一种多参数随钻测量信息地面接收系统及方法与流程

本发明涉及一种随钻测量系统及方法，特别涉及一种多参数随钻测量信息地面接收系统及方法。

背景技术：

随着油田勘探的不断深入，油藏的开采难度也越来越大，特别是老油区的开发越来越困难，为了进一步提高开采效率，提高油层的钻遇率，地质导向钻井技术得到推广应用。现在可供规模开采的整装油田已经为数不多，难动用剩余储量以“薄、稠、低、断、深、边、小”油藏和区块为主，几乎全是超稠油、特稠油、低渗透、复杂断块、深层、复杂岩性油藏等特殊类型油藏，开发难度极大。由于在老油区中，难动用油藏面积广，剩余储量丰富，因而老油区难动用储量剩余油藏的开发利用成为油田稳产增效的关键所在，需要大力推广水平井综合地质导向技术以提高油层的钻遇率，提高石油的开采效率。

在随钻地质导向测量系统中，通常需要同时测量多个地质和工程参数，包括测量点的电阻率、伽马、环空压力、管内压力、井斜、方位、工具面、温度等，这就需要地面接收系统增强对多参数测量的时效性和可靠性，同时随着钻探深度的不断增加，地面接收到的钻井液脉冲信号变为弱信号，使得地面接收系统需要满足在深井等弱信号存在的情况下进行工作。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种多参数随钻测量信息地面接收系统及方法，可有效解决复杂噪声信号和钻探深度等因素造成的井下多测量参数信号的采集和识别问题，可实现高噪环境下的弱信号接收和综合数据处理。

其技术方案是：包括采集模块、信号预处理模块、模数转换模块、电源模块、测量仪器测试设置模块、主控模块、工控机，采集模块连接到信号预处理模块，信号预处理模块连接到模数转换模块，模数转换模块连接到主控模块，主控模块上部连接tft显示屏，主控模块的右侧连接工控机，工控机下部连接测量仪器测试设置模块，测量仪器测试设置模块的下部连接井下仪器，测量仪器测试设置模块的左侧连接到电源，采集模块、信号预处理模块、模数转换模块和主控模块分别连接到电源模块。

优选的，采集模块包括压力传感器、钩载传感器、深度传感器和安全隔离栅，压力传感器、钩载传感器、深度传感器与安全隔离栅并联，压力传感器采集原始脉冲信号，钩载传感器和深度传感器采集悬重的变化及跟踪深度，安全隔离栅实现采集模块的防爆功能，经过安全栅的电流信号进入地面接口箱中。

优选的，信号预处理模块包括电流电压转换器、滤波模块、信号放大器、电流电压转换连接到滤波模块，滤波模块连接到信号放大器，信号经过电流电压转换器转换，滤波模块为编程开关电容滤波器max260，低通滤波截止频率设置为5hz，信号放大器为lt5400放大器，与滤波模块配合使用。

优选的，模数转换模块为有效采样位数12位的ad7864模数转换，最大转换时间1.65μs，满足0-5v配置，电源模块脉冲宽度为(pwm)式24v120w电源。

优选的，测量仪器测试设置模块通过总线通信实现对随钻井下仪器测试与设置，包括脉冲器控制模块、探管、电阻率与伽马短节。

优选的，主控模块为“ep3c5e144c8+tms320f2812”的控制架构，用32位的锁存器和32位寄存器存放数据，tms320f2812发送采集和锁存的控制命令，完成与ep3c5e144c8之间的spi通信，主控模块与工控机通信，实现信号处理模块所需数据的传输，主控模块与远程司钻显示器通信，实现远程司显功能，钩载传感器和深度传感器采集大钩载荷及深度的变化，主控模块进行数据处理，通过钩载和深度数据的变化得到随钻深度。

优选的，接口箱通过第一压力传感器接口和第二压力传感器接口采集钻井液脉冲信号，通过钩载传感器接口采集大钩载荷信号，通过第一井深接口和第二井深接口采集井深数据，通过中控读写接口实现电阻率伽马仪器测试设置，通过远程司显接口实现远程司显功能，通过司显接口实现司显功能，通过第一com口和usb口与工控机通讯，通过第二com口实现对定向探管的测试设置。

