段友祥， 張洋弘， 李洪強， 孫歧峰

(1.中國石油大學(華東)計算機與通信工程學院，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000)

隨鉆測量目前已經(jīng)成為復雜油氣藏勘探開發(fā)的重要輔助手段。其基本原理是在鉆進過程中利用傳感器實時測量近鉆頭處的工程參數(shù)與地質(zhì)信息，通過井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將這些信息傳輸至地面，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、分析后用于地質(zhì)導向和儲層評價。隨著該技術(shù)應(yīng)用的深入，井下測量采集的數(shù)據(jù)種類越來越多，這不僅對數(shù)據(jù)的準確性要求越來越高，還對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斔俣忍岢隽烁叩囊蟆?/p>

鉆井液脈沖信號傳輸是目前應(yīng)用最為普遍的隨鉆數(shù)據(jù)傳輸方式[1]。該技術(shù)是將隨鉆測量信息以鉆井液脈沖信號的方式傳遞到地面，地面系統(tǒng)通過立管壓力傳感器采集脈沖信號，然后將采集還原之后的含噪信號進行信號識別、解碼并實時顯示[2-3]。該技術(shù)成熟、容易實現(xiàn)，且成本低不受場地條件限制，但鉆井液脈沖信號在鉆柱內(nèi)的傳輸會受到現(xiàn)場各種因素的影響：1)脈沖信號在傳輸過程中會隨著傳輸距離增加而大幅度衰減[4]；2)脈沖信號傳輸過程中會摻雜大量的噪聲信號，這些噪聲信號主要是由于井下各種機械振動引起的；3)鉆井液材料也會直接影響脈沖信號的傳輸效果；4)在實際鉆井過程中，井下復雜環(huán)境的影響和鉆進過程中泵壓的變化也會造成脈沖信號發(fā)生變化。一旦地面系統(tǒng)無法檢測到有效脈沖信號或者解碼錯誤，就無法正確判斷井下實時工況。因此，研究如何從無規(guī)律的強噪聲背景下檢測出有用的脈沖信號，提高鉆井液脈沖傳輸信號的信噪比，是鉆井液脈沖傳輸技術(shù)的關(guān)鍵[5]。傳統(tǒng)的信號識別方法是采用脈沖檢驗門限的方式，然而人為的介入會很大程度影響結(jié)果，閾值設(shè)定得不合理也會導致噪聲和脈沖信號檢驗錯誤。為彌補脈沖檢驗門限方式的不足，筆者提出了利用波形相似性檢驗信號的方案，并結(jié)合仿真領(lǐng)域可信度分析方法理論，以便準確、智能地識別復雜礦場環(huán)境中的真實信號波形，保證測量信號的準確和可靠。

1 鉆井液脈沖信號特征屬性選取

鉆井液脈沖信號特征屬性是用于鑒別待檢驗脈沖是否為真實信號的特征參數(shù)值。特征屬性不僅可以反映出信號本身的物理特性，還能反映出脈沖波形的幾何形態(tài)。一般特征屬性是一個屬性組，通過分量的組合和匹配，能夠準確反映出真實數(shù)據(jù)的特點。特征屬性的選擇一般遵循以下3個原則：

1) 特征屬性應(yīng)具備代表性。不同特征屬性所反映的真實數(shù)據(jù)也應(yīng)不同，不同脈沖、不同形態(tài)波形的特征屬性應(yīng)有明顯區(qū)別。

2) 特征屬性應(yīng)具備合理性。特征屬性的選擇或計算方法應(yīng)有一定的理論依據(jù)或者與實際相符，特征屬性應(yīng)反映客觀事實，不應(yīng)按照主觀意愿發(fā)生變化。

3) 屬性分量應(yīng)具備依賴性。屬性組中的分量應(yīng)該相互聯(lián)系，相互影響，其中一個分量變化，其他分量也應(yīng)隨之變化，否則同一分量可能會有多個其他分量與之對應(yīng)，在判別特征屬性時出現(xiàn)多解的情況。

