CN117052380A - 一种无线压力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线压力测量装置及方法，装置包括相互通讯连接的井下数据采集系统和井口数据接收系统，井下数据采集系统包括依次连接的信号采集模块、信号调理模块、第一信号处理模块、功放模块和发射端天线；井口数据接收系统包括相互连接的第二信号处理模块和接收端天线，本发明利用电磁波传输方式采集地层的压力信号，可以不受泥浆的影响，从而获得更高的传输速度，解决了现场布线及连接繁琐的问题，同时降低了系统功耗和成本，提高了生产效率和管理水平，本明发将一组数字压力信号中误差信号进行快速分离，并通过样条插值法插样新的数字压力信号，保证计算最终的数字压力信号的低噪声和稳定性，解决采集数据不可靠的问题。

Description

一种无线压力测量装置及方法

技术领域

本发明属于油田勘探技术领域，具体涉及一种无线压力测量装置及方法。

背景技术

我国部分油田现场的数据采集工作大多是通过人工巡查的方式进行生产和管理，巡查人员需要每天定时巡查钻井泵，抽油机等设备的油压，套压，液压等参数，如果发现不工作或设备参数异常，则立即停机，由于人工巡查的次数有限，相关故障得不到及时发现和处理，不能提前预知设备参数的状态。在油田钻井现场进行井控装备检验时，目前所使用的压力测试仪均为有线形式，在复杂工况环境下进行布线，不仅布线繁琐还极易造成安全隐患，并且有线式的结构存在着传送距离受限制、现场布线及连接繁琐的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种无线压力测量装置及方法解决了地下层压力数据采集布线复杂且采集数据不可靠的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种无线压力测量装置，包括相互通讯连接的井下数据采集系统和井口数据接收系统；

其中，所述井下数据采集系统包括依次连接的信号采集模块、信号调理模块、第一信号处理模块、功放模块和发射端天线；

所述井口数据接收系统包括相互连接的第二信号处理模块和接收端天线；

所述信号采集模块用于采集地下层的压力信号，所述信号调理模块用于调理采集的压力信号，得到数字压力信号，所述第一信号处理模块用于处理数字压力信号，得到电磁信号，所述功放模块用于将电磁信号进行功率放大，所述发射端天线用于发射电磁信号；

所述接收端天线用于接收电磁信号，所述第二信号处理模块用于处理电磁信号，得到数字压力信号。

进一步地：所述信号采集模块设置有若干压力传感器；

所述信号调理模块设置有相互连接的仪表放大器和第一ADC芯片，所述仪表放大器与所述压力传感器连接；

所述第一信号处理模块包括依次连接的DAC芯片、放大器和四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块，所述DAC芯片还与所述第一ADC芯片连接；

所述功放模块包括相互连接的微处理器和功放芯片，所述微处理器还与所述四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块连接；

所述发射端天线包括相互连接的信号发射电路和螺旋线圈天线，所述信号发射电路还与所述功放芯片连接。

进一步地：所述信号发射电路包括接地电容C1、极性电容C2、电容C3、接地电容C4、电容C5、电容C6、接地电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、带铁芯电感L1、电感L2、电感L3、NPN型三极管Q1、NPN型三极管Q2、NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4；所述信号发射电路的输入端与所述微处理器连接，所述信号发射电路的输出端与所述发射端天线连接；

其中，所述极性电容C2的负极作为信号发射电路的输入端，所述极性电容C2的正极分别与所述电阻R1的一端和NPN型三极管Q1的基极连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R2的一端、电容C3的一端和NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q1的发射极接地；所述电阻R2的另一端分别与所述接地电容C1、电阻R5的一端、NPN型三极管Q2的集电极、电容C9的一端、电感L2的一端、电容C11的一端、电感L3的一端和VCC电源连接；所述电容C3的另一端与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与所述电容C5的一端、接地电阻R4、电阻R5的另一端、电容C6的一端和NPN型三极管Q2的基极连接，所述电容C5的另一端分别与所述带铁芯电感L1的一端和接地电容C4连接，所述带铁芯电感L1的另一端接地；所述电容C6的另一端分别与所述接地电容C7、NPN型三极管Q2的发射极、接地电阻R6和电容C8的一端连接，所述电容C8另一端分别与所述电阻R7的一端和NPN型三极管Q3的基极连接，所述电阻R7的另一端分别与所述电容C9的另一端、电感L2的另一端、NPN型三极管Q3的集电极和电容C10的一端连接，所述NPN型三极管Q3的发射极接地，所述电容C10的另一端分别与所述电阻R8的一端和NPN型三极管Q4的基极连接，所述NPN型三极管Q4的发射极接地，所述电阻R8的另一端分别与所述电容C11的另一端、电感L3的另一端、NPN型三极管Q4的集电极和电容C12的一端连接，所述电容C12的另一端作为所述信号发射电路的输出端。

