李傳偉，楊亮，祝環(huán)芬，王芝峰

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

0 引 言

隨鉆測(cè)井與傳統(tǒng)電纜測(cè)井及存儲(chǔ)式測(cè)井的主要區(qū)別是獲取地層參數(shù)的時(shí)效性，隨鉆測(cè)井能夠在剛鉆開地層時(shí)獲得反映原狀地層評(píng)價(jià)參數(shù)，有助于及時(shí)綜合評(píng)價(jià)地層，實(shí)時(shí)指導(dǎo)鉆進(jìn)過程，提高儲(chǔ)層鉆遇率。隨鉆測(cè)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(cè)井方法不斷完善和儀器的研制，井下測(cè)量數(shù)據(jù)越來越多，實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娉蔀橹萍s隨鉆測(cè)井技術(shù)應(yīng)用的瓶頸［1］。本文針對(duì)廣泛使用的泥漿脈沖傳輸方式中脈沖信號(hào)識(shí)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(dòng)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(cè)井過程中有效地識(shí)別出泥漿壓力波形中的脈沖信號(hào)。

1 信號(hào)產(chǎn)生及特征

隨鉆測(cè)井過程中井下探測(cè)的信號(hào)經(jīng)過采集轉(zhuǎn)化為測(cè)量數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)編碼策略驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器閥體運(yùn)動(dòng)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(cè)的泥漿壓力波形將會(huì)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(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，在地面通過檢測(cè)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(cè)量參數(shù)［2］。

泥漿脈沖信號(hào)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(cè)的壓力是一個(gè)非平穩(wěn)的信號(hào)，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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波去噪處理，如中值濾波、小波濾波等去除信號(hào)中的各種噪聲。作者曾使用小波變換方法對(duì)泥漿壓力信號(hào)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(hào)，黑色為經(jīng)過小波濾波處理后的信號(hào)，藍(lán)色為實(shí)際脈沖位置對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

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(shí)別出脈沖信號(hào)、獲取位置關(guān)系，實(shí)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(shí)，處理后的壓力波形波幅不等、寬窄不均，使得脈沖檢測(cè)十分困難，影響井下測(cè)量數(shù)據(jù)解碼。

圖1 泥漿脈沖信號(hào)與處理

2 算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的脈沖位置檢測(cè)方法是設(shè)定門檻值，高于門檻的波形就認(rèn)為是1個(gè)脈沖。該方法適用于波形變化較小、基值平穩(wěn)的信號(hào)，但對(duì)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(shí)，脈沖檢測(cè)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(shí)別的方法。首先求取信號(hào)幅度的一次差分和差分結(jié)果的二次差分，在信號(hào)中尋找出極值點(diǎn)（波峰、波谷）；其次根據(jù)脈沖信號(hào)寬度特征及約束條件從極值點(diǎn)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(dòng)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(hào)。

2.1 波峰、波谷查找算法

脈沖識(shí)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(diǎn)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(diǎn)法，求連續(xù)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)；對(duì)于采集的泥漿壓力信號(hào)的離散值函數(shù)，則采用鄰域差值［6］，依次計(jì)算相鄰2個(gè)波形間的波幅差值diff＝y(tǒng)2－y1，計(jì)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(diǎn)，如果diff＝0并且diff正負(fù)特性發(fā)生改變的波形點(diǎn)即為極值點(diǎn)，將所有的極值點(diǎn)存入極值點(diǎn)數(shù)組中。某組測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖2（a）。圖2（a）中綠色點(diǎn)為極大值和極小值點(diǎn)。

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(gè)極值點(diǎn)之間的連接線，這條連接線的2個(gè)端點(diǎn)為V1（x1，y1）和V2（x2，y2），都是波形上的極值點(diǎn)，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(duì)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(shí)別到的部分虛假波峰，剔除干擾尖峰。

依次遍歷極值點(diǎn)數(shù)組中的每個(gè)元素，將相鄰2個(gè)點(diǎn)連接作為1個(gè)波形沿，并計(jì)算波形沿的波幅差值，如果大于閾值（測(cè)試中取經(jīng)驗(yàn)值400）則為有效沿，記入有效沿?cái)?shù)組。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)下降沿對(duì)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?cái)?shù)據(jù)。某組測(cè)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(hào)識(shí)別

2.3 滑動(dòng)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(diǎn)作為中心位置確定出對(duì)應(yīng)的脈沖（見圖3綠色實(shí)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(diǎn)作為中心點(diǎn)確定的脈沖及位置效果不理想。

本文在用波峰頂點(diǎn)確定脈沖后，采用滑動(dòng)窗口面積法進(jìn)一步校正脈沖位置?；瑒?dòng)窗口面積法就是以波峰頂點(diǎn)左一個(gè)脈寬位置為起始x坐標(biāo)，用固定寬度值為滑動(dòng)窗口，沿x軸遞增改變x坐標(biāo)，計(jì)算窗口左右2個(gè)邊界及下邊界和波形所圍成的面積，確定掃過一個(gè)波峰中面積最大時(shí)脈沖的位置。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)窗口的下邊界為0，計(jì)算面積值也就轉(zhuǎn)化為計(jì)算窗口內(nèi)所有點(diǎn)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(cè)試應(yīng)用效果

采取文中介紹的方法識(shí)別壓力波形中的脈沖信號(hào)，對(duì)比分析解碼測(cè)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用分為地面模擬信號(hào)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井采集信號(hào)試驗(yàn)2個(gè)部分［7］。

3.1 模擬信號(hào)測(cè)試

測(cè)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(cè)試盒產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的壓力脈沖信號(hào)，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(hào)，藍(lán)色為濾波處理后的波形信號(hào)，紅色為通過脈沖識(shí)別方法識(shí)別形成的方波序列。圖4中，模擬信號(hào)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(hào)，經(jīng)過濾波處理形成類正弦波，通過本文算法識(shí)別出的方波序列能準(zhǔn)確反映出模擬信號(hào)中方波位置。

圖4 地面模擬脈沖識(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)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(chǔ)的結(jié)果一致。

表1 解碼結(jié)果與儀器內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井信號(hào)試驗(yàn)

通過在長(zhǎng)慶油田慶陽區(qū)塊長(zhǎng)－××井的上井試驗(yàn)，地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的立管壓力傳感器探測(cè)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(hào)，藍(lán)色為小波濾波去噪處理后的信號(hào)，紅色方波是對(duì)濾波后的泥漿壓力信號(hào)進(jìn)行脈沖識(shí)別結(jié)果，形成方波序列。

圖5 泥漿壓力信號(hào)與識(shí)別脈沖的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖5中看出，現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)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(shí)別出的方波能夠反映出波形對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)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(chǔ)的結(jié)果一致。

表2 解碼結(jié)果與儀器內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)井施工效果和測(cè)量數(shù)值的準(zhǔn)確性，對(duì)信號(hào)處理方法提出了較高要求。

（2）通過對(duì)模擬信號(hào)和大量現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)的處理分析結(jié)果表明，采用本文的脈沖識(shí)別方法能夠從波形中識(shí)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(cè)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(chǎng)施工中進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用。

［1］ 賈朋.鉆井液連續(xù)波發(fā)生器設(shè)計(jì)和信號(hào)傳輸特性試驗(yàn)研究［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2010.

［2］ 劉修善，蘇義腦.鉆井液脈沖信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)在泥漿信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008（6）：43－46

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

［5］ 遠(yuǎn)方，鞏憲鋒.隨鉆泥漿脈沖器信號(hào)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(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司.FELWD隨鉆測(cè)井系統(tǒng)操作手冊(cè)［Z］.2011.