CN109032961B - 一种井下振动冲击数据记录方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下振动冲击数据记录方法，包括：对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抽样存储处理和分析存储处理；其中抽样存储处理包括：多次抽样，输出采样率为fn的数字格式数据；将所述采样率为fn的数字格式数据连续存储至存储模块；分析存储处理包括：将述采样率为f1的数字格式数据缓存至内存中；对所述采样率为f1的数字格式数据进行分析，判断是否发生冲击事件，如果发生，则将当前内存中的数据存储至存储模块，然后跳回到缓存步骤；如果未发生，则直接跳回到缓存步骤。本发明所述振动冲击数据记录方法，可以有效降低数据存储量，同时又可以分析出振动和冲击数据特性。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探技术领域，尤其涉及一种井下振动冲击数据记录方法。
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，钻具的振动和冲击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和冲击特性的分析，也能够为后续研制设计具有高振动、高冲击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和冲击数据，主要采取以下方式：
对于冲击数据，井下数据采集记录单元不记录原始数据，而是实时分析处理后仅记录分析结果，如大冲击的量值、次数，这种记录方式所需存储空间较小。但由于不记录原始数据，因此无法得到原始数据来对井下钻进的冲击特性进行分析，也不能为后续设计提供参考依据。
对于振动数据，井下数据采集记录单元记录原始数据，以某一固定频率连续存储原始数据，这样可以得到大振动的量值、次数，也有原始数据用于后续分析。通常，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，对存储器的容量要求很高，尤其是能适应井下长时间高温(150℃乃至175℃)工作的存储器可选型号少，而且通常体积大、容量小，难以满足整个工作全程全部记录的要求和安装尺寸要求。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种井下振动冲击数据记录方法，能够有效地解决现有技术中对存储设备要求高的技术问题，通过本申请的一个实施例提供了一种振动冲击数据记录方法，其特征在于，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，同时对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样存储处理和分析存储处理；其中抽样存储处理包括：S2，对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样，并输出采样率为f2的数字格式数据；S3，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；S4，将所述采样率为fn的数字格式数据连续存储至存储模块；S5，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；其中分析存储处理包括：S6，将述采样率为f1的数字格式数据缓存至内存中；S7，对当前内存中缓存的所述采样率为f1的数字格式数据进行分析，得到当前的冲击状况；S8，对所述冲击状况进行分析，判断是否发生冲击事件，如果发生了冲击事件，则执行步骤S9；如果未发生冲击事件，则直接回到步骤S6；S9，将当前内存中的数据存储至存储模块，然后回到步骤S4。
优选的，还包括步骤在数据存储完成后，使用专门的数据读出程序读出数据。
优选的，所述模数转换通过24位高速模数转换器实现。
优选的，f1＝10KHz，f2＝1KHz。
优选的，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，所述抗混叠滤波的截止频率为0.5*f2。
优选的，所述冲击状况包括冲击量大小和冲击发生的时间。
优选的，判断是否发生冲击事件方法为冲击量的大小是否大于阈值A。
优选的，所述缓存数据的模式为：先进先出。
优选的，所述存储模块为高温大容量flash存储器。
与传统的连续存储格式相比，本发明实施例所述的井下振动冲击数据记录方法，通过产生2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，低采样率数据连续存储，高采样率数据则先缓存，在冲击发生时，存储冲击发生前后一段时间的数据，这样可以有效降低数据存储量，同时又可以分析出振动和冲击数据特性，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，尤其适用于地下环境温度、压力均较大，对设备性能要求极高的极深层钻探作业，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为本发明的一个实施例提供的一种振动冲击数据记录方法示意图。
图2为本发明的一个实施例提供的多种采样率数据存储时间示意图。
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。
钻井过程中产生的冲击信号具有频率高(可达几百甚至2kHz)，持续时间短的特征。若要分析其特性，根据数据采样定律，则采样频率必须要更高(至少是冲击信号频率的2倍)，而石油勘探领域的振动信号能量主要集中在100Hz以下，因此若用适于记录振动数据的低采样率来记录数据，则无法记录冲击信号的特性，因此本领域技术人员通常采用较高采样率记录冲击和振动信号，但这样就存在采样率过高，数据大量冗余，存储器难以容纳的问题。
根据本发明的一个实施例，提供了一种井下振动冲击数据记录方法，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。
