一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置和方法与流程

本发明属于钻井应用技术领域，特别涉及一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置和方法。

背景技术：

随着石油行业的不断发展，其行业标准也越来越完善，世界各石油公司对于井控方面的要求也越来越严格和完备。一口井发生气侵、溢流以至于井喷所产生的危害及损失，是任何一家石油公司的不愿看见且是无法承受的，它带来环境的污染、经济的损失都是巨大且不可逆的，因此对于早期的井下溢流的监测是很有必要的。

近几年，气侵监测设备被石油行业大规模应用，因其能够实时测出流体状态及特性等参数信息，倍受井控行业青睐。气侵监测设备有很多形式的测量系统，但目前所使用的气侵监测设备大都未考虑井下噪声的干扰。石油工业的生产井在生产过程中除了石油还会产出许多杂质，包括砂砾、水和气泡等。伴随着井下的高温高压环境，这些因素都会对测量系统产生干扰。

利用市面上各类气侵监测设备可以对井底溢流进行早期监测，但在高噪声背景下会干扰气侵监测原始信号。其中对信号造成干扰的是井底和井口的高噪声，地面的泥浆泵等噪声的影响可随井深而忽略，井越深受到地表干扰也就越小，从而使原始信号强度更佳，谱分析得出的结果准确度更高；井底主要的噪声来源是钻头冲击地层、钻杆的振动、钻具与井壁的摩擦和钻井液循环等，高噪声对信号的影响不可忽视。cn107575212b公开了超声波随钻气侵监测装置及方法，利用超声波多普勒实时监测钻井井下环空含气情况。数据分析器分别与信号处理器和钻井工况监测模块相连，用于将钻井状态数据与预定状态数据进行比较，根据比较结果对预处理的超声波信号进行降噪处理，并将处理后的超声波信号与预定阈值进行比较，根据比较结果获得气侵结果数据；数据处理终端与数据分析器通信连接，用于获取气侵结果并显示输出。但该技术所面临的主要问题是超声波接收传感器的信号接收不稳定性，井底钻头附近产生的高噪声会干扰气侵监测设备信号接收的准确性。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决高噪声对井下溢流多普勒信号识别的影响，得到更加准确的气侵监测信号，从而降低井控风险。

针对上述问题，本发明公开了一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置，所述气侵监测装置包括振动传感模块、气侵监测模块、信号分析模块和电源模块；

所述振动传感模块设置于气侵监测装置最下端，与信号分析模块电性连接；

所述气侵监测模块与信号分析模块电性连接；

所述电源模块与振动传感模块、气侵监测模块和信号分析模块电性连接。

更进一步地，所述振动传感模块用于采集井底高噪声信号。

更进一步地，所述气侵监测模块用于采集井下气侵监测原始信号。

更进一步地，所述振动传感模块包括敏感单元、传感单元、信号调节转换单元和辅助单元；

所述敏感单元与传感单元电性连接；所述传感单元与信号调节转换单元和辅助单元电性连接；所述信号调节转换单元与辅助单元电性连接；

所述敏感单元，用于接收井底高噪声信号；

所述传感单元，用于将敏感单元采集的井底高噪声信号传送到信号调节转换单元；

所述信号调节转换单元，用于将传感单元发送的井底高噪声信号转换为小波形式；

所述辅助单元，用于当传感单元或信号调节转换单元发生故障时，辅助传输井底高噪声信号。

更进一步地，所述信号分析模块，用于实时对井底高噪声信号进行谱分析，获取井底高噪声信号的第一频率和第二井底高噪声信号；

所述信号分析模块，还用于设定和实时修改气侵监测模块的工作频率；

所述信号分析模块，还用于对气侵监测原始信号进行谱分析，滤除第二井底高噪声信号对应的频率点，识别处理后的气侵监测信号。

更进一步地，所述信号分析模块包括示警单元；

所述示警单元，用于将气侵监测信号与预定报警阈值进行比较，根据比较结果判断是否输出报警信号。

本发明还提供了一种基于高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置的气侵监测方法，所述气侵监测方法包括：

