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    基于遇卡識(shí)別的改進(jìn)Kalman濾波器模型-加速度校正方法

    2013-04-27 11:16:52賴富強(qiáng)孫建孟李光云
    關(guān)鍵詞:測(cè)井校正濾波器

    賴富強(qiáng),孫建孟,李光云

    (1.重慶科技學(xué)院復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶401331;2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580)

    FMI成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的“記錄深度”,一般是在井口按照規(guī)則的電纜深度間隔記錄,而井下儀器沿著井軸的實(shí)際位置才是“真實(shí)深度”。眾所周知,井下的“真實(shí)深度”和井口的“記錄深度”并不完全一致,存在著一定的偏差,從而導(dǎo)致測(cè)井曲線和圖像出現(xiàn)異常現(xiàn)象,特別是在高分辨率電成像測(cè)井儀(FMI)中表現(xiàn)尤為明顯[1]。其原因主要有兩點(diǎn):一是由于井壁的粘滯作用,引起儀器在井下作緩慢的非勻速運(yùn)動(dòng),同時(shí)連接儀器的電纜具有彈性,不能及時(shí)將這種非勻速運(yùn)動(dòng)反映到井口,造成電纜記錄深度與儀器真實(shí)深度之間出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致成像圖上出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象;二是由于井斜、井眼不規(guī)則以及井壁泥餅等對(duì)儀器的阻尼作用,導(dǎo)致儀器在井下被“卡?!币约半娎|張力擺脫靜摩擦力“解卡”后作輕微的“yo-yo”滑動(dòng)現(xiàn)象,在成像圖上呈現(xiàn)出整段的壓縮和拉伸現(xiàn)象。這兩種情況將導(dǎo)致成像圖像出現(xiàn)嚴(yán)重的失真,掩蓋了地層的真實(shí)情況,嚴(yán)重影響地質(zhì)家的判斷,因此需要通過加速度校正來恢復(fù)采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的真實(shí)深度,消除儀器非勻速運(yùn)動(dòng)引起的粘滯滑動(dòng)區(qū)域和遇卡區(qū)域的圖像異?,F(xiàn)象。加速度校正方面,前人做了許多相關(guān)研究:毛志強(qiáng)[2](1991)對(duì)測(cè)量的加速度信息進(jìn)行積分來校正地層傾角測(cè)井?dāng)?shù)據(jù);肖加奇[3](1994)采用遞推最小二乘法對(duì)微電阻率掃描測(cè)井曲線進(jìn)行了加速度和速度校正;國外哈里伯頓公司利用電纜張力和加速度信息進(jìn)行速度校正(Robert[6],2003);斯倫貝謝公司采用Kalman濾波方法預(yù)測(cè)儀器的真實(shí)深度(Chan[4],1985;Howard[5],1991;Belougne[1],1996;王敏[7];賴富強(qiáng)等[12])。綜合分析認(rèn)為,對(duì)加速度曲線進(jìn)行二次積分得到深度的方法,由于很難消除累積積分誤差而導(dǎo)致結(jié)果失準(zhǔn);而Kalman濾波方法對(duì)儀器真實(shí)深度的預(yù)測(cè)和校正效果較好,賴富強(qiáng)等[12-13]曾對(duì)傳統(tǒng)的卡爾曼濾波器模型加速度校正方法進(jìn)行了研究,對(duì)儀器的一般非勻速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的異常現(xiàn)象進(jìn)行了有效的校正,但是傳統(tǒng)Kalman濾波器模型沒有對(duì)儀器在井下遇卡時(shí)和解卡后的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析,無法得到準(zhǔn)確的濾波系數(shù),對(duì)“遇卡區(qū)域”適應(yīng)性較差。因此,筆者首先對(duì)儀器在井下的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析識(shí)別出儀器的“遇卡區(qū)域”,然后利用遇卡識(shí)別結(jié)果對(duì)傳統(tǒng)的Kalman濾波器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn),充分考慮相鄰遇卡現(xiàn)象的疊加情況,最后用FMI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)Kalman濾波器模型進(jìn)行驗(yàn)證。

