CN116816338A - 基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法，包括：通过三分量电子罗盘采集钻杆在Y、X和Z方向的振动信号，并将振动信号通过WIFI模块发送给监测主机处理，包括对监测到的振动信号采用短时傅里叶变换进行时频分析；对每个采样时间段t_n内的振动信号数据组进行方差、均方根、波峰因素和峭度指数分析；对每个采样时间段t_n内的振动信号数据组进行波峰因素和峭度指数分析；对振动信号分别采用小波包分解，计算小波包分解后重构信号的能量。本发明通过对振动信号分析得到的方差、均方根值、波峰因素和峭度等信号特征以及小波包分解后重构信号的能量实现了在钻探过程中对岩层界面与岩体结构特征的识别与区分。

Description

基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种随钻震源装置。

背景技术

钻孔取芯是地质勘探中常用的勘测手段，取芯完成后，技术人员通过人工编录的方法获取岩体结构特征，最终形成钻孔柱状图和地质勘察报告，这种方法由于岩芯数量多，耗费量时间久，人工编录的工作量相当庞大，需要的技术人员众多，并且在编录过程中，由于不同技术人员的经验不同，常常导致汇编出的结果出现偏差。若能从地质钻探数量庞大的钻孔施工过程中实时快速获得岩体结构特征等信息，无疑对地质勘探能力和水平的提升具有重要的意义。

研究发现，钻机钻头在钻进破岩过程中，钻杆会受到给进压力和钻机扭矩施加的作用力，同时还受到来自于岩层抵抗切削破碎的反作用力，钻机在钻孔作业时，依靠液压油缸提供的给进压力和旋转压力的共同作用破碎岩石。一般情况下，钻进岩层存在不均质性，在这些综合作用力的影响下，钻杆就会产生振动现象。钻杆在钻进不同硬度的岩层时，钻杆振动信号会发生变化，因此对振动信号进行监测和研究可以定性识别岩层的硬度和岩层界面。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法，以解决对钻杆振动信号的监测和利用监测到的钻杆振动信号对岩层界面及岩层硬度进行识别的技术问题。

本发明基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

I)将三分量电子罗盘安装在钻杆顶端的钻井液管接头上，所述三分量电子罗盘包括三向振动加速度传感器、与三向振动加速度传感器连接的控制板、与控制板连接的WIFI模块和与控制板连接的电源模块，通过三向振动加速度传感器采集钻杆在Y方向、X方向和Z方向的振动信号，Y方向为钻杆的轴向，X方向垂直于钻杆轴向，Z方向垂直于Y方向和X方向，控制板对三向振动加速度传感器采集的信号进行处理，并控制WIFI模块将处理后的振动信号发送给监测主机；

II)监测主机对接收到的振动信号进行如下处理：

a、对实时监测到的Y方向、X方向和Z方向的振动信号采用短时傅里叶变换进行时频分析：

式中，S(f,t)为进行短时傅里叶变换后的时频函数；f(τ)为振动信号的幅值；ω(τ-t)为短时分析窗口，τ为有限时间，，j∈Z，f为振幅；然后根据Y方向、X方向和Z方向的振动信号幅值f(τ)和与岩石硬度对应的参考幅值进行比较，定性分辨出当前钻遇岩石的硬度；

b、对每个采样时间段t_n内的Y方向、X方向和Z方向的振动信号数据组进行方差、均方根、波峰因素和峭度指数分析，公式如下：

1)方差

2)均方根值

以上公式中N表示时间采样点的数量，x_i表示一帧振动数据中第i个采样点的幅值，x表示一帧振动数据的N个采样点的振动幅值平均值，方差和均方根值反应振动信号的平均能量，将计算得到的方差σ和参考方差σ_ref进行比较，将计算得到的均方根x_r和参考均方根x_ref进行比较，若σ＞σ_ref且x_r＞x_ref，则判断当前采样时间段内钻遇岩层出现界面变化，否则钻遇岩层没有出现界面变化；

3)对每个采样时间段t_n内的Y方向、X方向和Z方向的振动信号数据组进行波峰因素和峭度指数分析，公式如下：

波峰因素

峭度

上式中|x_i|_max表示一帧振动数据的N个采样点中的最大振幅，x_rms一帧振动数据的波形有效值，波峰因素表示硬岩和软岩的差异程度，峭度指数表示硬岩和软岩的变化率，通过波峰因素和峭度判断当前钻遇岩层属于硬岩或软岩，以定性地对岩石性质进行分析。