信号分析模块对振动传感模块采集的井底高噪声信号进行谱分析；

信号分析模块对所述井底高噪声信号的谱分析结果进行幅值划分，保留预定强度以上的第二井底高噪声信号；

信号分析模块对气侵监测模块采集的气侵监测原始信号进行谱分析，从气侵监测原始信号中滤除所述第二井底高噪声信号对应的频率点，识别处理后的气侵监测信号。

更进一步地，所述识别处理后的气侵监测信号后还包括：

示警单元将所述气侵监测信号与预定报警阈值进行比较，根据比较结果判断是否输出报警信号。

更进一步地，所述井底高噪声信号包括钻头冲击地层、钻杆振动、钻井液循环、钻杆与井壁摩擦和/或钻铤与井壁摩擦产生的噪声信号。

更进一步地，所述井底高噪声信号由井底物体接触、碰撞、运动和/或振动产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：信号分析模块能够实时根据井底高噪声信号的第一频率修改气侵监测模块工作频率，避免工作频率与井底高噪声信号第一频率共振，从源头去除共振干扰，使气侵监测模块采集到稳定的气侵监测原始信号。信号分析模块通过谱分析滤除气侵监测原始信号中的第二井底高噪声信号，大幅度降低井底高噪声信号对气侵监测信号的干扰，从而得到高稳定性和高准确性的气侵监测信号，有效提高识别气侵监测信号的能力，使得井底溢流监测更加精准。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出了根据本发明实施例的气侵监测装置结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的振动传感模块结构示意图。

图中：1、振动传感模块；101、敏感单元；102、传感单元；103、信号调节转换单元；104、辅助单元；2、气侵监测模块；3、信号分析模块；301、示警单元；4、电源模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

关于本文中的“电性连接”包括两个元器件之间的直接连接，也包括两个元器件之间通过其他元器件或电路进行连接的间接连接。

图1示出了根据本发明实施例的气侵监测装置结构示意图。如图1所示，本实施例提出的一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置，所述气侵监测装置包括振动传感模块1、气侵监测模块2、信号分析模块3和电源模块4；

所述振动传感模块1设置于气侵监测装置最下端，与信号分析模块3电性连接；

所述气侵监测模块2与信号分析模块3电性连接；

所述电源模块4与振动传感模块1、气侵监测模块2和信号分析模块3电性连接，为振动传感模块1、气侵监测模块2和信号分析模块3供电。

气侵监测装置安装在近钻头处的钻杆上，接近井底噪声声源处，以便更充分接收井底干扰信号，振动传感模块1设置于钻头与信号分析模块3之间，能够全方位采集所有井底高噪声信号，并且所采集到的井底高噪声信号更接近气侵监测模块2接收的噪声信号，为后续从气侵监测原始信号中滤除第二井底高噪声信号，提供准确的噪声信号，进而得到准确性更高的气侵监测信号。

振动传感模块1用于采集井底高噪声信号。

气侵监测模块2用于采集井下气侵监测原始信号。其中，气侵监测原始信号为多普勒信号。

图2示出了根据本发明实施例的振动传感模块结构示意图。如图2所示，振动传感模块1包括敏感单元101、传感单元102、信号调节转换单元103和辅助单元104；

敏感单元101与传感单元102电性连接；传感单元102与信号调节转换单元103和辅助单元104电性连接；信号调节转换单元103与辅助单元104电性连接。

敏感单元101用于接收井底高噪声信号。其中，井底高噪声信号指由井底物体接触、碰撞、运动和/或振动产生的一切噪声信号，物体包括钻头、钻杆、地层岩屑和/或钻井液等。

传感单元102用于将敏感单元101采集的井底高噪声信号传送到信号调节转换单元103。

信号调节转换单元103用于将传感单元102发送的井底高噪声信号转换为小波形式，便于显示、记录和处理；其中，小波形式指通过小波变换将井底高噪声信号分解成一系列小波的形式。

辅助单元104用于当传感单元102或信号调节转换单元103发生故障时，辅助传输井底高噪声信号。

信号分析模块(3)用于实时对井底高噪声信号进行谱分析，获取井底高噪声信号的第一频率和第二井底高噪声信号。

信号分析模块3还用于设定和实时修改气侵监测模块2的工作频率；当检测到气侵监测模块2的工作频率是井底高噪声信号中第一频率的整数倍时，则将气侵监测模块2的工作频率正向移动1/3倍的第一频率，从而在源头上去除井底高噪声信号对气侵监测原始信号的共振干扰，有效提高气侵监测模块2采集气侵监测原始信号的稳定性。

信号分析模块3还用于根据井底高噪声信号特征对气侵监测原始信号进行谱分析，滤除第二井底高噪声信号对应的频率点，识别处理后的气侵监测信号。通过滤除第二井底高噪声信号，提高对气侵监测信号的识别能力，能够大幅度提高气侵监测信号的准确性。

信号分析模块3还用于启动和关闭气侵监测模块2。

信号分析模块3包括示警单元301；

示警单元301与井下通讯设备电性连接；

示警单元301用于将气侵监测信号与预定报警阈值进行比较，根据比较结果判断是否输出报警信号。如果气侵监测信号超过预定报警阈值，则示警单元301向井下通讯设备输出报警信号，井下通讯设备将报警信号发送给通讯设备地面上位机，提示工作人员井底发生气侵。

