基于幀間差分的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法

梁 耀 鞠曉東 李傳偉 陳國興 左興龍 孫 衍 代志平

（1.中國石油大學(xué)（北京）地球物理學(xué)院，北京，102200；2.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司隨鉆測(cè)井中心，西安，710054）

引 言

泥漿脈沖作為一種穩(wěn)定、可靠的傳輸方式長(zhǎng)期以來被用于隨鉆測(cè)井測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳[1]。然而，隨著隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)步，特別是隨著隨鉆電阻率成像、伽馬成像、中子孔隙度儀器及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等的集成推廣應(yīng)用，常規(guī)應(yīng)用的泥漿傳輸速率（1 b/s左右）已無法滿足實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向和地層評(píng)價(jià)的應(yīng)用需求。

數(shù)據(jù)壓縮是指在不丟失有用信息的前提下，縮減數(shù)據(jù)量以減少存儲(chǔ)空間，提高其傳輸、存儲(chǔ)和處理效率，或按照一定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，減少數(shù)據(jù)冗余和存儲(chǔ)空間的一種技術(shù)方法[2]。

本文通過將數(shù)據(jù)壓縮算法應(yīng)用到隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)編碼、解析處理過程中，可有效提高泥漿脈沖傳輸速率，為隨鉆成像測(cè)井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向地質(zhì)鉆井提供高速、穩(wěn)定、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道。

1 隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析

1.1 傳輸序列

隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)按照一定的編碼規(guī)則及傳輸序列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳（圖1）以達(dá)到易識(shí)別、易檢測(cè)的目的。在隨鉆測(cè)井作業(yè)中根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求針對(duì)圖1的序列進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量參數(shù)及測(cè)量次數(shù)等的寫入配置（圖2）。

圖1 隨鉆測(cè)井上傳序列示意圖[3]Fig.1 Diagram of LWD’s uploading sequence[3]

1.2 數(shù)據(jù)位數(shù)

目前正脈沖傳輸常用組合碼組合式編碼方式又稱為優(yōu)化組合碼[4]。在這種編碼中，數(shù)據(jù)按時(shí)間幀的方式進(jìn)行傳送。時(shí)間幀是指將一段確定的時(shí)間間隔分為確定的n個(gè)小時(shí)間等份（槽），根據(jù)定好的編碼協(xié)議，每一個(gè)時(shí)間槽對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的數(shù)，由主控CPU根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制脈沖發(fā)生器在這個(gè)指定的時(shí)間間隔的不同位置產(chǎn)生不同數(shù)目的m個(gè)脈沖以組合實(shí)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)。這種優(yōu)化組合編碼的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)確定后，傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度不隨二進(jìn)制數(shù)值的變化而變化；便于檢測(cè)信號(hào)脈沖和其是否存在丟失；同時(shí)消耗電量相對(duì)確定并便于節(jié)省電池電量。

根據(jù)其編碼協(xié)議，常用測(cè)量參數(shù)傳輸位數(shù)及傳輸時(shí)間（以1 s脈寬為例）如表1所示。

在本文研究中，以常用的井斜角（INC）和工具面角（aTF）為例。其中，井斜角測(cè)量范圍0～180°，數(shù)據(jù)位數(shù) 12位；工具面角測(cè)量范圍 0～360°，數(shù)據(jù)位數(shù)8位。

根據(jù)表1所示的每個(gè)參數(shù)所需傳輸位數(shù)，井斜角、工具面角分辨率計(jì)算公式分別如下：

井斜角分辨率=數(shù)據(jù)位數(shù)（1～12）/212*180；

工具面分辨率=數(shù)據(jù)位數(shù)（1～8）/28*360；

計(jì)算結(jié)果分別如表2和表3所示。

圖2 上傳序列配置截圖Fig.2 Screenshots of uploading sequence’s configuration

表1 常用測(cè)量參數(shù)傳輸位數(shù)及時(shí)間表Tab.1 Common parameters’transmission bits and time

表2 井斜角測(cè)量位數(shù)與分辨率對(duì)比表Tab.2 Comparison table of inclination’s transmission bits and resolution

表3 工具面角測(cè)量位數(shù)與分辨率對(duì)比表Tab.3 Comparison table of tool face’s transmission bits and resolution

