CN108844622B - 一种多采样率振动数据记录方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多采样率振动数据记录方法，包括以f1采样率对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据；对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并存储所述统计数据；对采样率为f1的数字格式数据进行抽样，输出采样率为f2的数字格式数据；对采样率为f2的数字格式数据再进行抽样，输出采样率为f3的数字格式数据，重复抽样步骤，输出采样率为fn的数字格式数据；对所述采样率为fn的数字格式数据进行连续存储；对所述采样率为f1至fn‑1的数字格式数据进行间断存储。与传统的连续存储格式相比，本发明通过产生多种采样率的数据流，可以有效降低数据存储量，同时又可以分析出振动数据特性。

Description

一种多采样率振动数据记录方法及装置

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，尤其涉及一种多采样率振动数据记录方法及装置。

背景技术

钻探作业是石油勘探开采领域最常见的工作，高效、稳定和低成本的钻探是石油工业的基础。在进行管道钻井、工程地质钻机钻进作业时，钻具的振动数据是非常重要的参数，通常需要测量并实时记录。通过对钻具震动数据的分析，能够有效保护设备中的某些仪器，通过在监测到振动高于某些量值以后，自动关闭某些功能单元，就能够避免由于受到过高振动造成损坏。同时对于震动参数的记录，也能够明确仪器损坏的原因是否是因为过度振动。进一步的，对于钻具在不同底层下的振动特性的分析，也能够为后续研制设计具有高振动承受能力的仪器做参考。

现有技术中，记录钻进过程中的振动数据，主要采取以下两种方式：

第一种方式，井下数据采集记录单元采集到原始数据后，对数据进行实时分析，并记录分析结果，如最大振动的量值、次数等，分析过后的原始数据则不再存储。这种方式只需要少量存储器空间，但由于没有记录原始数据，因此无法得到井下钻进的振动特性，也不能为后续设计提供参考依据。

第二种方式，井下数据采集记录单元连续存储记录原始数据，这样不仅通过可以通过实时分析得到最大振动的量值、次数，也保留了原始数据可以用于后续分析。但在实际钻探作业中，仪器单次作业时间最长可达200小时，一直连续记录存储的话，数据量非常大，对存储器的容量提出了很高要求，尤其是能适应地下高温(150℃乃至175℃)工作的存储器可选型号很少，而且体积大、容量小，难以满足整个工作全程全部记录的要求。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种多采样率振动数据记录方法及装置，能够有效地解决现有技术中对存储器要求高的问题。

通过本申请实施例的一个方面，提供了一种多采样率振动数据记录方法，其特征在于，包括：以f1采样率对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据；对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并存储所述统计数据；对采样率为f1的数字格式数据进行抽样，输出采样率为f2的数字格式数据；对采样率为f2的数字格式数据再进行抽样，输出采样率为f3的数字格式数据，重复抽样步骤，输出采样率为fn的数字格式数据；对所述采样率为fn的数字格式数据进行连续存储；对所述采样率为f1至fn-1的数字格式数据进行间断存储，其中采样率为f1的数字格式数据存储时间长度为t1，采样率为f2的数字格式数据存储时间长度为t2，采样率为fn-1的数字格式数据存储时间长度为tn-1，有t1<t2<tn-1。

优选的，所述统计数据包括振动数值大于某个阈值At的次数、振动数值大于某个阈值At时的实际振动值以及发生时间。

优选的，所述n＝4，得到采样率为f1、f2、f3、f4的数字格式数据。

优选的，所述f1、f2、f3、f4分别是10kHz、2kHz、512Hz、64Hz。

优选的，在数据存储完成后，使用专门的数据读出程序读出数据。

通过本申请实施例的一个方面，提供了一种多采样率振动数据记录装置，其特征在于，包括：模数转换器1，用于对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据至数据分析模块2、数据抽样模块3和存储模块5；数据分析模块2，用于对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并将所述统计数据传输至存储模块5；数据抽样模块3，包括n个子抽样模块：第一子抽样模块31，用于对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样，得到采样率为f2的数字格式数据；第二子抽样模块32，用于对所述采样率为f2的数字格式数据进行抽样，得到采样率为f3的数字格式数据；……，第n子抽样模块3n，用于对所述采样率为fn的数字格式数据进行抽样，得到采样率为fn+1的数字格式数据；存储模块5，接收来自模数转换器1、数据抽样模块3和存储模块5的数据并存储。