进一步地：所述第二信号处理模块包括依次连接的信号放大子模块、滤波子模块、第二ADC芯片和数字处理子模块；

所述接收端天线具体为电气绝缘的天线。

一种无线压力测量装置的方法，方法包括以下步骤：

S1、通过信号采集模块采集地下层的检测信号，并将地下层的检测信号依次输入至信号调理模块和第一信号处理模块，得到设定频率下的电磁信号；

S2、将电磁信号输入功放模块进行功率放大，通过发射端天线发射功率放大的电磁信号；

S3、通过接收端天线接收发射端天线发射的电磁信号，并将接收的电磁信号发送至第二信号处理模块，得到数字压力信号；

S4、对数字压力信号进行处理，得到最终的数字压力信号。

进一步地：所述步骤S1具体为：

S11、通过信号采集模块采集地下层的压力信号，并将其发送至信号调理模块；

S12、通过信号调理模块对压力信号进行放大和模数转换，生成调理后的数字压力信号；

S13、将数字压力信号依次通过DAC芯片和放大器发送至四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块，通过四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块筛选目标的频率范围，得到设定频率下的电磁信号。

进一步地：所述步骤S2中，发射端天线的发射信号的方法具体为：

使与发射端天线连接的信号发射电路通过调谐匹配，将电磁信号发射。

进一步地：所述S3具体为：

通过接收端天线接收发射端天线发射的电磁信号，将电磁信号通过放大子模块放大信号功率，并通过滤波子模块筛选电磁信号的有效频率范围，得到数字压力信号。

进一步地：所述S4包括以下步骤：

S41、获取一组数字压力信号，计算每个时刻的数字压力信号与前一时刻的数字压力信号的差值，若差值大于误差阈值，则删除该时刻的数字压力信号，并根据样条插值法计算新的该时刻的数字压力信号，得到一组初步有效的数字压力信号；

S42、将一组初步有效的数字压力信号输入神经网络模型，得到最终的数字压力信号。

进一步地：所述S42中，神经网络模型具体为LSTM网络，所述LSTM网络得到最终的数字压力信号的表达式具体为：

式中，为t时刻的数字压力信号，/>为t-c时刻的数字压力信号，为t+c时刻的数字压力信号；

所述神经网络模型的损失函数具体为：

式中，为无穷小，/>为神经网络模型的学习率，/>为数字压力信号的标准差，M为数字压力信号采样总时长。

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供了一种无线压力测量装置与方法，利用电磁波传输方式采集地层的压力信号，可以不受泥浆的影响，从而获得更高的传输速度，解决了现场布线及连接繁琐的问题，同时降低了系统功耗和成本，提高了生产效率和管理水平。

（2）本发明的一种无线压力测量方法可以实现对一组数字压力信号进行处理，将一组数字压力信号中误差信号进行快速分离，并通过样条插值法插样新的数字压力信号，从而保证计算最终的数字压力信号的低噪声和稳定性，解决采集数据不可靠的问题。

附图说明

图1为本发明一种无线压力测量装置的系统框图。

图2为本发明信号发射电路的原理图。

图3为本发明一种无线压力测量方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种无线压力测量装置，包括相互通讯连接的井下数据采集系统和井口数据接收系统；

其中，所述井下数据采集系统包括依次连接的信号采集模块、信号调理模块、第一信号处理模块、功放模块和发射端天线；

所述井口数据接收系统包括相互连接的第二信号处理模块和接收端天线；

所述信号采集模块用于采集地下层的压力信号，所述信号调理模块用于调理采集的压力信号，得到数字压力信号，所述第一信号处理模块用于处理数字压力信号，得到电磁信号，所述功放模块用于将电磁信号进行功率放大，所述发射端天线用于发射电磁信号；

所述接收端天线用于接收电磁信号，所述第二信号处理模块用于处理电磁信号，得到数字压力信号。

在本实施例中，第一信号处理模块选用MSP430 系列单片机，其能实现大运算能力的同时仅需要低功耗，并且还降低了系统成本，功放模块可以有效地将地下的电磁信号进行功率放大，并利用电流激励发射端天线，将处理好的信号向外发射。

