(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

海洋平臺(tái)建設(shè)及自升式鉆井船插樁過(guò)程中常遇到礫石層或硬夾層的卡阻，導(dǎo)致二次作業(yè)或造成重大工程損失。目前，通常采用地震剖面分析、海底工程取芯等方法對(duì)海底的礫石層及硬質(zhì)夾層進(jìn)行預(yù)警[1]，成本高。已有研究利用井下低頻段振動(dòng)反饋鉆具工作狀態(tài)，高頻段振動(dòng)記錄巖石的巖性特征的特點(diǎn)[2-3]，開發(fā)了1種近鉆頭振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，該裝置連接在海底勘查鉆頭的后部，可以利用自升式平臺(tái)攜帶的模塊鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)鉆探。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)收集井下近鉆頭的振動(dòng)數(shù)據(jù)作為礫石層及堅(jiān)硬夾層的識(shí)別信號(hào)，利用時(shí)域頻域圖像中振動(dòng)信息的關(guān)鍵特征確定對(duì)應(yīng)的影響因素，建立海底風(fēng)險(xiǎn)地層識(shí)別分析模型和分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底礫石層或硬質(zhì)夾層的識(shí)別和預(yù)測(cè)。

1 近鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置

1.1 近鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)原理

近鉆頭振動(dòng)采集裝置見圖1。

圖1 近鉆頭振動(dòng)采集與存儲(chǔ)裝置

采集裝置主要采用ESM井下振動(dòng)測(cè)量工具進(jìn)行振動(dòng)信息測(cè)量，ESM測(cè)量短節(jié)和傳感器安裝方式見圖2。

圖2 測(cè)量短節(jié)結(jié)構(gòu)截面示意

系統(tǒng)中，坐標(biāo)系原點(diǎn)為近鉆頭振動(dòng)測(cè)量裝置的軸心，沿鉆柱軸線和徑向安裝3只加速度傳感器，且設(shè)備上的3只加速度傳感器采取兩兩相互垂直正交模式進(jìn)行安裝，可采集2個(gè)正交方向上的加速度值。

1.2 近鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)采集方案

由于不同的振動(dòng)頻段表征的井下振動(dòng)物理意義有所不同[4-5]，因此，在海底異常夾層預(yù)警方案中，首先要獲取海底勘察期間的全程振動(dòng)數(shù)據(jù)，獲取的振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本要求覆蓋待測(cè)量地層的厚度。

為保證儀器可以真實(shí)地反映振動(dòng)信號(hào)的波形特征。采樣頻率一般選取預(yù)估信號(hào)最高頻率的2.5～4倍，即10～30 Hz為宜。見表1。

表1 振動(dòng)頻段劃分閾值

考慮測(cè)量?jī)x器的成本及使用效果預(yù)期，選用17 kHz的采樣頻率，方案見表2。

表2 采集方案

1.3 近鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)采集算法

系統(tǒng)的3個(gè)加速度計(jì)分別沿徑向安裝，輸出值分別為a1、a2、a3；1個(gè)加速度計(jì)沿軸向獨(dú)立安裝，輸出值為az；磁力計(jì)可測(cè)量角速度ω。

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，采用測(cè)得物理量對(duì)鉆柱不同振動(dòng)特征進(jìn)行表征。Xa、Ya分別為沿鉆柱切向、徑向的加速度測(cè)量值，Za值為軸向加速度值。根據(jù)加速度計(jì)的安裝方式，3個(gè)加速度傳感器測(cè)量值的表達(dá)式為

(1)

1.3.1 軸向振動(dòng)

鉆柱軸向振動(dòng)可通過(guò)Z軸加速度計(jì)的加速度值大小及波動(dòng)情況判斷。Za可直接反映軸向振動(dòng)加速度大小。

1.3.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

鉆頭-地層相互作用和摩擦力較大時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)很劇烈時(shí)，會(huì)大概率發(fā)生黏滑運(yùn)動(dòng)。黏滑運(yùn)動(dòng)是1種自激產(chǎn)生的劇烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。井下發(fā)生黏滑運(yùn)動(dòng)時(shí)，陀螺儀所記錄的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)。

鉆柱運(yùn)動(dòng)特征對(duì)應(yīng)的振動(dòng)形式及判據(jù)見表3。

表3 主要振動(dòng)特點(diǎn)與鉆頭運(yùn)動(dòng)特征關(guān)系

2 信號(hào)分析方法

2.1 信號(hào)處理

井下測(cè)量?jī)x器對(duì)井下高頻振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，井下高通濾波電路過(guò)濾反應(yīng)鉆具工況的頻率較低的信號(hào)，保留頻率更高的信號(hào)。高通濾波電路處理后的信號(hào)會(huì)通過(guò)數(shù)字采集芯片采集高頻信號(hào)，同時(shí)削弱低于截止信號(hào)。在數(shù)字信號(hào)濾波處理過(guò)程中使用具有通帶內(nèi)最大平坦振幅特性的巴特沃斯濾波器(BHPF)清除低頻信號(hào)，其振幅和頻率關(guān)系為

