CN101100940B - 一种阵列化声信号检测系统及其工程应用 - Google Patents

Abstract

提供一种以传感器阵列接收并识别来自于井下的声波信号的系统和方法。本系统通过对声波传感器阵列接收到的信号进行数字处理，以提高所接收到的信号的信噪比，进一步，本系统和方法还可以对声波信号源的空间位置进行定位。该系统和方法可以用于传输石油工程中随钻测井系统测量的信号、或用于实时监测钻井过程中钻头到达的空间坐标位置，以及用于实时监测射孔施工过程中射孔弹爆炸的位置等。

Description

一种阵列化声信号检测系统及其工程应用

技术领域

本发明涉及一种阵列化声信号检测装置及其工程应用。

背景技术

在石油工程技术中，石油地质专业的人员希望了解钻井过程中新打开的原状地层的各种地质参数，石油钻井工程专业的人员也希望了解钻具在地下的实时位置和姿态等，而随钻测井技术也就应运而生。

随钻测井技术首先要解决的第一个关键问题是数据的远距离传输问题。由于电磁屏蔽的影响，跨越几千米厚度的地层，电磁波衰减得非常厉害，使得在随钻测井技术中极少采用电磁波传递信号。当前主流的技术是通过泥浆波传递信号，泥浆波的本质是声波，在石油钻井现场，由于各种大功率噪声源的存在，声波通讯的环境也是十分恶劣的。如何使数据传输的接收端在强大的背景噪声中最准确、最高效地识别出发送端发出的有用信号，是实现数据远距离快速传输的关键。

从另一方面考虑，随钻测井技术最基本的应用是测定钻具在地下的实时位置和姿态，由于使用环境恶劣，安装在钻具上的仪器特别容易损坏，需要经常性地取出检修，包括定期更换电池。如果我们能采用一种不需要安装在钻具上的仪器，通过地面设备直接测定钻具在地下的位置，对于减少施工成本是非常有利的。

在石油工程的另外一个环节射孔施工中，最新的需求也包括对射孔过程以及射孔效果进行实时监测。当然，如果不在井下安装额外的测量仪器，能通过地面设备直接监测射孔施工时井下的状况，也是非常受欢迎的。

发明内容

本发明的系统装置，是一组在空间阵列化排列的声波传感器，以及配套的采集和处理单元。该系统装置通过采集来源于地下的声波信号，并对所采集的数据进行特定的运算，比如进行叠加运算，对声波信号依声源位置进行空间区分，将有用信号从强大的背景噪声中提取出来。

对声信号依声源位置进行空间区分的第一个用途是数据传输。在数据传输的接收端，针对性地提取来源于所述信号发送端的信号，即对来源于数据传输发送端所处空间位置的有用信号进行增强性叠加，而对来源于其它位置的强大背景噪声进行抑制性叠加，可以极大地提高信号传输的信噪比；和时分以及频分技术相对应，这种方法在通讯上也被称为空分技术。通过阵列化的传感器进行软件聚焦，是实现空分的一种方法。

对声信号依声源位置进行空间区分的另一个用途是对声源进行空间坐标定位。在石油工程作业的多个环节，均会在地下产生强大的声波信号，比如钻井过程中钻头破碎岩石会发出强大的声音，射孔过程中射孔弹爆破、穿透套管、破碎水泥环、破碎地层均会发出强大的声音，我们通过该项技术可以使用安装在地表的装置对这些地下深层发出的声音进行监听和分析，以得到钻井施工过程中钻头在井下的位置等情况，或射孔弹在井下的爆炸位置，甚至爆炸效果等信息。

依声源位置对声信号进行空间区分，通过针对性地提取地下某特定位置发出的声音信号，并进行记录和分析，可以用于探测钻井施工过程中钻头所破碎地层的岩石物理性质，利用这些资料可以辅助测井精密分层，或直接用于分析地质参数。具体分析指标可以是，但不仅限于是信号的频率和强度。根据钻头钻透不同硬度、不同密度的岩石所发出声音的强度和频率不同，通过计算钻头位置发出声音的强度和频率，即可以推断所钻透地层的某种性质；具体“推断”技术属于测井资料解释等专业范畴，有一些很成熟和有效的办法，本文不再赘述。

