一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法技术方案

本发明专利技术属于钻井工程技术领域，公开了一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法，可调频声波信号发生模块在控制模块的控制作用下，产生拥有不同频率的声波信号并且向井下传播，回波信号接收模块接收声波信号并转化为可识别的电信号，进行信号的放大和初步的环境噪声去除之后，再传至智能数据处理和特征提取模块，通过智能数据处理和特征提取模块的小波分析等处理手段，将噪声信号进行抑制，并得到需要的特征信号；之后根据首尾接箍信号产生的位置和相应的时间得到井下的平均声速，判断出声音信号到达井下液面花费的时间，结合钻井过程中钻具组合，计算得到井下动液面的高度。计算得到井下动液面的高度。计算得到井下动液面的高度。

【技术实现步骤摘要】
一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法


[0001]本专利技术属于钻井工程
，尤其涉及一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法。

技术介绍

[0002]溢流和井漏时钻井工程中常见的复杂事故，对钻井工作由很大的危害，所以需要在两种情况发生的早期及时了解并作出处理，采取有效的措施。因此，井下动液面高度就成为了评判是否溢流漏失的重要指标。对于井下动液面高度的测量，当今使用的主要技术是利用回声法进行测量，也就是通过声音信号在传播时遇到液面会产生反射信号，通过记录反射信号的特点来得出井下动液面的高度，但当前对于钻井动液面监测的研究和具有针对性的装置较少，往往都是直接套用抽油机的井下动液面监测系统来进行检测。但钻井时要应对的井下干扰情况比抽油机要复杂的多。
[0003]当前的次声波信号发生装置往往只能产生单一的低频声波信号，无法做到实时控制发生信号的频率大小；当叶面较靠近地面时，如果还是采用单一的低频声波信号作为激励信号，将会影响测量的精度。
[0004]由于在常规的钻井用的动液面监测过程中，大部分采用的是抽油井中的动液面监测使用的回声法甚至直接套用抽油井中使用的液面监测系统，但该方法在钻井过程中面临着更多的井下的复杂影响因素，例如钻井过程中的变相和变径、井壁上所沾钻井液产生的声波信号反射、井下钻井产生的复杂噪声的影响和井下复杂气体构成的恶劣环境对于声音传播速度的影响，这些因素都会导致监测到的井下动液面高度产生较大误差。
[0005]并且在得到最终的回波信号时，往往通过人工点击回波信号的波形图选择相应的液面回波信号和人工选择声波信号的传播速度，这样的选择方式往往具有随机性并具有很大的误差，因为声波的传播速度很快，所以这种方式将会产生较大的误差，影响动液面高度的监测精度。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法，利用多模块相结合，设计符合实际钻井情况的动液面高度测量算法，合理地提取各回波信号的特征，达到正确计量钻井时动液面高度的目的。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种新型钻井用井下动液面自动监测系统和监测方法，通过测量和计算可以得到井下液面的精确高度。本专利技术的可调频声波信号发生模块在计算机的控制下，根据不同的井况发射可调节频率的声波测量信号，利用声波信号具有的反射性质来实时判断井下液面的深度；可以实现去噪功能并且分离提取激励信号,接箍回波信号和液面回波信号的对应特征，从而分别得到声速和声波信号的传播时间，可以有效提高系统的抗干扰能力并且去除无关信号；并且可以根据提取不同的几种声波脉冲信号的信号特征值，从而选择出最符合液面对应位置的采样点，实现对
于井下动液面深度进行实时的精确测量，具有很高的对于复杂井况的自适应能力。
[0008]本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种新型钻井用井下动液面自动监测系统，本系统使用在套管装入井内，钻杆在套管内，钻杆一端没入井内液面，钻杆上间隔相同距离安装若干接箍的环境中；
[0010]本系统包括：可调频声波信号发生模块、回波信号接收模块、信号放大和去噪模块、计算机、智能数据处理和特征提取模块、波形显示和动液面高度计算模块。
[0011]可调频声波信号发生模块安装在井口位置，可调频声波信号发生模块的输入端与控制电路相连接，便于激励信号的发生，以及设备的维护修理。
[0012]回波信号接收模块安装在信号发生的出口处，用于接收井下反射回来的各类回波信号，回波信号主要包括在激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号。
