CN104007331B - 用于采集分析井场噪声的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于采集分析井场噪声的装置，属于石油钻井领域。该装置包括：耦合器，用于耦合井架和地面电极之间的井场噪声；前置放大器，用于接收来自耦合器的噪声并对其进行预处理；带通滤波器，用于对来自前置放大器的噪声信号进行滤波处理；处理器，其连接并控制着前置放大器和带通滤波器；与处理器相连的计算机，其中处理器接受来自前置放大器和带通滤波器的噪声信号，将其存储后发送给计算机，计算机对收到的噪声信号进行分析。本发明还提出了相应的采集和分析井场噪声的方法。根据本发明的装置及方法精确度高，非常适用于井场噪声的分析，其弥补了现有技术中的空白。

Description

用于采集分析井场噪声的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于采集分析井场噪声的装置，属于石油钻井领域。

本发明还涉及一种用于采集分析井场噪声的方法。

背景技术

电磁场存在于太空、大气层、地球表面以及地下等环境中，人类生活和工业设备仪器通常是处于特定的电磁环境中。在石油勘探开发的过程中，井场中的电磁噪声对人身、环境以及作业安全可能造成严重的危害。尤其地，噪声干扰会损害各种测量仪器及设备的控制精度和使用寿命，甚至影响钻井工程的质量。

在石油勘探开发的钻井现场，由于存在大量的动力管网、动力设备以及电气设备，在井场及其附近会产生大量井场电磁噪声。由于井场设备仪器的分布比较分散、工作状态不定，井场的动力线管网、动力设备等不断开关和启停，或者是由于电气设备的接地和漏电等因素，在井场周围会形成复杂的工业游散电流，造成较强的地电流干扰，使得电磁波随钻测量系统实测的井下信息的电磁信号的波形杂乱无章，毫无规律。

这种电磁噪声干扰严重影响井场设备仪器工作的稳定性和可靠性，特别是以电磁信号为载体的电磁波MWD系统。该系统利用超低频电磁波在地层中的传输技术，检测地面电极与井架间的携有井下信息的电磁信号，电极与井架间距离约100米左右。其基本工作原理是：采集携有井下信息的微弱信号，然后通过前置放大器、低通滤波器等对数据进行处理，最后采用数字信号处理技术对携有井下测量信息的电磁信号解码，获取井下信息。然而这种接收方式非常易于受到井场中各种电气设备，如钻机、柴油机、发电机、泥浆泵、传动链条、振动筛等所产生的噪声影响，特别是通过耦合方式，直接将噪声传导和辐射至地面电极处，使得MWD系统地面接收机在井场复杂的噪声环境下的信号接收幅度极度微弱，信噪比低，导致地面接收机信号处理性能严重退化，接收灵敏度大大降低。

可见，井场噪声是影响MWD系统信号接收的解码的重要因素。通常地面接收机观测到的是微弱电磁波载波信号和井场环境噪声的混合信号，由于混合信号中含有井场环境噪声，因此从统计检测的观点来看，地面电磁信号的接收问题就是根据接收到的混合信号的统计特性，判决是否存在有用信号，并解码出有用信息。由于电磁波随钻测量系统采用接收微弱电磁信号来接收井下信息，而在石油勘探开发井场仪器设备较多，所产生的密集的工业噪声和人文噪声对观测数据的影响较为严重。因此，研究井场噪声的种类、声级、噪声的统计特性和统计规律对于噪声识别处理、改善数据质量，甚至于对于整个石油勘探开发行业具有重大意义。

专利文献CN101858988A公开了一种大地电磁信号采集方法，使用频率远大于存储采样频率采集信号，抽取滤波及陷波以同时产生的频带存储数字信号，连续采集频带3数据，在频带3采集周期内采集频带1和频带2数据，在连续或间断采集频带1、2数据的基础上实时比较记录的大地电磁信号噪声和干扰强度，如果噪声超过频带数据对应的阈值，放弃相应记录，如果低于阈值则储记录。

专利文献CN201780162U公开了一种多通道噪声信号采集装置，包括两个以上的传声器、信号调理器、数据采集装置和数据采集终端；所述的传声器分别连接于所述的信号调理器，所述的信号调理器将所述的传声器接受的噪声信号预处理后，传给所述的数据采集装置，所述的数据采集装置对接受到的模拟信号转换成计算机器能读取的二进制信号，并传送给与其相连接的所述的数据采集终端。