    1 儀器遇卡的識(shí)別方法

    儀器遇卡判斷基于一個(gè)事實(shí):由于電纜具有彈性,儀器的速度不可能在任何一個(gè)井段內(nèi)保持固定值,除非是一直等于電纜速度(但在實(shí)際測(cè)井中不太可能出現(xiàn)如此理想的情況)[1]。因此,當(dāng)測(cè)量的加速度曲線在一定的時(shí)間窗內(nèi)表現(xiàn)為平直線段,且接近零值,同時(shí)在時(shí)間窗起點(diǎn)處儀器預(yù)測(cè)速度遠(yuǎn)小于井口電纜速度時(shí),基本可以判定儀器遇卡。另外,加速度曲線在遇卡的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)阻尼衰減振動(dòng),卡停瞬間出現(xiàn)很大的負(fù)值,恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極大的正值,同時(shí)電纜張力曲線在遇卡時(shí)逐漸增大,而電扣所測(cè)的電導(dǎo)率曲線在儀器遇卡時(shí)一般呈直杠形,在儀器解卡過程中被壓縮[7]。

    根據(jù)上述儀器遇卡判斷原理,本文中采用的儀器遇卡識(shí)別方法見流程圖1,本方法最終生成一個(gè)儀器遇卡指示函數(shù)I(k),當(dāng)I(k)=1時(shí),表明儀器遇卡,否則I(k)=0,可以用來優(yōu)化Kalman濾波系數(shù)。從圖1可以看出,該方法在每個(gè)深度點(diǎn)上,首先檢測(cè)上一個(gè)點(diǎn)是否遇卡,如果沒有,那么檢測(cè)儀器的預(yù)測(cè)速度是否低于門限值δ,如果低于門限值,那么繼續(xù)檢測(cè)加速度在一定窗長(zhǎng)內(nèi)的方差和絕對(duì)平均值是否分別低于門限值ε1和ε2,如果這些條件都滿足的話,再附加檢測(cè)加速度過零點(diǎn)位置的能量是否大于窗口內(nèi)其他所有點(diǎn)的能量,滿足的情況下,加速度過零點(diǎn)的位置為儀器遇卡的起始位置,設(shè)置I(k)=1,完成一次循環(huán)判斷。如果在當(dāng)前循環(huán)開始的時(shí)候已經(jīng)遇卡,那么就不用進(jìn)行儀器速度和是否過零點(diǎn)的檢測(cè),只需要檢測(cè)加速度的方差和均值是否滿足遇卡條件,當(dāng)不滿足遇卡條件的情況下,窗口內(nèi)加速度最后一個(gè)過零點(diǎn)的位置為儀器解卡的位置,之前都視為遇卡區(qū)域。至此,完成一個(gè)遇卡區(qū)域的循環(huán)判斷,繼續(xù)移動(dòng)深度點(diǎn)完成整個(gè)井段的探測(cè)。

    圖1 儀器遇卡識(shí)別方法流程圖Fig.1 Flow chart of instrument sticking recognition method

    圖2是以FMI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,利用上述遇卡識(shí)別方法對(duì)10 m長(zhǎng)的電成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別得到的成果曲線圖,在井段2554.5~2555.1 m、2556.25~2556.35 m、2556.8~2557 m、2560.35~2560.58 m、2562.65~2 562.82 m五處儀器遇卡,加速度曲線(FCAZ)在遇卡時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極小值,然后在解卡是出現(xiàn)一個(gè)極大值,而張力曲線(TENS)遇卡時(shí)逐漸增大,解卡時(shí)突然減小,電阻率曲線在遇卡過程中出現(xiàn)直杠現(xiàn)象,解卡過程中出現(xiàn)被壓縮現(xiàn)象,在2554.5~2555.1 m處比較明顯。值得說明的是,電成像測(cè)井儀器的測(cè)斜系統(tǒng)和測(cè)量電扣之間存在著一個(gè)深度差,故極板電扣曲線和加速度曲線并不是對(duì)齊的。最后一道是根據(jù)加速度、速度和電纜張力曲線識(shí)別出來的遇卡指示線,1代表遇卡,0代表正常,由圖可知,采用本文的方法非常準(zhǔn)確地識(shí)別出了儀器的遇卡情況。