隨鉆測量無線傳輸中使用的PPM(脈沖位置調(diào)制)編碼的正脈沖鉆井液信號，所表示的數(shù)據(jù)由脈沖所在時間序列的位置決定[6]。特征主要表現(xiàn)為脈寬一致、波形為梯形波。由于信號的衰減是受各種因素影響的遞變過程，因此信號局部脈沖波形的幾何形態(tài)相似，故脈沖信號特征屬性的選取可從脈沖波形所表現(xiàn)出的幾何特征入手。

如圖1所示，信號波形的幾何形態(tài)可用相接梯形表示，指定高度不同，會相應(yīng)產(chǎn)生不同的相接梯形，這里指定梯形高度H為固定值，以確保信號的相接梯形唯一。

圖1 鉆井液信號波形幾何形態(tài)示意圖Fig.1 Sketch of signal waveform geometry

選定梯形高H、兩斜邊斜率k1和k2、下底邊長度L為信號特征屬性參數(shù)。其中H反映信號強度(即泵壓)；k1值反映信號增強速度，k2值反映信號減弱速度，二者絕對值關(guān)系反映信號對稱性，若|k1|=|k2|則波形相對信號峰值完全對稱，若|k1|≈|k2|則波形相對信號峰值基本對稱；L反映脈寬。

2 鉆井液脈沖信號波形相似性分析

為彌補傳統(tǒng)脈沖檢驗方式的不足，提出了利用波形相似性檢驗信號的方案。首先對鉆井液脈沖信號在時間序列上的波形進行分析研究。通過實際數(shù)據(jù)的模擬重放，將360個脈沖按照獲取時間的先后分為30組，計算每組脈沖的特征屬性值(H，L，k1，k2)，并求得每組特征屬性的平均值。

繪制各屬性值與時間的關(guān)系圖，結(jié)果見圖2—圖4。圖2是梯形高與時間的關(guān)系，由圖2可以看出4 320 s以后屬性值H隨時間變化有一點波動，但未出現(xiàn)突變情況，波動范圍較小。圖3是脈寬與時間的關(guān)系，由圖3可看出，屬性值L隨時間變化基本保持一致，與正脈沖鉆井液信號的脈寬一致特征相吻合。圖4是斜率與時間的關(guān)系，k1和k2隨時間的變化規(guī)律與H屬性相似，根據(jù)等腰梯形的幾何特點，上下底不變的情況下，斜邊斜率隨高的變化而變化，由此也驗證各屬性值計算方法的正確性。

圖2 梯形高隨時間的變化Fig.2 Graph of trapezoidal height versus time

圖3 脈寬隨時間的變化Fig.3 The relationship diagram of trapezoidal lower base and time

圖4 梯形兩斜邊斜率隨時間的變化Fig.4 Graph of trapezoidal hypotenuse slopes versus time

以上分析可知，信號波形特征值在時間序列上變化波動不大，可以認為在短時間范圍內(nèi)，脈沖信號波形的幾何形態(tài)保持相似。結(jié)合工程實際情況，即為隨鉆鉆遇地層環(huán)境相似，除特殊噪聲干擾外，通過立管壓力收集的信號數(shù)據(jù)的衰減也相似。因此，鉆井液脈沖信號波形在時間序列上具有局部相似性。通過合理設(shè)定特征屬性標準，同時隨著檢驗過程中信號的衰減變化，利用合理的方法對其進行調(diào)整，可有效檢驗波形是噪聲還是信號。利用波形特征進行信號識別不僅準確，還可以彌補脈沖檢驗門限方式需要人工實時干預(yù)的不足。

3 基于可信度分析的鉆井液脈沖信號識別方法

可信度是對事物結(jié)果定性判定或定量分析可以依賴的程度，多用于仿真試驗，是基于仿真模型來反映真實對象本身。鉆井液脈沖信號識別過程也類似一個仿真系統(tǒng)，通過采集信號數(shù)據(jù)，利用數(shù)學模型或其他特征分析方法模擬原始信號，最終目的在于還原原始信號。因此，將可信度分析引入鉆井液脈沖信號識別過程中是可行的。