4)对Y方向、X方向和Z方向的振动信号分别采用小波包分解，得到信号在每个频段的分辨率，小波包分解得到新的信号函数如下：

S＝S₃₀+S₃₁+S₃₂+S₃₃+S₃₄+S₃₅+S₃₆+S₃₇

上式中S表示原始信号；S₃₀,S₃₁,S₃₂,S₃₃,S₃₄,S₃₅,S₃₆和S₃₇分别表示重构小波包分解系数。

计算小波包分解后重构信号的能量，能量计算公式如下：

上式中S_ij(t)为分解后的重构信号，X_jk(t)表示重构信号的幅值，下标i表示小波包分解层数、j表示小波包分解对应的节点、k表示次数，n表示帧数，通过重构信号的能量E_ij进行岩层界面识别与岩体结构特征的识别与区分。

本发明的有益效果：

本发明基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法，其通过三分量电子罗盘采集钻杆在X、Y、Z三个方向上的振动信号，并对振动信号提取方差、均方根值、波峰因素和峭度等信号特征，还对振动信号进行小波包分解，并计算小波包分解后重构信号的能量，通过得到的方差、均方根值、波峰因素和峭度等信号特征以及小波包分解后重构信号的能量实现了在钻探过程中对岩层硬度及岩层界面进行定性识别。

附图说明

图1为三分量电子罗盘的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法包括以下步骤：

I)将三分量电子罗盘安装在钻杆顶端的钻井液管接头上，所述三分量电子罗盘包括三向振动加速度传感器1、与三向振动加速度传感器连接的控制板2、与控制板连接的WIFI模块3和与控制板连接的电源模块4，通过三向振动加速度传感器采集钻杆在Y方向、X方向和Z方向的振动信号，Y方向为钻杆的轴向，X方向垂直于钻杆轴向，Z方向垂直于Y方向和X方向，控制板对三向振动加速度传感器采集的信号进行处理，并控制WIFI模块将处理后的振动信号发送给监测主机5。

II)监测主机对接收到的振动信号进行如下处理：

a、对实时监测到的Y方向、X方向和Z方向的振动信号采用短时傅里叶变换进行时频分析：

式中，S(f,t)为进行短时傅里叶变换后的时频函数；f(τ)为振动信号的幅值；ω(τ-t)为短时分析窗口，τ为有限时间，，j∈Z，f为振幅；然后根据Y方向、X方向和Z方向的振动信号幅值f(τ)和与岩石硬度对应的参考幅值进行比较，定性分辨出当前钻遇岩石的硬度。

b、对每个采样时间段t_n内的Y方向、X方向和Z方向的振动信号数据组进行方差、均方根、波峰因素和峭度指数分析，公式如下：

1)方差

2)均方根值

以上公式中N表示时间采样点的数量，x_i表示一帧振动数据中第i个采样点的幅值，x表示一帧振动数据的N个采样点的振动幅值平均值，方差和均方根值反应振动信号的平均能量，将计算得到的方差σ和参考方差σ_ref进行比较，将计算得到的均方根x_r和参考均方根x_ref进行比较，若σ＞σ_ref且x_r＞x_ref，则判断当前采样时间段内钻遇岩层出现界面变化，否则钻遇岩层没有出现界面变化。

3)对每个采样时间段t_n内的Y方向、X方向和Z方向的振动信号数据组进行波峰因素和峭度指数分析，公式如下：

波峰因素

峭度

上式中|x_i|_max表示一帧振动数据的N个采样点中的最大振幅，x_rms一帧振动数据的波形有效值，波峰因素表示硬岩和软岩的差异程度，峭度指数表示硬岩和软岩的变化率，通过波峰因素和峭度判断当前钻遇岩层属于硬岩或软岩，以定性地对岩石性质进行分析。

4)对Y方向、X方向和Z方向的振动信号分别采用小波包分解，得到信号在每个频段的分辨率，小波包分解得到新的信号函数如下：

S＝S₃₀+S₃₁+S₃₂+S₃₃+S₃₄+S₃₅+S₃₆+S₃₇

上式中S表示原始信号；S₃₀,S₃₁,S₃₂,S₃₃,S₃₄,S₃₅,S₃₆和S₃₇分别表示重构小波包分解系数。

计算小波包分解后重构信号的能量，能量计算公式如下：

上式中S_ij(t)为分解后的重构信号，X_jk(t)表示重构信号的幅值，下标i表示小波包分解层数、j表示小波包分解对应的节点、k表示次数，n表示帧数，通过重构信号的能量E_ij进行岩层界面识别与岩体结构特征的识别与区分。

