一種泥漿脈沖信號識別方法

李傳偉，楊亮，祝環(huán)芬，王芝峰

（1.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安710072；2.中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

隨鉆測井與傳統(tǒng)電纜測井及存儲式測井的主要區(qū)別是獲取地層參數(shù)的時效性，隨鉆測井能夠在剛鉆開地層時獲得反映原狀地層評價參數(shù)，有助于及時綜合評價地層，實時指導(dǎo)鉆進(jìn)過程，提高儲層鉆遇率。隨鉆測井在水平井和大斜度井勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。隨著隨鉆測井方法不斷完善和儀器的研制，井下測量數(shù)據(jù)越來越多，實時傳輸?shù)降孛娉蔀橹萍s隨鉆測井技術(shù)應(yīng)用的瓶頸［1］。本文針對廣泛使用的泥漿脈沖傳輸方式中脈沖信號識別方法開展研究，提出先使用脈沖有效上升沿法判斷脈沖大體位置，再用滑動窗口最大值法精確調(diào)整和校準(zhǔn)脈沖位置的方法，在隨鉆測井過程中有效地識別出泥漿壓力波形中的脈沖信號。

1 信號產(chǎn)生及特征

隨鉆測井過程中井下探測的信號經(jīng)過采集轉(zhuǎn)化為測量數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)編碼策略驅(qū)動脈沖發(fā)生器閥體運(yùn)動改變泥漿循環(huán)通道的截面積，泥漿壓力發(fā)生變化，在地面探測的泥漿壓力波形將會產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖［如圖1（a）所示］。這一過程將泥漿壓力變化通過測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫诘孛嫱ㄟ^檢測壓力波形中的脈沖，根據(jù)位置關(guān)系解碼獲得相應(yīng)的測量參數(shù)［2］。

泥漿脈沖信號的傳輸過程是一種能量轉(zhuǎn)換過程，傳輸特性受泥漿介質(zhì)的影響，存在明顯的衰減，在地面采集檢測的壓力是一個非平穩(wěn)的信號，表現(xiàn)在壓力變化波峰（波谷）是1條斜線，包含各種噪聲和干擾，其中噪聲表現(xiàn)為寬帶白噪聲，干擾表現(xiàn)為與泵噪聲特性相關(guān)的周期性脈沖。研究人員采取多種方法對信號進(jìn)行濾波去噪處理，如中值濾波、小波濾波等去除信號中的各種噪聲。作者曾使用小波變換方法對泥漿壓力信號進(jìn)行濾波處理［3－4］，效果見圖1（b）所示。圖1（b）中紅色為采集的原始信號，黑色為經(jīng)過小波濾波處理后的信號，藍(lán)色為實際脈沖位置對應(yīng)的信號。

從濾波處理結(jié)果看出，濾波后的壓力波形有明顯的起伏變化，從中能夠識別出脈沖信號、獲取位置關(guān)系，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的解碼恢復(fù)。然而在環(huán)境噪聲較大、泵壓不穩(wěn)時，處理后的壓力波形波幅不等、寬窄不均，使得脈沖檢測十分困難，影響井下測量數(shù)據(jù)解碼。

圖1 泥漿脈沖信號與處理

2 算法的設(shè)計與實現(xiàn)

傳統(tǒng)的脈沖位置檢測方法是設(shè)定門檻值，高于門檻的波形就認(rèn)為是1個脈沖。該方法適用于波形變化較小、基值平穩(wěn)的信號，但對傳輸過程中泵壓變化導(dǎo)致脈沖幅度變化較大、存在基線漂移時，脈沖檢測效果較差，解碼數(shù)值準(zhǔn)確性不高［5］。