专利文献CN201705342U公开了一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪：在信号输入端和上位机信号输出端之间依次设置有可变增益的高输入阻抗放大器、滤波模块、可变增益的程控放大器、信号调理模块以及数字信号处理器模块；程控放大器将经过两级放大的信号输出至信号调理模块，信号调理模块生成并输出待解调信号；数字信号处理器模块将待解调信号进行数字信号解调后向上位机显示信号输出端输出并通过内置的I/O接口分别对高输入阻抗放大器和程控放大器进行增益调节。

专利文献CN101525998公开了一种电磁随钻测量系统中在地面接收井下发送上来的携带有测量数据信息的电磁信号，并将其传送给数据处理计算机的装置和方法。在井场上使用两幅天线分别接收井下发送的电磁信号和井场噪声信号；两路信号通过阻抗变换器耦合进入程控低噪声前置放大器进行放大，然后进入信号调理模块处理后再经模数转换后进入数字信号处理模块，最后经接口模块将数据传送到计算机终端。

以上这些专利文献都提及了井场噪声干扰信号，力求解决井场电磁干扰环境下处理微弱电磁信号，并且主要是从如何提高信号强度，提高信噪比来实现随钻测量系统的性能。现有技术中尚未有针对井场噪声的采集和分析装置，现有技术中的装置不能对井场噪声谱特性进行完整的描述。

发明内容

针对现有技术中无法对不同区块、不同钻进状态下的井场噪声进行完整详细的采集、分析和描述的空白，本发明提出了一种尤其适用的用于采集分析井场噪声的装置及相应的方法，用于分析和研究井场噪声的特性。通过根据本发明的装置和方法可以全面、详细地分析井场噪声频谱，从而为针对性设计随钻测量系统的处理方法以及提高地面接收装置的处理增益和灵敏度提供有力的支持。

在本发明中，所说的“井场”主要包括电动钻机、机械钻机或顶驱中任意一种钻机或以上任意几种的组合；所说的“噪声”主要包括影响电磁随钻测量系统的电磁噪声；所分析的也是井场电磁噪声谱。

本发明提出了一种用于采集分析井场噪声的装置，包括：耦合器，用于耦合井架和地面电极之间的井场噪声；前置放大器，用于接收来自耦合器的噪声并对其进行预处理；带通滤波器，用于对来自前置放大器的噪声信号进行滤波处理；处理器，其连接并控制着前置放大器和带通滤波器；与处理器相连的计算机，其中处理器接受来自前置放大器和带通滤波器的噪声信号，将其存储后发送给计算机，计算机对收到的噪声信号进行分析。

在一个实施例中，前置放大器为能够调节增益的多级前置放大器。

在一个实施例中，带通滤波器为截止频率能够调节的带通滤波器。

在一个实施例中，处理器能够自动调整放大器的放大倍数。

在一个实施例中，前置放大器采用分级放大，第一级放大1-100倍，第二级放大1-10000倍。

在一个实施例中，带通滤波器能够采集的信号的频带范围分别为1-45Hz、45-1000Hz、1-1000Hz和1-5000Hz。

在一个实施例中，还包括独立于处理器的存储器，处理器将接收到的噪声信号存储到存储器中。

在一个实施例中，该装置一端连接井架，另一端连接地面电极。

本发明还提出了一种采集和分析井场噪声的方法，包括：第一步：将装置的一端接至井架，另一端接至地面电极；第二步：启动装置，选择放大器的放大倍数、带通滤波器的截止频率以及采样频率；控制器控制该装置采集井场噪声并将接收到的信号存储至存储器，而后传输至计算机；第三步：计算机对所接收的信号进行分析和处理。

在一个实施例中，在第三步中，

采集的井场噪声的统计均值μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]---\left(1\right)$

井场噪声的标准差σ为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x\right[n]-\mathrm{\μ})}^2}---\left(2\right)$

井场噪声的统计峰度kurtosis：

$\mathrm{kurtosis}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x\right[n]-\mathrm{\μ})}^4}{(N-1){\mathrm{\σ}}^4}---\left(3\right)$

其中，μ为样本均值；σ为样本标准差；

井场噪声的统计斜度skewness：

$\mathrm{skewness}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\∑}}{\left(x\right[n]-\mathrm{\μ})}^3}{(N-1){\mathrm{\σ}}^3}---\left(4\right)$

周期P_xx(f)：

$P_{\mathrm{xx}}\left(f\right)=\frac{1}{N}{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\right[n\left]e^{-j2\mathrm{\πfn}}\right|}^2,$ $-\frac{1}{2}\≤f\≤\frac{1}{2}---\left(5\right)$

