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基于次声波的钻井液面监测系统研究

基于次声波的钻井液面监测系统研究

作者：同志超西安石油大学

学位级别：硕士

随着西南油气田页岩油气勘探开发规模的不断扩大,确保井控安全和保护油气层已成为钻井工程的重要内容,钻井液面的实时、准确监测是关键。传统的钻井液面监测技术高度依赖人工操作,测量误差较大且无法进行自动监测,同时,监测结果数据单一... 详细信息

随着西南油气田页岩油气勘探开发规模的不断扩大,确保井控安全和保护油气层已成为钻井工程的重要内容,钻井液面的实时、准确监测是关键。传统的钻井液面监测技术高度依赖人工操作,测量误差较大且无法进行自动监测,同时,监测结果数据单一,无法对井漏状况进行系统分析。研究基于次声波的钻井液面监测系统,实现钻井液面参数的实时监测与动态分析,对准确高效进行漏失判断和漏层位置判断具有重大意义。课题以井漏过程中钻井液面为研究对象,分析钻井过程中井漏的形成及其对钻井过程的影响,明确钻井液面监测的实际需求,确立钻井液面监测系统的功能需求和指标需求。讨论了钻井液面次声波监测原理与方法,建立了钻井液面参数的计算方法,研究基于次声波的钻井液面监测系统。钻井液面监测系统由井口采集器、控制箱和PC机三部分构成。硬件上,井口采集器以STM32F429主控芯片为核心,主要设计电磁阀控制、次声波及套压信号采集、与控制器通讯等电路;控制器以STM32F103主控芯片为核心,主要设计与井口采集器通讯、与PC机通讯等电路;对PC机进行了硬件选型。软件上,通过Keil MDK开发环境设计井口采集器次声波产生子程序、次声波及套压数据采集子程序,实现测量信号的产生、钻井液面及套压数据的采集;设计控制器监测数据读取子程序、监测数据上传子程序,实现对井口采集器采集数据的读取和上传数据至PC机等功能;开发钻井液面监测系统客户端,进行测量指令的下发,通过调用Visual Studio软件开发的回波识别动态链接库对液面回波进行解析、处理,将计算的钻井液面参数存储在SQL Sever数据库。通过客户端对钻井液面参数及相应曲线进行动态显示,实现钻井液面的自动、实时监测。最后,对钻井液面监测系统进行软硬件测试、模拟井测试以及现场试验,并对现场试验效果进行分析。钻井液面监测系统现场试验结果表明,该系统实现了钻井液面、套压数据的自动采集、钻井液面参数的实时计算和客户端显示的功能。能够高效全面反映井漏状况,实现了钻井液面参数的自动、实时、高精度监测,在油气田钻井工程中具有较高的应用价值。

关键词：钻井液面井漏次声波嵌入式系统实时监测

土体中岩石破坏次声波的三维多测点振速矢量直线汇聚声源定位方法

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振动与冲击 2021年第14期40卷 144-152页

作者：赵久彬刘元雪柏准杨骏堂何少其陆军勤务学院军事设施系重庆401311 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室重庆401311

滑坡泥石流等地质灾害发生前夕,灾害体内的岩石土块发生爆裂、摩擦和断裂等破坏会产生低频次声波信号向外传播。在次声波声场中,声压是标量场,质点运动振速为矢量场,可以利用振速矢量场提前准确预测出灾害发生地点的三维坐标位置。采用... 详细信息

