井下射孔振動(dòng)信號(hào)識(shí)別與分析

王含蕾，李　凱，遲珊珊，楊曉虹

(中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

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井下射孔振動(dòng)信號(hào)識(shí)別與分析

王含蕾，李凱，遲珊珊，楊曉虹

(中北大學(xué)信息探測(cè)與處理山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

摘要：井下射孔振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別一直是測(cè)井技術(shù)中需要解決的問題。針對(duì)井下射孔過程中如何識(shí)別振動(dòng)信號(hào)的問題，提出了利用閾值來截取原信號(hào)的方法。該方法運(yùn)用正態(tài)曲線下面積分布的原理，在正確讀取信號(hào)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造閾值來截取實(shí)際采集到的信號(hào)，并分析信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、頻譜以及能量。仿真結(jié)果表明，該方法可以截取出振動(dòng)信號(hào)，且該振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，頻率成分復(fù)雜，能量大。

關(guān)鍵詞：井下射孔；正態(tài)分布；閾值；頻譜；能量

油管傳輸射孔技術(shù)的作業(yè)過程是把一定數(shù)目的射孔槍和起爆器接于采油傳輸油管的底部，隨采油管下放到預(yù)先設(shè)定的地下深度，通過地面注水加壓或投入鐵棒的方式將引爆起爆器，進(jìn)而通過導(dǎo)爆索引爆射孔彈，射孔彈爆炸后在油井壁上射出許多孔眼，射孔過程中伴隨著會(huì)有振動(dòng)信號(hào)的出現(xiàn)。該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的油氣開發(fā)過程中，也成為了主流的射孔技術(shù)之一[1，2]。如何正確識(shí)別射孔過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)關(guān)鍵性問題。

在過去，相關(guān)專業(yè)施工人員通過觸摸傳輸油管壁感覺振動(dòng)強(qiáng)度、在井口聽爆破產(chǎn)生振動(dòng)的聲音等感官上的方法來判斷射孔槍和射孔彈是否起爆。然而這種方法既不安全又容易導(dǎo)致誤判。經(jīng)過近年來專業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的出現(xiàn)，測(cè)井工作人員開始借助專業(yè)的儀器儀表來進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，識(shí)別作業(yè)過程中采集的信號(hào)，通過一定手段定位起爆特征點(diǎn)，進(jìn)而判定射孔槍起爆與否。但是，由于不同測(cè)井工作人員自身經(jīng)驗(yàn)的局限以及不同油井井況的差異，導(dǎo)致這種判斷方式的采用產(chǎn)生不同程度的誤判。因此，采取什么樣的方式來準(zhǔn)確有效地定位起爆點(diǎn)，提取射孔爆破特征，通過計(jì)算機(jī)自適應(yīng)的進(jìn)行分析判定，成為了當(dāng)前測(cè)井技術(shù)中亟待解決的關(guān)鍵性問題[2]。

信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論是現(xiàn)代信息理論的一個(gè)重要分支，是以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)為工具，綜合系統(tǒng)理論與通信工程的一門學(xué)科。它主要研究信號(hào)、噪聲和干擾三者共存條件下，如何正確發(fā)現(xiàn)、辨別和估計(jì)信號(hào)參數(shù)。信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論就是要對(duì)接收到且已經(jīng)受到干擾的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與估計(jì)，檢測(cè)有用信號(hào)存在與否，估計(jì)信號(hào)的波形或參量[3]。

1總體設(shè)計(jì)方法

本文整體設(shè)計(jì)框圖如圖1。

圖1　整體設(shè)計(jì)框圖

運(yùn)用振動(dòng)傳感器獲取的實(shí)際井下射孔信號(hào)往往包含各種噪聲和干擾，如何識(shí)別出井下射孔振動(dòng)信號(hào)是本文需要解決的問題。利用Matlab軟件對(duì)振動(dòng)傳感器采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，之后利用閾值對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選，若信號(hào)的幅值大于所選的閾值，則保留該信號(hào)，相反則舍棄。在確定了振動(dòng)信號(hào)之后，分析信號(hào)的持續(xù)時(shí)間、頻譜和能量。

2具體實(shí)現(xiàn)方法

2.1閾值

在井下射孔振動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程中，由于電子儀器很難避免受到一些干擾信號(hào)的影響，給測(cè)量的數(shù)據(jù)造成了很大的誤差，直接影響了井下射孔振動(dòng)信號(hào)分析的精度。因此，分析過程中要去除振動(dòng)信號(hào)中的噪聲，提高振動(dòng)數(shù)據(jù)的可靠性和分析精度。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪的過程中，閾值與閾值函數(shù)的選取是整個(gè)算法的關(guān)鍵，閾值與閾值函數(shù)選取的合適與否將直接影響到消噪效果和重構(gòu)信號(hào)的失真程度。由于井下射孔振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，且有用信號(hào)在總體信號(hào)中占得比例較小，因此本文閾值選取的理論依據(jù)為正態(tài)分布[4-6]。

