一种泥浆脉冲信号识别方法

2013-12-03李传伟杨亮祝环芬王芝峰

测井技术 2013年2期

李传伟，杨亮，祝环芬，王芝峰

（1.西北工业大学自动化学院，陕西西安710072；2.中国石油集团测井有限公司，陕西西安710077）

0 引言

随钻测井与传统电缆测井及存储式测井的主要区别是获取地层参数的时效性，随钻测井能够在刚钻开地层时获得反映原状地层评价参数，有助于及时综合评价地层，实时指导钻进过程，提高储层钻遇率。随钻测井在水平井和大斜度井勘探开发中得到广泛应用。随着随钻测井方法不断完善和仪器的研制，井下测量数据越来越多，实时传输到地面成为制约随钻测井技术应用的瓶颈［1］。本文针对广泛使用的泥浆脉冲传输方式中脉冲信号识别方法开展研究，提出先使用脉冲有效上升沿法判断脉冲大体位置，再用滑动窗口最大值法精确调整和校准脉冲位置的方法，在随钻测井过程中有效地识别出泥浆压力波形中的脉冲信号。

1 信号产生及特征

随钻测井过程中井下探测的信号经过采集转化为测量数据后，通过数据编码策略驱动脉冲发生器阀体运动改变泥浆循环通道的截面积，泥浆压力发生变化，在地面探测的泥浆压力波形将会产生相应的脉冲［如图1（a）所示］。这一过程将泥浆压力变化通过测井数据传输到地面，在地面通过检测压力波形中的脉冲，根据位置关系解码获得相应的测量参数［2］。

泥浆脉冲信号的传输过程是一种能量转换过程，传输特性受泥浆介质的影响，存在明显的衰减，在地面采集检测的压力是一个非平稳的信号，表现在压力变化波峰（波谷）是1条斜线，包含各种噪声和干扰，其中噪声表现为宽带白噪声，干扰表现为与泵噪声特性相关的周期性脉冲。研究人员采取多种方法对信号进行滤波去噪处理，如中值滤波、小波滤波等去除信号中的各种噪声。作者曾使用小波变换方法对泥浆压力信号进行滤波处理［3－4］，效果见图1（b）所示。图1（b）中红色为采集的原始信号，黑色为经过小波滤波处理后的信号，蓝色为实际脉冲位置对应的信号。

从滤波处理结果看出，滤波后的压力波形有明显的起伏变化，从中能够识别出脉冲信号、获取位置关系，实现井下数据的解码恢复。然而在环境噪声较大、泵压不稳时，处理后的压力波形波幅不等、宽窄不均，使得脉冲检测十分困难，影响井下测量数据解码。

图1 泥浆脉冲信号与处理

2 算法的设计与实现

传统的脉冲位置检测方法是设定门槛值，高于门槛的波形就认为是1个脉冲。该方法适用于波形变化较小、基值平稳的信号，但对传输过程中泵压变化导致脉冲幅度变化较大、存在基线漂移时，脉冲检测效果较差，解码数值准确性不高［5］。

本文介绍基于滤波去噪后的压力波形进行脉冲识别的方法。首先求取信号幅度的一次差分和差分结果的二次差分，在信号中寻找出极值点（波峰、波谷）；其次根据脉冲信号宽度特征及约束条件从极值点中筛选出波峰，并利用阈值判断出有效上升沿；最后采取滑动窗口内面积最大原则确定脉冲所在的位置，转换成方波序列，得到与井下编码规则一致的脉冲信号。

2.1 波峰、波谷查找算法

脉冲识别的前提是先在波形中查找出所有局部极大值和极小值，记录极值的位置和幅值，即确定波形点的x和y坐标。连续函数求极值的算法一般采用一阶导数驻点法，求连续函数一阶导数为0的点；对于采集的泥浆压力信号的离散值函数，则采用邻域差值［6］，依次计算相邻2个波形间的波幅差值diff＝y2－y1，计算结果有3种情况，即diff＞0、diff＜0、diff＝0。

根据结果判断极值点，如果diff＝0并且diff正负特性发生改变的波形点即为极值点，将所有的极值点存入极值点数组中。某组测试数据处理结果见图2（a）。图2（a）中绿色点为极大值和极小值点。

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邻的2个极值点之间的连接线，这条连接线的2个端点为V1（x1，y1）和V2（x2，y2），都是波形上的极值点，其中x1＜x2，如果y2＞y1则为上升沿，否则为下降沿。有效沿是指y2－y1的绝对值大于一定阈值的沿，分为有效上升沿和有效下降沿；利用有效沿可以排除识别到的部分虚假波峰，剔除干扰尖峰。

依次遍历极值点数组中的每个元素，将相邻2个点连接作为1个波形沿，并计算波形沿的波幅差值，如果大于阈值（测试中取经验值400）则为有效沿，记入有效沿数组。试验中发现下降沿对于判定方波位置的作用较小，而且容易受到噪声影响，所以在算法中均以有效上升沿为判定波峰位置的主要依据，而抛弃了有效下降沿数据。某组测试数据处理结果见图2（b），其中绿色线表示有效上升沿。

图2 波形信号识别

2.3 滑动窗口面积法确定方波

利用有效上升沿法确定的类正弦波波峰中，采用波峰的顶点作为中心位置确定出对应的脉冲（见图3绿色实线脉冲）。图3表明由于波形畸变，该方法确定的方波不能准确反映波形代表的脉冲位置，以波峰顶点作为中心点确定的脉冲及位置效果不理想。

本文在用波峰顶点确定脉冲后，采用滑动窗口面积法进一步校正脉冲位置。滑动窗口面积法就是以波峰顶点左一个脉宽位置为起始x坐标，用固定宽度值为滑动窗口，沿x轴递增改变x坐标，计算窗口左右2个边界及下边界和波形所围成的面积，确定扫过一个波峰中面积最大时脉冲的位置。为了简化计算，设窗口的下边界为0，计算面积值也就转化为计算窗口内所有点波幅度的和。求出这一组面积值的最大值，其窗口所在位置即为方波所在位置（窗口宽度等于方波脉冲宽度）（见图3黑色虚线脉冲所示）。

图3 波峰转换方波算法示意图

3 测试应用效果

采取文中介绍的方法识别压力波形中的脉冲信号，对比分析解码测量数据的应用分为地面模拟信号测试和现场测井采集信号试验2个部分［7］。

3.1 模拟信号测试

测试方法是连接地面数据采集系统与井下仪器，利用井下脉冲发生器测试盒产生标准的压力脉冲信号，地面系统采集的波形和处理结果如图4所示。图4中绿色为模拟产生的泥浆信号，蓝色为滤波处理后的波形信号，红色为通过脉冲识别方法识别形成的方波序列。图4中，模拟信号没有经过泥浆通道传输，噪声很小，是1组波形规则的方波信号，经过滤波处理形成类正弦波，通过本文算法识别出的方波序列能准确反映出模拟信号中方波位置。