劉 剛，劉 闖，夏向陽(yáng)，徐加興，裴重瀲

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

基于HHT方法的鉆頭振動(dòng)信號(hào)識(shí)別

劉 剛，劉 闖，夏向陽(yáng)，徐加興，裴重瀲

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

鉆頭振動(dòng)波方法進(jìn)行叢式井防碰監(jiān)測(cè)時(shí)，提出將HHT方法應(yīng)用于鉆頭振動(dòng)信號(hào)處理，應(yīng)用峭度準(zhǔn)則及互相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則對(duì)鉆頭振動(dòng)信號(hào)降噪，通過(guò)時(shí)頻分析準(zhǔn)確識(shí)別出海上復(fù)雜條件下的鉆頭振動(dòng)信號(hào)。首先應(yīng)用EMD（Empirical Mode Decomposition）分解可以將復(fù)雜環(huán)境下的鉆頭振動(dòng)信號(hào)分解為固有模態(tài)分量，采用峭度準(zhǔn)則、互相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則篩選信號(hào)進(jìn)行降噪處理獲得主要沖擊成分并重組信號(hào)，然后通過(guò)Hilbert變換得到邊際譜和瞬時(shí)頻率，判斷不同通道的信號(hào)來(lái)源，提取主要公共頻段作為鉆頭振動(dòng)信號(hào)。根據(jù)濾波后信號(hào)的能量建立鉆頭趨近風(fēng)險(xiǎn)鄰井的防碰模型，通過(guò)海上叢式井防碰的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

叢式井防碰；振動(dòng)信號(hào)；希爾伯特黃變換；降噪；邊際譜；時(shí)頻分析

海上油氣田逐漸進(jìn)入開(kāi)采的中后期，為提高采收率，最大限度地提高剩余油氣資源的動(dòng)用量，叢式井加密調(diào)整技術(shù)在油氣田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是井距離較小增加了井眼碰撞風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有常規(guī)防碰技術(shù)主要包括隨鉆測(cè)量和防碰掃描，影響該技術(shù)的因素眾多，例如測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（測(cè)量?jī)x器精度、測(cè)量環(huán)境的干擾、測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性），井眼軌跡擬合及防碰掃面算法的合理性，鄰井軌跡描述的完整程度等［1］，而且當(dāng)鉆頭趨近鄰近套管時(shí)，測(cè)量工具受到套管磁場(chǎng)干擾造成井斜方位測(cè)量失效，因此現(xiàn)有防碰技術(shù)不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需求［2］。劉剛等［3－5］提出了叢式井防碰地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不干擾正常鉆井的情況下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，總結(jié)了不同工況下振動(dòng)信號(hào)特征，并且建立了叢式井鉆頭距鄰井井筒距離模型，取得較好效果。

何保生等［4］將傅里葉變換用于鉆頭振動(dòng)信號(hào)處理，傅里葉變換可以總體描述信號(hào)特征，但是不能給出某一時(shí)刻鉆頭振動(dòng)信號(hào)的本質(zhì)特征，不能刻畫(huà)頻率隨時(shí)間的變化情況；楊全枝等［6］將小波包變換用于鉆頭振動(dòng)信號(hào)分析，將信號(hào)分解成不同尺度域，得到不同頻帶的能量分布情況，但是小波包變換數(shù)據(jù)冗余量較大，工作量繁瑣，同時(shí)鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中存在中心頻率偏移的問(wèn)題。

本文將HHT方法應(yīng)用于鉆頭振動(dòng)信號(hào)處理，克服了傅里葉變換和小波變換的缺點(diǎn)，用峭度準(zhǔn)則和互相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，結(jié)合時(shí)域和頻域兩方面判斷不同通道接收的振動(dòng)信號(hào)是否來(lái)自同一鉆頭信號(hào)，從來(lái)自同一鉆頭信號(hào)源的通道中提取正鉆井和鄰井的主要共同信號(hào)成分得到鉆頭的振動(dòng)信號(hào)，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 希爾伯特黃變換理論