    圖2 儀器遇卡識(shí)別成果曲線圖Fig.2 Result curves of instrument sticking recognition

    2 傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法

    Kalman濾波器是由Kalman提出的一種遞推式濾波方法,即用一個(gè)狀態(tài)方程和一個(gè)測(cè)量方程來完整地描述線性動(dòng)態(tài)過程[8-9],其在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10-11]。本中將Kalman濾波器應(yīng)用到測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)中,首先建立了文獻(xiàn)[7]提出的傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法,然后對(duì)其校正效果進(jìn)行驗(yàn)證分析,最后提出改進(jìn)方案。

    傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法的狀態(tài)方程表示為

    式中,a(k)、v(k)、z(k)為k時(shí)刻儀器的加速度、速度和深度;T為采樣時(shí)間間隔,引入na(k)表示a(k)在測(cè)量以及預(yù)測(cè)過程中可能帶來的誤差,將式(1)展開就是勻加速度運(yùn)動(dòng)的速度和位移公式,上標(biāo)“-”表示預(yù)測(cè)前的值,“+”表示預(yù)測(cè)后的值。同時(shí),設(shè)電纜深度為y(k),ny(k)用來衡量電纜深度與儀器真實(shí)深度之間的瞬時(shí)誤差,測(cè)量方程可表示為

    傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法中,式(1)中的na(k)和式(2)中的ny(k)均被假設(shè)為均值為零的高斯白噪聲,均方差(k)(k)為常數(shù)[7]。由此構(gòu)造出加速度校正的Kalman濾波預(yù)測(cè)器模型如下:

    式中,G1(k)和G2(k)為反饋增益,由誤差協(xié)方差矩陣 P(k)推導(dǎo)得出[13],詳見文獻(xiàn)[7]。

    由式(1)、(2)、(3)組成傳統(tǒng)的Kalman濾波器-加速度校正方法,以此預(yù)測(cè)出每個(gè)k時(shí)刻的儀器速度和真實(shí)深度,最后利用Akima插值方法[13]對(duì)真實(shí)深度對(duì)應(yīng)的極板數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣并重新生成FMI成像圖像。圖3是本文采用傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法對(duì)一段FMI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理得到的結(jié)果。經(jīng)過對(duì)比可以看出,在“粘滯滑動(dòng)區(qū)域”(圖3中上下兩個(gè)矩形虛線框所示,該區(qū)域加速度和速度曲線波動(dòng)較小,儀器作非勻速運(yùn)動(dòng),但沒有遇卡):原始電成像圖上層理特征出現(xiàn)鋸齒和錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,采用傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法能較好地恢復(fù)地層的層理特征,消除錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,校正效果明顯優(yōu)于采用直接二次積分法得到的校正圖像;而在“遇卡區(qū)域”(圖3中間矩形點(diǎn)線框所示,該區(qū)域儀器加速度波動(dòng)較大,預(yù)測(cè)速度出現(xiàn)零值,遇卡指數(shù)曲線指示儀器遇卡):原始電成像圖上出現(xiàn)大段壓縮和拉伸現(xiàn)象,采用傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法和直接二次積分法得到的校正圖像效果均不理想。

    經(jīng)過多次試驗(yàn)分析得出,采用傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法能夠?qū)Α罢硿瑒?dòng)區(qū)域”的非勻速運(yùn)動(dòng)起到較好的校正效果,但在“遇卡區(qū)域”的校正效果較差。原因在于:當(dāng)儀器遇卡和解卡時(shí),真實(shí)深度與記錄的電纜深度之間的偏差ny(k)急劇增加,如果此時(shí)不實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器預(yù)測(cè)模型中對(duì)電纜深度實(shí)測(cè)值的依賴比重(k),會(huì)嚴(yán)重影響預(yù)測(cè)結(jié)果,但傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法中(k)設(shè)置為常數(shù),沒有進(jìn)行針對(duì)處理,故對(duì)“遇卡區(qū)域”的校正效果不理想。

    圖3 傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正成果對(duì)比圖Fig.3 Result of traditional Kalman filter model-acceleration correction method

