 5 由于式 3 和式 5 中存在时变量 t ， 使得方程组 成为一 个 时变系 统 ， 因而 系 统 对 于 给定 输 入 信 号 的 响 应依 赖于 系统初 始化 的时 间 ， 这 在 系统 的实 现 上是 有 困难 的 。为 了简 化该 系统 ， 将 变量 t 用一个 常数 m 替 代 。式 2 ～式 4 可 以改 写成下 面 的形式 ￡ 一 1 e t s i n t 6 一 2 e t A ￡ C O S ￡ 7 ji c cJ ￡ 3 ￡ 8 其 中 ， 1 1 ， 2 2 4 ， 3 4 3 ／ 2 4 ， 这 些 参数决 定着算 法计 算过 程 的速度 。 一 般地 ， 参数 t 和 z的值随着信号频率 的增大 而增大 ， 而且 还应该 满 足 0 f o ／ A I 2 2 式中 ， 为算法 的初始频率 ； A为信号 的幅值； t t 的 选取应该使 的值与 ． 相 当， 使算法中幅值和总 相位 的迭 代速 度得 到平衡 。 在文 献 1- 6 ] 中证 明的定 理 1表 明 假 定 由式 1 给 出的 “ ￡ 中所有 的参 数均未 知 ， 则 由式 6 ～ 式 8 给 出的动态系统在初始位 置 A。 ， ∞ 。 ， 。 附近存 在 一 个局部惟一且稳定 的周期性轨道 y ￡ 。从 而证 明 了该动态系统周期性轨道的存在性、 惟一性和稳定性 。 该算法的计算流程如图 1 所示。在积分环节须设 置初始值 A， ， ∞ 。和 ， 频 率积分器 的初 始值非 常重 要 ， 因为该算 法仅 能将 与 初 始 频 率 最 相 近 的正 弦 信 号 从 输入 信号 中提取 出来 ， 运 算 的过 程 中将 激 励 信 号 的 频率作为频率积分器初始值 。 图 1 算法的计算程序 Fi g．1 Pr o g r a m o f a l g o r i t h m 算法的数值可以通过对式 6 ～式 8 描述的微分 方程 组进行 离 散化处 理来 实现 。从 而得 到 A 1 一A Ts 1 P s i n cJ 1 一 c J Ts 2 P A C OS 1 一 Ts c J ,u 2 3 e n A C O S Y 一 A s i n P 一 “ 一 式 中T 为采 样周 期 ； 为时 间步 。 2 算法的数学仿 真 采用 数学 软件 对该算 法进 行 了仿 真试验 。假 设输 入信号 “ ￡ 为幅值一定 的正弦波 ， 频率为 5 0 Hz ， 算法 的初 始条 件预 设为 A。 0 ， cJ 。 2 n5 0 ， 0 。根 据 式 9 合理 地选 择 参 数 ． ， 和 ， 经 过运 算 ， 输 出信 号在 若干 周 期 内逐 渐 收 敛 于 输 入 信 号 ， 如 图 2所 示 。 如果设置的初始频率偏离输入信号频率 2 0 ％， 即预设 值 为 4 0 Hz ， 经过 一定 的周 期后 ， 输 出信号 的频 率也 逐 渐 收敛 ， 如 图 3所 示 。 该 算法 的一 个重 要 优 点 是抗 干扰 性 ， 图 4即 为从 噪声 污染严 重 的信号 中提取 出的正 弦信号 。输 出误差 受输入信号 的质量和算法收敛速度 的共同影 响。 一方 0 m 0 一 维普资讯 1 1 4 石 油 学 报 2 0 0 6年第 2 7卷 1 ．0 墓。 乏 塞 一 -0 。三 O O． 0 5 0 ． 1 O ． 1 5 0 ． 2 时 间， 8 图 2算法收敛 示意图 Fi g． 2 I l l u s t r a t i o n o f t h e c o nv e r g e n c e of a l g o r i t h m 、 鼍 图 3算法的频率收敛特性示意图 № ． 3 l l l a s t r a U o n o f t h e f r e q u e n c y t r a c k i n g p r o p e r t y of a l g o r i t h m 之2 翠 。 逛 一 c 一 2 舞 、 翠 馨 心 逛 面， 输入信 号的信 噪 比 S NR 越高， 输 出误差 也会越 小 ； 另一方 面， 当参数 和 的值减小为原值的 1 ／ 1 o 后 ， 输 出误 差 明显减 小 ， 但 同时算 法 收敛 的速度 也增 加 了 1 0倍 。所 以 ， 对 于确 定 的输 入信 号 ， 输 出误 差 完 全 由参数 ， 和 ， 确 定 。对 于 图 4中所得 到 的输 出 信号 ， 选取 的参数 为 1 0 ， 为 2 0 0 ， ， 为 0 ． 0 5 。该 算法 的输 出误差对参数并不 十分敏感 ， 当参数的值增 大 5 0 ％时 ， 它由参数对输出效果 的影响仍可以忽略 。 从 图 5中 可 以看 出该 算 法 对 调 幅 波 的跟 踪 效 果 。 从包络线可以看出 由于算法存在收敛时间 ， 输 出信号 j 粤 馨 心 逛 馨一 落 0 0 ． 2 0．4 0．6 0．8 l 时 间 ， s a 信爨比为 2 od B 之l j粤 。 等一 - 舞 O O ．2 0 ．4 0 ． 6 0 ． 8 l 时 间 ， d b 输出信号及其包络 图 5鼻 法 对 于 调 幅 波 的 跟 踪 效 果 Fi g． 5 Pe r f or m a nc e o f t he al g o r i t hm i n t r a c ki ng m o dul a t i o n a m pl i t u d e s i g na l 滞后于输入信号。当输入信号为一个短时的脉冲信号 时， 这种时间上 的滞后更为明显。延迟的时间受参数 、 、 p 3 和算法初始条件的共同影响， 但是频率是其 主要影响因素。