优选的，所述模数转换器1为24位高速模数转换器。

优选的，所述数据分析模块2在单片机、MCU、DSP或FPGA中实现

优选的，，所述n＝3，得到采样率为f1、f2、f3、f4的数字格式数据。

优选的，还包括抗混叠滤波器6，用于在抽样前对数字格式数据进行抗混叠滤波。

与传统的连续存储格式相比，本发明实施例所述的多采样率振动数据记录方法和装置，通过产生多种采样率的数据流，并对不同采样率的数据流使用不同的存储策略，可以有效降低数据存储量，同时又可以分析出振动数据特性，尤其是频谱特性，在充分保留了原始数据信息的情况下，极大的降低了对存储设备的要求，尤其适用于极深层钻探作业，符合国家向深地进军的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种多采样率振动数据记录方法示意图；

图2为本发明第一实施例提供的一种多采样率振动数据存储方法示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

根据本发明的一个实施例，提供了一种多采样率振动数据记录方法，如图1所示，包括:

S1，以f1采样率对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据。

在本发明的一个实施例中，为了保证响应速率，模数转换通过高速模数转换器(ADC)进行，优选的，所述高速ADC的最高采样率为100kSps。进一步优选的，为了提高采样精度，所述高速ADC为24位ADC。

所述f1采样率的频率范围为500Hz-20kHz，针对石油勘探领域的钻井振动数据记录的特点，优选的是10kHz，当采样率为10kHz时，得到的数字格式数据能够完整保留原始模拟数据所包含的全部振动信息，同时相比于直接连续存储原始的模拟数据，极大的降低了数据量。

S2，对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并存储所述统计数据。

在本发明的一个实施例中，通过对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析能够得到实时的振动信息，按照预设的方法对所述分析得到的振动信息进行统计，得到的统计数据包括但不限于：振动数值大于某个阈值At的次数、振动数值大于某个阈值At时的实际振动值以及发生时间。实时分析和统计工作完成后，全部统计数据均保存，而采样率为f1的数字格式数据则继续执行步骤S3

S3，对采样率为f1的数字格式数据进行抽样，输出采样率为f2的数字格式数据。

在本发明的一个实施例中，f1>f2，优选的，所述f2采样率的频率范围为256Hz-1kHz，优选的是512Hz。当采样率为512Hz时，相比采样率为f1的数字格式数据能够大幅度降低数据量，同时还能保留主要的振动信息。

在本发明的一个实施例中，为了去除杂质信号的干扰，在对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样前还要进行抗混叠滤波。优选的，考虑到石油勘探领域的数据特点，所述抗混叠滤波的截止频率为0.5*f2。在抽样前增加所述截止频率为0.5*f2的抗混叠滤波步骤，能够显著提高信号的信噪比。

S4，对采样率为f2的数字格式数据再进行抽样，输出采样率为f3的数字格式数据，重复抽样步骤，输出采样率为fn的数字格式数据。

在本发明的一个实施例中，f1>f2>fn。

在本发明的一个实施例中，在每次进行抽样前都要进行抗混叠滤波，每次抗混叠滤波的截止频率为0.5*fn。

考虑到石油勘探领域的数据特点，优选的n＝4，分别得到采样率为f1、f2、f3、f4的数字格式数据，其中f1>f2>f3>f4。进一步优选的，所述f1、f2、f3、f4分别是10kHz、2kHz、512Hz、64Hz。