其中，f为频率，N为采样点数，采样值为{x[1],x[2],…,x[N]}。

本发明提供的用于采集分析井场噪声的装置及方法，在距离井场不同距离处（一般以EM-MWD地面电极安装的位置为准，例如距井架约100m），采用电磁噪声耦合器接收井场噪声，并采用可调增益、多级前置放大器、截止频率可调的带通滤波器等对采集到的噪声进行处理，并存储采集到的噪声，采集到的噪声可通过处理器的串口、USB口或其它通讯方式将数据发送出去。根据本发明的装置和方法为了解和掌握井场噪声特性和噪声统计规律、有针对性地设计井场噪声处理方法、提高MWD系统的电磁环境适应能力、提高地面接收机的接收灵敏度以及拓展测量深度等应用提供了有力的支持。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性显示了根据本发明的用于采集分析井场噪声的装置；

图2显示了通过根据本发明的装置实测的井场噪声波形；

图3显示了井场噪声功率谱；

图4显示了井场噪声采集的流程图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将参照附图来详细地介绍本发明。

本发明提供一种用于采集分析井场噪声的装置及相关的方法，用于采集和分析井场噪声的统计特性和统计规律。

图1示意性显示了根据本发明的用于采集分析井场噪声的装置4。

参照图1，根据本发明的装置4包括电磁噪声耦合器6。电磁噪声耦合器6主要通过地面电极来耦合井场的电磁信号，主要是地面电极和井架间的电磁噪声，并实现信号叠加和阻抗变换，以有效地采集外界电磁信号；同时可以考虑接地电阻的影响，根据不同区块的接地电阻情况，设计适合的电磁噪声耦合器6的输入阻抗，确保输入阻抗远大于信号源的阻抗。

根据本发明的装置4还包括前置放大器7，具体地可以是可调增益的多级前置放大器。电磁噪声耦合器6将耦合的信号传送给前置放大器7。前置放大器7的主要功能是对来自电磁噪声耦合器6的微弱的电磁波信号进行预处理。前置放大器7用来确保用于采集分析井场噪声的装置4的噪声采集精度。由于地面电极与大地的接触电阻的存在，特别是油田各个区块地质特性不同，信号驱动能力弱，为尽可能降低接触电阻对地层的影响，应尽可能降低前置放大器7的内部噪声。在一个实施例中，本发明采用分级放大策略，在第一级放大1-100倍，二级放大1-10000倍。具体来说，需选择合适的一级放大倍数（如5倍），然后选择合适的二级放大倍数（如100倍），以取得较好的噪声采集效果；即对于井场噪声采集系统来说，最佳的放大倍数的组合已在上述范围内包含。

根据本发明的装置4还包括带通滤波器8，其优选地为截止频率可调的带通滤波器。带通滤波器8对来自前置放大器7的信号进行滤波处理。在一个实施例中，带通滤波器8可采集信号的频带范围分别为1-45Hz、45-1000Hz、1-1000Hz和1-5000Hz。图4中示意性显示了带通滤波器8的工作流程。

根据本发明的装置4还包括处理器9。处理器9与带通滤波器8相连，并且处理器9与前置放大器7也相连。处理器9可实时检测前置放大器7的输出信号，并可自动调整前置放大器7的放大倍数；处理器9可实时调整带通滤波器8的参数设置，即带通滤波器8的参数可调整。处理器9为用于采集分析井场噪声的装置4的控制核心。处理器可以包括DSP、单片机、ARM或其它微型控制平台、通信总线接口、控制驱动电路等。处理器9具有A/D转换功能，其方式可以是包括A/D转换器的DSP、单片机或ARM，或是包括单片机、DSP或ARM外扩A/D。

处理器主要用来完成以下工作：第一，根据所采集的噪声的信号幅度，自动调整放大倍数，以适合信号采集；第二，对微弱电磁信号进行预处理和检测，对噪声信号实现预分析和预处理，分析噪声的主要频率成分。

根据本发明的装置4还包括存储器10，用来存储采集到的井场噪声信号，可以是处理器9内部的存储器或如图1所述的扩展的存储设备。

地面电极5用来接收井场电磁噪声信号。装置4的“输入+”端通过同轴电缆直接接在井架上，装置4的“输入-”端接地面电极5，地面电极5可以安装在距井架约100米处。

根据本发明的装置4还包括供电电源，为用于采集分析井场噪声的装置4供电，电源可以采用高能蓄电池组。

装置4还包括计算机1，用来对来自处理器9的所采集的信息进行分析。

噪声信号采集和分析范围例如可以位于1-5000Hz的范围内。当然，本领域技术人员容易理解，可根据需求选择不同的截止频率、不同的放大倍数，采集不同强度、不同频率的井场噪声。

