井場主要振動信號的分離研究及應(yīng)用

王 茜,呂苗榮,于承敏

(1.江蘇工業(yè)學(xué)院 機(jī)械與能源學(xué)院,江蘇 常州 213016;2.聊城大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,山東 聊城 252000)

井場主要振動信號的分離研究及應(yīng)用

王 茜1,呂苗榮1,于承敏2

(1.江蘇工業(yè)學(xué)院 機(jī)械與能源學(xué)院,江蘇 常州 213016;2.聊城大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,山東 聊城 252000)

采用一種新的工程信號分離處理方法——模式濾波法,開展了鉆井井場振動信號的分離研究應(yīng)用,介紹了鉆井泵、牙輪鉆頭和 PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí)鉆柱頂部振動信號的模式濾波法信號分離結(jié)果。實(shí)踐表明,可以采用模式濾波法快速、合理地分離各種混疊信號;只要信號之間存在一定的差異性,就可以實(shí)現(xiàn)信號完整、合理的分離處理。該方法在工程信號的分離處理中具有良好的應(yīng)用前景。

井場;振動;模式濾波法;信號分離

Abstract:A new approach-Pattern Filtermethodwas used to carry out the study and practical use of the drilling signal separation on well site,the results of these sub-signals extracted from vibration measurement on drilling pump and the top of drill string is presented when drilled with tricone or PDC bit. It showed that this method can be used to segregate different components fast and reasonably;as long as there are some differences between mixed sub-signals,these sub-signals can be separated from vibration measurement reasonably and integrally.Such a signal separationmethod has a good prospect for engineering signal processing.

Key words:well site;vibration;pattern filtermethod;signal separation

目前,信號處理技術(shù)的難點(diǎn)不在于接收到的信號質(zhì)量,而在于對信號的解釋理論、方法和手段?？焖俑盗⑷~變換、Gabor變換、小波變換等都試圖通過方法的革新來實(shí)現(xiàn)信號處理技術(shù)上的突破與創(chuàng)新。20世紀(jì) 50年代,以快速傅立葉變換為代表的各種頻譜分析手段,在信號處理方法的發(fā)展進(jìn)程中起到了很大的促進(jìn)作用。但快速傅立葉變換、小波變換和Walsh變換等方法由于方法本身的限制,要將 2個(gè)或多個(gè)在時(shí)域和頻域都產(chǎn)生混疊的信號完全、合理地分開是一件很難的事情。

本文將文獻(xiàn)[1-2]介紹的模式濾波法應(yīng)用于井場聲振信號的處理,同時(shí)引入聲振信號的數(shù)字化音頻技術(shù)來識別各種信號,取得了很好的效果。由于采用了這些方法,不僅能夠快速地識別、診斷井場設(shè)備的故障,并且可以實(shí)現(xiàn)各種振動信號的合理分離、典型振動信號的提取和模型化處理。

1 模式濾波法的基本原理

模式濾波法就是從信號的物理特性出發(fā)來建立合理的信號模型,并將該模型看成是一個(gè)操作單元或操作子。采用最優(yōu)化的方法從實(shí)際的信號中提取得到一系列操作子參數(shù),使信號轉(zhuǎn)化為由一系列操作單元表示的子信號。研究表明,可將信號看成是由聲音子以時(shí)間為軸線、按一定的方式排列、相互疊加作用的結(jié)果。通過操作單元的合理選擇和分類整理,就可實(shí)現(xiàn)信號的提取、分離和降噪處理[1]。該方法不僅可以用于語音信號的處理,而且也可以用于工程信號的分離[2]。

2 井場主要振動信號的分離

在鉆井過程中,鉆機(jī)的各種機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會引發(fā)大量的振動,鉆柱、鉆頭在井眼內(nèi)運(yùn)動破巖的過程中也產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動,這些振動和聲信號是相互混疊在一起的,實(shí)現(xiàn)各種混疊信號的合理分離和定量化處理,對鉆井過程聲振現(xiàn)象的研究具有重要的意義。筆者將模式濾波法應(yīng)用于井場聲振信號的處理,借助于文獻(xiàn)[3]介紹的音頻轉(zhuǎn)化和測試技術(shù),實(shí)現(xiàn)了多種混疊信號的合理分離和定量化處理。

2.1 鉆井泵液力端振動信號的分離

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備振動信號的分離,首先利用文獻(xiàn)[4]介紹的方法進(jìn)行振動信號的基元分段處理。圖1是一個(gè)鉆井泵振動信號,按照設(shè)備自身運(yùn)轉(zhuǎn)周期逐一分段,然后依序排列得到的結(jié)果。通過這樣的分段處理,可以將不同類信號進(jìn)行相應(yīng)的歸類,從而為下一步開展信號分離提供便利。

圖1 鉆井泵液力端系列基元信號

對于圖1不同基元中的同類信號,信號與信號之間存在著各種隨機(jī)的干擾,而呈現(xiàn)出千差萬別的變化,尤其是沖擊和摩擦信號,這種差異性就顯得更加強(qiáng)烈。如何實(shí)現(xiàn)各種信號之間的完整分離?實(shí)踐證明,信號的模式濾波方法是一個(gè)有效的處理手段。由于模式濾波具有操作簡便、各種聲音子易于組合測試的特點(diǎn),在鉆井泵振動信號的處理過程中顯得尤為方便。

圖2a是從國內(nèi)某油田測量得到的鉆井泵某缸套振動基元分段中的排液沖擊信號,利用模式濾波法可以方便地分離圖中混疊的各種信號。圖2b是因連接件松動引發(fā)的沖擊摩擦振動信號。圖2c是活塞與缸套之間的沖擊摩擦信號。圖2d是低頻振動信號,主要反映了泵體振動和鉆井液的流動。實(shí)踐表明這些信號出現(xiàn)的位置、時(shí)間都存在很強(qiáng)的規(guī)律性。