S5，对所述采样率为fn的数字格式数据进行连续存储。

在本发明n＝4的实施例中，即对采样率为f4的数字格式数据进行连续存储，所述连续存储即所有数据都存储。由于f4采样率的数字格式数据量已经很低，因此即使全部存储也不会占据很多存储空间。

S6，对所述采样率为f1至fn-1的数字格式数据进行间断存储，其中采样率为f1的数字格式数据存储时间长度为t1，采样率为f2的数字格式数据存储时间长度为t2，采样率为fn-1的数字格式数据存储时间长度为tn-1，有t1<t2<tn-1。

在本发明的一个实施例中，为了保证数据的连续性，对所述采样率为f1至fn-1的数字格式数据进行间断存储的操作在时间上是连续的。具体的，首先对采样率为f1的数字格式数据存储t1时间，对采样率为f1的数字格式数据存储结束后，马上对采样率为f2的数字格式数据存储t2时间，重复上述存储步骤，一直到对采样率为fn-1的数字格式数据存储tn-1时间，对采样率为fn-1的数字格式数据存储结束后，重复对采样率为f1的数字格式数据存储t1时间。采用这种存储方式能够保证数据的连续性，最大限度的保留原始数据所包含的信息。

优选的，在本发明的一个实施例中，为了进一步节约存储空间，在对所述采样率为f1至fn-1的数字格式数据进行间断存储时会加入空闲时间。具体的，首先对采样率为f1的数字格式数据存储t1时间，对采样率为f1的数字格式数据存储结束后，马上对采样率为f2的数字格式数据存储t2时间，重复上述存储步骤，一直到对采样率为fn-1的数字格式数据存储tn-1时间，对采样率为fn-1的数字格式数据存储结束后，停止存储操作ti时间，ti时间结束后，再继续对采样率为f1的数字格式数据存储t1时间。采用这种存储方式能够最大程度的节省存储空间，在实际钻探操作中，采用了本发明n＝4的实施例并使用加入空闲时间的间断存储方式，如图2所示，钻井作业共持续300小时以上，数据量成功压缩至1TB以内，极大地降低了对存储空间的要求。对于国家要重点进军的深地方向，极深层钻探作业地下环境温度、压力均较大，对设备性能要求极高，同时钻探时间较长，本发明所述的多采样率振动数据记录方法尤其适用于极深层钻探作业。

在本发明的一个实施例中，还包括步骤S7，在数据存储完成后，使用专门的数据读出程序读出数据。优选的，所述数据读出程序为根据数据存储方案而专门编写，能够实现振动数据频谱特性的建立，并复原原始数据，以便于进行分析。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种振动冲击数据记录装置，包括：

模数转换器1，用于对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据至数据分析模块2、数据抽样模块3和存储模块5。

优选的，所述模数转换器1为高速模数转换器(ADC)，所述高速ADC的最高采样率为100kSps。为了提高采样精度，进一步优选的，所述高速ADC为24位ADC。

数据分析模块2，用于对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并将所述统计数据传输至存储模块5。

在本发明的一个实施例中，所述数据分析模块2得到的统计数据包括振动数值大于某个阈值At的次数、振动数值大于某个阈值At时的实际振动值以及发生时间。在本发明的一个实施例中，所述数据分析模块在单片机、MCU、DSP或FPGA中实现。

数据抽样模块3，包括n个子抽样模块：

第一子抽样模块31，用于对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样，得到采样率为f2的数字格式数据；

第二子抽样模块32，用于对所述采样率为f2的数字格式数据进行抽样，得到采样率为f3的数字格式数据；

……

第n子抽样模块3n，用于对所述采样率为fn的数字格式数据进行抽样，得到采样率为fn+1的数字格式数据。

在本发明的一个实施例中，f1>f2>fn。考虑到石油勘探领域的数据特点，优选的n＝3，分别得到采样率为f1、f2、f3、f4的数字格式数据，其中f1>f2>f3>f4。进一步优选的，所述f1、f2、f3、f4分别是10kHz、2kHz、512Hz、64Hz。

