閔 杰，王秀芝，劉貫虹，羅興平，黨有偉，易彩平

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

油管傳輸射孔技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外最為常用的射孔技術(shù)之一。對(duì)于如何判斷油管傳輸射孔是否起爆，過(guò)去操作人員采用在井口聽(tīng)聲音、手觸摸油管感覺(jué)振動(dòng)的方法，然而該方法存在不安全因素。目前，操作人員利用儀器進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，即操作人員從監(jiān)測(cè)儀所采集到的各種信號(hào)中鑒別出起爆特征信號(hào)，作為判斷射孔槍起爆標(biāo)準(zhǔn)。但由于操作人員的經(jīng)驗(yàn)及各種井況的不確定性，這種被動(dòng)式的操作方法存在很大的誤判斷性。因此，如何準(zhǔn)確地提取出起爆特征信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)主動(dòng)進(jìn)行識(shí)別判斷，成為目前監(jiān)測(cè)技術(shù)的一大難點(diǎn)。

本文通過(guò)前期自行搭建的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)油田實(shí)地所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，較為準(zhǔn)確地提取出起爆特征信號(hào)，掌握了起爆信號(hào)的一些特征參數(shù)，為后續(xù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷軟件的編寫(xiě)打下基礎(chǔ)。

1 信號(hào)處理原理

1.1 濾波

油田現(xiàn)場(chǎng)利用示波器測(cè)得的起爆特征信號(hào)及各背景噪聲信號(hào)如表1所示。

表1 信號(hào)頻率表Tab.1 Signal frequency

試驗(yàn)結(jié)果表明：起爆特征信號(hào)頻率位于各個(gè)噪聲信號(hào)頻率的中間頻段，帶通濾波器具有允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的波的特點(diǎn)，因此可以較好地從總體信號(hào)中提取起爆特征信號(hào)。

在虛擬儀器的帶通濾波器選擇過(guò)程中，描述實(shí)際濾波器性能的主要參數(shù)有紋波幅度d、截止頻率fc、帶寬B、品質(zhì)因素Q以及倍頻程選擇性W等[1]。

理想帶通與實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性見(jiàn)圖1。

圖1 理想帶通與實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性Fig.1 The ideal and the actual amplitude-frequency characteristics of the band-pass filter

根據(jù)起爆特征信號(hào)與噪聲信號(hào)的特點(diǎn)，綜合上述濾波器選擇的主要參數(shù)，本研究采取虛擬儀器中的切比雪夫（Chebyshev）濾波器。切比雪夫?yàn)V波器是在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動(dòng)的濾波器。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)有輕微的幅度波動(dòng)。

切比雪夫?yàn)V波器的幅頻響應(yīng)為[2]：

式（1）中：ε是決定通帶紋波大小的系數(shù)，紋波的產(chǎn)生是由于實(shí)際濾波器網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件；Tn是第一類(lèi)切比雪夫多項(xiàng)式：

Tn特性曲線見(jiàn)圖2。

圖2 切比雪夫?yàn)V波函數(shù)特性曲線Fig.2 The characteristic curves of Chebyshev filteringfunction

從圖2可以看出，在(w/wc)＜1內(nèi)為通帶，(w/wc)＞1為阻帶。切比雪夫?yàn)V波器的幅頻特性雖然在通帶內(nèi)有起伏，但進(jìn)入阻帶后衰減陡峭，更接近理想情況。在截止頻率(w/wc)=1處，其衰減不一定是下降3dB，而是按來(lái)計(jì)算，ε值越小，通帶起伏越小，截止頻率點(diǎn)衰減的分貝值也越小。綜上所述各方面，切比雪夫?yàn)V波器比較符合本研究的濾波需求。

1.2 短時(shí)能量

信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后，還會(huì)存在一些與起爆特征信號(hào)頻率相近的噪聲信號(hào)，對(duì)于此種情況，需要引入短時(shí)能量分析技術(shù)。