滑坡泥石流等地质灾害发生前夕,灾害体内的岩石土块发生爆裂、摩擦和断裂等破坏会产生低频次声波信号向外传播。在次声波声场中,声压是标量场,质点运动振速为矢量场,可以利用振速矢量场提前准确预测出灾害发生地点的三维坐标位置。采用数值模拟计算土体中发生小当量炸药爆炸,通过信号频谱分析得到爆炸冲击波衰减为次声波的主要能量频率为2~8 Hz,模拟出土体中岩石破坏发出同范围次声信号现象。基于此提出一种三维多测点振速矢量直线汇聚次声声源定位方法,在地质灾害体范围内不同位置部署N个监测点传感器阵列收集质点振速矢量信号,待地质体内岩石破坏发出次声信号,计算经过测点且其法线为振速方向矢量的N条直线指向并汇聚于声源发生处位置,通过求两两直线间最短距离线段方程,获得N-1个中点坐标,最后求各中点坐标的质心,预测为即将发生地质灾害的源头位置处。通过仿真模拟实体土质滑坡模型和分层介质模型中发出次声信号,布置3个测点位于模型中不同位置收集次声信号,采用该方法准确获得灾害体内部三维声源位置。该方法为提升滑坡泥石流等预警技术水平提供了新的思路。

关键词：次声波声源定位质点振速直线汇聚

单轴压缩下尾砂胶结充填材料次声波特性试验研究

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煤炭学报 2019年第S01期44卷 92-100页

作者：赵奎杨泽元曾鹏龚囱谢文健王晓军钟文江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000 江西理工大学江西省矿业工程重点实验室江西赣州341000

尾砂胶结充填体常作为地下矿山重要承载单元,其稳定性对矿山的安全开采十分重要。近年来,国内外学者对岩石变形破坏过程中的次声波信号开展了试验研究,但对尾砂胶结充填体变形破坏过程中次声波信号的研究却鲜有报道。为此,开展了尾砂胶... 详细信息

尾砂胶结充填体常作为地下矿山重要承载单元,其稳定性对矿山的安全开采十分重要。近年来,国内外学者对岩石变形破坏过程中的次声波信号开展了试验研究,但对尾砂胶结充填体变形破坏过程中次声波信号的研究却鲜有报道。为此,开展了尾砂胶结充填材料的次声波试验研究。制备了3种不同灰砂比的尾砂胶结充填材料试件,在RMT-150C岩石力学试验加载系统上进行了单轴压缩次声波试验。首先,研究了不同灰砂比尾砂胶结充填材料试件破坏过程力学特性;其次,着重研究了不同灰砂比的尾砂胶结充填材料试件破坏过程中的次声波信号能率、累计能率、能率关联分形维数、主要频率、频带能量等特征。试验结果分析表明:①随着灰砂比的增加,充填材料试件屈服强度点的相对应变水平和峰值应力呈增大趋势,屈服强度点的相对应力水平和峰值应变呈减小趋势;②不同灰砂比的充填材料试件在单轴压缩破坏全过程均有次声波信号产生,在屈服强度点附近次声波信号能率均出现明显的突增现象。灰砂比越小的试件,次声波信号能率突增点所对应的相对应力水平越高;③采用G-P算法得到不同灰砂比充填材料试件次声波信号能率的关联维数,表明进入屈服强度点后次声波信号能率的关联维数快速降低至最小值,灰砂比越小的试件,次声波信号能率关联维数最小值所对应的相对应力水平越高;④次声波信号的主要频率与灰砂比没有相关性,峰值应力前主要频率集中在0~4 Hz,不同灰砂比充填材料试件出现的次声波信号主要频段(0~1.25,1.25~2.50,2.50~3.75 Hz)能量占比变化规律具有一致性,峰值应力前,0~1.25 Hz频段次声波信号能量占比上升至最大值,2.50~3.75 Hz频段能量占比则降至最小值。

关键词：尾砂胶结充填材料次声波灰砂比关联维数主要频率

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大气中一种低频次声波观测研究

声学学报 2010年第2期35卷 200-207页

作者：林琳杨亦春中国科学院噪声与振动重点实验室(声学研究所) 北京100190 山东科技大学信息与电气工程学院青岛266000

分析大气中存在的一种低频次声波。利用宽频带次声测量传感器阵列组成的广域分布网络,对此种次声波进行了近5年不间断的检测。对所测次声信号的观察统计发现,它与自然事件密切相关。对这种信号波形、频谱、时频图及相关性进行分析进一... 详细信息