[0013]在系统处于初始化阶段而没有产生声波脉冲信号时，通过回波信号接收模块接收当时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并储存。
[0014]信号放大和去噪模块，对回波信号接收模块接收到的回波信号进行适当的放大和去噪，便于之后的数据处理。
[0015]计算机，用于调用智能数据处理和特征提取模块和波形显示和动液面高度计算模块。
[0016]智能数据处理和特征提取模块，利用matlab和labview开发的数据处理模块对来自于信号放大和去噪模块的数据进行处理。
[0017]具体包括通过使本系统在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，帮助计算得到井下动液面高度。
[0018]具体的是选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对信号放大和去噪模块后的信号进行滤波和信号处理。将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；
[0019]构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；
[0020]加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。
[0021]利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号。
[0022]利用设计的带通滤波器和低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号。
[0023]进一步包括，对提取出的接箍回波信号进行特征提取：
[0024]在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件。对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，可知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，可以通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期。由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值。由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分。所以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，包括：可调频声波信号发生模块、回波信号接收模块、信号放大和去噪模块、计算机、智能数据处理和特征提取模块、波形显示和动液面高度计算模块；可调频声波信号发生模块安装在井口位置，可调频声波信号发生模块的输入端与控制电路相连接，用于激励信号的发生；回波信号接收模块安装在信号发生的出口处，用于接收井下反射回来的各类回波信号，回波信号主要包括在激发激励信号时接收到的激励信号，由井下接箍反射回的接箍回波信号，由井下动液面反射回的液面回波信号以及其他因为井下干扰原因产生的无效反射信号；在系统处于初始化阶段而没有产生声波脉冲信号时，通过回波信号接收模块接收当时段的环境噪声，转化为对应的电信号作为零点信号并储存；信号放大和去噪模块，用于对回波信号接收模块接收到的回波信号进行适当的放大和去噪，便于之后的数据处理；计算机，用于调用智能数据处理和特征提取模块和波形显示和动液面高度计算模块；智能数据处理和特征提取模块，利用matlab和labview开发的数据处理模块对来自于信号放大和去噪模块的数据进行处理；使系统在无噪环境下正常工作，使回波信号中只含有接收到的激励信号，根据频率范围和幅值范围两种模式采集到系统产生的激励信号并且存储低噪声环境下的首波的样本信号，根据采集到的激励信号的特征对系统工作时的激励信号进行去除，达到去除回波信号中的激励信号的目的，使回波信号中只保留接箍回波信号和液面回波信号两种信号，之后根据激励信号的采样点数量来判断激励信号传播的时间，帮助计算得到井下动液面高度；具体的是选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器，用于对信号放大和去噪模块后的信号进行滤波和信号处理；波形显示和动液面高度计算模块，将各种类的回波信号进行提取和合并，并且将该波形和对应的动液面高度在界面中显示出来，并记录钻井全过程中时间与钻井动液面之间的关系，并基于液面测量结果，通过平均液面高度、1分钟液面上涨高度、1小时液面上涨高度，统计参数实现溢流和井漏的预警。2.根据权利要求1所述的新型钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，系统使用在套管装入井内，钻杆在套管内，钻杆一端没入井内液面，钻杆上间隔相同距离安装若干接箍的环境中。