本文介紹基于濾波去噪后的壓力波形進(jìn)行脈沖識別的方法。首先求取信號幅度的一次差分和差分結(jié)果的二次差分，在信號中尋找出極值點（波峰、波谷）；其次根據(jù)脈沖信號寬度特征及約束條件從極值點中篩選出波峰，并利用閾值判斷出有效上升沿；最后采取滑動窗口內(nèi)面積最大原則確定脈沖所在的位置，轉(zhuǎn)換成方波序列，得到與井下編碼規(guī)則一致的脈沖信號。

2.1 波峰、波谷查找算法

脈沖識別的前提是先在波形中查找出所有局部極大值和極小值，記錄極值的位置和幅值，即確定波形點的x和y坐標(biāo)。連續(xù)函數(shù)求極值的算法一般采用一階導(dǎo)數(shù)駐點法，求連續(xù)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)為0的點；對于采集的泥漿壓力信號的離散值函數(shù)，則采用鄰域差值［6］，依次計算相鄰2個波形間的波幅差值diff＝y(tǒng)2－y1，計算結(jié)果有3種情況，即diff＞0、diff＜0、diff＝0。

根據(jù)結(jié)果判斷極值點，如果diff＝0并且diff正負(fù)特性發(fā)生改變的波形點即為極值點，將所有的極值點存入極值點數(shù)組中。某組測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖2（a）。圖2（a）中綠色點為極大值和極小值點。

2.2 查找波形有效沿算法

波形的上升沿和下降沿是任意相鄰的2個極值點之間的連接線，這條連接線的2個端點為V1（x1，y1）和V2（x2，y2），都是波形上的極值點，其中x1＜x2，如果y2＞y1則為上升沿，否則為下降沿。有效沿是指y2－y1的絕對值大于一定閾值的沿，分為有效上升沿和有效下降沿；利用有效沿可以排除識別到的部分虛假波峰，剔除干擾尖峰。

依次遍歷極值點數(shù)組中的每個元素，將相鄰2個點連接作為1個波形沿，并計算波形沿的波幅差值，如果大于閾值（測試中取經(jīng)驗值400）則為有效沿，記入有效沿數(shù)組。試驗中發(fā)現(xiàn)下降沿對于判定方波位置的作用較小，而且容易受到噪聲影響，所以在算法中均以有效上升沿為判定波峰位置的主要依據(jù)，而拋棄了有效下降沿數(shù)據(jù)。某組測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖2（b），其中綠色線表示有效上升沿。

圖2 波形信號識別

2.3 滑動窗口面積法確定方波

利用有效上升沿法確定的類正弦波波峰中，采用波峰的頂點作為中心位置確定出對應(yīng)的脈沖（見圖3綠色實線脈沖）。圖3表明由于波形畸變，該方法確定的方波不能準(zhǔn)確反映波形代表的脈沖位置，以波峰頂點作為中心點確定的脈沖及位置效果不理想。

本文在用波峰頂點確定脈沖后，采用滑動窗口面積法進(jìn)一步校正脈沖位置?；瑒哟翱诿娣e法就是以波峰頂點左一個脈寬位置為起始x坐標(biāo)，用固定寬度值為滑動窗口，沿x軸遞增改變x坐標(biāo)，計算窗口左右2個邊界及下邊界和波形所圍成的面積，確定掃過一個波峰中面積最大時脈沖的位置。為了簡化計算，設(shè)窗口的下邊界為0，計算面積值也就轉(zhuǎn)化為計算窗口內(nèi)所有點波幅度的和。求出這一組面積值的最大值，其窗口所在位置即為方波所在位置（窗口寬度等于方波脈沖寬度）（見圖3黑色虛線脈沖所示）。

圖3 波峰轉(zhuǎn)換方波算法示意圖

3 測試應(yīng)用效果

采取文中介紹的方法識別壓力波形中的脈沖信號，對比分析解碼測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用分為地面模擬信號測試和現(xiàn)場測井采集信號試驗2個部分［7］。