所述信号采集模块设置有若干压力传感器；

在本实施例中，压力传感器采集的压力信号带有共模干扰和带外噪声，通过仪表放大器对压力传感器采集的压力信号进行调理，仪表放大器采用AD620 型号的运放芯片，能够实现2.3V~18V 的宽电源电压范围，拥有较好的共模抑制比，还能有效地去除信号噪声。其工作温度范围-55~125℃，能够适应高温环境下的地下层工作。

所述信号调理模块设置有相互连接的仪表放大器和第一ADC芯片，所述仪表放大器与所述压力传感器连接；

所述第一信号处理模块包括依次连接的DAC芯片、放大器和四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块，所述DAC芯片还与所述第一ADC芯片连接；

所述功放模块包括相互连接的微处理器和功放芯片，所述微处理器还与所述四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块连接；

所述发射端天线包括相互连接的信号发射电路和螺旋线圈天线，所述信号发射电路还与所述功放芯片连接。

如图2所示，所述信号发射电路包括接地电容C1、极性电容C2、电容C3、接地电容C4、电容C5、电容C6、接地电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、带铁芯电感L1、电感L2、电感L3、NPN型三极管Q1、NPN型三极管Q2、NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4；所述信号发射电路的输入端与所述微处理器连接，所述信号发射电路的输出端与所述发射端天线连接；

其中，所述极性电容C2的负极作为信号发射电路的输入端，所述极性电容C2的正极分别与所述电阻R1的一端和NPN型三极管Q1的基极连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R2的一端、电容C3的一端和NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q1的发射极接地；所述电阻R2的另一端分别与所述接地电容C1、电阻R5的一端、NPN型三极管Q2的集电极、电容C9的一端、电感L2的一端、电容C11的一端、电感L3的一端和VCC电源连接；所述电容C3的另一端与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与所述电容C5的一端、接地电阻R4、电阻R5的另一端、电容C6的一端和NPN型三极管Q2的基极连接，所述电容C5的另一端分别与所述带铁芯电感L1的一端和接地电容C4连接，所述带铁芯电感L1的另一端接地；所述电容C6的另一端分别与所述接地电容C7、NPN型三极管Q2的发射极、接地电阻R6和电容C8的一端连接，所述电容C8另一端分别与所述电阻R7的一端和NPN型三极管Q3的基极连接，所述电阻R7的另一端分别与所述电容C9的另一端、电感L2的另一端、NPN型三极管Q3的集电极和电容C10的一端连接，所述NPN型三极管Q3的发射极接地，所述电容C10的另一端分别与所述电阻R8的一端和NPN型三极管Q4的基极连接，所述NPN型三极管Q4的发射极接地，所述电阻R8的另一端分别与所述电容C11的另一端、电感L3的另一端、NPN型三极管Q4的集电极和电容C12的一端连接，所述电容C12的另一端作为所述信号发射电路的输出端。

基于本发明的发射端天线的电路结构，可以更好地将放大后的信号向外发射。

所述第二信号处理模块包括依次连接的信号放大子模块、滤波子模块、第二ADC芯片和数字处理子模块；

所述接收端天线具体为电气绝缘的天线。

在本实施例中，信号放大子模块可以设置ADA848-2芯片或者OPA281芯片；滤波子模块设置AD8676的四阶巴特沃兹低通滤波电路以及AD8639的四阶巴特沃兹高通滤波电路；数字处理子模块包括数据采集电路、DSP、FPGA和串口通信电路，第二ADC芯片选用高精度24 位的 A/D 转换芯片 ADS124S08。

如图3所示，一种无线压力测量装置的方法，方法包括以下步骤：

S1、通过信号采集模块采集地下层的检测信号，并将地下层的检测信号依次输入至信号调理模块和第一信号处理模块，得到设定频率下的电磁信号；

S2、将电磁信号输入功放模块进行功率放大，通过发射端天线发射功率放大的电磁信号；

S3、通过接收端天线接收发射端天线发射的电磁信号，并将接收的电磁信号发送至第二信号处理模块，得到数字压力信号；

S4、对数字压力信号进行处理，得到最终的数字压力信号。

所述步骤S1具体为：

S11、通过信号采集模块采集地下层的压力信号，并将其发送至信号调理模块；

S12、通过信号调理模块对压力信号进行放大和模数转换，生成调理后的数字压力信号；

S13、将数字压力信号依次通过DAC芯片和放大器发送至四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块，通过四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块筛选目标的频率范围，得到设定频率下的电磁信号。