可信度分析方式根據(jù)分析層次可分為2種[7]：1)定性分析，通過相似比較反映事物“質(zhì)”的差別；2)定量分析，通過分析數(shù)據(jù)反映事物的數(shù)據(jù)特征及關(guān)系，具體方法主要有相似度方法、層次分析法和模糊評判法等。這2種方式都能作為檢驗評價中重要的參考依據(jù)，但在實際應(yīng)用中，定量分析更能滿足工程實際需求。針對鉆井液脈沖信號的識別，可通過4種特征屬性相結(jié)合的定量分析，計算得到信號波形的漸變性與局部相似性，從而為信號的定性判斷提供參考依據(jù)。

基于此，提出一種基于可信度分析的鉆井液脈沖信號識別方法。其基本思想是：通過策略制定信號特征屬性標準值獲得標準信號，根據(jù)待測信號與標準信號的特征屬性值計算每個待測信號與標準信號的相似度，通過分析相似度，判別待測信號是真實信號還是噪聲干擾信號，流程如圖5所示。

圖5 基于可信度分析的信號識別方法流程圖Fig.5 Flow chart of signal identification method based on credibility analysis

3.1 信號預(yù)處理

對經(jīng)過去噪處理后的脈沖信號預(yù)處理的目的在于確定待檢驗信號在時間序列上的具體位置。對于脈沖信號而言，單位脈寬的時間跨度是固定的，根據(jù)信號具有上升沿、下降沿的基本特征，通過計算單位脈寬時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況，即可得到初始的待檢測信號。具體方法如下。

設(shè)定寬度略大于脈寬的時間窗口，窗口大小記作N，并將窗口從中間分為左右2個子窗口，左窗口用于判定脈沖信號上升沿，右窗口用于判定脈沖信號下降沿。隨著窗口在時間序列上的滑動，窗口與波形的關(guān)系可分為如圖6所示的4種情況。4種情況下都需要求得全窗口的極大值wmax，記錄并判定極大值所在窗口位置Pmax。根據(jù)極大值反映的位置信息可判定當前時刻，窗口與波形屬于哪種情況。

情況1：脈沖峰值未進入窗口(Pmax=N)。這種情況下，從窗口邊界N求得右窗口信號極小值所在位置PR,max，并清空窗口中N/2到PR,max的數(shù)據(jù)。如此操作是保證窗口內(nèi)只存儲待檢測信號部分，清除不相干數(shù)據(jù)。

情況2：脈沖峰值進入右窗口(N/2

情況3：脈沖峰值處于窗口中間位置(Pmax=N/2)。這種情況所反映出的窗口與波形的關(guān)系是目標狀態(tài)。通過計算左右子窗口的極小值和每段三等分點的窗口位置可大致確定待測信號是否滿足左窗口遞增，右窗口遞減的判定條件。若滿足則記錄信號信息并將右子窗口極小值之前的數(shù)據(jù)清空。

情況4：脈沖峰值進入左窗口(Pmax

圖6 時間窗口與波形的關(guān)系Fig.6 A diagram of relationship between window and waveform

3.2 特征標準制定

特征標準是衡量待檢測信號是否為真實信號的準則，標準制定的合理與否直接影響后續(xù)識別的準確性。根據(jù)鉆井液脈沖信號波形相似性分析結(jié)論，隨著信號的變化，對特征標準應(yīng)進行相應(yīng)調(diào)整。為此將特征標準的制定分為2個階段。

1) 開始階段標準的設(shè)定。根據(jù)正脈沖信號的編碼特點，每種編碼都在數(shù)據(jù)傳輸前有一組同步信號，一般同步信號的特點為2個或3個連續(xù)脈沖信號[8]。在獲取脈沖數(shù)據(jù)的開始階段，利用連續(xù)脈沖這一特點，計算相鄰脈沖的時間差與特征屬性值，在符合連續(xù)脈沖的條件下，根據(jù)波形局部相似性，判斷連續(xù)脈沖的特征屬性值是否相近或一致，最后求得算術(shù)平均值作為序列開始階段的特征標準值。計算公式為：

(1)

式中:p0為特征屬性標準值；n為連續(xù)脈沖個數(shù)；pi為第i個連續(xù)脈沖的特征屬性分量值。

識別過程中的特征標準調(diào)整值計算分式為：

(2)