在步骤S1完成后，分别对所述采样率为f1的数字格式数据进行两种处理，一种为抽样存储处理，包括步骤S2-S3，一种为分析存储处理，包括步骤S4-S7，这两种处理方式是同时并行处理的，没有先后之分，下面分别介绍。
S2，对采样率为f1的数字格式数据进行抽样，并输出采样率为f2的数字格式数据。
所述采样率为f2的数字格式数据主要用于分析设备的振动特性，优选的，f1>>f2。所述f2采样率的频率范围为500Hz-5kHz，针对石油勘探领域，优选的是1kHz，当采样率为1kHz时，得到的数字格式数据能够最大限度的保留原始模拟数据所包含的振动信息，同时相比于直接连续存储采样率为f1的数字格式数据，极大的降低了数据量。
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。
S3，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。
S4，将所述采样率为fn的数字格式数据连续存储至存储模块。
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大容量flash存储器。
S5，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。
到此，对所述采样率为f1的数字格式数据进行的抽样存储处理完成，下面介绍分析存储处理部分，包括步骤S6-S9。
S6，将述采样率为f1的数字格式数据缓存至内存中。
在本发明的一个实施例中，所述内存可缓存时间长度tb的数据，所述缓存数据的模式为：先进先出。这样就能保证在内存中总是缓存有最新的数据。
S7，对当前内存中缓存的所述采样率为f1的数字格式数据进行分析，得到当前的冲击状况。
在本发明的一个实施例中，所述冲击状况包括冲击量大小和冲击发生的时间。优选的，所述数据分析在单片机、MCU、DSP或FPGA中实现。
S8，对所述冲击状况进行分析，判断是否发生冲击事件，如果发生冲击事件，则执行步骤S9；如果未发生冲击事件，则直接回到步骤S6。
S9，将当前内存中的数据存储至存储模块，然后回到步骤S4。
在本发明的一个实施例中，判断是否发生冲击事件方法为冲击量的大小是否大于阈值A。
在本发明的一个实施例中，为了节省存储空间，当检测到冲击事件发生后，并非将内存中的全部数据均存储至存储模块，而是设定时间tc，将内存中冲击事件发生前后的tc时间内的数据存储至存储模块，优选的，tc小于等于tb。采用这种存储模式，进一步降低了无效数据的数量。
在本发明的一个实施例中，还包括步骤S10，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。
与传统的连续存储格式相比，本发明实施例所述的井下振动冲击数据记录方法，通过产生2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，低采样率数据连续存储，高采样率数据则先缓存，在冲击发生时，存储冲击发生前后一段时间的数据，这样可以有效降低数据存储量，同时又可以分析出振动和冲击数据特性，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，尤其适用于地下环境温度、压力均较大，对设备性能要求极高的极深层钻探作业，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)
1.一种井下振动冲击数据记录方法，其特征在于，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，同时对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样存储处理和分析存储处理；
其中抽样存储处理包括：
S2，对所述采样率为f1的数字格式数据进行抽样，并输出采样率为f2的数字格式数据；
S3，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；
S4，将所述采样率为fn的数字格式数据连续存储至存储模块；
S5，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；
其中分析存储处理包括：
S6，将述采样率为f1的数字格式数据缓存至内存中；
S7，对当前内存中缓存的所述采样率为f1的数字格式数据进行分析，得到当前的冲击状况；
S8，对所述冲击状况进行分析，判断是否发生冲击事件，如果发生了冲击事件，则执行步骤S9；如果未发生冲击事件，则直接回到步骤S6；
S9，将当前内存中的数据存储至存储模块，然后回到步骤S6。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤S10，在数据存储完成后，使用专门的数据读出程序读出数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述模数转换通过24位高速模数转换器实现。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，f1＝10KHz，f2＝1KHz。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述抗混叠滤波的截止频率为0.5*f2。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冲击状况包括冲击量大小和冲击发生的时间。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，判断是否发生冲击事件方法为冲击量的大小是否大于阈值A。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缓存数据的模式为：先进先出。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述存储模块为高温大容量flash存。
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