CN108952687B - 一种自适应存储式电子压力计及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种自适应存储式电子压力计及测量方法。压力计包括传感器短接杆、自适应存储短接杆、外套筒、悬挂转接头、井下测量模块、自适应存储模块、电源管理模块；本发明效果：通过对压力计电路、机械结构的设计并研究基于小波包和经验模态分解的自适应存储算法，对施工作业过程中采集的压力、温度数据按照施工作业阶段进行划分，根据分类结果自主设定当前阶段的采样、存储频率，实现井下压力、温度数据的变频率采样和存储。本发明中提出的自适应存储式电子压力计能够自主识别所处施工作业阶段并进行变频率压力、温度信息的采样、存储，存储数据量降至常规电子压力计的50％以下，降低了后续数据处理的工作量及压力计自身功耗。
Description
技术领域
本发明属于石油、天然气钻井技术领域，特别是涉及一种自适应存储式电子压力计及测量方法。
背景技术
压力信息是地层测试录取的主要资料之一，直观反映了测试过程中任一瞬间的压力变化，完整记录了钻井工具从入井、测试到起出的测试施工轨迹。对压力数据的分析，是正确解释测试资料，给测试层准确定性、定量的基础依据。存储式电子压力计内置高效的压力、温度信号采集模块，以其高精度、高分辨率、高可靠性以及良好的密封性、抗腐蚀性，在井下压力信号测量过程中发挥着日益重要的作用。常规存储式电子压力计的工作方式为：施工前，设置好电子压力计数据采样及存储频率，将其安装在托筒内，随管柱下入到井内所需测量的位置，施工结束后，随管柱从井内取出，提取其中存储的压力、温度数据进行分析、解释。此工作方式存在的问题为：
(1)采用定频率采样、存储方式，入井后无法干预其工作，从而在工具下入、等待、出井等对数据分析解释重要程度较低的阶段，压力计仍按固定频率进行压力、温度信息的密集采集和存储，从而占用了大量的存储空间，增加了后续数据处理工作量，增大了压力计自身功耗；
(2)存储式电子压力计中数据的提取需出井后进行，对于下入后不再起出的电子压力计，只能以有线方式进行数据传输，工艺流程复杂，成本高。若采用无线数据传输方式，对数据量、识别及传输速度等因素有严格的限制，当前定频率采样方式产生的大量数据，给无线数据传输的实现带来极大的困难和挑战。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种自适应存储式电子压力计及测量方法。
为了达到上述目的，本发明提供的自适应存储式电子压力计包括：传感器短接杆、自适应存储短接杆、外套筒、悬挂转接头、井下测量模块、自适应存储模块、电源管理模块；其中传感器短接杆为空心圆筒结构，下端呈圆锥形状，并且中部形成有与外界环境连通的小孔，内部用于放置井下测量模块，上端与自适应存储短接杆的下端通过5芯LEMO插头电气连接；自适应存储短接杆为空心结构，内部用于放置自适应存储模块和电源管理模块，上端与悬挂转接头的下端连接；外套筒套在自适应存储短接杆的外部，下端螺纹连接在传感器短接杆的上端，内有密封圈，保证自适应存储短接杆的抗压与密封，上端与悬挂转接头的下端螺纹连接；井下测量模块与自适应存储模块连接，电源管理模块300与井下测量模块和自适应存储模块连接。
所述的井下测量模块包括压力传感器和温度传感器，其中，所述压力传感器选用硅宝石不锈钢材料，所述温度传感器与所述压力传感器集成为一体。
所述自适应存储模块包括信号调理单元、自适应处理单元、数据存储单元和数据通信单元，其中，自适应处理单元分别与信号调理单元、数据存储单元和数据通信单元连接，信号调理单元分别与压力传感器和温度传感器连接。
所述自适应处理单元选用PIC18F系列单片机及其外围电路搭建；所述数据存储单元选用一片或多片W25Q64芯片组成。
所述电源管理模块采用高温锂电池，所述高温锂电池单节容量为5Ah，最大工作电流为30mA，根据入井时间和所述井下测量模块与自适应存储模块200的功耗情况可采用单节或多节高温锂电池串接的方式。