隨著信號的不斷采集，緩沖池中的待測數(shù)據(jù)不斷更新，特征標準也隨之更新，從而實現(xiàn)自適應(yīng)的標準調(diào)整。

另外，考慮到實際應(yīng)用的需要，增加人工調(diào)整標準值的備用方式，以確保復雜、無規(guī)律的鉆井條件下特征標準真實可靠。

3.3 鉆井液脈沖信號相似度計算

相似度即仿真系統(tǒng)與被模仿對象的相似程度，是由兩者的相似元數(shù)量、相似元的值及每個相似元對系統(tǒng)相似度影響權(quán)值等因素共同決定的，相似度越高，表示仿真系統(tǒng)還原被模仿對象越完整[9]。設(shè)仿真系統(tǒng)為A，被仿對象為B，A、B之間相似元個數(shù)為X，每個相似元的值為qi，每一相似元對相似度的影響權(quán)值為βi，則A與B的相似度可以定義為:

(3)

式中：Q(A，B)為A與B的相似度。

權(quán)值βi通過層次分析法[5]計算得到，而相似元值qi的計算式為：

(4)

式中：ys為仿真系統(tǒng)對應(yīng)的結(jié)果；yr為被模仿對象對應(yīng)的結(jié)果。

若相似元分量是由動態(tài)變量計算求得，則其計算公式為:

(5)

式中：Δt為變化率；q(t)為相似元隨時間變化的關(guān)系式；t1為開始時間；t2為結(jié)束時間；βt為t時刻的權(quán)重。

將上述方法應(yīng)用于鉆井液脈沖信號相似度計算,則采集信號系統(tǒng)與標準信號系統(tǒng)之間存在4個相似元，即分別對應(yīng)H，L，k1和k2這4個特征屬性值，設(shè)每個相似元的值為qi(i=1，2，3，4)，每一相似元的權(quán)值為βi(i=1，2，3，4)。權(quán)值計算過程如下：

(6)

由幾何平均法求得H、L、k1和k2的權(quán)值分別為0.534 4，0.238 4，0.113 6和0.113 6。由規(guī)范列平均法求得H、L、k1和k2的權(quán)值分別為0.500，0.350，0.075和0.075。鉆井液脈沖信號的特征屬性為靜態(tài)變量，可利用式(3)計算該信號的相似度。

3.4 可信度評價分析

鉆井液脈沖信號可信度評價，就是利用已經(jīng)計算出的待測信號的相似度，判定待測信號是否為真實信號。相似度越高，說明待測信號與標準信號越接近，選擇一個合理值作為可信度門限值，高于該門限值的則定性為真實信號，低于該門限值的則定性為噪聲干擾。

在相似度計算過程中，由于結(jié)果受相似元權(quán)值影響較大，不同層次分析法求得的權(quán)值對應(yīng)相同信號的相似度值不同，權(quán)值選定的不合理，會造成信號相似度不能反映真實情況，給定性分析帶來困難，有時甚至造成相似度計算錯誤，進而影響后續(xù)處理結(jié)果。為選取合理的權(quán)值以及可信度門限值，筆者對上述利用幾何平均法和規(guī)范列平均法求得的2組權(quán)值進行了試驗分析，將采集的模擬重放鉆井液脈沖信號原始數(shù)據(jù)采用圖5所示流程處理，用2組不同權(quán)值計算脈沖信號相似度，結(jié)果見表1。

表1 基于不同層次分析法的相似度計算結(jié)果Table 1 Sheet of similarity calculating statistics besed on the different analytic hierachy process

注：*為真實信號的計算數(shù)據(jù)，其余為噪聲干擾信號的計算數(shù)據(jù)。

從表1可知：1)真實信號的4個特征屬性值基本相近，未出現(xiàn)突變、跳變情況，這與波形相似度分析結(jié)果保持一致，也表明特征屬性值計算準確；2)2種權(quán)值計算方法得到的真實信號的相似度均在0.62以上；同時，真實信號與噪聲信號在相似度上有一定界限，說明2種權(quán)值的選取和計算基本合理。