依声源位置对声信号进行空间区分，通过针对性地提取地下某特定位置发出的声音信号，并分析这些信号在地层中折射和反射的情况，还可以用于探测地下深处地层的构造情况，例如密度和弹性参数在空间的分布等。计算地下构造，在石油勘探和开发过程中，有极其重要的意义。

一般地，如果我们在空间位置P₁(x₁，y₁，z₁)，P₂(x₂，y₂，z₂)，...，P_n(x_n，y_n，z_n)处布一组传感器采集数据，所采集的数据分别为f₁(t)，f₂(t)，...，f_n(t)，我们可以采用软件聚焦的方法提取从P₀(x₀，y₀，z₀)位置发出的声音信号。

首先我们假设声波在地下是匀速传输的，假设传输速度为v，我们计算出P₁(x₁，y₁，z₁)，P₂(x₂，y₂，z₂)，...，P_n(x_n，y_n，z_n)各点到P₀(x₀，y₀，z₀)的距离分别是 $l_1\left(P_0\right)=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2},$   $l_2\left(P_0\right)=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2},...,$ ...， $l_n\left(P_0\right)=\sqrt{{(x_n-x_0)}^2+{(y_n-y_0)}^2+{(z_n-z_0)}^2},$ 我们可以得到P₁(x₁，y₁，z₁)，P₂(x₂，y₂，z₂)，...，P_n(x_n，y_n，z_n)各点的声波信号到P₀(x₀，y₀，z₀)点的时间延迟分别是，l₁(P₀)/v，l₂(P₀)/v，...，l_n(P₀)/v，即从各点采集的声波信号如果归位到P₀(x₀，y₀，z₀)点的发出时刻，则信号应该是s₁(P₀，t)＝f₁(t-l₁(P₀)/v)，s₂(P₀，t)＝f₂(t-l₂(P₀)/v)，...，s_n(P₀，t)＝f_n(t-l_n(P₀)/v)，我们通过对其进行时间叠加，得到时间序列的信号 $s(P_0,t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i(P_0,t),$ 即 $s(P_0,t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(t-l_i\left(P_0\right)/v)$ 便为所提取的从P₀(x₀，y₀，z₀)点发出的信号。

具体实施方式

一、基本系统

本系统的核心是一口井，这口井可能正在钻进，也可能已经完钻，我们要检测的信号就来源于这口井中，其它信号被作为噪声压制。如果这口井很浅，则检测来源于这口井中的信号会很容易，不需要采用我们提供的系统和方法，所以我们限定这口井的深度大于100米。

本方案的基础部分是声波传感器阵列，所述声波传感器阵列由多个声波传感器单元组成。多个传感器单元组成一个传感器阵列需要遵循的准则包括：1、传感器阵列中各传感器单元之间的相对位置是确定的，这种确定性包括它们相互之间的位置是预先固定的，或者是可以通过事后的测量确定的。2、优选情况下，各传感器单元的绝对位置也是确定的，这种确定性包括各传感器单元的绝对位置是预先设定的，或者是可以通过事后测量确定的。所谓绝对位置可以是，但不仅限于是地理坐标位置，例如通过经度、纬度和海拔高度表达的三维空间坐标位置。如果声波传感器阵列中各传感器单元的绝对位置是确定的，则我们也可以以绝对位置的方式给出最终测量结果；如果只有各传感器之间的相对位置信息，我们也只能给出声源相对于传感器阵列的位置信息作为最终测量结果。