2 隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)壓縮

2.1 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮具體功能就是在壓縮位置對(duì)采集到的原始編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，數(shù)據(jù)通過泥漿脈沖傳輸，在地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)解壓縮位置進(jìn)行解壓縮處理以恢復(fù)成與數(shù)據(jù)處理模塊輸出相同的數(shù)據(jù)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊處理并顯示。其功能模塊如圖3所示。

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)一般分為有損壓縮和無損壓縮。有損壓縮是重構(gòu)使用壓縮后的數(shù)據(jù)，其重構(gòu)數(shù)據(jù)與原來數(shù)據(jù)有所不同，但不影響原始資料表達(dá)信息，而壓縮率則要大得多。無損壓縮是指重構(gòu)壓縮數(shù)據(jù)(還原，解壓縮)，而重構(gòu)數(shù)據(jù)與原來數(shù)據(jù)完全相同，而壓縮率則相對(duì)較小。基于隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用需求，本文主要研究基于無損壓縮技術(shù)的數(shù)據(jù)壓縮算法。

典型的無損壓縮算法有游程編碼算法和LZW編碼算法等。游程編碼算法適應(yīng)性差、平均壓縮率較低[5]；LZW編碼算法壓縮性能較好，但需考慮字典建立及字典維護(hù)等問題[6]。在前期測(cè)試中，這兩種算法在隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)壓縮中應(yīng)用效果均不理想。因此，結(jié)合隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)變化及傳輸序列特點(diǎn)，本文提出一種基于差分式的隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)壓縮算法，其核心思想是當(dāng)連續(xù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀變化較小時(shí)，可傳送數(shù)據(jù)幀間的變化量以代替原有數(shù)據(jù)幀已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的[7]。

2.2 差分壓縮

理論上講，該壓縮方法可無限次對(duì)后幀數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。但在泥漿脈沖傳輸實(shí)際應(yīng)用中，存在以下兩方面問題：

（1）由于后幀數(shù)據(jù)依據(jù)前幀數(shù)據(jù)得出，當(dāng)前幀數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)導(dǎo)致后幀數(shù)據(jù)全部出錯(cuò)；

（2）當(dāng)壓縮位數(shù)越低時(shí)傳輸效率越高，但壓縮位數(shù)太低會(huì)導(dǎo)致精度不夠，無法恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

2.2.1 壓縮位數(shù)

圖3 隨鉆測(cè)井參數(shù)傳輸壓縮示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of LWD parameters’transmission

設(shè)定壓縮幀格式如下：壓縮總位數(shù)=標(biāo)識(shí)位（+/-）+壓縮位數(shù)，其中標(biāo)識(shí)位用來表示壓縮值與參考值的變化大小，若次幀值大于參考值，則標(biāo)識(shí)位為正，用1表示，反之則用0表示。青海油田某井現(xiàn)場(chǎng)定向作業(yè)施工時(shí)實(shí)際測(cè)得的部分工程參數(shù)如表4所示。

表4 實(shí)測(cè)工程參數(shù)Tab.4 Example of engineering parameters

計(jì)算相鄰兩次測(cè)量值之間的測(cè)量誤差如圖4所示。從圖4中可以得出，由于井斜測(cè)量值是連續(xù)變化，因此其相鄰兩次測(cè)量值之間差值最大為0.395 6°，工具面測(cè)量值變化相對(duì)較大，其相鄰兩次測(cè)量值之間最大差值為28.345°。因此，結(jié)合實(shí)際測(cè)井參數(shù)變化特征，確定測(cè)井參數(shù)壓縮差值最大變化值如下：井斜角0.5°；工具面30°。

綜合分析隨鉆測(cè)井參數(shù)變化規(guī)律及表2,3所計(jì)算出來的測(cè)量參數(shù)分辨率，確定井斜角、方位角及工具面角壓縮位數(shù)分別如下：