所述步骤S2中，发射端天线的发射信号的方法具体为：

使与发射端天线连接的信号发射电路通过调谐匹配，将电磁信号发射。

所述S3具体为：

通过接收端天线接收发射端天线发射的电磁信号，将电磁信号通过放大子模块放大信号功率，并通过滤波子模块筛选电磁信号的有效频率范围，得到数字压力信号。

所述S4包括以下步骤：

S41、获取一组数字压力信号，计算每个时刻的数字压力信号与前一时刻的数字压力信号的差值，若差值大于误差阈值，则删除该时刻的数字压力信号，并根据样条插值法计算新的该时刻的数字压力信号，得到一组初步有效的数字压力信号；

S42、将一组初步有效的数字压力信号输入神经网络模型，得到最终的数字压力信号。

在本实施例中，无线压力测量装置工作在地下复杂环境中，会受到高噪、高温、高压等因素的影响，导致仪器可靠性和稳定性降低，测量的数字压力信号可能存在误差，本发明考虑压力传感器输出信号在地下环境的噪声干扰，将第二信号处理模块得到的数字压力信号进行处理，输入神经网络模型，得到低噪声且稳定的数字压力信号。

所述S42中，神经网络模型具体为LSTM网络，所述LSTM网络得到最终的数字压力信号的表达式具体为：

式中，为t时刻的数字压力信号，/>为t-c时刻的数字压力信号，为t+c时刻的数字压力信号；

本发明通过采集一个时间段中的数字压力信号，并对数字压力信号进行删除和样条差值，得到初步有效的数字压力信号，将初步有效的数字压力信号输入神经网络模型，直接根据初步有效的数字压力信号做出决策，得到最终的数字压力信号，其考虑到了t时刻的数字压力信号在该时间段的变化，使得计算结果更准确，逼近真实值。

所述神经网络模型的损失函数具体为：

式中，为无穷小，/>为神经网络模型的学习率，/>为数字压力信号的标准差，M为数字压力信号采样总时长。

本发明的损失函数由数字压力信号决定，简单易实现。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种无线压力测量装置与方法，利用电磁波传输方式采集地层的压力信号，可以不受泥浆的影响，从而获得更高的传输速度，解决了现场布线及连接繁琐的问题，同时降低了系统功耗和成本，提高了生产效率和管理水平。

本发明的一种无线压力测量方法可以实现对一组数字压力信号进行处理，将一组数字压力信号中误差信号进行快速分离，并通过样条插值法插样新的数字压力信号，从而保证计算最终的数字压力信号的低噪声和稳定性，解决采集数据不可靠的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (10)

1.一种无线压力测量装置，其特征在于，包括相互通讯连接的井下数据采集系统和井口数据接收系统；

其中，所述井下数据采集系统包括依次连接的信号采集模块、信号调理模块、第一信号处理模块、功放模块和发射端天线；

所述井口数据接收系统包括相互连接的第二信号处理模块和接收端天线；

所述信号采集模块用于采集地下层的压力信号，所述信号调理模块用于调理采集的压力信号，得到数字压力信号，所述第一信号处理模块用于处理数字压力信号，得到电磁信号，所述功放模块用于将电磁信号进行功率放大，所述发射端天线用于发射电磁信号；

所述接收端天线用于接收电磁信号，所述第二信号处理模块用于处理电磁信号，得到数字压力信号。

2.根据权利要求1所述的无线压力测量装置，其特征在于，所述信号采集模块设置有若干压力传感器；

所述信号调理模块设置有相互连接的仪表放大器和第一ADC芯片，所述仪表放大器与所述压力传感器连接；

所述第一信号处理模块包括依次连接的DAC芯片、放大器和四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块，所述DAC芯片还与所述第一ADC芯片连接；

所述功放模块包括相互连接的微处理器和功放芯片，所述微处理器还与所述四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块连接；

所述发射端天线包括相互连接的信号发射电路和螺旋线圈天线，所述信号发射电路还与所述功放芯片连接。

3.根据权利要求2所述的无线压力测量装置，其特征在于，所述信号发射电路包括接地电容C1、极性电容C2、电容C3、接地电容C4、电容C5、电容C6、接地电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、电阻R7、电阻R8、带铁芯电感L1、电感L2、电感L3、NPN型三极管Q1、NPN型三极管Q2、NPN型三极管Q3和NPN型三极管Q4；所述信号发射电路的输入端与所述微处理器连接，所述信号发射电路的输出端与所述发射端天线连接；