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器接收的信號(hào)的特點(diǎn)選擇希爾伯特黃變換方法進(jìn)行預(yù)處理［7］，對(duì)鉆頭振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）得到其固有模式分量（IMF）；Hilbert變換將分解得到的IMF分量進(jìn)行時(shí)頻處理得到信號(hào)的時(shí)頻屬性。由于希爾伯特黃變換具有局部性能良好，自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)在地球物理，機(jī)械故障診斷［8－9］等領(lǐng)域有了研究應(yīng)用，效果顯著。

1.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

傳感器接收到的復(fù)雜振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）后可以表示為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）與一個(gè)平穩(wěn)余項(xiàng)，原始信號(hào)中非常重要的信息通常存在于分解出來(lái)的前幾個(gè)固有模態(tài)函數(shù)中，因此主要著重觀察和分析前幾個(gè)固有模態(tài)分量，原信號(hào)s（t）經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后可以用下列形式表示：

式中：xi（t）為固有模態(tài)分量，r（t）為分解余項(xiàng)。

1.2 希爾伯特變換

現(xiàn)實(shí)中得到的信號(hào)s（t）多是實(shí)數(shù)信號(hào)，分解得到的固有模態(tài)函數(shù)同樣是實(shí)函數(shù)，對(duì)上面求得的固有模態(tài)函數(shù)xi（t）進(jìn)行希爾伯特變換如下：

式中：ωi（t），Ai（t）均為時(shí)間的函數(shù)，可以構(gòu)成時(shí)間、頻率、振幅的三維時(shí)頻譜圖，精確描述信號(hào)在時(shí)間段頻率和振幅隨時(shí)間的變化，為Hilbert譜，表示為H（ω，t）。對(duì)H（ω，t）在整個(gè)時(shí)間段上進(jìn)行積分可以得到邊際譜h（ω），邊際譜定義為：

邊際譜縱坐標(biāo)是相同頻率全部幅度的統(tǒng)計(jì)累加，表達(dá)了每個(gè)頻率在全局上的幅度的分布。

2 振動(dòng)信號(hào)提取

海上鉆井風(fēng)險(xiǎn)段多發(fā)生在淺層段，此段多用牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭工作時(shí)，牙輪滾動(dòng)，牙輪的牙齒單、雙交錯(cuò)地與井底接觸破巖（見(jiàn)圖1）［10］。

單齒與井底接觸時(shí)，牙輪的中心上移到最高位置，鉆柱處于壓縮狀態(tài)，儲(chǔ)存彈性能；雙齒與井底接觸時(shí)，牙輪的中心下移至最低位置，鉆柱處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，釋放彈性能。牙輪在工作過(guò)程中，其中心位置不斷上下移動(dòng)，鉆柱在鉆頭縱向振動(dòng)情況下不斷的壓縮和伸張形成周期變化的彈性變形能，下部鉆柱把這種能量通過(guò)牙輪的牙齒轉(zhuǎn)化為對(duì)地層的沖擊作用力與靜載壓力共同形成了對(duì)地層巖石的沖擊、壓碎作用，這種作用是牙輪鉆頭破碎巖石的主要方式，所以牙輪鉆頭信號(hào)具有明顯的振動(dòng)沖擊特性，在現(xiàn)場(chǎng)接收到的振動(dòng)信號(hào)顯示出了這種沖擊特性（見(jiàn)圖2）。

圖1 單、雙齒交錯(cuò)接觸井底引起牙輪鉆頭的縱向振動(dòng)Fig．1 Single and double teeth alternating to contact bottom create longitudinal vibration of roller bit

圖2 正鉆井振動(dòng)信號(hào)Fig．2 The working well vibration singal

2.1 峭度準(zhǔn)則

經(jīng)EMD分解得到的各IMF分量分別代表不同特征尺度的平穩(wěn)信號(hào)，選擇對(duì)鉆頭振動(dòng)信號(hào)非常敏感的峭度值來(lái)篩選判定鉆頭振動(dòng)的特征信號(hào)參數(shù)［11］，峭度（簡(jiǎn)稱K）是反映振動(dòng)信號(hào)分布特性的數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，是歸一化的4階中心矩：

