一种溢流声发射信号采集管理系统及方法与流程

本发明涉及钻井工程，具体为一种溢流声发射信号采集管理系统及方法。

背景技术：

1、随着科技的不断提高与发展，井下安全作业一直是钻井工程领域的重要研究课题，钻井过程中，溢流气侵容易诱发井喷，而目前的溢流声发射信号采集系统存在大量通病；例如，目前信号采集系统中的采集装置的整体尺寸偏大，无法置于钻杆内部，难以在井下空间受限的情况下，实时监测钻杆与筒壁的环控区域是否存在气侵过程；采集装置的抗高温性能差，当达到地下1000-2000米的范围时，几乎无法实现气侵溢流状态的超前预报；信号采集系统中缺乏有效的智能信号传输方式选择，不同下井深度对信号传输方式的准确性影响巨大，虽然探测质量能够达到精准仪器水平，但受到传输方式的影响，导致跟地面传输稳定性及传输速率出现偏差，传输能力差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种溢流声发射信号采集管理系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种溢流声发射信号采集管理系统，该系统包括：主控机、数据采集装置、数据传输分析模块、信号缓存模块以及采样分析预警模块；

3、所述主控机用于控制数据采集装置通断，定位数据采集装置位置高度，执行发出相应指令至各模块；所述数据采集装置配置在井下钻杆内部，用于采集气侵溢流信号；所述数据传输分析模块基于主控机指令选择信号数据传输方式，接收数据采集装置的信号数据，反馈至采样分析预警模块；所述信号缓存模块接收数据采集装置的信号数据，对数据进行分类，分别送入不同处理端口；所述采样分析预警模块用于对气侵溢流信号进行分析，在不满足系统设定状态时，发出预警信号至管理员端口；

4、所述主控机的输出端与所述数据采集装置、数据传输分析模块、信号缓存模块的输入端相连接；所述数据采集装置的输出端与所述数据传输分析模块、信号缓存模块的输入端相连接；所述数据传输分析模块的输出端与所述采样分析预警模块的输入端相连接；所述信号缓存模块的输出端与数据库相连接；所述采样分析预警模块置于主控机系统内部，输出端与管理员端口相连接。

5、根据上述技术方案，所述数据采集装置包括数据采集单元和供电单元；

6、所述数据采集单元包括a/d转换单元、前端滤波单元、fpga芯片单元、fifo缓存单元；所述a/d转换单元、fpga芯片单元以及fifo缓存单元集成在一块pcb板上，完成数据采集卡的数据采集功能，实现数字信号的初步处理，所述pcb板接口连接数据传输分析模块；

7、所述a/d转换单元用于对声发射信号进行采集，针对气侵溢流信号的频率范围，选择模拟滤波芯片，双通道同步采样；所述前端滤波单元用于硬件滤波，在数据采集装置内置放大电路实现硬件滤波；所述fpga芯片单元用于实时处理大数据量的声发射信号；所述fifo缓存单元用于实现大数据量的声发射信号缓存；

8、所述数据采集单元采用卡片形式，宽度不超过30mm，高度不超过20mm，采用两张卡片互联的方式进行开发；

9、所述供电单元采用5v单电源为数据采集单元供电。

10、根据上述技术方案，所述数据传输分析模块包括指令选择单元与反馈单元；

11、所述指令选择单元基于主控机指令选择信号数据传输方式；所述反馈单元用于接收数据采集装置的信号数据，反馈至采样分析预警模块；

12、所述指令选择单元的输出端与所述反馈单元的输入端相连接。

13、根据上述技术方案，所述信号缓存模块包括内部缓存单元与外部缓存单元；

14、所述内部缓存单元与fifo缓存单元相连接，接收fifo缓存单元的信号数据，对数据继续分类，新数据缓存在内部缓存单元，重复数据缓存在外部缓存单元；所述外部缓存单元连接有计算机云端存储库，定期对数据进行云端存储。

