实际油气井开采过程中,随着井深增加,实时测量动液面深度误差增大,对分析、解释地层的有关参数和制定合理的生产规划造成困难。为了提高测量动液面深度的精度,各种动液面深度测量方法被提出,而现有的测量方法不但没有对测量对象的产生机理做深入研究,即没有对声波在油套环空中传播时产生的回波特性进行系统性研究,而且油套环空中声速计算方法在抗噪性和稳定性方面较差。本文采用数值模拟和全相位FFT方法相结合,从油套环空间声速的准确确定和液面波的位置确定两方面来进行研究。论文主要对以下几个方面展开研究:(1)研究油套环空中反射波特性。针对液面波位置不易辨识的问题,基于COMSOL多物理场有限元软件,分别构建接箍、射孔、凹陷、液面的油套环空声波传播模型,研究不同极性信号源激励时响应特性并分析接箍反射波波形影响因素。结果表明:信号源极性为正(负)时,接箍反射信号先正(负)后负(正);射孔反射信号先负(正)后正(负);套管内界面腐蚀或凹陷情况下反射信号波形与射孔反射信号波形一致;液面反射信号与发射信号源同极性。信号源为正负叠加源时,响应波形为叠加源的首峰极性源与其相反极性源单独作用时的响应叠加所得。接箍半径、油套环空间压力仅对反射波幅值影响,而对接箍波波形形状无影响,随着接箍厚度的不断增大,接箍反射波峰峰值间距越来越大,反射波波形发生变化。研究成果可为相关理论的推广和完善提供有力支持,为回波处理方法的性能验证提供正确的参考标准,为正确识别液面回波位置提供重要的理论依据。(2)研究基于全相位FFT的油套环隙间声速计算方法。针对噪声条件下,传统傅里叶变换方法(FFT)计算油套环空间声速过程中存在抗噪性和稳定性差的问题,研究出一种基于全相位FFT的油套环空中声速计算方法,全相位傅里叶变换是傅里叶变换的一种改进方法,能够获得更加准确的频率谱与相位谱。本文采用全相位快速傅里叶变换(apFFT)得到原始接箍信号的频谱,然后通过该频谱进一步计算环隙声速,可得到更加准确的声速估计。通过对不同信噪比下的模拟接箍信号采用快速傅里叶变换(FFT)和全相位快速傅里叶变换(apFFT)得到其频谱,可以验证apFFT具有很强的抑制频谱泄漏的能力且抗噪性能较之于FFT更好。根据FFT谱和apFFT谱分别计算出声速并对比其精度,可以验证通过apFFT谱计算出的声速稳定性更好、精度更高。然后采用上述两种方法对不同深度井的实测接箍数据进行频谱分析与对比,验证了apFFT较之于FFT对谱峰位置的辨识能力更强,那么根据谱峰位置计算声速的准确性也将更高。研究成果可为声速和动液面深度计算提供理论依据。(3)研究声波在油套环空中传播速度的影响因素。为明确温度、介质密度、压力对声速的影响规律,采用理论推导以及构建声波传播模型两种相结合方式进行研究,结果表明:声速与压力呈正相关;介质密度对声波传播速度的影响可归结于媒质受声扰动时其可压缩性,并与其压缩性大小成反比;随着温度的升高,声速呈线性增长。(4)研究动液面反射信号的自动辨识及其应用。根据(1)研究得出的接箍波和液面反射波的波形特征,研究出对应的反射波辨识方法,使得原本不易识别的波形能够清楚地显现,并将其应用于现场浅井的液面深度计算。