本发明提供的自适应存储式电子压力计的测量方法包括按顺序进行的下列步骤：
a100：自适应存储式电子压力计组装完毕，利用悬挂转接头连接在管柱上，开启电源管理模块，并在自适应处理单元上设置采样、存储频度，之后开始工作；
a101：自适应存储式电子压力计随管柱入井，利用井下测量模块中的压力传感器和温度传感器测量所在位置附近的压力、温度信息，然后传送给信号调理单元，由信号调理单元对上述压力、温度信息进行隔离、滤波、放大、模数转换和存储；
a102：利用自适应处理单元读取所述信号调理单元中存储的压力、温度信息；
a103：自适应处理单元采用限幅平均滤波算法对压力、温度数据进行预处理，去除干扰和噪声；下一步分别转步骤a104和步骤a107；
a104：自适应处理单元对步骤a103预处理后的数据，选取Daubechies小波作为基小波，进行三层小波包分解；
a105：对第三层小波包分解系数进行重构，提取出各频带信号s3j；
a106：计算出各频带信号s3j的能量E3j并进行归一化处理后作为特征向量T1；下一步转步骤a110；
a107：利用自适应处理单元对步骤a103预处理后的数据进行本征模态分解，筛选得到各本征模态函数，从而将一个频率不规则的波转化为多个单一频率的波与余波的叠加；
a108：对上述本征模态函数进行Hilbert变换，得到Hilbert谱，即各本征模态函数对应的瞬时频率wh；
a109：对步骤a108得到的各本征模态函数对应的瞬时频率wh进行归一化处理，得到特征向量T2，下一步转步骤a110；
a110：以上述小波包和本征模态分解得到的特征向量T1和T2作为输入节点，各施工作业阶段作为输出节点，隶属度函数选用基于高斯函数的概率密度函数，建立基于贝叶斯策略的三层概率神经网络分类器；
a111：选择训练样本并输入三层概率神经网络分类器而对该分类器进行训练，计算出分类器系数；
a112：选择测试样本并输入三层概率神经网络分类器而对该分类器进行测试，最后输出分类结果，根据分类结果判断当前所处的施工作业阶段；
a113：根据步骤a112输出的结果判断自适应存储式电子压力计是否已从井中起出，若已经出井，转步骤a116，否则执行下一步骤a114；
a114：若工具尚未完成井下施工作业过程，则判断是否当前已处于一个新的施工作业阶段，若没有，则转步骤a101；否则执行下一步骤a115；
a115：若当前已处于一个新的施工作业阶段，需改变下一次采样、存储的频率，则根据步骤a112输出的当前所处的施工作业阶段，同时根据该施工作业阶段所预设的采样、存储频率重新设置自适应存储式电子压力计的采样、存储时间间隔，然后转步骤a101；
a116：结束，本次施工作业全部结束，自适应存储式电子压力计随管柱从井中起出，通过所述数据通信单元2004将所述数据存储单元中存储的压力、温度信息送入地面设备中进行后续分析、解释工作。
本发明提供的自适应存储式电子压力计及测量方法具有如下有益效果：通过对压力计电路、机械结构的设计并研究基于小波包和经验模态分解的自适应存储算法，对施工作业过程中采集的压力、温度数据按照施工作业阶段进行划分，根据分类结果自主设定当前阶段的采样、存储频率，实现井下压力、温度数据的变频率采样和存储。本发明中提出的自适应存储式电子压力计能够自主识别所处施工作业阶段并进行变频率压力、温度信息的采样、存储，存储数据量降至常规电子压力计的50％以下，降低了后续数据处理的工作量及压力计自身功耗。
附图说明
图1为本发明提供的自适应存储式电子压力计中电路结构图。
图2为本发明提供的自适应存储式电子压力计外部机械结构图。
图3为本发明提供的自适应存储式电子压力计测量方法流程图。
图4为本发明提供的自适应存储式电子压力计测量过程流程图。
图5为地层测试过程中各施工作业阶段划分图。
图6为地层测试过程中自适应存储式电子压力计数据处理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的自适应存储式电子压力计及测量方法进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明提供的自适应存储式电子压力计包括：