分析大气中存在的一种低频次声波。利用宽频带次声测量传感器阵列组成的广域分布网络,对此种次声波进行了近5年不间断的检测。对所测次声信号的观察统计发现,它与自然事件密切相关。对这种信号波形、频谱、时频图及相关性进行分析进一步发现,该波通常以一组或间歇性多组形式出现,频率主要在0.001～0.02 Hz之间、幅度一般可达50～200 Pa。在2008年3月20日新疆于田地震、2008年5月12日四川汶川地震以及2009年10月29日陕甘川三省交界处的地震前,均检测到了大幅值的低频次声波。本文的分析结论对研究大气次声波的多样性及其与自然现象的关系提供了新的参考,对地震信息探测具有一定的实际意义。

关键词：次声波低频大气观测自然现象传感器阵列地震前分布网络

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震前次声波信号特征研究

北京工业大学学报 2005年第5期31卷 461-465页

作者：夏雅琴胡争杰郑菲北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100022

地震波在地球内部四处传播,向大气辐射次声波,称为地震次声波.次声波频率在20Hz以下,振幅衰减小,传播距离远,在大气声道中(从地面到50km的高空)可以传播上千km,有的绕地球数周后仍能被探测到.因此次声波与地震有很好的对应关系,一般情... 详细信息

地震波在地球内部四处传播,向大气辐射次声波,称为地震次声波.次声波频率在20Hz以下,振幅衰减小,传播距离远,在大气声道中(从地面到50km的高空)可以传播上千km,有的绕地球数周后仍能被探测到.因此次声波与地震有很好的对应关系,一般情况下世界范围内7级以上地震在震前能观测到次声波异常信号.利用高性能电子计算机和日益完善的信号分析处理技术,找出震前次声波异常信号的内在特征。为以后的地震预报提供重要的参考价值.对地震前接收到的次声波异常信号数字离散化,运用傅里叶变换和小波分析理论对信号进行处理,发现震前接收到的次声波异常信号频率主要集中在0～4×10-3Hz频段,该信号在高尺度段表现出对称有序性,在低尺度段突变明显.

关键词：次声波信号分析处理地震预报

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芦山地震前后次声波及重力波信号分析

地学前缘 2013年第6期20卷 36-41页

作者：赵娟曾佐勋郭泉李志华中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)机电学院湖北武汉430074 中国地质大学(武汉)地球科学学院湖北武汉430074 中国科学院声学研究所北京100190

2013年4月20日芦山地震(MS7.0)发生前后,位于三峡库区的次声监测阵列记录下了一系列的次声波与重力波信号。文中首先对不同类型的地震次声波以及重力波做出概念上的区分,然后处理、分析采集到的信号,一一判定信号的类型,厘清次声信号、... 详细信息

2013年4月20日芦山地震(MS7.0)发生前后,位于三峡库区的次声监测阵列记录下了一系列的次声波与重力波信号。文中首先对不同类型的地震次声波以及重力波做出概念上的区分,然后处理、分析采集到的信号,一一判定信号的类型,厘清次声信号、重力波信号与地震事件间的联系。文中讨论了次声压和大地垂直起伏运动之间的线性耦合,使用简正波叠加的方式生成了仿真地震波,并与次声波进行比较,判定4月20日接收到的地震次声波为本地次声波,次声波形与大地垂直运动速率的波形具有极高的相关度。文中还使用基于S变换的时频分析、基于互相关系数的时差计算以及三角阵定向等方法,对4月18日及22日接收到的重力波做了来波定向。经计算,4月22日来波方向约为254.3°,波速约为9m/s,关联度最强的地震事件为21日凌晨发生的芦山地震余震(MS4.9),三角阵对芦山地震震中的反方位角为267.7°,方位角误差为13.4°;18日来波方向约为220.2°,波速约为28m/s,关联度最强的地震事件为4月17日发生的云南大理地震(MS5.1)及其余震,三角阵对此震中的反方位角为244.7°,方位角误差为24.5°。