2.2 相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則

EMD分解中多用三次樣條插值算法，由于各種算法本身的缺陷以及邊界效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生偽分量，偽分量與原始信號(hào)無(wú)關(guān)，并且存在頻帶和鉆頭振動(dòng)特征信號(hào)重疊的可能，所以需要將偽分量去除，胡紅英等［12－13］提出了一種互相關(guān)系數(shù)分析方法，通過(guò)判斷IMF分量和原始信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)來(lái)判定IMF分量的真?zhèn)危瑐畏至亢驮夹盘?hào)的互相關(guān)系數(shù)小，所以可以根據(jù)互相關(guān)系數(shù)的大小來(lái)鑒別IMF分量的真?zhèn)巍Ｇ投仁且粺o(wú)量綱參數(shù)，對(duì)瞬時(shí)沖擊信號(hào)異常敏感，但峭度分析只在時(shí)域上觀察了信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征變化，而無(wú)法判定沖擊特征細(xì)節(jié)信息，需要結(jié)合Hilbert變換來(lái)精確判定鉆頭振動(dòng)特征信息。

針對(duì)各個(gè)通道接收到的正鉆井信號(hào)和鄰井信號(hào)，首先利用EMD方法得到若干個(gè)IMF分量，從時(shí)域方面對(duì)傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行分析，應(yīng)用峭度準(zhǔn)則和互相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則初步判定包含特征信息的IMF分量；然后對(duì)包含鉆頭信息的IMF分量做邊際譜分析和瞬時(shí)頻率分析，在頻域方面確定信號(hào)的公共頻帶；最后進(jìn)行三維時(shí)頻譜分析，同時(shí)在時(shí)域和頻域兩方面進(jìn)一步判斷鉆頭振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻特征，綜合各通道的時(shí)頻分析結(jié)果確定鉆頭的振動(dòng)信號(hào)。確定鉆頭振動(dòng)信號(hào)后對(duì)每個(gè)通道接收的信號(hào)進(jìn)行鉆頭信號(hào)提取，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)叢式井鉆頭距鄰井井筒距離模型計(jì)算鉆頭與鄰井井筒的距離，整個(gè)鉆頭振動(dòng)信號(hào)處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 鉆頭振動(dòng)信號(hào)提取流程Fig．3 The flow chart of bit vibration signal extraction

3 防碰系統(tǒng)的構(gòu)成和原理

防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成見(jiàn)圖4，該系統(tǒng)由振動(dòng)檢測(cè)傳感器、信號(hào)濾波放大系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、采集分析軟件構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)傳感器的安裝和采集情況見(jiàn)圖5。

圖4 海上防碰系統(tǒng)Fig．4 Offshore anti-collision system

圖5 現(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝及采集軟件工作情況Fig．5 The installation of sensors and software

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理：當(dāng)鉆頭破碎地層時(shí)，鉆頭相當(dāng)于一個(gè)振源，其產(chǎn)生的振動(dòng)能量一部分沿地層傳播，通過(guò)地層將振動(dòng)能量傳遞至鄰井套管，另一部分在正鉆井管柱中傳播，傳遞至鉆柱頂部，鑒于套管和鉆柱對(duì)振動(dòng)信號(hào)所具有的低衰減傳播特性，使其成為連接井底與地面的高效信息通道，將振動(dòng)信號(hào)輸送到地面，通過(guò)安裝在套管頂端和正鉆井管柱頂部的加速度傳感器采集井下振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取及模型計(jì)算來(lái)獲得鉆頭趨近鄰井套管的程度，以達(dá)到提前預(yù)警的作用［11］。

4 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的特征提取與分析

應(yīng)用見(jiàn)圖4的防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在渤海某油田加密鉆采區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)collision monitor軟件采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)置的采樣頻率為4 000 Hz，部分?jǐn)?shù)據(jù)回放見(jiàn)圖6。