传感器短接杆101、自适应存储短接杆201、外套筒301、悬挂转接头401、井下测量模块100、自适应存储模块200、电源管理模块300；其中传感器短接杆101为空心圆筒结构，下端呈圆锥形状，并且中部形成有与外界环境连通的小孔，内部用于放置井下测量模块100，上端与自适应存储短接杆201的下端通过5芯LEMO插头电气连接；自适应存储短接杆201为空心结构，内部用于放置自适应存储模块200和电源管理模块300，上端与悬挂转接头401的下端连接；外套筒301套在自适应存储短接杆201的外部，下端螺纹连接在传感器短接杆101的上端，内有密封圈，保证自适应存储短接杆201的抗压与密封，上端与悬挂转接头401的下端螺纹连接；井下测量模块100与自适应存储模块200连接，电源管理模块300与井下测量模块100和自适应存储模块200连接；所述井下测量模块100用于实时测量自适应存储式电子压力计所处位置附近的压力、温度信息，所述自适应存储模块200用于根据当前所处施工作业阶段自主设置采样、存储频率、对所述井下测量模块100输出的压力、温度信息进行处理和存储，出井后与地面设备之间进行双向通信，所述电源管理模块300用于为所述井下测量模块100和所述自适应存储模块200提供所需的稳定直流电能。
所述的井下测量模块100包括压力传感器1001和温度传感器1002，其中，所述压力传感器1001选用硅宝石不锈钢材料，所述温度传感器1002与所述压力传感器1001集成为一体。
所述自适应存储模块200包括信号调理单元2001、自适应处理单元2002、数据存储单元2003和数据通信单元2004，其中，自适应处理单元2002分别与信号调理单元2001、数据存储单元2003和数据通信单元2004连接，信号调理单元2001分别与压力传感器1001和温度传感器1002连接；所述信号调理单元2001用于对所述井下测量模块100输出的压力、温度信息进行隔离、滤波、放大、模数转换等操作，所述自适应处理单元2002用于设置自适应存储式电子压力计的采样、存储频率，可选用PIC18F系列单片机及其外围电路搭建，所述数据存储单元2003用于对所述自适应处理单元2002输出的压力、温度信息进行存储，可根据入井时间、地层特性和采样、存储频率在内的信息选用一片或多片W25Q64芯片组成；所述数据通信单元2004用于自适应存储式电子压力计与地面设备之间进行双向数据通信，包括自适应存储式电子压力计入井前地面设备对其进行初始化和参数设置以及自适应存储式电子压力计出井后将存储的数据传输至地面设备中进行处理与存储。
所述电源管理模块300采用高温锂电池，所述高温锂电池单节容量为5Ah，最大工作电流为30mA，根据入井时间和所述井下测量模块100与自适应存储模块200的功耗情况可采用单节或多节高温锂电池串接的方式。
所述的自适应存储式电子压力计的最高工作压力为60MPa，最高工作温度为150℃。
如图3所示，本发明提供的自适应存储式电子压力计的测量方法包括按顺序进行的下列步骤：
a100：自适应存储式电子压力计组装完毕，利用悬挂转接头401连接在管柱上，开启电源管理模块300，并在自适应处理单元2002上设置采样、存储频度，之后开始工作；
a101：自适应存储式电子压力计随管柱入井，利用井下测量模块100中的压力传感器1001和温度传感器1002测量所在位置附近的压力、温度信息，然后传送给信号调理单元2001，由信号调理单元2001对上述压力、温度信息进行隔离、滤波、放大、模数转换和存储；
a102：利用自适应处理单元2002读取所述信号调理单元2001中存储的压力、温度信息；
a103：自适应处理单元2002采用限幅平均滤波算法对压力、温度数据进行预处理，去除干扰和噪声；下一步分别转步骤a104和步骤a107；
a104：自适应处理单元2002对步骤a103预处理后的数据，选取Daubechies小波作为基小波，进行三层小波包分解；