声波传感器阵列中各个传感器单元可以通过单一结构，也可以通过多层结构组成一个信息采集网络。在单一结构信息采集网络中，系统在单一时钟的控制下对各传感器送来的信号进行A/D转换，所转换的数据带有来自于该单一时钟的时标。在这种信息采集网络中，各传感器单元之间的空间距离一般较近，使这些传感器单元输出的信号可以有效地传送到一个共用的A/D转换模块进行集中采集。如果各传感器单元在空间上的分布距离较远，或者需要的系统规模较大，我们可以通过将多个单一结构的信息采集网络进行组合，在逻辑上组成一个多层结构的信息采集网络，所组成的信息采集网络输出的采集数据带有来自于各单一结构的信息采集子系统单独时钟的时标。需要说明的是，这些单一结构的信息采集网络组成一个统一的有意义的多层结构的信息采集网络的前提条件是：1、网络中所有传感器单元能按前述规则组成一个统一的传感器阵列。2、各信息采集子网中使用的时钟通过一个统一的标准进行校准以保持同步。

对时钟进行校准有多种方法，本专利文献推荐的优选方法是使用全球定位模块GPS对时钟进行校准。使用GPS模块对时钟进行校准的具体方法属于公开的技术，可以参考相关公开文献。

传感器阵列的布置方式多种多样，根据从被检测信号发生处观察传感器阵列中各传感器单元之间的角度，这些排列方式可以被归纳成两种，即大角度排列和小角度排列。小角度排列的优点是传感器安装位置集中，系统构成较简单，传感器单元容易通过单一结构组成信息采集网络，实现成本低，缺点是对信号源空间位置的三维定位能力弱，推荐用于随钻测井系统中的数字信号传输；大角度排列的缺点是传感器单元在空间的分布距离较远，难以通过单一结构组成信息采集网络，系统构成一般比较复杂，实现成本较高，推荐用于对井下声源的空间位置进行三维定位，如用于实时监测钻井过程中钻头在地下破碎岩石的具体位置等。对于射孔监测，考虑到系统的实现成本，推荐采用小角度排列的传感器阵列。

为有效地检测来自于井下的声波信号，最大限度地避开钻井过程中井场大功率设备发出的噪音，在实时监测钻头破碎岩石具体位置的应用中，推荐将传感器阵列布置在远离井口的各个方位。

本方案中另一个重要的组成部分是数字信号处理单元。如果我们知道有用信号的信号源位置P₀，可以直接使用前面的公式进行叠加处理，得到有用信号 $s(P_0,t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(t-l_i\left(P_0\right)/v),$ 公式中各符号的意义见前文。

如果我们预先不知道有用信号的准确位置，我们可以把某一个区域发出的信号的特征尽量计算出来，再比较、分析这些信号的特征并在这些计算出的信号中找出某种特征的信号，再反推该特征信号的发出位置；例如钻井过程中钻头破碎岩石的声音强度很大，则我们可以先计算出某一个区域内所有位置发出的声音信号，再比较所计算出的这些信号的能量大小，找出其中能量最大的信号，我们就认为这个信号是钻头破碎岩石的声音；该信号的发出位置即钻头破碎岩石的位置。

提取任意位置的声波信号的方法，假设有一组传感器，它们分别位于各向同性的均匀介质中，其空间位置为{P_i，i＝1，...}，声波在该介质中传播的速度为v，通过这组传感器采集的声波信号为{f_i(t)，i＝1，...}，得到空间P(x，y，z)点发出的声波信号为：

$\{s(P,t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i(t-l_i\left(P\right)/v),i=1,...\},$

其中 $l_i\left(P\right)=\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2+{(z_i-z)}^2},i=1,...$

要计算t₁～t₂时间段钻头破碎岩石的具体位置，我们可以将针对很多点计算的信号s(P，t)在时间段t₁～t₂的能量积分 $E_{t_1}^{t_2}\left(P\right)={\∫}_{t_1}^{t_2}{\left(s(P,t)\right)}^2\mathrm{dt}$ 进行比较，得到对应某一个位置P_w处信号s(P_w，t)的能量积分