正態(tài)曲線下，橫軸區(qū)間(μ-σ，μ+σ)內(nèi)的面積為68.27%，橫軸區(qū)間(μ-1.96σ，μ+1.96σ)內(nèi)的面積為95.45%，橫軸區(qū)間(μ-2.58σ，μ+2.58σ)內(nèi)的面積為99.73%。

2.2信號(hào)的能量

井下射孔振動(dòng)信號(hào)具有持續(xù)時(shí)間短、突變快等特點(diǎn)，是典型的非平穩(wěn)信號(hào)。而振動(dòng)信號(hào)的能量往往很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了信號(hào)中噪聲以及干擾的能量。信號(hào)x(t)的能量E為：

對(duì)井下射孔振動(dòng)信號(hào)的能量分布進(jìn)行提取能為振動(dòng)信號(hào)的研究提供一個(gè)新的思路[7，8]。

2.3信號(hào)的頻譜

頻譜分析法是將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析的方法，目的是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)[9]。傅里葉變換是時(shí)域、頻域相互轉(zhuǎn)化的工具，從物理意義上講，傅里葉變換實(shí)質(zhì)是把信號(hào)f(x)的波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加[10]。

3設(shè)計(jì)結(jié)果

利用Matlab軟件讀取實(shí)際采集到的井下射孔信號(hào)如圖2所示。油井的井型為直井。圖2中，橫軸為點(diǎn)數(shù)，在1.4×107點(diǎn)處(采樣頻率為400 kHz，因此時(shí)間大約為35 s時(shí))有明顯的信號(hào)，可以看出，該信號(hào)的幅值很大，具有對(duì)稱性，初步確定為井下射孔振動(dòng)信號(hào)。

圖2　井下射孔信號(hào)

從圖2可以看出，該信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，占整個(gè)信號(hào)的比重小，運(yùn)用正態(tài)分布的原理，閾值選取為信號(hào)的均值加減信號(hào)的方差，對(duì)上圖中的信號(hào)進(jìn)行截取，并向前向后各推移100個(gè)點(diǎn)，得到圖3的結(jié)果，系統(tǒng)的采樣頻率為400 kHz，由此確定信號(hào)的持續(xù)時(shí)間約為0.3 s，信號(hào)關(guān)于x軸基本對(duì)稱，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干擾的幅值，因而確定該信號(hào)為井下射孔振動(dòng)信號(hào)。

圖3　截取出的井下射孔振動(dòng)信號(hào)

對(duì)圖3的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化，結(jié)果如圖4。采樣頻率為400 kHz，圖4中橫坐標(biāo)代表頻率，范圍是0~200 kHz，可以看出，該振動(dòng)信號(hào)中包含多種頻率成分。

圖4　信號(hào)的傅里葉變換圖

對(duì)截取出來的井下射孔振動(dòng)信號(hào)求能量，結(jié)果如圖5。從圖5可以看出，有信號(hào)的地方，信號(hào)的能量一直在增大，而沒有信號(hào)的地方，能量值保持不變。

圖5　信號(hào)的能量

4總結(jié)

本文利用Matlab軟件，對(duì)實(shí)際采集的井下射孔信號(hào)進(jìn)行了識(shí)別與分析，利用均值加減方差這一閾值條件，可以截取出振動(dòng)信號(hào)，從截取出的振動(dòng)信號(hào)來看，井下射孔振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，頻率成分復(fù)雜，從信號(hào)開始到信號(hào)結(jié)束的過程中，信號(hào)的能量逐漸增大，最后保持不變。本文提出的方法對(duì)井下射孔信號(hào)的正確識(shí)別也是一種嘗試。

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The Identification and Analysis of Downhole Perforation Vibration Signal

Wang Hanlei, Li Kai, Chi Shanshan, Yang Xiaohong

(InstituteofSignalCapturingandProcessingTechnology,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)

Abstract:The identification of downhole perforation vibration signal is always a problem to be solved in logging technology. How to identify the vibration signal in the process of downhole perforation? The solution by using threshold to capture the original signal is put forward. The method applies the principle of area distribution under normal curve to use threshold to capture the actual collected signals on the basis of correct signal reading, then analyzes the duration of signal, frequency spectrum and energy. The simulation results show that the method can capture the vibration signal, the duration of vibration signal is short, frequency composition is complex, also has large energy.

Key words:downhole perforation; normal distribution; threshold value; spectrum; energy

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)01- 0023- 02

作者簡(jiǎn)介：王含蕾(1989- )，女，山西太原人，碩士研究生，主要研究信號(hào)處理。

收稿日期：2015-10-19