由圖6可知，當(dāng)正鉆井A趨近風(fēng)險(xiǎn)鄰井B時(shí)，與同時(shí)刻C井信號(hào)和D井信號(hào)相比，B井信號(hào)時(shí)域幅值發(fā)生較大變化（此時(shí)A井最大幅值為0．204m／s2，B井最大幅值為0．168 m／s2，C井最大幅值為0．087 m／s2，D井最大幅值為0．042 m／s2），A井信號(hào)和相鄰的B井、C井、D井信號(hào)的時(shí)域特征有相似性，但是由于傳感器接收的振動(dòng)信號(hào)不僅包含經(jīng)套管傳輸?shù)你@頭信號(hào)還包含海上平臺(tái)的工頻干擾，所以需要進(jìn)一步濾波處理，理想情況下，由于距鉆頭的距離不同，幾口井相互對(duì)比，主要表現(xiàn)為相同波形具有時(shí)間延遲，相同波形的幅值大小不同［14］，見(jiàn)圖7。

圖6 正鉆井A趨近B井時(shí)域信號(hào)Fig．6 Time domain signalwhen A well approaches B well

圖7 A井和B井接收到的理想波形示意圖Fig．7 Idealwaves acquired by well A and well B

根據(jù)鉆頭振動(dòng)信號(hào)的提取流程，對(duì)正鉆井A和風(fēng)險(xiǎn)鄰井B的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理分析，首先進(jìn)行EMD分解，結(jié)果見(jiàn)圖8，之后做峭度及互相關(guān)系數(shù)計(jì)算，見(jiàn)表1和表2。

表1 A井信號(hào)IMF分量峭度值及互相關(guān)系數(shù)Tab.1 The cross-correlation coeficients between IMF and origina signal，and the IMF kurtosis of well A

表2 B井信號(hào)IMF分量峭度值及互相關(guān)系數(shù)Tab.2 The cross-correlation coeficients between IMF and origina signal，and the IMF kurtosis of well B

圖8 正鉆井A（左）和鄰井B（右）經(jīng)EMD分解的前四個(gè)IMF分量Fig．8 The fist four IMFs ofworking well A（left）and ajacent B（right）

原始信號(hào)經(jīng)過(guò)EMD分解后，圖8可知，在不同時(shí)間尺度上觀察信號(hào)的時(shí)域特征，前四個(gè)IMF分量均可觀察到鉆頭的沖擊特性，然后對(duì)分解得到的IMF分量分別進(jìn)行峭度分析和互相關(guān)系數(shù)計(jì)算，從表1和表2可知，正鉆井A和鄰井B原始信號(hào)的IMF1和IMF2分量峭度值較大，包含了較多的沖擊特征，而且A井和B井的信號(hào)的IMF1和IMF2分量的互相關(guān)系數(shù)較大，選取各自的IMF1和IMF2分量，根據(jù)薛志宏等［15］提出的EMD閾值降噪法則，舍掉IMF1分量，此時(shí)重組信號(hào)為IMF2分量，與圖6中原始信號(hào)相比，經(jīng)EMD處理后，從重組信號(hào)的時(shí)域圖中可以看到明顯的近似沖擊成分，見(jiàn)圖9中的框示部分，A井的鉆頭沖擊成分提前于風(fēng)險(xiǎn)鄰井B的鉆頭沖擊成分，從時(shí)域信息中可以判斷重組信號(hào)來(lái)自同一鉆頭振動(dòng)信號(hào)。

圖9 重組信號(hào)的時(shí)域圖Fig．9 Time domain recombination signal

通過(guò)功率譜降噪處理后，有效降低了工頻干擾，降噪前后信號(hào)功率譜見(jiàn)圖10，主要振動(dòng)成分100～400 Hz功率譜更加突出，500～1 000 Hz的功率譜降低，易于對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步特征分析。

圖10 EMD降噪后正鉆井A功率譜Fig．10 Power Spectrum of A well after EMD denoising process

通過(guò)Hilbert變換，分析判斷重組信號(hào)是否來(lái)自同一個(gè)鉆頭的振動(dòng)信號(hào)，來(lái)自同一鉆頭信號(hào)在時(shí)域上和頻域上都具有相似性，通過(guò)Hilbert變換可以很好的觀測(cè)信號(hào)的時(shí)頻特征，對(duì)A井和B井的重組信號(hào)進(jìn)行邊際譜分析，見(jiàn)圖11。