最大，我们即断定，钻头在t₁～t₂时间段正处于P_w处钻进。

将信息采集网络采集到的信号传递给数字信号处理单元的部件是数字信号传输子系统。和单一结构的信息采集网络匹配的数字信号传输子系统最简单的实现可以是一根导线，信息采集网络按一定的规则将采集到的数据放到这根导线上，后续的数字信号处理单元从这根导线取出数据。和多层结构的信息采集网络匹配的数字信号传输子系统，可以是一个有线的，或一个无线的数据通讯网络、或通过磁盘拷贝数据、甚至通过打印，重新录入来人工参与传递数据。

下面对实施方案进行图示描述。如图1所示：图中1为刚体支架，用于固定各传感器单元；2为传感器单元，个数不等，被固定在支架1之上，以保证各传感器单元之间的距离是确定的；3为各传感器之间的信号线，4为传感器组连接到信号采集单元5的信号线；信号采集单元5中包括必要的控制电路和一个时钟以及数字信号发送电路；6为传感器发送所采集数据的天线；部件1～部件6组成信号采集总成11。部件7为信号接收天线，8为信号接收机，9为信号线，10为核心数字处理单元，部件7～部件10组成数字处理中心12。

图中所示支架1可以用任何材料加工而成，只要能保证安装在其上的传感器保持相对位置不变即可。传感器2可以是各种适用的声波换能器，从音频到超声频段，从普通的语音话筒到各种专用声换能器，从谐振窄带传感器到宽带传感器，可以根据具体的应用灵活选定。信号线3和信号线4用于将传感器单元接收到的声波信号传输到采集单元5，各传感器的信号线可以采用共地方式，也可以采用各自独立的差分信号线，根据系统最终的设计指标确定。信号采集单元5包括必要的前置信号放大和滤波整形电路、一个多通道A/D转换器，一套控制电路，一个时钟，以及一套信号发送电路；A/D转换器在控制电路的管理下，对来源于传感器的各路声波信号循环进行采集，并将所采集的结果通过发送电路发送到数字处理中心12。

在信号采集单元5中，每使用A/D转换器对传感器单元送来的信号采集一个数据点，要求同时从所述时钟获得一个时间信息，作为该数据点的一个属性；最终输出的是带时间属性的数据，即时间序列数据。实现信号采集单元5的其它细节属于众所周知的技术，不在此赘述。

在一个完整的系统中，一般包括一组信号采集总成11，如图2，13为由传感器总成组成的阵列的顶视图，14为传感器总成，这些传感器总成被放置于地表的浅井中，所有的传感器单元组成一个在三维空间分布的信号采集阵列。因为图2的目的只是描述一种传感器阵列的排列方式，所以和传感器总成配合工作的其它部件在图中未画出。需要指出的是，这种布置方法是传感器布置的一种方法，甚至可以说，传感器的排列方式可以是任意的，唯一一个忠告性的要求是，不要把几个传感器挤在一起重叠放置。

数字处理中心12通过信号接收机8和信号线9接收从各信号采集总成11传来的信息，关键性的数据叠加处理由核心数字处理单元10完成。核心处理单元10可以是一台通用的微型计算机系统，也可以是专用的嵌入式处理单元。

二、数据通讯系统

在前述基本系统中，扩充一个发射传感器单元，以及配套电路，即构成数据通讯系统。

所述发射传感器单元安装在井下，用于发送随钻测井等系统采集的数据，所述配套电路包括井下的信号调制和地面的信号解调电路。调制可以是基带调制、也可以是载波调制；可以是幅度调制，也可以是频率调制、相位调制等，在此不作限定；优选的情况是用载波调制。

信号调制电路是众所周知的，本文不再赘述。

三、钻井过程监测系统

每一口正在钻进的井中均会有一套钻井工具，我们应用所述基本系统对来源于井下所述钻井工具之钻头破碎地层发出的声波信号进行检测，并对声源，即钻头所处的位置，进行空间坐标定位，即构成一个钻井过程监测系统。