3.1 模擬信號測試

測試方法是連接地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與井下儀器，利用井下脈沖發(fā)生器測試盒產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的壓力脈沖信號，地面系統(tǒng)采集的波形和處理結(jié)果如圖4所示。圖4中綠色為模擬產(chǎn)生的泥漿信號，藍(lán)色為濾波處理后的波形信號，紅色為通過脈沖識別方法識別形成的方波序列。圖4中，模擬信號沒有經(jīng)過泥漿通道傳輸，噪聲很小，是1組波形規(guī)則的方波信號，經(jīng)過濾波處理形成類正弦波，通過本文算法識別出的方波序列能準(zhǔn)確反映出模擬信號中方波位置。

圖4 地面模擬脈沖識別結(jié)果

根據(jù)圖4中的紅色方波序列和編碼規(guī)則解碼得到的數(shù)據(jù)與井下存儲數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表1所示，數(shù)值表明解碼的工具面、井斜、方位和溫度值與井下儀器中存儲的結(jié)果一致。

表1 解碼結(jié)果與儀器內(nèi)存儲數(shù)據(jù)對比

3.2 現(xiàn)場測井信號試驗

通過在長慶油田慶陽區(qū)塊長－××井的上井試驗，地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的立管壓力傳感器探測的壓力波形和處理結(jié)果如圖5所示。圖5中綠色為原始采樣信號，藍(lán)色為小波濾波去噪處理后的信號，紅色方波是對濾波后的泥漿壓力信號進(jìn)行脈沖識別結(jié)果，形成方波序列。

圖5 泥漿壓力信號與識別脈沖的對應(yīng)關(guān)系

從圖5中看出，現(xiàn)場采集的信號噪聲較大，經(jīng)過濾波處理后的波形基本反映出數(shù)據(jù)脈沖產(chǎn)生的變化，本文算法識別出的方波能夠反映出波形對應(yīng)的脈沖位置。

根據(jù)圖5中的紅色方波序列和編碼規(guī)則解碼得到的數(shù)據(jù)與井下存儲數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示，數(shù)值表明解碼得到的工具面、井斜、方位和溫度值與井下儀器中存儲的結(jié)果一致。

表2 解碼結(jié)果與儀器內(nèi)存儲數(shù)據(jù)對比

4 結(jié) 論

（1）泥漿壓力波形傳輸受鉆井環(huán)境和井深的影響較大，直接關(guān)系到隨鉆測井施工效果和測量數(shù)值的準(zhǔn)確性，對信號處理方法提出了較高要求。

（2）通過對模擬信號和大量現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)的處理分析結(jié)果表明，采用本文的脈沖識別方法能夠從波形中識別出脈沖，為數(shù)據(jù)解碼提供準(zhǔn)確的脈沖位置，解碼得到的結(jié)果與井下編碼數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

（3）有效提高數(shù)據(jù)解碼準(zhǔn)確率，為隨鉆測井系統(tǒng)在各種工況環(huán)境應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，已經(jīng)在現(xiàn)場施工中進(jìn)行了試驗和應(yīng)用。

［1］ 賈朋.鉆井液連續(xù)波發(fā)生器設(shè)計和信號傳輸特性試驗研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2010.

［2］ 劉修善，蘇義腦.鉆井液脈沖信號傳輸特性研究［J］.石油鉆采工藝，2000（4）：8－10

［3］ 張偉，師奕兵，盧濤.小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在隨鉆測量系統(tǒng)在泥漿信號監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2008（6）：43－46

［4］ 李傳偉，李安宗.一種小波變換信號處理方法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2009，36（4）：751－755

［5］ 遠(yuǎn)方，鞏憲鋒.隨鉆泥漿脈沖器信號處理技術(shù)研究［J］.煤礦機(jī)械，2011，32（10）：72－74

［6］ 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)［M］.6版.北京：高等教育出版社，2007.

［7］ 中國石油集團(tuán)測井有限公司.FELWD隨鉆測井系統(tǒng)操作手冊［Z］.2011.