圖2 鉆井泵液力端振動信號的模式濾波法分離實(shí)例

各種運(yùn)動的規(guī)律性可通過尋找各小段信號中存在的相同聲音子來進(jìn)行確認(rèn),無論是低頻振動,還是高頻沖擊成分,都存在很好的對應(yīng)關(guān)系。低頻信號的規(guī)律性可以很直觀地觀察得到,而高頻沖擊的規(guī)律性不能直接觀察,但可以通過研究聲音子組合的規(guī)律性來獲得。

2.2 牙輪鉆頭鉆井時(shí)鉆柱頂部振動信號的分離

圖3是實(shí)測牙輪鉆頭鉆井時(shí)鉆柱頂部振動的信號曲線。從圖3可以看出,一般情況下,鉆柱振動近似一條周期性變化的諧振曲線。當(dāng)出現(xiàn)鉆柱扭轉(zhuǎn)、沖擊等動態(tài)力的作用時(shí),振動曲線會發(fā)生明顯的變化,例如圖中大幅度的曲線變化就是由鉆柱沖擊扭轉(zhuǎn)振動引起的。

圖3 實(shí)測牙輪鉆頭鉆井時(shí)鉆柱頂部振動的信號曲線

圖4是將上述振動曲線分段顯示的信號及其頻譜圖形。測試表明:鉆柱振動曲線主要是鉆柱自身的振動信號,除沖擊動載信號引起鉆柱大幅度振動之外,其他如鉆頭破巖振動、地面設(shè)備引起的振動等信號成分與鉆柱自身的振動信號相比較都是一些弱小項(xiàng),鉆柱振動曲線的主頻就是鉆柱自身的固有頻率。實(shí)際上,鉆柱振動曲線內(nèi)部包含了牙輪鉆頭鉆井過程中鉆柱所發(fā)生的所有信息,包括鉆頭破巖、磨損、牙齒與巖石的相互作用,鉆柱在軸向與扭轉(zhuǎn)的振動等。

圖4 振動曲線分段顯示的信號及其頻譜圖形

可以采用模式濾波法進(jìn)行牙輪鉆頭振動信號成份的快速分離處理,圖5就是按照圖1的處理方法和流程,對圖4b信號采用模式濾波法的最終分離結(jié)果。圖4b信號的聲音子最終被分成 0～10共 11類。其中“0”、“6”、“7”類聲音子主要是地面發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)振動信號;“1”類主要是鉆柱振動信號;“3”類為扭轉(zhuǎn)振動信號;“4”類為牙輪鉆頭特有的諧振信號;“5”、“8～10”估計(jì)是鉆頭振動信號成分。但這不是絕對的,由于聲音子提取和分類還無參照信號,分類劃分結(jié)果還存在一定程度的參雜與交叉,因此在聲音子的分類處理上還需作更多的努力。

圖5 牙輪鉆頭振動信號分離

2.3 PDC鉆頭振動信號分離

實(shí)踐表明,利用信號之間的差異性也同樣可以分離 PDC鉆頭的振動信號。但由于缺少鉆頭破巖時(shí)牙齒與巖石相互作用的信號特征信息,同牙輪鉆頭的處理結(jié)果一樣,也就無法完整地提取得到鉆頭破巖時(shí)的振動信號。圖6是對左上的實(shí)測 PDC鉆頭鉆進(jìn)時(shí),鉆柱頂部振動信號的模式濾波分離結(jié)果。該信號的聲音子被分離成為 11類,結(jié)合耳聽分辨可以得出,類型“1”聲音子是管柱振動信號;“2～4”、“8～9”是鉆頭破巖信號;“5～7”類聲音子是發(fā)動機(jī)振動信號,相應(yīng)的信號及頻譜如圖6。

從分離的情況來看,鉆頭振動、管柱振動和地面發(fā)動機(jī)引起的振動信號之間存在明顯的差異,即使是由于井眼的加深導(dǎo)致鉆頭振動信號衰減的情況下,只要確定鉆頭信號的分布就可以實(shí)現(xiàn)信號的合理分離。

從這些結(jié)果中可以明確無誤地?cái)喽ǔ龅孛姘l(fā)動機(jī)和機(jī)械設(shè)備的振動信號,與牙輪鉆頭類似,對于井下鉆頭振動破巖信號的分離結(jié)果還需要做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖6 PDC鉆頭正當(dāng)信號分離實(shí)例

3 結(jié)論

1) 在井場聲振信號的處理過程中引入聲振信號的數(shù)字化音頻技術(shù)來分離各種信號,取得了很好的效果。

2) 采用信號的模式濾波法,可以實(shí)現(xiàn)井場設(shè)備和鉆柱頂部振動信號中各種混疊成分合理、完整的分離處理,為實(shí)現(xiàn)石油石化設(shè)備的故障診斷做技術(shù)準(zhǔn)備。

[1] 呂苗榮.工程信號處理最優(yōu)化理論的研究應(yīng)用:語音信號處理新方法探索[R].長沙:中南大學(xué)博士后研究報(bào)告,2006.

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Well Site Separation of the Main Vibration Signals And Applications

WANG Qian1,LV Miao-rong1,YU Cheng-min2
(1.Department of Mechanical Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou213016,China;2.Department of Computer Science,Liaocheng University,Liaocheng252000,China)

TE928

A

1001-3482(2010)05-0062-03

2009-10-23

呂苗榮 (1964-),男,浙江嵊州人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事石油工程信息資源開發(fā)利用、鉆井工程最優(yōu)化和鉆井系統(tǒng)工程方面的研究,E-mai:zjszgm@sina.com。