其中，所述极性电容C2的负极作为信号发射电路的输入端，所述极性电容C2的正极分别与所述电阻R1的一端和NPN型三极管Q1的基极连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电阻R2的一端、电容C3的一端和NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q1的发射极接地；所述电阻R2的另一端分别与所述接地电容C1、电阻R5的一端、NPN型三极管Q2的集电极、电容C9的一端、电感L2的一端、电容C11的一端、电感L3的一端和VCC电源连接；所述电容C3的另一端与所述电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端分别与所述电容C5的一端、接地电阻R4、电阻R5的另一端、电容C6的一端和NPN型三极管Q2的基极连接，所述电容C5的另一端分别与所述带铁芯电感L1的一端和接地电容C4连接，所述带铁芯电感L1的另一端接地；所述电容C6的另一端分别与所述接地电容C7、NPN型三极管Q2的发射极、接地电阻R6和电容C8的一端连接，所述电容C8另一端分别与所述电阻R7的一端和NPN型三极管Q3的基极连接，所述电阻R7的另一端分别与所述电容C9的另一端、电感L2的另一端、NPN型三极管Q3的集电极和电容C10的一端连接，所述NPN型三极管Q3的发射极接地，所述电容C10的另一端分别与所述电阻R8的一端和NPN型三极管Q4的基极连接，所述NPN型三极管Q4的发射极接地，所述电阻R8的另一端分别与所述电容C11的另一端、电感L3的另一端、NPN型三极管Q4的集电极和电容C12的一端连接，所述电容C12的另一端作为所述信号发射电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的无线压力测量装置，其特征在于，所述第二信号处理模块包括依次连接的信号放大子模块、滤波子模块、第二ADC芯片和数字处理子模块；

所述接收端天线具体为电气绝缘的天线。

5.一种根据权利要求1~4任一所述的无线压力测量装置的无线压力测量方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

S1、通过信号采集模块采集地下层的检测信号，并将地下层的检测信号依次输入至信号调理模块和第一信号处理模块，得到设定频率下的电磁信号；

S2、将电磁信号输入功放模块进行功率放大，通过发射端天线发射功率放大的电磁信号；

S3、通过接收端天线接收发射端天线发射的电磁信号，并将接收的电磁信号发送至第二信号处理模块，得到数字压力信号；

S4、对数字压力信号进行处理，得到最终的数字压力信号。

6.根据权利要求5所述的无线压力测量方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11、通过信号采集模块采集地下层的压力信号，并将其发送至信号调理模块；

S12、通过信号调理模块对压力信号进行放大和模数转换，生成调理后的数字压力信号；

S13、将数字压力信号依次通过DAC芯片和放大器发送至四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块，通过四阶巴特沃兹高通与低通电路滤波子模块筛选目标的频率范围，得到设定频率下的电磁信号。

7.根据权利要求5所述的无线压力测量方法，其特征在于，所述步骤S2中，发射端天线的发射信号的方法具体为：

使与发射端天线连接的信号发射电路通过调谐匹配，将电磁信号发射。

8.根据权利要求5所述的无线压力测量方法，其特征在于，所述S3具体为：

通过接收端天线接收发射端天线发射的电磁信号，将电磁信号通过放大子模块放大信号功率，并通过滤波子模块筛选电磁信号的有效频率范围，得到数字压力信号。

9.根据权利要求5所述的无线压力测量方法，其特征在于，所述S4包括以下步骤：

S41、获取一组数字压力信号，计算每个时刻的数字压力信号与前一时刻的数字压力信号的差值，若差值大于误差阈值，则删除该时刻的数字压力信号，并根据样条插值法计算新的该时刻的数字压力信号，得到一组初步有效的数字压力信号；

S42、将一组初步有效的数字压力信号输入神经网络模型，得到最终的数字压力信号。

10.根据权利要求9所述的无线压力测量方法，其特征在于，所述S42中，神经网络模型具体为LSTM网络，所述LSTM网络得到最终的数字压力信号的表达式具体为：

式中，为t时刻的数字压力信号，/>为t-c时刻的数字压力信号，/>为t+c时刻的数字压力信号；

所述神经网络模型的损失函数具体为：

式中，为无穷小，/>为神经网络模型的学习率，/>为数字压力信号的标准差，M为数字压力信号采样总时长。