计算机1可以针对所采集的噪声进行特性分析（包括其统计特性参数分析，如均值、方差、峰度、斜度等）。

在一个实施例中，采样频率为F_sHz，采样点数N个，采样值为{x[1],x[2],…,x[N]}，则所采集的井场噪声的统计均值、标准差、峰度、斜度及功率谱的获取方法如下：

采集的井场噪声的统计均值μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]---\left(1\right)$

井场噪声的标准差σ为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x\right[n]-\mathrm{\μ})}^2}---\left(2\right)$

井场噪声的统计峰度kurtosis：

$\mathrm{kurtosis}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x\right[n]-\mathrm{\μ})}^4}{(N-1){\mathrm{\σ}}^4}---\left(3\right)$

其中，μ为样本均值；σ为样本标准差；

井场噪声的统计斜度skewness：

$\mathrm{skewness}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x\right[n]-\mathrm{\μ})}^3}{(N-1){\mathrm{\σ}}^3}---\left(4\right)$

周期P_xx(f)：

$P_{\mathrm{xx}}\left(f\right)=\frac{1}{N}{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\right[n\left]e^{-j2\mathrm{\πfn}}\right|}^2,$ $-\frac{1}{2}\≤f\≤\frac{1}{2}---\left(5\right)$

其中，频率f既可以通过由连续随机过程得到数据样本时所用采样频率的分数来表示，也可以由周期/样本为单位表示。

钻井现场工况不同，启停设备不同，造成场源的随机性，不同采集时段频率特征不同，而地面电极的布置位置不同或观测点不同，采集到的噪声信号也会存在不同。在一个实验中，采用以RS232转USB总线将计算机和用于采集分析井场噪声的装置4连接，读取井场噪声采集数据。图2是通过根据本发明的装置所采集到的井场噪声。图3为分析获得的井场噪声的功率谱。得到噪声的均值、方差、峰度、斜度分别为0.0185、0.0286、28.4393和0.8943。

装置4还可以包括用于显示分析结果的显示器2。

在一个实施例中，本装置硬件电路采用具有数字信号处理功能的DSP处理器，选用通用硬件平台为依托。

根据本发明的用于采集分析井场噪声的装置能够实现井场噪声电磁信号接收与处理、井场噪声谱分析等功能，简化了电路设计，而且具备如下优势：第一，硬件平台简单，地面电极便于安装；可根据需求将电极安置在合适的位置（例如距井架50-500m处）；第二，放大器增益可调、且采用多级放大器，例如可以第一级放大1-100倍，二级放大1-10000倍；滤波器截止频率可调，例如在1-5000Hz的范围内；第三，可调增益、多级前置放大器和截止频率可调的滤波器均采用低噪声设计，确保采集到的井场噪声的精度；第四，根据本发明的装置可以采集在井场任意位置的电磁噪声，并可对噪声的基本统计特性和规律进行分析和评价，操作简便、实时性好，采集信号范围宽，有效地提高了电磁波随钻测量系统对于不同地层的适应能力，提高了处理增益和接收灵敏度，同时有效增加了测量深度。

在应用根据本发明的装置时，信号的采集和分析可以在井场的正常钻井作业中进行。在一个实施例中，采样频率可以为2000Hz，截止频率可调的带通滤波器截止频率可以为1000Hz，可调增益、多级前置放大器采用两级放大，其中例如一级放大倍数为5，二级放大倍数为200。处理器电路选择具有A/D转换功能、带有串口和存储器的TMS320LF2407A作为核心处理器电路，电磁噪声耦合器可选用具有电磁信号耦合性能的通用耦合变压器，可调增益前置放大器选用OP297和PGA202等为核心单元搭建放大和增益调整电路。

本发明还提出了使用根据本发明的装置对井场噪声进行采集分析的方法。参照图4所示的流程示意图。

第一步：将根据本发明的用于采集分析井场噪声的装置的“输入+端”接至井架上（需对井架进行简单的除锈处理，确保电缆能够与井架可靠接触），“输入-端”接至距井架约100米处的地面电极上；