针对钻井过程监测系统，优化的实施方案包括，在布置传感器阵列时，我们将传感器单元布置在离井口有一定距离的各个方位，例如在距离井口500米以上，在东、南、西、北，东北、东南、西南、西北8个方位各安装10个传感器单元；所述10个传感器单元以0.5米的距离等距排列成一条直线，该直线垂直于地面；所述10个传感器单元共用一个时钟、A/D转换器和相应的控制模块，组成信息采集节点；8个信息采集节点组成一个完整的信息采集系统；所述信息采集系统中共有80个传感器单元。当然，这只是一个简单的举例，具体实施过程中传感器的个数、传感器的布置和信息采集系统的组成结构可以根据需要灵活安排。

钻井过程中钻头破碎不同的岩石会发出不同强度、频率的声音，通过对这些声音的特征进行识别、记录、分析，可以得到所钻透地层的地质信息。可以预期，这项资料和测井资料结合使用，对提高测井资料的分层能力，是十分有意义的。

钻井过程监测系统之数字处理部分的输出结果一般包括一份随时间变化的井眼轨迹图。

四、射孔监测系统

进行射孔施工时，井眼中一定有一套射孔工具。射孔工具携带的射孔弹在井下爆炸的瞬间，我们应用所述基本系统对射孔弹在井下爆炸、穿透套管和水泥环发出的声音进行监测，即构成一个射孔过程监测/射孔效果评估系统。

射孔监测系统的监测结果包括：射孔弹是否爆炸、有几颗弹爆炸、射孔弹爆炸的时间，爆炸点的井深等信息。通过精细处理，还可以得到射孔弹穿透套管和水泥环的效果，以及穿透地层的深度等信息。还可以通过不同方向的传感器接收声波的频率判断射孔弹穿透地层的方向，或对波列进行聚类、分组分析等，判断射孔弹爆炸的个数。

四、其它应用

采用声波阵列不仅可以监测来自于一口井中的信号，如果采用这项技术监测天空的雷声，地下的地震波信号，则我们可以得到雷电活动时云层位置、云层高度的信息，地下地震扰动的情况，前提条件是这些声波传感器分布在广大的区域，实现广大区域声波传感器单元同步工作的一个有效手段是用类似卫星信号对各个传感器单元使用的时钟进行同步。

这些在同步时钟配合下采集的数据，可以通过各种途径收集在一起，然后进行综合分析、处理。数据传递媒介可以是普通的广域网络，或通过飞机、车辆等运送的磁盘、U盘、光盘等，甚至纸质媒介。

建立一套以公元时间为坐标，精确到微秒级的地震活动基础资料数据库，对于以后的地球物理研究，包括地球结构研究、地球板块研究、地球板块活动及变迁研究等，对于防震减灾，都是非常有意义的。现在普通GPS系统提供的时间精度即在亚微秒级，系统实施的技术难度和成本均极低。如果建立这个数据库的时间被耽误，以后即使花再大的代价，也不可能补回以前发生情况对应的数据。

在石油地球物理勘探中，一般用人工震源激发的地震波探测地下深处的地层构造信息，这种方法的缺点是激发的能量较小，对地层的探测深度有限。如果通过监测地下自然地震激发的信号来分析地下地层的构造分布情况，无疑具有特别的优势。