本实施例基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法，其通过三分量电子罗盘采集钻杆在X、Y、Z三个方向上的振动信号，并对振动信号提取方差、均方根值、波峰因素和峭度等信号特征，还对振动信号进行小波包分解，并计算小波包分解后重构信号的能量，通过得到的方差、均方根值、波峰因素和峭度等信号特征以及小波包分解后重构信号的能量实现了在钻探过程中对岩层硬度及岩层界面进行定性识别。在钻探过程中，可以根据对岩层硬度及岩层界面的定性识别结果，指导改变钻井参数，例如判断钻入硬质岩层时，可以减小进给速度，当判断钻入软质岩层时可以增大钻进速度，有利于提高钻探工作效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于三分量电子罗盘振动监测的随钻岩层识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

I)将三分量电子罗盘安装在钻杆顶端的钻井液管接头上，所述三分量电子罗盘包括三向振动加速度传感器、与三向振动加速度传感器连接的控制板、与控制板连接的WIFI模块和与控制板连接的电源模块，通过三向振动加速度传感器采集钻杆在Y方向、X方向和Z方向的振动信号，Y方向为钻杆的轴向，X方向垂直于钻杆轴向，Z方向垂直于Y方向和X方向，控制板对三向振动加速度传感器采集的信号进行处理，并控制WIFI模块将处理后的振动信号发送给监测主机；

II)监测主机对接收到的振动信号进行如下处理：

a、对实时监测到的Y方向、X方向和Z方向的振动信号采用短时傅里叶变换进行时频分析：

式中，S(f,t)为进行短时傅里叶变换后的时频函数；f(τ)为振动信号的幅值；ω(τ-t)为短时分析窗口，τ为有限时间，j∈Z，f为振幅；然后根据Y方向、X方向和Z方向的振动信号幅值f(τ)和与岩石硬度对应的参考幅值进行比较，定性分辨出当前钻遇岩石的硬度；

b、对每个采样时间段t_n内的Y方向、X方向和Z方向的振动信号数据组进行方差、均方根、波峰因素和峭度指数分析，公式如下：

1)方差

2)均方根值

以上公式中N表示时间采样点的数量，x_i表示一帧振动数据中第i个采样点的幅值，表示一帧振动数据的N个采样点的振动幅值平均值，方差和均方根值反应振动信号的平均能量，将计算得到的方差σ和参考方差σ_ref进行比较，将计算得到的均方根x_r和参考均方根x_ref进行比较，若σ＞σ_ref且x_r＞x_ref，则判断当前采样时间段内钻遇岩层出现界面变化，否则钻遇岩层没有出现界面变化，用以识别岩层界面；

3)对每个采样时间段t_n内的Y方向、X方向和Z方向的振动信号数据组进行波峰因素和峭度指数分析，公式如下：

波峰因素

峭度

上式中|x_i|_max表示一帧振动数据的N个采样点中的最大振幅，x_rms表示一帧振动数据的波形有效值，波峰因素表示硬岩和软岩的差异程度，峭度指数表示硬岩和软岩的变化率，通过波峰因素和峭度判断当前钻遇岩层属于硬岩或软岩，以定性地对岩石性质进行分析；

4)对Y方向、X方向和Z方向的振动信号分别采用小波包分解，得到信号在每个频段的分辨率，小波包分解得到新的信号函数如下：

S＝S₃₀+S₃₁+S₃₂+S₃₃+S₃₄+S₃₅+S₃₆+S₃₇

上式中S表示原始信号；S₃₀,S₃₁,S₃₂,S₃₃,S₃₄,S₃₅,S₃₆和S₃₇分别表示重构小波包分解系数；

计算小波包分解后重构信号的能量，能量计算公式如下：

上式中S_ij(t)为分解后的重构信号，X_jk(t)表示重构信号的幅值，下标i表示小波包分解层数、j表示小波包分解对应的节点、k表示次数，n表示帧数，通过重构信号的能量E_ij进行岩层界面识别与岩体结构特征的识别与区分。