3.根据权利要求1所述的新型钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，选择利用窗函数法设计FIR数字带通滤波器与FIR数字低通滤波器具体是，将参数转换为相应的数字滤波器参数，根据公式计算带通滤波器和低通滤波器的通带和阻带的截止频率以及过度带宽，为之后的计算提供有效数据；窗函数的选择与滤波器阶数的计算，依据相应滤波器的指标要求，选择适合的窗函数，并且计算滤波器的阶数与窗函数的长度，为了降低滤波器的阶数，选择凯塞窗，经过计算分别得两个滤波器的窗函数；构造频率响应函数，要构造对应的频率响应函数，滤波器的截止频率接近需要设计的滤波器的过渡带的中心频率点，过渡带的中心频率，一般情况下，理想滤波器的截止频率取
值为通带截止频率与阻带截止频率和的一半，由此构造带通滤波器和低通滤波器的频率响应函数，计算单位脉冲响应函数，对频响函数采样取值，对取值序列做离散傅里叶逆变换计算单位脉冲响应函数；加窗处理，对单位脉冲响应函数做加窗处理，得到FIR数字滤波器的单位脉冲响应函数。4.根据权利要求1所述的新型钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，对信号放大和去噪模块后的信号进行滤波和信号处理具体包括：利用选取的FIR数字滤波器，对回波信号做降噪和分离处理，分别得到接箍回波信号和液面回波信号；利用设计的带通滤波器和低通滤波器分别对去除激励信号的回波信号进行处理，分别得到接箍回波信号和井下动液面回波信号；对提取出的接箍回波信号进行特征提取：在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件，对于井下接箍信号的处理，通过对已知的动液面检测信号特性分析，知接箍信号类似于一个周期信号，信号频谱中除直流分量外，基波的幅值最大，脉冲能量主要集中在基波上，基波频率与信号的周期具有数学关系，通过寻找接箍信号的基波位置来求其周期，由于接箍长度是基本固定的，则计算声速的关键是找到接箍信号的周期，即找到接箍信号基波的位置，所以从接箍信号中提取的基波和末尾波形的位置点数就是所要提取的特征值，由于在时域上，只能观测到检测信号波形变化的信息，无法看出信号的组成成分，所以，需要分析接箍信号的频谱，在其频谱中提取出相应波的位置点数，所以使用FFT变换对信号进行频谱分析；对提取出的动液面回波信号进行特征提取：在进行声速与动液面深度计算时，需要从信号数据中自动识别出所需要的特征值，然后将特征值提取出来，为计算声速与动液面提供精确的数据条件，对于井下动液面回波信号的处理，由于井下动液面检测信号的液面信号特性分析，液面信号为脉冲信号，该位置的点为奇异点，是尖峰式的奇异信号，根据小波变化理论知，小波变换能够在时间域、频域上能够突显信号的局部特性，能有效提取信号的瞬态特性，能够细致地刻画信号的细节，为利用小波对信号进行去噪处理，第一步首先要对信号在不同尺度上进行分解，分解得到一些小波系数和尺度系数；第二步，对分解的小波系数采用将小波系数置为零的方法，设定一定的门限，对小波系数超过此门限的小波系数进行修改；最后根据修改后的小波系数，利用公式进行重构，得到去噪之后的有效的动液面回波信号的特征值。5.根据权利要求1所述的新型钻井用井下动液面自动监测系统，其特征在于，可调频声波信号发生模块中的阀门包括空腔阀门、空腔、气缸主阀门，可调频声波信号发生模块气缸包括气缸缸体、矩形密封圈、活塞杆、螺纹杆、轮盘、螺母，轮盘通过键与螺纹杆相连接，并实现周向和径向定位，螺母将轮盘固定在螺纹杆上，实现轴向定位固定，并将轮盘固定在螺纹杆一端，活塞杆通过螺纹与螺纹杆固定连接，矩形密封圈安装于活塞杆周向凹槽内，使活塞杆与气缸缸体接触部安装有矩形密封圈，活塞杆安装在螺纹杆另一端，活塞杆内置于气缸缸体内，气缸缸体一侧具有螺纹孔，与活塞杆相连的螺纹杆从该螺纹孔伸出，通过旋转轮盘带动螺纹杆旋转进入气缸缸体，进而推动由活塞杆形成的活塞压缩气缸缸体容积，气缸另
一侧安装通气管，在气缸缸体出口处的通气管上安装有气缸主阀门，在气缸主阀门后侧的通气管上安装有若干空腔部，空腔部包括空腔管、空腔阀门、空腔，空腔管一端连接通气管，另一端连接空腔，空腔管上安装有空腔阀门。6.一种新型钻井用井下动液面自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一.利用可调频声波信号发生模块产生激励信号并利用回波信号接收模块接收回波信号；利用计算机启动可调频声波信号发生模块，控制气泵从套管内吸取气...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛亮，陈敏乔，范雯，廖聪冲，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：