因而可以通过仿真试验计算 出不 同频 率下 的延迟时间 ， 减去延迟时间常量可 以得到峰值时间 。 3算法 的实验验证 电磁超声换能器 的反射信号通 常被 噪声高度污 染 ， 信 噪 比 较 低 ， 采 用 上 述 算 法 处 理 及 采 集 到 的 E MAT 信 号 的效 果 比较 显 著 ， 这 也 验 证 了该 方 法 用 于 E MA T信 号 处 理 上 的有 效 性 。 图6 a 为 通 过 1 0 0 芝 0 ．2 j粤 赛 。 篓 运 。 逛 0 2 0 4 0 6 o 8 o 1 0 0 时 间 ， 8 a 1 0 0MI-h采样速率采集的信号 8 O 6 O S 问 4 时 O 2 n O 维普资讯 第 3期 林 日亿等 塔河油 田超深井井筒掺稀降粘技术研究 1 1 9 2 5万元 ； 掺化 学剂 降粘与 掺稀 油 降粘 工 艺 的地 面 流程 配套 设备几 乎相 同 ， 投 资 为 6 ． 5万 元 。 电加 热 的 主要 运行 费用 为 电 费 ， 与 电价 及 油 井 产 量 有 关 ， 以 电 价 为 0 ． 5元 ／ k W h 、 油 井产 量为 8 0 t ／ d计算 ， 每 吨原 油 需 要 增加 的 电费 约为 1 5元 ； 化学 降粘 的运行 费用 为 降粘 剂的费 用 ， 以每 吨降粘剂 价格 为 1 、 5万元 、 每 吨原油 使 用 3 ～4 k g计算 ， 吨油增加的费用为 4 5 ～6 0元； 掺稀 降粘用 的稀 油为 自己生 产 ， 其 运行 费用 可忽 略不计 。 根 据 以上分 析 ， 掺稀 油 降粘成 本最 低 ， 掺化学 剂 降 粘工 艺 由于运行 成本 较 高 居其 次 ， 而 电加 热 降粘 成 本 相对较 高 。 4 结 论 1 对塔 河油 田稠 油进行 的掺稀 降粘 室 内实验 表 明， 掺稀降粘合适的掺稀 比为 1 2 至 1 1 。 2 井筒掺稀油降粘工艺适合于含水率低于 2 0 ％ 的油井 。当含水率 上升后 ， 由于 出现反相 乳化 现象 ， 掺 稀降粘 效果较 差 ， 不宜采 用 。 3 开式掺 稀油 反循环 比开 式 掺稀 油 正循 环生 产 时井筒 压力 高 ， 说 明 开式 掺 稀 油 反循 环 更 有 利 于提 高 降粘 效果 。 致谢 本研 究 实验 由 中国石化胜 利 油田有 限公 司 采 油工 艺研 究院 完成 ， 特 此致 谢 。 参考 文 献 [ 1 ] 张文才， 吴伟然 ， 霍腾翔 ， 等． 塔河油 田高粘油井 的采 油工艺E J ] ． 油气井测试 ， 2 0 0 3 ， 1 4 4 4 5 4 7 ． [ 2 ] 张文生 ， 郑晓志 ， 杨顺辉． 塔河 油 田 6区特稠油 举升方 式适应 性 分析及配套工艺E J ] ． 石油钻探技 术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 4 6 2 6 3 ． E 3 3 满江红 ， 陈雷． 掺稀降粘工艺在塔河油 田试油 开采 中的应用 E J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 2 ， 3 0 4 5 5 ． [ 4 3 任瑛 ， 梁金 国， 杨双虎 ， 等． 稠油与高凝油热力开 采问题的理论 与 实践 [ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 1 8 - 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2 6． [ 4 3 L e g e n d r e S ， Ma s s i c o t t e D， Go y e t t e J ， e t a 1 ． Ne u r a l c l a s s i f i c a t i o n o f La m b wa v e u l t r a s o n i c we l d t e s t i n g s i g n a l s u s in g wa v e l e t c o e f f i c i e n t s E J ] ． I E EE Tr a n s a c t i o n s o n I n s t r u me n t a t i o n a n d Me a s u r e me nt ， 2 0 01 ， 5 0 3 6 7 2 - 6 7 8． E 5 ] C a s e T J ， Wa n g R C ． F l a w i d e n t i f i c a t i o n f r o m t i me a n d f r e q u e n c y f e a t u r e s o f u l t r a s o n i c w a v e f o r ms [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Ul t r a s o n i c ， Fe r r o e l e c t r i c s a n d F r e q u e n c y Co n t r o l ，1 99 6，4 3 45 9 2 6 0 0 ． [ 6 ] Z i a r a n i A K． E x t r a c t i o n o f n o n s t a t i o n a r y s i n u s o i d s [ D] ． T o r o n t o ． Ca n a d a Tor o nt o Un i v e r s i t y， 2 0 0 2 ． 收稿日 期2 0 0 5 0 7 0 8 改回日 期2 0 0 5 1 1 2 1 编辑 黄小 娟 维普资讯