a105：对第三层小波包分解系数进行重构，提取出各频带信号s3j；
a106：计算出各频带信号s3j的能量E3j并进行归一化处理后作为特征向量T1；下一步转步骤a110；
a107：利用自适应处理单元2002对步骤a103预处理后的数据进行本征模态分解，筛选得到各本征模态函数，从而将一个频率不规则的波转化为多个单一频率的波与余波的叠加；
a108：对上述本征模态函数进行Hilbert变换，得到Hilbert谱，即各本征模态函数对应的瞬时频率wh；
a109：对步骤a108得到的各本征模态函数对应的瞬时频率wh进行归一化处理，得到特征向量T2，下一步转步骤a110；
a110：以上述小波包和本征模态分解得到的特征向量T1和T2作为输入节点，各施工作业阶段作为输出节点，隶属度函数选用基于高斯函数的概率密度函数，建立基于贝叶斯策略的三层概率神经网络分类器；
a111：选择训练样本并输入三层概率神经网络分类器而对该分类器进行训练，计算出分类器系数；
a112：选择测试样本并输入三层概率神经网络分类器而对该分类器进行测试，最后输出分类结果，根据分类结果判断当前所处的施工作业阶段；
a113：根据步骤a112输出的结果判断自适应存储式电子压力计是否已从井中起出，若已经出井，转步骤a116，否则执行下一步骤a114；
a114：若工具尚未完成井下施工作业过程，则判断是否当前已处于一个新的施工作业阶段，若没有，则转步骤a101；否则执行下一步骤a115；
a115：若当前已处于一个新的施工作业阶段，需改变下一次采样、存储的频率，则根据步骤a112输出的当前所处的施工作业阶段，同时根据该施工作业阶段所预设的采样、存储频率重新设置自适应存储式电子压力计的采样、存储时间间隔，然后转步骤a101；
a116：结束，本次施工作业全部结束，自适应存储式电子压力计随管柱从井中起出，通过所述数据通信单元2004将所述数据存储单元2003中存储的压力、温度信息送入地面设备中进行后续分析、解释工作。
在步骤a106中，所述的特征向量T1的计算公式如下：
T1＝[E30/E,E31/E,E32/E,E33/E,E34/E,E35/E,E36/E,E37/E] (3)
其中，s3j为第三层小波包分解的频带信号，j＝1,2,...,8，xj,k为频带信号s3j的离散点幅值，k＝1,2,…,n为采样点数，E3j为第三层小波包分解系数各频带信号的能量，j＝1,2,...,8，E为各频带信号的总能量。
在步骤a108中，所述的Hilbert谱即为各本征模态函数对应的瞬时频率wh，计算公式如下，其中h＝1,2,3,…,l，l为本征模态函数的最大数目，本发明中l＝8，
其中，s(t)为步骤a103处理后的压力、温度数据。
在步骤a109中，所述的特征向量T2为：
T2＝[w1/w,w2/w,w3/w,…,wl/w] (6)
其中，w为归一化系数。
如图4所示，本发明提供的自适应存储式电子压力计的测量过程步骤如下：
b100：施工前，通过对多组常规电子压力计采集压力、温度数据的分析解释，提取特征信息，按施工作业不同阶段进行数据划分，根据各阶段数据在后期分析解释中的重要程度，设定各自的采样频率；
b101：采用自适应存储式电子压力计和常规电子压力计同时入井的方式，在自适应存储式电子压力计上预设各施工阶段的采样、存储频率，常规电子压力计预设固定采样、存储频率后，随管柱入井；
b102：在施工过程中，自适应存储式电子压力计根据所述自适应存储式电子压力计测量方法中步骤a100-步骤a115对已采集到的压力、温度信息自主判断当前所处阶段，进行变频率采样、存储；
b103：施工过程中，常规电子压力计在整个施工作业过程中进行定频率密集采样、存储；
b104：施工结束后，压力计随管柱出井；
b105：地面计算机对自适应存储式电子压力计和常规电子压力计中的存储数据进行读取、对比、分析、解释。