本发明提到的一种多参数随钻测量信息地面接收系统的方法为：

工控机通过与接口箱连接，实现信号处理和仪器测试设置，信号预处理模块采用基于经验模态分解（emd）的小波熵去噪和基于特征匹配的多比特识别方法实现，基于经验模态分解（emd）的小波熵去噪方法可在更精细的尺度上达到去噪，步骤1利用emd对测量信号进行分解，分解出８个频率从高到低的imf分量和和１个残余分量，并选用symlet小波函数symn(n=4，…，8)作为基函数；步骤2对imf分量多尺度小波分解，得到各尺度细节系数和近似系数；步骤3利用小波包阈值去噪方法将含噪imf1~imf5分量中的噪声去除，取小波熵值最大的一个区间的高频小波系数平均值作为该尺度的噪声方差，代入公式，得到该尺度对应的阈值；再利用公式，对新的细节系数进行阈值量化处理，得到近似高频小波系数，与步骤2分解得到的最高层近似系数重构得到去噪后的imf分量；步骤4：再次运用emd方法将经小波熵阈值去噪后的imf分量重构信号，得到去噪后的信号。

优选的，基于特征匹配的多比特识别方法，在一个比特周期内信号的由高到低的跳变为1，而由低到高的跳变为0，多比特信号特征的建立即将单比特的信号特征进行组合，通过计算待测信号与标准信号之间模式相似度来进行多比特信号的识别，采用相似度优先原则确定待测信号与标准特征之间的相似性，利用角度相似性函数测量方法来识别多比特周期的钻井液脉冲信号，定义两个向量，，模式相似度为，在多比特周期的波形识别中，标准特征模型的特征向量为x，经过实时采集滤波之后的钻井液脉冲数据的特征向量为y，根据公式进行相应相似度的计算，式中，，。

本发明的有益效果是：本发明可有效解决复杂噪声信号和钻探深度等因素造成的井下多测量参数信号的采集和识别问题，可实现高噪环境下的弱信号接收和综合数据处理。本发明的主要优点是：提供了一种多参数随钻测量信息地面接收系统，该系统通过模块化设计实现防爆接口箱的功能集成，针对弱信号采用lt5400放大器与低通滤波器max260联合使用，保证较小的匹配误差，ad7864高速低耗模数转换和低纹波电源模块保证较低电路系统干扰，主控模块采用“ep3c5e144c8+tms320f2812”的控制架构，提高了采集原始信号特征的精度，保证基于信号特征识别的精度，实现了tft显示屏数显钩载、井深和信号波形，采用基于经验模态分解（emd）的小波熵算法和基于特征匹配的多比特识别方法，实现了高噪环境下的弱信号接收和综合数据处理。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是本发明的信号预处理与模数转换原理示意图；

图3是本发明的中控模块结构原理示意图；

图4是本发明的接口箱接口连接示意图；

图5是本发明的原始信号与消噪信号对比图；

图6是本发明的多比特信号识别结果图；

图中：采集模块1、信号预处理模块2、模数转换模块3、电源模块4、测量仪器测试设置模块5、主控模块6、工控机7、压力传感器8、钩载传感器9、深度传感器10、安全隔离栅11、井下仪器12、tft显示屏13、电流电压转换器14、滤波模块15、信号放大器16、远程司钻显示器17、接口箱18、第一压力传感器接口19、第二压力传感器接口20、钩载传感器接口21、第一井深接口22、第二井深接口23、中控读写接口24、远程司显接口25、司显接口26、第一com口27、usb口28、第二com口29。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明包括采集模块1、信号预处理模块2、模数转换模块3、电源模块4、测量仪器测试设置模块5、主控模块6、工控机7，采集模块1连接到信号预处理模块2，信号预处理模块2连接到模数转换模块3，模数转换模块3连接到主控模块6，主控模块6上部连接tft显示屏13，主控模块6的右侧连接工控机7，工控机7下部连接测量仪器测试设置模块5，测量仪器测试设置模块5的下部连接井下仪器12，测量仪器测试设置模块5的左侧连接到电源，采集模块1、信号预处理模块2、模数转换模块3和主控模块6分别连接到电源模块4。

如图1所示，采集模块1包括压力传感器8、钩载传感器9、深度传感器10和安全隔离栅11，压力传感器8、钩载传感器9、深度传感器10与安全隔离栅11并联，压力传感器8采集原始脉冲信号，钩载传感器9和深度传感器10采集悬重的变化及跟踪深度，安全隔离栅11实现采集模块的防爆功能，经过安全栅的电流信号进入地面接口箱中。

如图1所示，测量仪器测试设置模块5通过总线通信实现对随钻井下仪器测试与设置，包括脉冲器控制模块、探管、电阻率与伽马短节。

如图1所示，主控模块与tft显示屏13通讯实现数显钩载、井深和信号波形。

如图2所示，信号预处理模块2包括电流电压转换器14、滤波模块15、信号放大器16、电流电压转换14连接到滤波模块15，滤波模块15连接到信号放大器16，信号经过电流电压转换器14转换，滤波模块15为编程开关电容滤波器max260，低通滤波截止频率设置为5hz，信号放大器16为lt5400放大器，与滤波模块15配合使用，保证较小的匹配误差，进行放大处理成为小于5v的电压信号。