(2)

式中：H為傳遞函數(shù)；n為濾波器級(jí)數(shù)；j為虛數(shù)單位；ω為信號(hào)角頻率；ωc為截止頻率。

針對(duì)某海域所積累的多井段的振動(dòng)信號(hào)和實(shí)際鉆井?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用傅里葉變換進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理。以一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，選取x軸振動(dòng)信號(hào)，見圖3、4。

圖3 高通濾波過(guò)濾后的x軸振動(dòng)信號(hào)

圖4 高通濾波過(guò)濾前后的頻域信號(hào)特征

由圖3和圖4可知，經(jīng)過(guò)高通濾波的信號(hào)提高了信號(hào)的信噪比，頻域上去除了反映鉆柱運(yùn)動(dòng)以及沖擊拍打井壁的低頻噪聲，僅留下反映鉆頭破巖信息的振動(dòng)波形。

2.2 振動(dòng)信號(hào)分析方法

使用傅里葉數(shù)字信號(hào)處理方法分析井下振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間域頻率域特征。

2.2.1 傅里葉變換

傅里葉變換[6]表示能將滿足一定條件的某函數(shù)表示成三角函數(shù)或者積分的線性組合，其定義為將可積函數(shù)表示復(fù)指數(shù)函數(shù)的積分或級(jí)數(shù)形式，變換公式如下：

(3)

式中：x為時(shí)間，s；f(x)為可積函數(shù)；ξ為頻率，Hz。

構(gòu)造機(jī)械旋轉(zhuǎn)工況的模擬仿真信號(hào)x(t)，該信號(hào)由正弦波、頻率調(diào)制正弦波及信噪比為3 dB高斯噪聲組成，信號(hào)表達(dá)式為

x(t)=sin(2πfsint)+2cos[2πfcost+

153.6cos(2πfFMt)]+noise(t)

(4)

式中：x(t)為生成的模擬信號(hào)；fsin=fcos=500 Hz，為正弦波主頻；fFM為調(diào)制波頻率，fFM=5 Hz；noise(t)為高斯白噪聲。

實(shí)際信號(hào)采樣頻率為5 000 Hz，即采集分析1 s的信號(hào)。仿真模擬信號(hào)的時(shí)域波形見圖5，頻譜見圖6。

圖5 時(shí)域波形

圖6 傅里葉變換-頻譜圖

由圖5可見，鉆頭進(jìn)入礫石層或硬質(zhì)地層后，在井下振動(dòng)嚴(yán)重，并進(jìn)一步激化了鉆頭的側(cè)向振動(dòng)。與此同時(shí)，地層中的非均質(zhì)礫巖也會(huì)直接導(dǎo)致鉆頭的側(cè)向振動(dòng)。由于時(shí)域信號(hào)的信噪比較低，因此，該研究在此基礎(chǔ)上通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換，在頻域的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

2.2.2 短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換(STFT)是傳統(tǒng)傅里葉變換的1種變形，針對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)可通過(guò)固定時(shí)間窗口截取部分振動(dòng)信號(hào)提取該段信號(hào)的頻率及相位信息。具體計(jì)算流程：將整體信號(hào)拆分為有限個(gè)等長(zhǎng)的局部信號(hào)，再將傅里葉變換逐個(gè)應(yīng)用到局部信號(hào)，以此將整體的不平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為局部的平穩(wěn)信號(hào)計(jì)算頻域信息。短時(shí)傅里葉變換的結(jié)果比傅里葉變換會(huì)多出時(shí)間維度信息，其變換如下。

(5)

式中：x(t)為待變換信號(hào)；w(x)為窗函數(shù)。

同樣根據(jù)圖5所示的仿真模擬信號(hào)，給出短時(shí)傅里葉變換時(shí)頻譜，見圖7。

圖7 短時(shí)傅里葉變換-時(shí)頻譜圖

由圖7可知，短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻譜圖不但可表達(dá)信號(hào)的頻域特征，還可體現(xiàn)頻率隨時(shí)間的變換特性。不僅可提取出500 Hz的主恒頻率，還可給出隨時(shí)間變換的頻率分量信息。

2.2.3 小波變換

小波變換(WT)是指用有限長(zhǎng)或快速衰減的“母小波”的振蕩波形表示信號(hào)，該波形被縮放和平移以匹配輸入信號(hào)。小波變換相較短時(shí)傅里葉變換，優(yōu)勢(shì)在于其可自適應(yīng)頻率變換，滿足高低不同頻率下的分辨率要求，并且在去噪時(shí)不會(huì)對(duì)信號(hào)造成明顯破壞。其變換如下。