在聲波技術(shù)中短時(shí)能量分析技術(shù)用來(lái)處理同一時(shí)刻不同音源的聲幅大小，它的直觀意義是ΔU/ ΔT，表示在T時(shí)刻震源的能量[3]。廣義地說(shuō)，不同的物理量在頻率上可能會(huì)一致，但造就這個(gè)物理量的能量是不一樣的。井場(chǎng)的各種雜音信號(hào)有可能與射孔槍起爆信號(hào)處于同一頻段內(nèi)，但雜音的能量與射孔槍的起爆能量應(yīng)不處于一個(gè)能量等級(jí)內(nèi)，經(jīng)短時(shí)能量分析技術(shù)處理后，可以區(qū)分是雜音信號(hào)還是射孔槍起爆信號(hào)。

短時(shí)能量的計(jì)算：設(shè)信號(hào)序列為x(i)，i= 0，M–1，則短時(shí)能量函數(shù)S(n) 定義為：

式（3）中：w(n) 為滑動(dòng)窗函數(shù)，n=0，…，M-1。S(n)代表了信號(hào)在n時(shí)刻的局部能量。由式（3）可以看到短時(shí)能量分析相當(dāng)于對(duì)信號(hào)先進(jìn)行指數(shù)變換，然后用分段或分幀疊加的方法加以處理。分幀可以連續(xù)也可以交疊，用可移動(dòng)的有限長(zhǎng)度窗口進(jìn)行加權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于窗函數(shù)的幅頻特性類(lèi)似于低通濾波器，故短時(shí)能量分析也可看作是信號(hào)平方通過(guò)一個(gè)單位函數(shù)響應(yīng)為w(n)的線性濾波器的輸出。不同的窗函數(shù)(形狀、長(zhǎng)度) 將決定短時(shí)能量的特性，常用的窗口類(lèi)型有矩形窗和海明窗。相對(duì)矩形窗而言，海明窗具有較大的帶寬和較快的帶外衰減速度，輸入信號(hào)的失真較小，因此選用該窗函數(shù)對(duì)射孔槍起爆震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)采樣率一定時(shí)，窗口長(zhǎng)度越短則時(shí)間分辨率越高，但同時(shí)又不利于發(fā)揮短時(shí)能量分析信噪比高的特點(diǎn)，應(yīng)用中必須權(quán)衡兩者加以選擇。

實(shí)際信號(hào)中總是存在大量的隨機(jī)噪聲，相對(duì)于它的方差而言，噪聲在時(shí)域中大部分時(shí)刻取值較小，少數(shù)時(shí)刻取值較大。假設(shè)在隨機(jī)噪聲中包含了有用的高頻沖擊信號(hào)，則信號(hào)經(jīng)過(guò)平方處理后可以突出能量較大的有用信號(hào)，取值較小的噪聲信號(hào)則可以忽略不計(jì)。又由于沖擊信號(hào)具有局部連續(xù)性，在開(kāi)始處連續(xù)幾點(diǎn)的取值都較大，而噪聲具有隨機(jī)性，連續(xù)幾點(diǎn)取到較大值的概率很低。所以，經(jīng)過(guò)窗函數(shù)的平滑可以進(jìn)一步削弱噪聲的影響，從而有效地提高了信噪比，定量分析如下。

根據(jù)振動(dòng)力學(xué)理論，假設(shè)振動(dòng)信號(hào)滿足沖擊衰減振蕩模型[4]：

根據(jù)隨機(jī)信號(hào)分析理論，如果疊加在震動(dòng)信號(hào)上的噪聲v(n)滿足零均值高斯型隨機(jī)分布，其方差為，則采樣長(zhǎng)度N足夠大時(shí)噪聲能量可近似表示為：

在足夠長(zhǎng)的觀察時(shí)間[0，N - 1 ]，信號(hào)的總能量近似表示為：

與只含噪聲的短時(shí)能量相比，式（7）中增加的部分為沖擊信號(hào)的瞬時(shí)能量。相對(duì)噪聲而言，沖擊信號(hào)在起始點(diǎn)的瞬時(shí)能量很大，因而用短時(shí)能量的方法可以有效提高射孔槍起爆時(shí)的局部信噪比。