图5为地层测试过程中各施工作业阶段划分图。本发明以地层测试中自适应存储式电子压力计的工作过程为例进行测量方法说明，一般地层测试大多采用两次开关井测试工艺，即初开井、初关井、二次开井、二次关井四个阶段，初开井和初关井为一周期，二开开井和二关关井为另一周期，图5中，AB段下管柱阶段，BC段为等待作业阶段，CD段为打开测试阀阶段，DE段为初流动压力阶段，EF段为初关井压力阶段，FG段为第二次打开测试阀阶段，GH段为第二次流动压力阶段，HI段为第二次关井压力阶段，JK段为起出管柱阶段，为简化过程，将地面作业与管柱下入过程统一为下管柱阶段，初开初关和二开二关是整个地层测试中最重要的阶段，应设置密集采样、存储，下管柱阶段、等待作业阶段、起出管柱阶段对后期分析解释起辅助作用，可设置为粗略采样、存储，各阶段压力值的采样、存储频率设置如表1所示。
表1自适应采样、存储时间间隔设置
表1中，t0为常规存储式电子压力计设定的固定采样间隔，自适应存储式电子压力计温度数据的记录对压力数据分析起辅助作用，其在目的层的波动较小，故在整个施工作业过程中，对温度信息的采样、存储时间间隔设置为定值30*t0。
图6为地层测试过程中自适应存储式电子压力计数据处理图，选取20组常规电子压力计地层测试数据，对每组数据按自适应存储式电子压力计测量方法中步骤a100-步骤a115所示处理流程进行滤波、小波包和经验模态分解后，送入神经网络分类器中进行训练，用另外5组地层测试数据进行测量方法测试，图5中，图5(a)为KL6-4-1井地层测试过程中所测得的压力数据曲线图，图5(b)为采用限幅平均滤波算法进行预处理后的压力数据曲线图，图5(c)为第三层小波包分解得到的高频信号，图5(d)为本征经验模态分解得到的本征模态函数IMF2，图5(e)为本征模态函数IMF2的瞬时频率w2，图5(f)为采用自适应存储式电子压力计测量方法得到的地层测试各阶段区分结果，对5组地层测试数据进行测量的测试结果如表2所示，与常规电子压力计数据量对比的结果如表3所示。
表2自适应存储算法施工作业阶段划分结果
表3自适应存储式电子压力计与常规电子压力计存储数据量对比
结合图5，从表2和表3中可知，本发明提出的一种自适应存储式电子压力计及测量方法，可由压力计自主识别所处施工作业阶段，实现了地层测试过程中对压力、温度信号的变频率采样、存储，在保证测量精度的前提下，将数据存储量降低为原来的50％以下，提高了存储空间有效数据利用率，降低了分析解释数据量和系统功耗。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明提供的自适应存储式电子压力计结构及测量方法，通过对压力计结构设计并研究基于小波包和经验模态分解的自适应存储算法，对地层测试过程中采集的压力、温度数据按照施工作业阶段进行划分，根据分类结果自主设定当前阶段的采样、存储频率，实现井下压力、温度数据的变频率采样和存储。
Claims (1)
1.一种自适应存储式电子压力计的测量方法，所述的自适应存储式电子压力计包括：传感器短接杆(101)、自适应存储短接杆(201)、外套筒(301)、悬挂转接头(401)、井下测量模块(100)、自适应存储模块(200)、电源管理模块(300)；其中传感器短接杆(101)为空心圆筒结构，下端呈圆锥形状，并且中部形成有与外界环境连通的小孔，内部用于放置井下测量模块(100)，上端与自适应存储短接杆(201)的下端通过5芯LEMO插头电气连接；自适应存储短接杆(201)为空心结构，内部用于放置自适应存储模块(200)和电源管理模块(300)，上端与悬挂转接头(401)的下端连接；外套筒(301)套在自适应存储短接杆(201)的外部，下端螺纹连接在传感器短接杆(101)的上端，内有密封圈，保证自适应存储短接杆(201)的抗压与密封，上端与悬挂转接头(401)的下端螺纹连接；井下测量模块(100)与自适应存储模块(200)连接，电源管理模块(300)与井下测量模块(100)和自适应存储模块(200)连接；
所述的井下测量模块(100)包括压力传感器(1001)和温度传感器(1002)，其中，所述压力传感器(1001)选用硅宝石不锈钢材料，所述温度传感器(1002)与所述压力传感器(1001)集成为一体；