(6)

式中：x(t)為待變換信號(hào)；a為尺度參數(shù)；b為平移參數(shù)；Ψ(x)為小波函數(shù)。

根據(jù)圖5所示的仿真模擬信號(hào)的時(shí)域波形圖，給出以Cgau(復(fù)數(shù)形式的高斯小波)為小波函數(shù)的小波變換-時(shí)頻譜圖，見圖8。

圖8 小波變換-時(shí)頻譜圖

由圖8可知，小波變換的時(shí)頻譜圖可表達(dá)信號(hào)的頻域特征，還能體現(xiàn)頻率隨時(shí)間的變換特性。相比短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻譜圖，時(shí)頻譜圖的時(shí)頻分辨率明顯改善，低頻段具有較高的時(shí)間分辨率，并且頻率范圍也突破200～800 Hz。

3 應(yīng)用分析實(shí)例

3.1 近鉆頭振動(dòng)時(shí)域信號(hào)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)裝置在某實(shí)驗(yàn)井內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，已知該實(shí)驗(yàn)井段包含2處礫石層和1處硬質(zhì)砂巖夾層。地質(zhì)勘察井完鉆后，提取近鉆頭振動(dòng)采集裝置中存儲(chǔ)的振動(dòng)信號(hào)，見圖9～11。

僅通過(guò)觀察3種不同巖性的時(shí)域振動(dòng)樣本很難區(qū)分歸類巖性種類。這些地層差異較大，但振動(dòng)波形相似，振幅微弱差異，因此，進(jìn)一步對(duì)這些時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換處理。

圖9 礫石層時(shí)域振動(dòng)信號(hào)

圖10 硬質(zhì)砂巖層時(shí)域振動(dòng)信號(hào)

圖11 泥巖層時(shí)域振動(dòng)信號(hào)

3.2 振動(dòng)信號(hào)頻域特點(diǎn)

通過(guò)傅里葉變換系數(shù)得到近鉆頭振動(dòng)的頻域信號(hào)，見圖12。計(jì)算得到傅里葉變換后的頻譜圖，巖性特征頻率便于觀察信號(hào)特點(diǎn)[7]。

圖12 3種巖性典型頻譜

選取3種海底地質(zhì)勘察中的常見巖性中具有代表性樣本的頻譜進(jìn)行對(duì)比，其中2種巖性則是容易導(dǎo)致自升式平臺(tái)傾覆的以及插樁困難的硬質(zhì)砂巖夾層以及礫石層。

由圖12a)可知，泥巖的頻譜強(qiáng)度在整個(gè)頻段均勻分布，無(wú)特別顯著的特征峰存在，由于在地質(zhì)勘察鉆頭在泥巖中鉆井時(shí)鉆頭吃入深度較大，以刮削和水力噴射液化為主，整個(gè)鉆頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是均與平穩(wěn)的。如圖12b)和圖12c)所示，海底地層中遇到硬夾層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的沖擊特征。此類地層也是容易導(dǎo)致海洋工程建設(shè)期間插樁失敗或者自升式平臺(tái)傾覆的重要原因。對(duì)于礫石層和硬質(zhì)砂巖夾層存在相似的特征峰，但峰值強(qiáng)度不同，并且礫巖的z軸方向也有強(qiáng)頻率峰值顯示，表明鉆進(jìn)礫巖地層時(shí)鉆具會(huì)沿井筒方向產(chǎn)生沖擊；對(duì)于砂巖軸方向的信號(hào)較弱，說(shuō)明在礫石層內(nèi)鉆進(jìn)期間，存在著較為嚴(yán)重的跳鉆。

通過(guò)處理后的頻譜圖像，可以較為直觀地表征不同地層的振動(dòng)狀態(tài)，并依據(jù)這些振動(dòng)狀態(tài)及時(shí)對(duì)海底存在的礫石層或硬質(zhì)夾層進(jìn)行預(yù)警。

4 結(jié)論

1)近鉆頭振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置和算法對(duì)海底地質(zhì)勘查鉆井振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集和存儲(chǔ)，可為礫石層、硬質(zhì)砂巖、泥巖頻譜數(shù)據(jù)分析提供可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在不增加額外的工程勘測(cè)成本的條件下，為海底異常地層預(yù)測(cè)提供裝備保障。

2)基于傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變化等典型信號(hào)分析方法，針對(duì)井下振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析與處理提出時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)的特征分辨海底異常地層的分析方法，建立端到端的海底地層識(shí)別振動(dòng)分析方法和分析模型。

3)基于文中研究方法對(duì)實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，振動(dòng)信號(hào)的分析處理，振動(dòng)信號(hào)時(shí)域頻域特征分析，可有效識(shí)別礫石層和硬質(zhì)夾層，證明該方法可以將泥巖與硬質(zhì)地層區(qū)分開來(lái)。