油管傳輸射孔信號(hào)的識(shí)別

宋 凱，龐 宏，馬平全

(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159)

傳統(tǒng)信號(hào)處理方法是在Fourier分析基礎(chǔ)上，適用于具有線性、高斯性和平穩(wěn)性特點(diǎn)信號(hào)的處理，而對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)的處理則顯得不適應(yīng)。雖然加窗Fourier變換克服了傳統(tǒng)傅里葉變換的不足，但仍然受到Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理的約束。1998年，工作于NASA的美籍華人N.E Huang等［1-2］提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(Empirical Mode Decomposition，簡(jiǎn)稱EMD)，是分析非線性、非穩(wěn)定信號(hào)的全新方法，該方法從根本上克服了Fourier變換的局限性，是一種更具適應(yīng)性的時(shí)頻局部化分析方法。

通過(guò)近年的發(fā)展與實(shí)踐，EMD方法作為一種新的信號(hào)處理手段已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對(duì)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的處理，是一種自適應(yīng)的信號(hào)處理方法［3］。目前EMD方法已被應(yīng)用于信號(hào)的降噪、濾波處理、爆破振動(dòng)信號(hào)分析、電網(wǎng)故障分析、電能質(zhì)量檢測(cè)、機(jī)械故障診斷、水下目標(biāo)提取等領(lǐng)域。

油管傳輸射孔(Tubing conveyed perforation，簡(jiǎn)稱TCP)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外油田測(cè)井過(guò)程中廣泛應(yīng)用的射孔技術(shù)之一［4-5］。TCP射孔信號(hào)具有頻率時(shí)變的特性，是一種典型的非線性、非平穩(wěn)信號(hào)。本文提出采用EMD理論方法分析處理TCP射孔產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，提取事件特征，作出相應(yīng)事件的判斷，進(jìn)而為油井開發(fā)提供信息支持。

1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法不采用Fourier變換對(duì)信號(hào)由各種正弦信號(hào)組成的定義，認(rèn)為任意一個(gè)信號(hào)x(t)都是由一系列不同的、簡(jiǎn)單的非正弦函數(shù)的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，簡(jiǎn)稱IMF)組成［6］，因而任意一個(gè)信號(hào)x(t)都可以分解成若干頻率從高到低的本征模態(tài)函數(shù)之和。一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)必定滿足以下兩個(gè)條件:

(1)在整個(gè)信號(hào)時(shí)間段內(nèi)零值點(diǎn)的數(shù)目與極值點(diǎn)的數(shù)目必須相等或者最多相差為一。

(2)在信號(hào)中的任一數(shù)據(jù)點(diǎn)，由局部極大值點(diǎn)構(gòu)成的上包絡(luò)線和局部極小值點(diǎn)構(gòu)成的下包絡(luò)線的均值為零，即信號(hào)波形關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱。

在實(shí)際中采集到的信號(hào)都不是IMF，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行EMD分解的具體步驟如下:

(1)首先找出x(t)的所有極大特征值點(diǎn)，采用三次樣條插值法擬合出原始數(shù)據(jù)序列的上包絡(luò)線eupp(t);同理找出的所有極小特征值點(diǎn)，擬合出下包絡(luò)線elow(t)。計(jì)算出上下包絡(luò)線的均值，記為m1(t)

(2)原始數(shù)據(jù)信號(hào)x(t)減去均值m1(t)即可得到一個(gè)去除低頻的新的數(shù)據(jù)信號(hào) h1(t)，h1(t)=x(t)-m1(t)。如果h1(t)為一個(gè)IMF分量則停止分解。

(3)一般h1(t)依然不是IMF分量信號(hào)，因而需要對(duì)h1(t)重復(fù)進(jìn)行上述處理過(guò)程，重復(fù)k次直到h1k(t)符合IMF特征的定義要求，所得到的均值趨向零為止。這樣就獲得了原始信號(hào)的第一階IMF分量c1(t)，此分量是信號(hào)x(t)中最高的頻率分量。

(4)將c1(t)從x(t)中分出來(lái)即可得到一個(gè)去除高頻率分量的信號(hào)r1(t)，既有:

為了進(jìn)一步得到更低頻率的分量信號(hào)，將r1(t)作為原始信號(hào)，重復(fù)(1)、(2)和(3)過(guò)程得到第二個(gè)IMF分量c2(t)。重復(fù)n次，直到符合預(yù)先設(shè)定好的停止規(guī)則，最終得到n個(gè)IMF分量，結(jié)果如下:

聯(lián)合式(4)和式(5)得原始信號(hào)x(t)可表示為

EMD分解中第一個(gè)循環(huán)過(guò)程是求取IMF分量的過(guò)程，被稱為Shifting(篩選)過(guò)程。篩選過(guò)程一定要有一個(gè)篩選準(zhǔn)則，否則會(huì)達(dá)不到預(yù)期效果。稱這個(gè)篩選準(zhǔn)則為柯西類收斂準(zhǔn)則:

當(dāng)SD的取值介于0.2～0.3之間時(shí)，篩選過(guò)程終止，進(jìn)入下一個(gè)過(guò)程［7］。

2 EMD方法在TCP射孔信號(hào)分析中的應(yīng)用

對(duì)于一段完整的TCP射孔信號(hào)，由于射孔時(shí)間非常短暫，所以首先要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的聯(lián)合分析，找到其射孔時(shí)刻，截取有效的信號(hào)段，忽略一些不相關(guān)的片段。這樣不僅排除了噪聲的干擾，而且極大地提高了EMD處理信號(hào)的效率。

TCP射孔槍種類不同，射孔彈的彈間距和彈數(shù)也各不相同。射孔槍有的只有一支，有的由多支連接而成，射孔彈的安裝也呈一定的相位，有的呈60°，也有90°的等。如果只有一支槍，爆破過(guò)程中信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，如果由多支槍連接而成，連接處的相位可能會(huì)有不規(guī)律的變化，這樣射孔爆破過(guò)程中信號(hào)波形會(huì)出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。只要從波形中找到拐點(diǎn)，即可記為一個(gè)射孔彈爆點(diǎn)。

圖1和圖3分別為兩個(gè)不同的TCP射孔的有效截取信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行EMD分解分別得到其第一階IMF分量，如圖2和圖4所示。

圖1 TCP射孔信號(hào)

圖2 第一階IMF分量

圖3 TCP射孔信號(hào)

圖4 第一階IMF分量

由圖1～4可看出，原始有效數(shù)據(jù)波形不能判斷出射孔彈爆破點(diǎn)，而在第一階IMF分量的波形圖中可總結(jié)兩點(diǎn)，其一，IMF分量波形的每一個(gè)周期對(duì)應(yīng)原始數(shù)據(jù)波形中的一個(gè)拐點(diǎn)。其二，IMF分量波形總體受到阻尼作用而振幅逐漸衰減，而中間時(shí)刻有一個(gè)振幅增加的趨勢(shì)，這實(shí)際是射孔爆破能量不斷產(chǎn)生的過(guò)程。當(dāng)波形呈指數(shù)曲線衰減時(shí)即認(rèn)為射孔完畢。在相鄰兩個(gè)拐點(diǎn)之間是均勻傳爆的，所以只要結(jié)合時(shí)域波形確定相鄰兩個(gè)拐點(diǎn)之間時(shí)間間隔與相鄰射孔彈的爆破時(shí)間間隔求商，即可確定相鄰兩個(gè)信號(hào)拐點(diǎn)之間射孔彈爆破數(shù)目。

以16彈/m的射孔槍為例來(lái)說(shuō)明對(duì)TCP射孔信號(hào)的識(shí)別。16彈/m即彈間距為0.0625m，而導(dǎo)爆索的傳爆速度為7200～8000m/s。設(shè)其速度為7200m/s，則相鄰兩個(gè)射孔彈的爆炸時(shí)間間隔為8.6μs，這樣在兩個(gè)拐點(diǎn)之間的射孔彈爆破數(shù)目即可確定。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采集到的TCP射孔爆破信號(hào)進(jìn)行加窗處理，截取有效片段，以減小進(jìn)行EMD分解處理的工作量，同時(shí)提高EMD處理效率。由于射孔爆破信號(hào)必定為高頻信號(hào)，所以對(duì)有效的片段信號(hào)進(jìn)行EMD分解，取其第一階高頻IMF分量。對(duì)比截取的有效射孔信號(hào)，對(duì)第一階IMF分量進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合域分析，最終找到爆破點(diǎn)數(shù)目。這是一種全新的對(duì)TCP射孔信號(hào)的處理手段。

雖然EMD處理過(guò)程中存在一定誤差，但是對(duì)射孔質(zhì)量的判定在允許范圍內(nèi)。通過(guò)EMD方法對(duì)油管傳輸射孔信號(hào)進(jìn)行識(shí)別解決了當(dāng)前油田射孔過(guò)程中依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工判斷所造成的誤判、錯(cuò)判等問(wèn)題，對(duì)于獲取整個(gè)射孔過(guò)程信息提供了科學(xué)而有力的依據(jù)?？傊?，EMD處理方法對(duì)于TCP射孔爆破信號(hào)的識(shí)別處理是一種新的嘗試，值得深入研究與探討。

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