关键词：芦山地震次声波重力波信号分析

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次声波技术在输气管道清管检测作业中的应用

城市燃气 2022年第10期572卷 5-11页

作者：王海洋中海福建天然气有限公司

输气管道定期需要进行清管(检测)作业,作业过程中对清管器(检测器)进行实时跟踪定位非常必要。相较于传统的清管器(检测器)定位跟踪方法,次声波实时定位系统能够帮助作业人员实时了解清管器(检测器)的运行轨迹、运行速度以便调整作业参... 详细信息

输气管道定期需要进行清管(检测)作业,作业过程中对清管器(检测器)进行实时跟踪定位非常必要。相较于传统的清管器(检测器)定位跟踪方法,次声波实时定位系统能够帮助作业人员实时了解清管器(检测器)的运行轨迹、运行速度以便调整作业参数;当清管器(检测器)卡堵时,警报会及时响起,卡堵位置将被准确定位,方便操作员进行应急处理,以免造成更大的问题。次声波实时定位系统由分布于管道站场(阀室)的分站和位于监控中心的主站组成。分站的次声波传感器接收清管器(检测器)在管道内运行时产生的次声波,经过预处理后发送回主站,主站经过信号处理和识别,对清管器(检测器)进行定位,能自动计算清管器(检测器)的运行速度,自动检测清管器是否卡堵。通过福建LNG输气干线某段清管器作业过程中的实验,验证了该系统能够实时跟踪球的位置,当清管器停止时,能够及时报警并定位球停的位置。

关键词：次声波清管器(检测器)跟踪定位卡堵定位算法

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震前次声波异常信号的研究

北京工业大学学报 2011年第3期37卷 463-469页

作者：夏雅琴崔晓艳李均之陈维升刘程艳北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

根据美国地质调查局公布的地震目录,2002—2008年全球共发生了92次7级以上的地震.其中,78次震前接收到了次声波异常信号,占84.8%.次声波异常信号的幅值均超过1 000 mV,次声异常信号的频率在10-3 Hz量级.异常信号结束后9 d内发震的有45次... 详细信息

根据美国地质调查局公布的地震目录,2002—2008年全球共发生了92次7级以上的地震.其中,78次震前接收到了次声波异常信号,占84.8%.次声波异常信号的幅值均超过1 000 mV,次声异常信号的频率在10-3 Hz量级.异常信号结束后9 d内发震的有45次,占57.7%.本文以这92个地震为统计对象,讨论了震级M、观测点到震中的距离D与次声波异常信号最大幅值Um的关系.结果表明,次声波异常信号与地震的发生有较好的对应关系,但Um与M、D呈现出复杂的关系.

关键词：次声波异常信号震级

风力机次声波的空间辐射及其沿叶片翼展和弦长方向的声压分布规律研究

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太阳能学报 2017年第3期38卷 593-600页

作者：穆安乐汤永凯马涛樊亚军张玉龙西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048

以FW-H气动声学方程为基础,分析水平轴风力机次声波的产生机理,提出水平轴风力机的远场次声波辐射计算公式。以翼型为NACA 23015的三叶片10 k W水平轴风力机为例,在额定风速8 m/s、叶片半径10 m、转速107 r/min,升力角14°、升力系数1.... 详细信息

以FW-H气动声学方程为基础,分析水平轴风力机次声波的产生机理,提出水平轴风力机的远场次声波辐射计算公式。以翼型为NACA 23015的三叶片10 k W水平轴风力机为例,在额定风速8 m/s、叶片半径10 m、转速107 r/min,升力角14°、升力系数1.2的情况下,研究次声波在空间辐射、次声波声压翼展方向和弦向的分布等规律。计算结果表明:省略近声场噪声可显著提高声压计算速度、精度;风力机次声波噪声由厚度噪声和载荷噪声组成,载荷噪声和厚度噪声声压绝对值基本相等;风力机次声波在空间分布上具有一定的指向性;其中风力机次声波产生区域主要集中在沿叶展方向r′/R=0.6~0.9处,同时沿翼型弦向产生的次声波集中在前端1/3弦长处。

关键词：风力机气动噪声次声波空间辐射声压