    3 改進(jìn)的Kalman濾波器-加速度校正模型

    鑒于傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法對(duì)“遇卡區(qū)域”的不適應(yīng),本文提出利用遇卡識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)改進(jìn)傳統(tǒng)Kalman濾波器模型的方法,適應(yīng)“遇卡區(qū)域”的加速度校正。具體是針對(duì)Kalman濾波器模型中影響反饋增益矩陣和誤差協(xié)方差矩陣的電纜深度測(cè)量誤差函數(shù)k)進(jìn)行改進(jìn),從儀器遇卡前、儀器遇卡時(shí)和儀器解卡后三個(gè)方面進(jìn)行考慮。

    模型改進(jìn)的指導(dǎo)思想是:儀器遇卡前,Kalman濾波器模型不作調(diào)整,沿用傳統(tǒng)Kalman濾波器模型k)為常數(shù);當(dāng)儀器遇卡時(shí),電纜測(cè)量深度的誤差逐漸增加,Kalman濾波器預(yù)測(cè)模型應(yīng)減小對(duì)電纜測(cè)量深度的依賴比重,更多地依賴加速度計(jì)測(cè)量值來進(jìn)行模型外推預(yù)測(cè),因此此時(shí)k)應(yīng)設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)的增大來反映“遇卡區(qū)域”電纜測(cè)量深度誤差的增加;當(dāng)儀器解卡后(k)應(yīng)設(shè)計(jì)為逐漸減小,直至恢復(fù)到遇卡前的狀態(tài)。根據(jù)這一指導(dǎo)思想,又由于σy(k)將與電纜深度y(k)成比例關(guān)系,將(k)設(shè)計(jì)為

    式中,c為常數(shù);vc(k)為電纜速度;f(k)設(shè)計(jì)為I(k)的函數(shù),實(shí)時(shí)改變(k)值。f(k)由試驗(yàn)分析推導(dǎo)而來,當(dāng)儀器遇卡前,f(k)=0;當(dāng)儀器遇卡時(shí),f(k)逐漸增加使σy(k)增大,反映電纜測(cè)量深度誤差增加(圖4的ab段);當(dāng)遇卡結(jié)束時(shí),f(k)達(dá)到最大值,并保持一定時(shí)間不變后才逐漸減小恢復(fù)到零(圖4的bc段),這樣設(shè)計(jì)的目的在于儀器解卡后可能做復(fù)雜的“yo-yo”運(yùn)動(dòng),電纜的測(cè)量深度仍然不可靠,所以給電纜系統(tǒng)一定的時(shí)間恢復(fù)到常態(tài),這里的一定時(shí)間設(shè)計(jì)為儀器遇卡的時(shí)間長(zhǎng)度;儀器解卡后,f(k)逐步減小,使σy(k)逐漸恢復(fù)到常態(tài)(圖4的cd段)。

    圖4 f(k)的設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Schematic diagram of f(k)

    在f(k)設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),如果在f(k)恢復(fù)到零之前,儀器又遇到遇卡現(xiàn)象,那么f(k)變得比圖5(a)更為復(fù)雜,因?yàn)閮纱斡隹ㄇ闆r疊加在一起,f(k)就得考慮上一次遇卡和新的遇卡現(xiàn)象的累積效應(yīng),圖5(b)~(e)分四種情況充分考慮了兩次遇卡的疊加現(xiàn)象。圖5(b)和圖5(c)均顯示了新的遇卡發(fā)生在f(k)減小之前,而圖5(b)和圖5(c)的區(qū)別是第二次遇卡時(shí)間比第一次短和長(zhǎng);圖5(d)和(e)都顯示了新的遇卡發(fā)生在f(k)減小之后,同樣圖5(d)和圖5(e)的區(qū)別同樣是第二次遇卡時(shí)間比第一次短和長(zhǎng);圖5(f)為新的遇卡發(fā)生在f(k)返回零之后,即儀器正常運(yùn)行后的又一次遇卡,即為圖5(a)現(xiàn)象的重復(fù)。通過對(duì)圖5六種遇卡情況進(jìn)行分析,最終推導(dǎo)出Kalman濾波器改進(jìn)模型中f(k)的表達(dá)式:

    圖5 儀器遇卡后各種情況下f(k)隨I(k)變化的示意圖Fig.5 Schematic diagram of all kinds of superposition between two adjacent sticking events

    其中s(k)為中間變量,直接隨I(k)變化,設(shè)計(jì)為

    4 應(yīng)用效果分析

    應(yīng)用改進(jìn)的Kalman濾波器-加速度校正方法,對(duì)圖3所示的FMI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理,并將加速度校正后的成像圖像與傳統(tǒng)Kalman濾波器-加速度校正方法得到的圖像進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見圖6。

    圖6 改進(jìn)Kalman濾波器-加速度校正成果對(duì)比圖Fig.6 Result of improved Kalman filter model-acceleration correction method

    可以看出:在“粘滯滑動(dòng)區(qū)域”(圖6(a)中上下兩個(gè)矩形虛線框所示),采用改進(jìn)Kalman濾波器-加速度校正方法能夠很好地恢復(fù)地層的層理特征,消除錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,與傳統(tǒng)Kalman濾波校正效果相當(dāng);而在“遇卡區(qū)域”(圖6(a)中間矩形點(diǎn)線框所示),傳統(tǒng)Kalman濾波校正圖像上仍然存在壓縮和拉伸現(xiàn)象,而改進(jìn)Kalman濾波校正圖像完全消除了由于儀器遇卡導(dǎo)致的大段壓縮、拉伸現(xiàn)象,使地層的層理特征得以清晰呈現(xiàn)(見圖6(a)中遇卡區(qū)域內(nèi)的橢圓形虛線框)。證明了改進(jìn)后的Kalman濾波器-加速度校正方法的正確性和優(yōu)越性:既能校正“粘滯滑動(dòng)區(qū)域”的一般非勻速運(yùn)動(dòng),又能解決“遇卡區(qū)域”的拉伸壓縮現(xiàn)象。將改進(jìn)Kalman濾波器-加速度校正方法應(yīng)用到相鄰井段(2 558.5~2 561.5 m),圖6(b)所示的加速度校正成果圖例再次驗(yàn)證了方法的有效性。圖6(b)虛線框區(qū)域(2560.05~2 560.7 m)儀器明顯遇卡,原始電成像圖上底部出現(xiàn)嚴(yán)重的拉伸、頂部出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象,傳統(tǒng)的Kalman濾波模型在一定程度上緩減了圖像的拉伸壓縮現(xiàn)象,但是圖像上仍然存在小段拉伸假象,而改進(jìn)Kalman濾波器-加速度校正方法的校正結(jié)果完全消除了圖像的拉伸壓縮現(xiàn)象,使地層的裂縫、層理等細(xì)微特征得以重現(xiàn)。

    5 結(jié)論

    (1)提出的FMI成像測(cè)井儀器遇卡識(shí)別方法以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的Kalman濾波器模型-加速度校正方法,有效地解決了由井下儀器非勻速運(yùn)動(dòng)引起的“粘滯滑動(dòng)區(qū)域”圖像鋸齒現(xiàn)象和“遇卡區(qū)域”大段圖像壓縮拉伸現(xiàn)象,與直接二次積分法和傳統(tǒng)的Kalman濾波器模型-加速度校正方法相比更具優(yōu)越性和適應(yīng)性。

    (2)由于井下儀器電纜的彈性并不規(guī)則,Kalman濾波器模型中ny(k)并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的白噪聲隨機(jī)過程,更精確的模型需要更加詳細(xì)的探頭和電纜系統(tǒng)物理參數(shù),這些可靠性參數(shù)很難獲取,預(yù)測(cè)結(jié)果表明經(jīng)過本文改進(jìn)的Kalman濾波器白噪聲模型足以應(yīng)付井下儀器出現(xiàn)的大多數(shù)非勻速情況,包括“yo-yo”現(xiàn)象。

    (3)該方法不僅適用于FMI成像測(cè)井,同樣適用于其他成像測(cè)井系列,尤其有助于改善國產(chǎn)成像儀器圖像的質(zhì)量,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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