圖11 正鉆井A和鄰井B重組信號(hào)邊際譜Fig．11Marginal spectrum of working well A and adjacent B

圖12 正鉆井A（左）和鄰井B（右）重組信號(hào)瞬時(shí)頻率Fig．12 The frequency of restructured signals ofworking well A（left）and adjacent B（right）

通過(guò)圖11可知，A井和B井重組信號(hào)邊際譜頻率范圍相互對(duì)應(yīng)，主要頻率范圍為100～500 Hz以內(nèi)，從頻域上觀測(cè)，重組信號(hào)來(lái)自同一個(gè)鉆頭振動(dòng)信號(hào)。對(duì)A井和B井的重組信號(hào)進(jìn)行Helbert變換，求得兩井信號(hào)的瞬時(shí)頻率見(jiàn)圖12，對(duì)瞬時(shí)頻率進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

從圖12可知，A井和B井重組信號(hào)的瞬時(shí)頻率分布相近，分布在500 Hz的范圍內(nèi)，對(duì)A井和B井重組信號(hào)的瞬時(shí)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示二者主要頻率集中在200～400 Hz，占總體頻率分布的70%以上。所以將此頻段作為鉆頭振動(dòng)信號(hào)的特征頻段，對(duì)其他通道接收到的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，根據(jù)濾波后的能量建立鉆頭趨近套管的模型。

圖13 正鉆井A（左）和鄰井B（右）重組信號(hào)時(shí)頻圖Fig．13 Time-frequency spectrum ofworking well A（left）and adjacent B（right）

表4 模型預(yù)測(cè)的井間距離與防碰掃描得到的井間距離Tab.4W ell distance of anti-collision model and anti-collision scanning

在圖13三維譜（Hilbert譜）更加明顯地可以觀測(cè)到二者時(shí)頻特征，兩口井重組信號(hào)主要分布在相近的頻域范圍內(nèi)，而且從幅值上觀測(cè)具有相近的沖擊特性。綜上時(shí)頻分析，可以確定兩個(gè)重組信號(hào)源于同一個(gè)鉆頭振動(dòng)信號(hào)，并且針對(duì)此區(qū)塊鉆井地質(zhì)條件和鉆頭作業(yè)情況，確定鉆頭的特征振動(dòng)頻帶為200～400 Hz。

根據(jù)上面所確定的信號(hào)特征提取原則，對(duì)正鉆井A和風(fēng)險(xiǎn)鄰井B的信號(hào)進(jìn)行處理，以濾波后信號(hào)的能量作為標(biāo)準(zhǔn)，基于鉆頭趨近風(fēng)險(xiǎn)鄰井模型［16－18］，反求所需要的衰減系數(shù)，對(duì)兩井之間的距離進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且和防碰掃描數(shù)據(jù)井型對(duì)比，見(jiàn)表4。

從表4可知，模型預(yù)測(cè)的兩井中心距離和防碰掃描測(cè)得的兩井中心距離較為吻合，誤差在10%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。經(jīng)過(guò)多口井的現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)用希爾伯特變換提取鉆頭振動(dòng)特征信號(hào)的正確性和可行性。

5 結(jié) 論

（1）鉆頭振動(dòng)信號(hào)經(jīng)EMD分解后，可以在時(shí)域上觀測(cè)到存在的沖擊振動(dòng)分量，根據(jù)峭度準(zhǔn)則和互相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則可以快速提取有效鉆頭信號(hào)，提高信噪比。

（2）經(jīng)過(guò)Hilbert變換分析對(duì)比邊際譜，瞬時(shí)頻率和三維時(shí)頻譜可以判斷不同通道信號(hào)來(lái)源是否一致。