15、根据上述技术方案，所述采样分析预警模块包括灯光预警与声音预警；

16、所述灯光预警采用交替红光进行报警；所述声音预警以系统设置的铃音进行报警，管理员能够手动关闭以停止预警。

17、一种溢流声发射信号采集管理方法，该方法包括以下步骤：

18、s1、主控机控制数据采集装置开启，定位数据采集装置位置高度，记录数据采集装置位置高度数据在主控机；

19、s2、主控机构建信号数据传输分析模型，形成指令，选择信号数据传输方式，反馈至数据传输分析模块；

20、s3、数据传输分析模块选择对应的信号数据传输方式，调用数据采集装置的信号数据，同时进行信号分类缓存与采样分析预警；

21、s4、主控机对气侵溢流信号进行分析，在不满足系统设定状态时，发出预警信号至管理员端口。

22、根据上述技术方案，所述数据采集装置包括数据采集单元和供电单元；

23、所述数据采集单元包括a/d转换单元、前端滤波单元、fpga芯片单元、fifo缓存单元；所述a/d转换单元、fpga芯片单元以及fifo缓存单元集成在一块pcb板上，完成数据采集卡的数据采集功能，实现数字信号的初步处理，所述pcb板接口连接数据传输分析模块；

24、所述a/d转换单元用于对声发射信号进行采集，针对气侵溢流信号的频率范围，选择模拟滤波芯片，双通道同步采样；所述前端滤波单元用于硬件滤波，在数据采集装置内置放大电路实现硬件滤波；所述fpga芯片单元用于实时处理大数据量的声发射信号；所述fifo缓存单元用于实现大数据量的声发射信号缓存；

25、所述数据采集单元采用卡片形式，宽度不超过30mm，高度不超过20mm，采用两张卡片互联的方式进行开发；

26、所述供电单元采用5v单电源为数据采集单元供电。

27、根据上述技术方案，所述主控机构建信号数据传输分析模型包括：

28、构建基础训练数据组，所述基础训练数据组包括下井深度数据、选择的信号传输方式、传输速率以及传输验证的准确率；

29、所述下井深度数据指携带数据采集装置的钻杆与井口的垂直距离；所述选择的信号传输方式包括电缆传输、光纤传输、声波传输、电磁传输以及泥浆传输；所述传输速率单位以秒计算；所述传输验证的准确率指在同一深度传输的信号数据与真实数据之间的准确比例；

30、调用系统设定，获取当前任务需要的传输验证的准确率，设置为基础训练数据组的训练阈值，在基础训练数据组中选取高于训练阈值的数据保留，获取当前任务需要的传输速率，设置为基础训练数据组的传输阈值，在保留的数据中选取高于传输阈值的数据保留，将最终保留的数据送入训练模型。

31、根据上述技术方案，在训练模型中，任选一种信号传输方式y，选取信号传输方式y的所有数据中的下井深度数据和传输验证的准确率形成数据集合、、……、；其中，、、……、分别指n组数据的下井深度数据；、、……、分别指n组数据对应的传输验证的准确率，n代表数量；

32、选取一个函数模型对数据集合、、……、进行拟合，记函数模型为，所述函数模型能够使得拟合过程中选择的损失函数最小；将、、……、代入函数模型，计算出拟合值与真实值的差值，记为每一个数据集合的差值项，所述差值项取绝对值进行记录；

33、对每一个下井深度数据、、……、，分别计算其负梯度：

34、

35、其中，为下井深度数据的负梯度，采用函数模型计算，为函数模型对应的损失函数；i代表序号，取值为1至n；

36、形成每一个下井深度数据的负梯度后，以负梯度替换原数据集合中的、、……、，形成新的数据集合再次进行训练，记为一次迭代，同时将负梯度拟合形成一棵回归树；

37、不断进行迭代训练，其中，所述训练过程中采用上一次的输出模型，每次训练形成一棵回归树，计算每次训练过程中的最佳拟合值：

38、

39、其中，指第t棵回归树的叶子节点区域；指利用第棵回归树对应的输出模型；为常数项；

40、设置迭代次数阈值，形成迭代次数阈值下的最终学习函数：

41、

42、其中，t指迭代次数阈值；j指叶子节点数量；i指与最佳拟合值组合的函数项；

43、获取当前任务的下井深度数据，基于生成在信号传输方式y下的传输验证的预测准确率；

44、在所有的信号传输方式的传输验证的预测准确率中选择准确率最高的作为输出结果，形成指令，选择输出结果对应的信号数据传输方式及进行反馈。

45、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明的数据采集装置通过电路设计和元件选型，设计成长条形pcb板，满足钻杆内部狭小空间安装，宽度不大于30mm，厚度不大于20mm，有利于钻杆的开槽安装和固定；fpga嵌入自动开机运行算法，解决了通电自启动，自动采集，自动处理，自动报警功能需求；通过选择高温芯片，低功耗设计，解决可以在100度环境下长期工作的难题；同时构建了智能算法，有效的智能信号传输方式选择方式，在不同下井深度上进行数字化指导，保障传输稳定性与精准性。