如图2所示，模数转换模块3为有效采样位数12位的ad7864模数转换，最大转换时间1.65μs，满足0-5v配置，电源模块脉冲宽度为(pwm)式24v120w电源。

如图3所示，主控模块6为“ep3c5e144c8+tms320f2812”的控制架构，ep3c5e144c8具有低功耗、低成本和高性能的特点，用32位的锁存器和32位寄存器存放数据，tms320f2812发送采集和锁存的控制命令，完成与ep3c5e144c8之间的spi通信，采用“ep3c5e144c8+tms320f2812”的主控模块6，可提高采集原始信号特征的精度，主控模块6与工控机7通信，实现信号处理模块所需数据的传输，主控模块6与远程司钻显示器17通信，实现远程司显功能，钩载传感器9和深度传感器10采集大钩载荷及深度的变化，主控模块6进行数据处理，通过钩载和深度数据的变化得到随钻深度。

如图4所示，接口箱18通过第一压力传感器接口19和第二压力传感器接口20采集钻井液脉冲信号，通过钩载传感器接口21采集大钩载荷信号，通过第一井深接口22和第二井深接口23采集井深数据，通过中控读写接口24实现电阻率伽马仪器测试设置，通过远程司显接口25实现远程司显功能，通过司显接口26实现司显功能，通过第一com口27和usb口28与工控机7通讯，通过第二com口29实现对定向探管的测试设置。

如图5所示，本发明提到的一种多参数随钻测量信息地面接收系统的方法为：

工控机7通过与接口箱18连接，实现信号处理和仪器测试设置。对于信号处理模块，采用基于经验模态分解（emd）的小波熵去噪和基于特征匹配的多比特识别方法实现，基于经验模态分解（emd）的小波熵去噪方法可在更精细的尺度上达到去噪，步骤1利用emd对测量信号进行分解，分解出８个频率从高到低的imf分量和和１个残余分量，并选用symlet小波函数symn(n=4，…，8)作为基函数；步骤2对imf分量多尺度小波分解，得到各尺度细节系数和近似系数；步骤3利用小波包阈值去噪方法将含噪imf1~imf5分量中的噪声去除，取小波熵值最大的一个区间的高频小波系数平均值作为该尺度的噪声方差，代入公式（1）中得到该尺度对应的阈值；再利用公式（2）对新的细节系数进行阈值量化处理，得到近似高频小波系数，与步骤2分解得到的最高层近似系数重构得到去噪后的imf分量；步骤4：再次运用emd方法将经小波熵阈值去噪后的imf分量重构信号，得到去噪后的信号。

采用的阈值选取原则如下：

（1）

式中，表示分解尺度，k为第层小波系数长度，是小波熵最大子区间的细节细数的平均值。

采用阈值函数如下：

（2）

式中，为阈值处理后的小波系数，为小波分解系数，为阈值，m为任意正整数。当m取值较大时，该阈值函数趋同于软阈值函数，当m取值较小时，该阈值函数趋向于硬阈值函数，体现出新阈值函数的灵活性。

如图6所示，基于特征匹配的多比特识别方法，在一个比特周期内信号的由高到低的跳变为1，而由低到高的跳变为0，多比特信号特征的建立即将单比特的信号特征进行组合，通过计算待测信号与标准信号之间模式相似度来进行多比特信号的识别，采用相似度优先原则确定待测信号与标准特征之间的相似性，能够有效的考虑相邻相似特征间的相互影响，提升准确性。

利用角度相似性函数测量方法来识别多比特周期的钻井液脉冲信号，定义两个向量，，模式相似度为，则模式相似度的公式为公式（3）所示，在多比特周期的波形识别中，标准特征模型的特征向量为x，经过实时采集滤波之后的钻井液脉冲数据的特征向量为y，根据公式（3）进行相应相似度的计算。

（3）

式中，，。

本发明可有效解决复杂噪声信号和钻探深度等因素造成的井下多测量参数信号的采集和识别问题，可实现高噪环境下的弱信号接收和综合数据处理。本发明的主要优点是：提供了一种多参数随钻测量信息地面接收系统，该系统通过模块化设计实现防爆接口箱的功能集成，针对弱信号采用lt5400放大器与低通滤波器max260联合使用，保证较小的匹配误差，ad7864高速低耗模数转换和低纹波电源模块保证较低电路系统干扰，主控模块采用“ep3c5e144c8+tms320f2812”的控制架构，提高了采集原始信号特征的精度，保证基于信号特征识别的精度，实现了tft显示屏数显钩载、井深和信号波形，采用基于经验模态分解（emd）的小波熵算法和基于特征匹配的多比特识别方法，实现了高噪环境下的弱信号接收和综合数据处理。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。