第二步：启动用于采集分析井场噪声的装置，选择适合的放大器的放大倍数、带通滤波器的截止频率以及采样频率。例如选择一级放大倍数为5，二级放大倍数为200，截止频率可调的带通滤波器截止频率选择为1000Hz；采样频率选择2000Hz。通过根据本发明的用于采集分析井场噪声的装置4实时采集井场噪声数据并存储至存储器，并例如通过RS485、RS232或USB传输至计算机；

第三步：计算机对所接收的信号进行分析和处理。

本发明通过提出一种用于采集分析井场噪声的装置并提出相应的方法，实现对石油勘探开发过程中井场噪声的采集和分析。根据本发明的装置可以采集在井场任意位置的电磁噪声，并可对噪声的基本统计特性和规律进行分析和评价，操作简便、实时性好，采集信号范围宽。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种用于采集分析井场噪声的装置，包括：

耦合器，用于耦合井架和地面电极之间的井场噪声；

前置放大器，用于接收来自所述耦合器的井场噪声并对其进行预处理；

带通滤波器，用于对来自所述前置放大器的噪声信号进行滤波处理；

处理器，其连接并控制着所述前置放大器和所述带通滤波器；

与所述处理器相连的计算机，

其中所述处理器接受来自所述前置放大器和所述带通滤波器的噪声信号，将其存储后发送给所述计算机，所述计算机对收到的噪声信号进行分析，

所述计算机构造成进行如下分析和处理：

采集的井场噪声的统计均值μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{i=N}{\Σ}}x\[n\]---\left(1\right)$

井场噪声的样本标准差σ为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(x\[n\]-\mathrm{\μ})}^2}---\left(2\right)$

井场噪声的统计峰度kurtosis：

$kurtosis=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(x\[n\]-\mathrm{\μ})}^4}{(N-1){\mathrm{\σ}}^4}---\left(3\right)$

其中，μ为统计均值；σ为样本标准差；

井场噪声的统计斜度skewness：

$skewness=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(x\[n\]-\mathrm{\μ})}^3}{(N-1){\mathrm{\σ}}^3}---\left(4\right)$

周期P_xx(f)：

$P_{xx}\left(f\right)=\frac{1}{N}|\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}x\[n\]e^{-j2\mathrm{\π}fn}{|}^2,-\frac{1}{2}\≤f\≤\frac{1}{2}---\left(5\right)$

其中，f为频率，N为采样点数，采样值为{x[1],x[2],…,x[N]}。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述前置放大器为能够调节增益的多级前置放大器。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述带通滤波器为截止频率能够调节的带通滤波器。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理器能够自动调整所述前置放大器的放大倍数。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述前置放大器采用分级放大，第一级放大1-100倍，第二级放大1-10000倍。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述带通滤波器能够采集的信号的频带范围分别为1-45Hz、45-1000Hz、1-1000Hz和1-5000Hz。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括独立于所述处理器的存储器，所述处理器将接收到的噪声信号存储到所述存储器中。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置一端连接井架，另一端连接地面电极。

9.通过根据权利要求1到8中任一项所述的装置采集和分析井场噪声的方法，包括：

第一步：将所述装置的一端接至井架，另一端接至地面电极；

第二步：启动所述装置，选择前置放大器的放大倍数、带通滤波器的截止频率以及采样频率；所述处理器控制所述装置采集井场噪声并将接收到的噪声信号存储至存储器，而后传输至所述计算机；

第三步：所述计算机对所接收的噪声信号进行分析和处理，

在第三步中，

采集的井场噪声的统计均值μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{i=N}{\Σ}}x\[n\]---\left(1\right)$

井场噪声的样本标准差σ为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(x\[n\]-\mathrm{\μ})}^2}---\left(2\right)$

井场噪声的统计峰度kurtosis：

$kurtosis=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(x\[n\]-\mathrm{\μ})}^4}{(N-1){\mathrm{\σ}}^4}---\left(3\right)$

其中，μ为统计均值；σ为样本标准差；

井场噪声的统计斜度skewness：

$skewness=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{(x\[n\]-\mathrm{\μ})}^3}{(N-1){\mathrm{\σ}}^3}---\left(4\right)$

周期P_xx(f)：

$P_{xx}\left(f\right)=\frac{1}{N}|\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}x\[n\]e^{-j2\mathrm{\π}fn}{|}^2,-\frac{1}{2}\≤f\≤\frac{1}{2}---\left(5\right)$

其中，f为频率，N为采样点数，采样值为{x[1],x[2],…,x[N]}。