钻井井场噪声采集与处理技术研究

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钻井井场噪声源主要是在石油勘探开发过程中,钻井现场中大量钻井设备、动力管网以及电气设备。由于它们的分布比较分散,且存在不断开关和启停的现象,使得钻井井场及其附近产生了大量复杂的噪声。这些钻井井场噪声极易耦合到电磁波随钻测量(Electromagnetic-Measurement While Drilling,EM-MWD)系统的接收天线上,造成系统接收信噪比降低、检测难度加大。因此,研究井场噪声的种类、声级、噪声的统计特性和统计规律对于随钻测量系统中噪声识别和处理技术的优化,以及改善接收数据质量都具有重要意义。本文重点研究钻井井场噪声采集与处理技术,首先针对不同的井场布置、钻井状态和钻机类型,以及井场设备的分布较为分散的问题,详细分析了钻井井场噪声的来源、构成和统计特性;根据井场噪声源的种类不同,归纳总结了不同噪声源的噪声统计模型,为钻井井场噪声采集系统设计奠定了理论基础。其次,根据井场噪声的统计特性,基于Xilinx公司的XC6SLX16低功耗FPGA芯片设计了钻井井场噪声采集系统的硬件电路,包括低噪声前置放大器、低噪声滤波器和16位的AD7606模数转换电路等;为了实现对硬件的逻辑控制,基于Verilog HDL硬件描述语言开发了钻井井场噪声采集软件系统,包括模块噪声数据采集程序、上位机通信程序和噪声数据存储程序设计等。最后,在钻井井场不同时刻和不同状态下,对采集的井场噪声数据,分别利用FFT分析井场噪声能量中较大的部分;利用STFT绘制随时间变化的井场噪声时频谱;利用小样本Bootstrap法分析了整体的钻井井场噪声的统计特性。通过钻井现场噪声采集实验,结果表明:(1)该系统可便捷地完成钻井井场噪声实时采集、显示和存储;(2)井场噪声数据中复合钻进噪声数量级约在十几至几十m V,近似为平稳高斯分布;电动钻机噪声在1~400Hz频段内的功率谱上存在多个谱峰,近似为峰态陡峭高尖的高斯分布;下钻噪声存在调制现象,其功率谱在50Hz及其奇次谐波处存在谱峰,近似为混合的高斯分布;(3)针对实际钻井过程噪声数据不能重复获取的问题,采用Bootstrap方法是一种低成本分析和评价钻井现场噪声的有力工具,其分析结果能够准确反映出原始数据的统计特性。
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