(1)井斜角：壓縮位數(shù)5位，其中標(biāo)識(shí)位1位，數(shù)據(jù)壓縮位4位。

(2)工具面角：壓縮位數(shù)6位，其中標(biāo)識(shí)位1位，數(shù)據(jù)壓縮位5位。

2.2.2 壓縮幀數(shù)選擇

由于數(shù)據(jù)傳輸受泥漿信道等影響，傳輸過程中可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，當(dāng)傳送的絕對(duì)值數(shù)據(jù)為誤碼會(huì)導(dǎo)致其后所有的壓縮數(shù)據(jù)均為誤碼數(shù)據(jù)。因此，在采用差分壓縮法傳送泥漿脈沖信號(hào)時(shí)，為了保證信號(hào)的可靠性、準(zhǔn)確性，不能直接采用首幀數(shù)據(jù)絕對(duì)值+此后所有數(shù)據(jù)差分壓縮的方法，而是采用間隔性發(fā)送絕對(duì)值以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，保證上傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性以指導(dǎo)地面工程師根據(jù)實(shí)時(shí)井底工況進(jìn)行相應(yīng)的控制措施。

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定差分壓縮傳送幀數(shù)為4幀，即1幀絕對(duì)值+4幀壓縮值……，以此類推。其數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

圖4 相鄰兩次測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical chart of errors on adjacent measurements

圖5 差分壓縮數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 Flow chart of data compression on frame-to-frame difference

3 應(yīng)用實(shí)例

基于表1確定的常用測(cè)量參數(shù)傳輸位數(shù)及時(shí)間、2.2.1節(jié)確定的壓縮位數(shù)及2.2.2節(jié)確定的壓縮幀數(shù)，對(duì)表4中實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分壓縮處理，壓縮前后數(shù)據(jù)更新時(shí)間分別如下。

(1)20幀井斜數(shù)據(jù)

壓縮前：傳輸時(shí)間=20幀*20 s/幀=400 s。

壓縮后：壓縮次數(shù)=20/5=4。

傳輸時(shí)間=絕對(duì)幀時(shí)間+壓縮幀時(shí)間=4*（1幀*20 s/幀+4幀*9.5 s/幀）=232 s。

(2)20幀工具面數(shù)據(jù)

壓縮前：傳輸時(shí)間=280 s。

壓縮后：傳輸時(shí)間=232 s。

其數(shù)據(jù)更新時(shí)間如圖6所示。從圖6中可以看出，20幀井斜角在壓縮前傳輸時(shí)間需400 s，在采用差分?jǐn)?shù)據(jù)壓縮后傳輸時(shí)間縮短至232 s，壓縮比達(dá)1.72；20幀工具面角在壓縮前傳輸時(shí)間需280 s，在采用差分?jǐn)?shù)據(jù)壓縮后傳輸時(shí)間縮短至232 s，壓縮比達(dá)1.2。有效提升了數(shù)據(jù)更新時(shí)間。

圖7是壓縮前后泥漿信號(hào)波形對(duì)比圖。其中，紅圈標(biāo)記為每幀數(shù)據(jù)的同步頭，從圖中可以看出，在不影響實(shí)際生產(chǎn)需求的前提下（同步頭用于幀信號(hào)的序列識(shí)別），能有效縮短幀數(shù)據(jù)刷新時(shí)間，達(dá)到提速提效的目的。

圖6 壓縮前后井斜角、工具面角更新時(shí)間對(duì)比Fig.6 Comparison of inclination and tool face’s refresh time before and after compression

圖7 壓縮前后泥漿信號(hào)波形對(duì)比Fig.7 Comparison of waveforms before and after compression

4 結(jié)束語

本文結(jié)合隨鉆測(cè)井上傳數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了一種基于數(shù)據(jù)間差分式的數(shù)據(jù)壓縮方式并開展了相關(guān)測(cè)試，研究結(jié)果表明該方法有以下特點(diǎn)：

（1）本文方法能有效減少隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)冗余，提高隨鉆測(cè)井系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率，壓縮率較高；

（2）在方法研究中提出了絕對(duì)值與差分壓縮值交替組合的編碼傳輸規(guī)則，在保證整體傳輸系統(tǒng)誤碼率的同時(shí)有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率；

（3）基于差分式的數(shù)據(jù)壓縮方法在隨鉆測(cè)井傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)其他領(lǐng)域研究基于差分式的數(shù)據(jù)壓縮方法有一定的借鑒意義。