谱分析是获取各个频率信号强度的一种数学计算方法，常用的谱分析如傅里叶变换。谱分析中的幅值代表各个频率信号的强度，第一频率为幅值最大值对应的频率。

气侵监测装置工作过程如下：

设定预定报警阈值，信号分析模块3首先启动振动传感模块1，对井底高噪声信号进行谱分析，获取井底高噪声信号的第一频率和第二井底高噪声信号，通过向气侵监测模块2发送指令，设定气侵监测模块2工作频率，而后启动气侵监测模块2进入工作状态，向环空中发出超声波信号，并接受环空中反射回来的气侵监测原始信号，信号分析模块3滤除气侵监测原始信号中的第二井底高噪声，在进行谱分析得到处理后的气侵监测信号，示警单元301将气侵监测信号与预定报警阈值，判断是否输出报警信号。

信号分析模块3实时监测振动传感模块1，实时对其采集的井底高噪声信号进行谱分析，当检测到气侵监测模块2的工作频率是井底高噪声信号中第一频率的整数倍时，则将气侵监测模块2的工作频率正向移动1/3倍的第一频率，从而去除共振干扰，从源头上减少井底高噪声信号对气侵监测信号的共振干扰，提高对气侵监测信号的识别能力。正向移动指将工作频率调高一定数值。整数倍取值为1、2、3、…、n的自然数。

基于上述一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置，提出了一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测方法，包括：

信号分析模块3对振动传感模块1采集的井底高噪声信号进行谱分析；

信号分析模块3对所述井底高噪声信号的谱分析结果进行幅值划分，保留预定强度以上的第二井底高噪声信号；其中，预定强度为-10db；

信号分析模块3对气侵监测模块2采集的气侵监测原始信号进行谱分析，从气侵监测原始信号中滤除所述第二井底高噪声信号对应的频率点，识别处理后的气侵监测信号。其中，通过带阻滤波滤除第二井底高噪声信号对应的频率点。

幅值划分还包括确定幅值最大值对应的第一频率。

第二井底高噪声信号指井底高噪声信号中强度在-10db以上的噪声信号。

井底高噪声信号中除了第一频率的噪声信号，还有很多其他频率的噪声存在，因此设定-10db为下限，小于-10db的噪声成分无需从气侵监测原始信号中剔除，仅保留大于-10db的噪声信号，即第二井底高噪声信号。从气侵监测原始信号中剔除第二井底高噪声信号，进而提高识别气侵监测信号的准确性。

识别处理后的气侵监测信号后还包括：

示警单元301将气侵监测信号与预定报警阈值进行比较，根据比较结果判断是否输出报警信号。如果气侵监测信号超过预定报警阈值，则输出报警信号。

井底高噪声信号包括钻头冲击地层、钻杆振动、钻井液循环、钻杆与井壁摩擦和/或钻铤与井壁摩擦产生的一切井底干扰噪声信号。

振动传感模块1采集的井底高噪声信号不符合高斯分布，且噪声功率谱密度并不平坦，是由各种不同的噪声掺杂的复杂噪声，井底高噪声信号的频率和强度随着钻井工况和钻井参数的改变发生改变，但井底高噪声信号基本集中在0～4khz。

分析不同钻杆组合的井底高噪声信号，可以发现钻杆的周期性结构特性，使得它在信号传输的过程中呈现梳状滤波器的特性，即通阻带交替出现。不同钻杆组合呈现出的噪声信号频率是不同的。对于井底噪声环境的研究是个极其复杂的问题，钻头撞击、泥浆循环、钻杆碰撞地层都会产生噪声，且不同的工况参数下,如泥浆泵循环排量、钻杆长度和钻头转速等，噪声的参数也不尽相同,比如噪声强度和噪声谱的特性，需要根据不同现场试验确定井底噪声信号在不同状态下的频率范围及分布，得出与各现场符合各自情况的预定报警阈值。

本发明提出的一种高噪声背景下井下溢流多普勒气侵监测装置和方法，信号分析模块能够实时根据井底高噪声信号的第一频率修改气侵监测模块工作频率，避免工作频率与井底高噪声信号第一频率共振，从源头去除共振干扰，使气侵监测模块采集到稳定的气侵监测原始信号。信号分析模块通过谱分析滤除气侵监测原始信号中的第二井底高噪声信号，大幅度降低井底高噪声信号对气侵监测信号的干扰，从而得到高稳定性和高准确性的气侵监测信号，有效提高识别气侵监测信号的能力，使得井底溢流监测更加精准。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。