存储模块5，接收来自模数转换器1、数据抽样模块3和存储模块5的数据并存储。

在本发明的一个实施例中，所述存储模块的容量为1-10TB。考虑到钻进作业中强震动、高温高压的环境特点，所述存储模块为高温固态硬盘。

在本发明的一个实施例中，还包括抗混叠滤波器6，用于在抽样前对数字格式数据进行抗混叠滤波。

在本发明的一个实施例中，在每次进行抽样前都要进行抗混叠滤波，每次抗混叠滤波的截止频率为0.5*fn。

在本发明的一个实施例中，还包括读出模块7，用于对存储的数据进行读出操作。

与传统的连续存储格式相比，本发明实施例所述的多采样率振动数据记录方法和装置，通过产生多种采样率的数据流，并对不同采样率的数据流使用不同的存储策略，可以有效降低数据存储量，同时又可以分析出振动数据特性，尤其是频谱特性，在充分保留了原始数据信息的情况下，极大的降低了对存储设备的要求，尤其适用于极深层钻探作业，符合国家向深地进军的要求。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种多采样率振动数据记录方法，其特征在于，包括：

以f1采样率对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据；

对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并存储所述统计数据；

对采样率为f1的数字格式数据进行抽样，输出采样率为f2的数字格式数据；

对采样率为f2的数字格式数据再进行抽样，输出采样率为f3的数字格式数据，重复抽样步骤，输出采样率为fn的数字格式数据；

对所述采样率为fn的数字格式数据进行连续存储；

对所述采样率为f1至fn-1的数字格式数据进行间断存储，其中采样率为f1的数字格式数据存储时间长度为t1，采样率为f2的数字格式数据存储时间长度为t2，采样率为fn-1的数字格式数据存储时间长度为tn-1，有t1<t2<tn-1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述统计数据包括振动数值大于某个阈值At的次数、振动数值大于某个阈值At时的实际振动值以及发生时间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述n＝4，得到采样率为f1、f2、f3、f4的数字格式数据。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述f1、f2、f3、f4分别是10kHz、2kHz、512Hz、64Hz。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在数据存储完成后，使用专门的数据读出程序读出数据。

6.一种多采样率振动数据记录装置，其特征在于，包括：

模数转换器1，用于对传感器输出的模拟数据进行模数转换，输出采样率为f1的数字格式数据至数据分析模块2、数据抽样模块3和存储模块5；

数据分析模块2，用于对所述采样率为f1的数字格式数据进行实时分析得到统计数据，并将所述统计数据传输至存储模块5；

数据抽样模块3，包括n个子抽样模块：

第一子抽样模块31，用于对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样，得到采样率为f2的数字格式数据；

第二子抽样模块32，用于对所述采样率为f2的数字格式数据进行抽样，得到采样率为f3的数字格式数据；

……

第n子抽样模块3n，用于对所述采样率为fn的数字格式数据进行抽样，得到采样率为fn+1的数字格式数据；

存储模块5，接收来自模数转换器1、数据抽样模块3和数据分析模块2的数据并存储；

对所述采样率为f1至fn-1的数字格式数据进行间断存储，其中采样率为f1的数字格式数据存储时间长度为t1，采样率为f2的数字格式数据存储时间长度为t2，采样率为fn-1的数字格式数据存储时间长度为tn-1，有t1<t2<tn-1。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模数转换器1为24位高速模数转换器。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据分析模块2在单片机、MCU、DSP或FPGA中实现。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述n＝3，得到采样率为f1、f2、f3、f4的数字格式数据。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括抗混叠滤波器6，用于在抽样前对数字格式数据进行抗混叠滤波。