（3）利用重組信號(hào)中特征頻率段比較集中的分量作為鉆頭特征信號(hào)，根據(jù)帶通濾波后的能量應(yīng)用于叢式井鉆頭與鄰井井筒距離模型，能夠?qū)︺@頭趨近鄰井套管進(jìn)行預(yù)警。

［1］劉永旺，管志川，史玉才，等．井眼防碰技術(shù)存在的問(wèn)題及主動(dòng)防碰方法探討［J］．石油鉆采工藝，2011，33（6）：14－18．

LIU Yong-wang，GUAN Zhi-chuan，SHI Yu-cai，et al．Discussion on problems of wellbore anti-collision technology and active anti-collision methods［J］．Oil Drilling＆Production Technology，2011，33（6）：14－18．

［2］管志川，張?zhí)K，王建云，等．油井套管對(duì)地磁場(chǎng)的影響實(shí)驗(yàn)［J］．石油學(xué)報(bào)，2013，34（3）：540－544．

GUAN Zhi-chuan，ZHANG Su，WANG Jian-yun，et al．Experiment of the impact of casing on geomagnetic field［J］．Acta Petrolei Sinica，2013，34（3）：540－544．

［3］劉剛，楊全枝，董照顯，等．鉆頭振動(dòng)波井眼防碰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（6）：66－70．

LIU Gang，YANG Quan-zhi，DONG Zhao-xian，et al．Drill bit vibration anti-collisionmonitoring system and field experiment［J］．Natural Gas Industry，2013，33（6）：66－70．

［4］何保生，劉剛．基于鉆頭運(yùn)動(dòng)誘發(fā)套管頭振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的井眼防碰檢測(cè)方法［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2011，13（5）：74－78．

HE Bao-sheng，LIU Gang．Anti-collision monitoring based on detecting casing head vibration induced by drill movement［J］．Engineering Science，2011，13（5）：74－78．

［5］劉剛，孔得臣，孫金，等．套管頭振動(dòng)信號(hào)特征應(yīng)用于油井防碰監(jiān)測(cè)的可行性分析［J］．中國(guó)海上油氣，2010，24（3）：54－57．

LIU Gang，KONG De-chen，SUN Jin，et al．Feasibility analysis on application of casing head vibration signal in wellbore anti-collisionmonitoring［J］．China Offshore Oil and Gas，2010，24（3）：54－57．

［6］劉剛，楊全枝，韓金良，等．小波包變換在井眼防碰振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用［J］．海洋石油，2013，33（1）：77－80．

LIU Gang，YANGQuan-zhi，HAN Jin-liang，etal．Application of wavelet packet transform for wellbore anti-collision signal monitoring［J］．Offshore Oil，2013，33（1）：77－80．

［7］Huang N E，Shen Z，Long S R，et al．The empirical mode decomposition and the hilbert spectrum for nonlinear and nonstationary time series analysis［J］．Porc．R．Soc．Lond，1988，A：903－995．

［8］李彥軍，胡祥云，何展祥．HHT變換在地球物理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景［J］．工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，7（5）：537－543．

LI Yan-jun，HU Xiang-yun，HE Zhan-xiang．Application situation and prospect of Hilbert-Huang Transform in geophysics［J］．Chinease Journal of Engineering Geophysics，2010，7（5）：537－543．

［9］Lei Ya-guo，He Zhang-jia．Fault diagnosis of rotatingmachinery based on multiple ANFIS combination with Gas［J］．Mechanical Systems and Signal Processing，2007，21：2280－2294．

［10］陳廷根，管志川．鉆井工程理論與方法［M］．東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006．

［11］劉剛，楊全枝，陳超，等．基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)能分解的井眼防碰特征信號(hào)識(shí)別［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（11）：1－5．

LIU Gang，YANG Quan-zhi，CHEN Chao，et al．Study on feature extraction method for wellbore anti-collision based on EMD［J］．Oil Field Equipment，2012，41（11）：1－5．

［12］蘇文勝，王奉濤，張志新，等．EMD降噪譜峭度法在滾動(dòng)軸承早起故障診斷中的應(yīng)用［J］．振動(dòng)與沖擊，2010，29（3）：18－21．