2 實(shí)際信號(hào)處理分析

2.1 濾波

圖3為切貝雪夫?yàn)V波器的程序設(shè)計(jì)圖。

圖3 切貝雪夫?yàn)V波器程序設(shè)計(jì)圖Fig.3 The program design of Chebyshev filtering function

圖4為普光303-2號(hào)井的監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)，此口井為環(huán)空加壓井，由于井口泵車(chē)打壓引起的振動(dòng)幅度較為強(qiáng)烈，再加上射孔井位較深（5 335m），因此起爆信號(hào)混雜于噪聲信號(hào)之中。

圖4 普光303-2號(hào)井的監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)Fig.4 The monitor raw data of Puguang 303-2 well

經(jīng)過(guò)切比雪夫?yàn)V波器濾波后的效果見(jiàn)圖5。

圖5 經(jīng)切比雪夫?yàn)V波器濾波后的數(shù)據(jù)Fig.5 The filtered data by Chebyshev filtering function

由圖5可見(jiàn)，將信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，可以有效地將泵車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)等噪聲信號(hào)與起爆特征信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，便于特征信號(hào)的提取。

2.2 短時(shí)能量

圖6為短時(shí)能量分析程序圖。

在實(shí)際信號(hào)的短時(shí)能量處理中，海明窗的窗口長(zhǎng)度取值是最關(guān)鍵的一點(diǎn)，因此，進(jìn)行了短時(shí)能量海明窗取值實(shí)驗(yàn)。

勝利06-9號(hào)投棒井的井深為2 224m，當(dāng)射孔槍起爆后幾秒鐘內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員不慎將管鉗掉落在采油樹(shù)上并引起振動(dòng)信號(hào)，如圖7所示。

圖6 短時(shí)能量程序圖Fig.6 The program design of short-term energy

不同海明窗窗口長(zhǎng)度取值下的信號(hào)處理結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同海明窗窗口長(zhǎng)度取值下的信號(hào)處理結(jié)果Fig.8 Signal processing results of the Hamming window with the different value

由圖8可見(jiàn)海明窗窗口長(zhǎng)度取值選擇在30以下時(shí)，由于窗長(zhǎng)過(guò)短，噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后的幅值變大，使得特征信號(hào)與噪聲信號(hào)的振幅都較大，信噪比較小；當(dāng)窗長(zhǎng)大于30時(shí)，由于窗長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，特征信號(hào)與噪聲信號(hào)相互疊加，無(wú)法區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此，本軟件中的海明窗取值定為30。

某一次射孔槍起爆時(shí)的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9，經(jīng)短時(shí)能量分析的結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 The monitor raw data

圖10 短時(shí)能量處理后數(shù)據(jù)Fig.10 The processed data by short-term energy

通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，短時(shí)能量分析大大提高了信號(hào)之間的信噪比，使得起爆特征信號(hào)從與其頻率相近的噪聲信號(hào)中分離開(kāi)來(lái)。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)油管傳輸射孔監(jiān)測(cè)過(guò)程中所產(chǎn)生的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行特征分析，利用濾波和短時(shí)能量技術(shù)手段將不同種類(lèi)的信號(hào)進(jìn)行處理，達(dá)到準(zhǔn)確提取出射孔槍起爆特征信號(hào)的目的，為后期采用軟件對(duì)起爆特征信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)判斷打下基礎(chǔ)。

（2）在對(duì)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)能量基礎(chǔ)的處理中，根據(jù)實(shí)際信號(hào)的幅值及噪聲的強(qiáng)弱，通過(guò)能量曲線圖上選擇合適的門(mén)限值，可得到射孔槍起爆的準(zhǔn)確時(shí)間。

[1]劉貫虹,朱建新,張鋒,周緒國(guó).TCP監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)[J].測(cè)井與射孔,2008(3):75-78

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