需要理解的是，上述的描述只是根据本发明优选实施方式的描述，但并不局限于该描述，任何本领域内技术人员根据本发明不经创造性劳动而做出的修改及变化都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种以阵列传感器接收来自于井下的声波信号的系统，该系统包含一口深度超过100米的井，一个声波传感器阵列，配合所述声波传感器阵列工作的A/D转换器及附加电路，一个单一时钟或一组保持同步的时钟，一个数字信号传输子系统，一个数字信号处理单元，所述声波传感器阵列由多个声波传感器单元组成；所述声波传感器阵列中的各声波传感器单元安装在所述井周围的地面，用于接收声波信号；所述A/D转换器将声波传感器阵列中各声波传感器单元接收到的声波信号转换成数字信号；所述A/D转换器的附加电路根据所述一个单一时钟或一组保持同步的时钟提供的时间信息，将A/D转换器输出的数字信号排成时间序列；所述数字信号传输子系统将所述排成时间序列的数字信号传送到所述数字信号处理单元；所述数字信号处理单元对接收到的数字信号进行数字处理得到主要来源于所述井井眼中某位置的声波信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述来源于所述井眼中某位置的声波信号包括来源于所述井底部的声波信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，具体的信号处理方法是：为得到主要来源于声源(A)，而对来源于其它声源的声波信号分量进行了最大限度压制的声波信号，根据声源(A)的声波信号到达传感器阵列中各传感器单元传播时间延迟的不同，给传感器阵列中各传感器单元接收到的声波信号分别增加一个不同的附加延迟，这个附加延迟可能是整数，也可能是负数，得到一组信号(B)；在经过附加延迟处理的信号(B)中，传感器阵列中各传感器单元接收到的，通过不同途径传递来的来源于声源(A)的声波信号有一个相同的总延迟；最后，对所述信号(B)进行叠加，即得到主要来源于声源(A)的声波信号(C)，来源于其它声源的声波信号得到 最大限度的抑制。

4.根据权利要求1所述的系统，所述一组保持同步的时钟通过GPS全球定位系统提供的时钟信号进行校准。

5.根据权利要求1所述的系统，该系统还包含一个声波发射传感器(D)，以及为该声波发射传感器提供调制信号的调制单元(E)；所述数字信号处理单元输出主要来源于所述声波发射传感器(D)的信号，所述声波发射传感器(D)发射的声波信号被用于数据通讯，在该信号上调制有需要远程传递的信息；该系统还包含对信号进行解调的处理单元。

6.根据权利要求1所述的系统，在所述井中还包含一套钻井工具，钻井工具包含钻头，钻井工具工作时钻头破碎地层发出强大的声波信号，所述数字信号处理单元通过比较来源于井下各声源位置声波信号的强度，确定特定区域强度最大的声波信号，即钻头破碎地层发出的声波信号；并进一步确定该声波信号发出的装置，即钻井过程中钻头破碎地层的具体位置。

7.根据权利要求1所述的系统，在所述井中还包含一套射孔施工工具，射孔工具引爆射孔弹，射孔弹爆炸以及穿透套管和水泥环时发出强大的声波信号，所述数字信号处理单元通过比较来源于井下各声源位置声波信号的强度，确定特定区域强度最大的声波信号即射孔弹爆炸以及穿透套管或水泥环发出的信号；进一步确定该声波信号发出的位置即得到射孔弹爆炸的具体位置。

8.根据权利要求1所述的系统，在所述井中还包含一套钻井工具，钻井工具包含钻头，钻井工具工作时钻头破碎地层发出强大的声波信号，所述数字信号处理单元提取、记录、输出主要来源于井下的，钻头破碎地层 发出的声波信号，以供分析、确定钻头所破碎的地层的地质特征。

9.根据权利要求1所述的系统，在所述井中还包含一套射孔施工工具，射孔工具引爆射孔弹，射孔弹爆炸以及穿透套管和水泥环时发出强大的声波信号，所述数字信号处理单元提取、记录、输出主要来源于井下的，射孔弹爆炸以及穿透套管或水泥环发出的信号，以供分析、评估射孔的效果。

10.根据权利要求1所述的系统，在所述井中还包含一套钻井工具，钻井工具包含钻头，钻头破碎地层时发出强大的声波信号，所述数字信号处理单元通过分析来源于井下的，钻头破碎地层发出的声波信号在地下地层之间折射、反射的数据，以得到地下地层的构造分布情况。

11.一种监测石油钻井施工过程中钻头破碎岩石的具体位置的方法，该方法通过一个声波传感器阵列接收钻井过程中钻头破碎岩石发出的强大声波信息，并通过配套的数字处理系统对接收到的信号进行识别和定位，得到钻头在井下破碎岩石的具体坐标位置。 

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