SUWen-sheng，WANG Feng-tao，ZHANG Zhi-xin，et al．Application of EMD denoising and spectral kurtosis in early fault diagnosis of rolling element bearing［J］．Journal of Vibration and Shock，2010，29（3）：18－21．

［13］胡紅英，馬孝江．基于局部波分解的信號(hào)降噪算法［J］．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（1）：118－135．

HU Hong-ying，MA Xiao-jiang．Signal denoising based on local-wave decomposing method［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，29（3）：18－21．

［14］劉剛，孫金，何保生，等．定向井防碰地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］．石油鉆探技術(shù)，2012，40（1）：7－11．

LIU Gang，SUN Jin，HE Bao-sheng，et al．Design and field test of surfacemonitoring system for directionalwells anti-collision［J］．Petroleum Drilling Techniques，2012，40（1）：7－11．

［15］薛志宏，李廣云，周蓉．一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的信號(hào)降噪方法［C］．全國(guó)工程測(cè)量2012技術(shù)研討交流會(huì)論文集，2012．

［16］何保生，劉華亮，劉剛，等．基于球面波傳播理論的鉆頭趨近鄰井防碰預(yù)測(cè)模型［J］．石油鉆探技術(shù)，2013，41（3）：62－66．

HE Bao-sheng，LIU Hua-liang，LIU Gang，etal．Anti-collision prediction model for dril bit approaching adjacent well based on spherical wave propagation theory［J］．Petroleum Drilling Techniques，2013，41（3）：62－66．

［17］劉剛，劉華亮，何保生，等．叢式井鉆頭距鄰井井簡(jiǎn)距離的計(jì)算模型［J］．石油機(jī)械，2013，41（10）：46－50．

LIU Gang，LIU Hua-liang，HE Bao-sheng，et al．Calculation model of cluster well drilling bit-adjacent well distance［J］．China Petroleum Machinery，2013，41（10）：46－50．

［18］饒志華，楊超，段澤輝，等．淺層多井防碰相對(duì)井間距預(yù)測(cè)模型的建立與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證［J］．中國(guó)海上油氣，2014，26（4）：80－83．

RAO Zhi-hua，YANG Chao，DUAN Ze-hui，et al．Establishment and field verification of relative inter-well distance prediction model for anti-collision of shallow multi-wells［J］．China Offshore Oil and Gas，2014，26（4）：80－83．

Identification of vibration singals of drill bit based on Hilbert-Huang transform method

LIU Gang，LIU Chuang，XIA Xiang-yang，XU Jia-xing，PEIChong-lian
（College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

The bit vibration wavemethod was introduced tomonitor the anti-collision performance of cluster wells．In order to accurately identify the vibration signals of the drill bit，the HHTmethod was applied to the bit signal feature extraction，the EMD was used to decompose the bit vibration signal into intrinsic mode components（IMF），the kurtosis criterion and correlation coefficientwere used to filter themain impact components and then the signalwas reconstructed．By HHT，themarginal spectrum，instantaneous frequency and the three dimensional spectrum were obtained and used to judge whether the signals of differernt channels come from the same drill bit or not．Themain public frequency rangewas extracted and a bandpass filterwas applied to the channel to detect the bit vibration signal．According to the energy of the filtered signal，an anti-collision model，as the bit approaches to the risk well was established．The effectiveness of the proposed method was confirmed by the experiment data ayalysis on a real offshore cluster well．

cluster well anti-collison；vibration signal；hilbert-huang transform（HHT）；noise reduction；marginal spectrum；time-frequency spectrum

TE242

A

10．13465／j．cnki．jvs．2015．12．036

“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2011ZX05057－002－006）；海上油田叢式井網(wǎng)整體加密調(diào)整多平臺(tái)鉆井趨近井筒監(jiān)測(cè)方法研究（2011ZX05024－002－010）

2014－08－26 修改稿收到日期：2014－10－23

劉剛男，博士，教授，1960年生

劉闖男，碩士生，1989年生

1574358225＠qq．com