G方案采用幾何平均法求得的權(quán)值計算相似度，計算結(jié)果記作G值;S方案采用規(guī)范列平均法求得的權(quán)值計算相似度，計算結(jié)果記作S值。將18組相似度從大到小排序并編號，由上述分析可得：可信度小于0.62的為干擾信號，大于0.62的為真實信號，將真實信號與干擾信號分開并按相似度大小排序，可得4組折線，如圖7所示。

圖7 利用不同層次分析法計算的相似度Fig.7 Similarity curves calculated by different analytic hierarchy processes

從圖7可以看出，G方案中真實信號對應(yīng)的相似度值與干擾信號有明顯的分界，分界距離大于0.1，S方案中真實信號對應(yīng)的相似度值與干擾信號分界不明顯，分界距離僅有0.02。G方案求得的真實信號相似度值遞減變化率比S方案小，取值較為集中，干擾信號的相似度值也呈相同規(guī)律。由以上分析可得，對于該特征的脈沖信號幾何平均法求得的權(quán)值作用效果較為理想，可設(shè)定0.70為可信度門限值。

4 試驗分析

4.1 信號識別試驗及分析

已知某井實際隨鉆過程中的鉆井液脈沖信號數(shù)據(jù)，該信號在起鉆與停泵的一段時間內(nèi)，由于鉆頭機械振動的影響，受到的干擾較大，采用傳統(tǒng)門限值方法很難做到準確識別。利用基于可信度分析的鉆井液脈沖信號識別方法對實際數(shù)據(jù)進行模擬重放，共識別脈沖480個，原始信號包含脈沖468個，從識別的脈沖數(shù)量來看識別誤差為2.56%。

分析實際數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，誤差多存在于停泵前的不穩(wěn)定階段。圖8為停泵前信號不穩(wěn)定脈沖序列，圖9為基于該方法實現(xiàn)的原型系統(tǒng)正在處理圖8方框中的脈沖序列，其中波形窗口中所展示的是經(jīng)預(yù)處理后的待檢測信號及其特征值；最右側(cè)大窗口所展示的是特征標準波形及其特征值；第一個坐標系為脈沖信號去噪后的結(jié)果；第二個坐標系為信號識別結(jié)果，其中框出來的脈沖信號為可信度分析所識別出的信號。從圖9中可知，部分噪聲的可信度高達0.712和0.717，因此被當作信號識別出來。雖然該方法不能夠完全準確地識別脈沖信號，但是識別誤差小于3%，已滿足實際工程要求。根據(jù)分析得出的原因，可提供人機交互功能，從而有效避免此類問題的發(fā)生。

圖8 不穩(wěn)定脈沖序列波形Fig.8 Unstable pulse sequence waveform

圖9 波形分析界面Fig.9 Waveform analysis interface

4.2 處理效率試驗及分析

考慮鉆井液脈沖信號識別方法要進行實際應(yīng)用，該識別方法的處理速率必須要保證信號識別實時性[10]。識別過程中涉及的數(shù)據(jù)處理包括信號預(yù)處理、特征屬性的計算、特征標準計算與調(diào)整、相似度計算。表2為實際隨鉆測量信號識別過程中各個模塊的運算時間。其中,除了信號預(yù)處理外,其他處理時間都忽略不計。信號預(yù)處理過程中由于不同狀況的處理步驟不同，處理時長也不同?？傮w而言，該識別方法處理速度快，可以滿足實際應(yīng)用對實時性的要求。

表2 識別算法運行時間Table 2 Running time of identification algorithm

5 結(jié) 論

1) 基于可信度分析的鉆井液脈沖信號識別方法，是在仿真系統(tǒng)中可信度評估分析的思想基礎(chǔ)上提出的，通過提取特征屬性值，選擇合理的評價標準值，即時動態(tài)調(diào)整標準參數(shù)，實現(xiàn)鉆井液脈沖信號的自動識別。

2) 該方法的主要優(yōu)點在于避免了傳統(tǒng)信號識別方法中人為干預(yù)對系統(tǒng)識別結(jié)果的影響，消除了人工操作帶來的不便和干擾。

3) 實際數(shù)據(jù)模擬試驗驗證了該方法的識別效果，能夠用于隨鉆數(shù)據(jù)的傳輸和處理。

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