所述自适应存储模块(200)包括信号调理单元(2001)、自适应处理单元(2002)、数据存储单元(2003)和数据通信单元(2004)，其中，自适应处理单元(2002)分别与信号调理单元(2001)、数据存储单元(2003)和数据通信单元(2004)连接，信号调理单元(2001)分别与压力传感器(1001)和温度传感器(1002)连接；
所述自适应处理单元(2002)选用PIC18F系列单片机及其外围电路搭建；所述数据存储单元(2003)选用一片或多片W25Q64芯片组成；
所述电源管理模块(300)采用高温锂电池，所述高温锂电池单节容量为5Ah，最大工作电流为30mA，根据入井时间和所述井下测量模块(100)与自适应存储模块(200)的功耗情况采用单节或多节高温锂电池串接的方式；
其特征在于：所述测量方法包括按顺序进行的下列步骤：
a100：自适应存储式电子压力计组装完毕，利用悬挂转接头(401)连接在管柱上，开启电源管理模块(300)，并在自适应处理单元(2002)上设置采样、存储频度，之后开始工作；
a101：自适应存储式电子压力计随管柱入井，利用井下测量模块(100)中的压力传感器(1001)和温度传感器(1002)测量所在位置附近的压力、温度信息，然后传送给信号调理单元(2001)，由信号调理单元(2001)对上述压力、温度信息进行隔离、滤波、放大、模数转换和存储；
a102：利用自适应处理单元(2002)读取所述信号调理单元(2001)中存储的压力、温度信息；
a103：自适应处理单元(2002)采用限幅平均滤波算法对压力、温度数据进行预处理，去除干扰和噪声；下一步分别转步骤a104和步骤a107；
a104：自适应处理单元(2002)对步骤a103预处理后的数据，选取Daubechies小波作为基小波，进行三层小波包分解；
a105：对第三层小波包分解系数进行重构，提取出各频带信号s3j；
a106：计算出各频带信号s3j的能量E3j并进行归一化处理后作为特征向量T1；下一步转步骤a110；
a107：利用自适应处理单元(2002)对步骤a103预处理后的数据进行本征模态分解，筛选得到各本征模态函数，从而将一个频率不规则的波转化为多个单一频率的波与余波的叠加；
a108：对上述本征模态函数进行Hilbert变换，得到Hilbert谱，即各本征模态函数对应的瞬时频率wh；
a109：对步骤a108得到的各本征模态函数对应的瞬时频率wh进行归一化处理，得到特征向量T2，下一步转步骤a110；
a110：以上述小波包和本征模态分解得到的特征向量T1和T2作为输入节点，各施工作业阶段作为输出节点，隶属度函数选用基于高斯函数的概率密度函数，建立基于贝叶斯策略的三层概率神经网络分类器；
a111：选择训练样本并输入三层概率神经网络分类器而对该分类器进行训练，计算出分类器系数；
a112：选择测试样本并输入三层概率神经网络分类器而对该分类器进行测试，最后输出分类结果，根据分类结果判断当前所处的施工作业阶段；
a113：根据步骤a112输出的结果判断自适应存储式电子压力计是否已从井中起出，若已经出井，转步骤a116，否则执行下一步骤a114；
a114：若工具尚未完成井下施工作业过程，则判断是否当前已处于一个新的施工作业阶段，若没有，则转步骤a101；否则执行下一步骤a115；
a115：若当前已处于一个新的施工作业阶段，需改变下一次采样、存储的频率，则根据步骤a112输出的当前所处的施工作业阶段，同时根据该施工作业阶段所预设的采样、存储频率重新设置自适应存储式电子压力计的采样、存储时间间隔，然后转步骤a101；
a116：结束，本次施工作业全部结束，自适应存储式电子压力计随管柱从井中起出，通过所述数据通信单元(2004)将所述数据存储单元(2003)中存储的压力、温度信息送入地面设备中进行后续分析、解释工作。
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