CN103412343B - 基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法 - Google Patents

Abstract

基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法，本发明具体涉及基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法。本发明为解决水平井测井时油井套管接箍的传统检测方法无法对被噪声淹没的磁定位信号进行准确特征提取的问题。该方法为：采集磁定位仪的感应电压，将该感应电压换为12位数字信号；将获得的12位数字信号进行快速傅立叶变换，根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度；根据选取小波分解的采样频率和分解尺度对12位数字信号进行提升小波分解，对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息。本发明适用于管道检测和医疗等领域。

Description

基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法

技术领域

本发明涉及一种油井套管接箍的抗干扰检测方法，具体涉及基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法。

背景技术

磁定位技术因其精度高、稳定性较强的优点，目前已广泛应用于管道检测和医疗等领域。在测井过程中，通常利用磁定位仪在套管中运动产生的磁定位信号来实现油井套管的接箍检测。油井套管是由接箍将多个完全相同的钢制套管连接而成，掌握磁定位仪所通过的接箍数量后经过计算可获取测井仪器在套管中的位置。在清洁工况下或正常接箍的全新套管中，能够得到理想的接箍磁定位信号波形；但是由于井下环境恶劣，工况复杂，接箍磁定位信号容易被噪声干扰淹没。如果不能对套管接箍进行准确定位，将直接影响测井仪器在套管中位置的确定；除此之外，由于接箍表面长期受泥沙磨损以及内部受原油溶蚀等，导致接箍容易出现断裂和脱落，破坏套管连接，使得获取的磁定位信号被噪声干扰淹没，无法正确地实现特征识别，影响正常的套管状态检测。因此，准确统计接箍数量并获取其物理位置，有利于生产测井技术的发展。

目前，石油行业中检测油井套管接箍位置的方法主要是通过测井时利用磁定位仪获取磁定位信号，该信号通常只需简单进行滤波、AD转换处理后直接返回井上进行分析，进而推知油井套管中接箍的相关信息。当磁定位信号不受任何干扰时，磁定位仪能够实现特征信号的正确提取；当磁定位信号被噪声淹没时，便会造成套管接箍信号的丢失。因此，使用这种检测方法具有很大的局限性。现有的申请号为：200910072860.5的发明专利通过采集牵引器的驱动电流对接箍进行检测，所述的驱动电流检测通过利用地面上的传感器装置检测相关信号来反演地下状态，与实际井下信号相比，存在一定误差且运算速度慢的问题。

发明内容

本发明为了解决水平井测井时油井套管接箍的传统检测方法无法对被噪声淹没的磁定位信号进行准确特征提取的问题，从而提出了基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法。

基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法包括下述步骤：

步骤一、采集磁定位仪的感应电压，将该感应电压经A/D转换器转换为12位数字信号，所述磁定位仪置于牵引器等油井测井仪器内，跟随牵引器在油井套管中作业；

步骤二、将获得的12位数字信号进行快速傅立叶变换，根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度；

步骤三、根据选取小波分解的采样频率和分解尺度对步骤二所述12位数字信号进行提升小波分解，使12位数字信号的不同频段分量相应地分布在不同的小波尺度中，再对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测。

步骤三所述的对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测的具体过程为：

步骤三一、求取各小波尺度中的小波系数或单支小波重构信号的模极大值，并进行奇异性检测，各小波尺度中的模极大值点汇聚为奇异点，将该模极大值进行信号去噪并根据阈值法筛选出奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号；

步骤三二、对奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算，对Tsallis小波奇异熵的运算结果进行分类获得多个M形波动，根据每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序判断所对应接箍的位置，输出套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测，并将套管接箍的位置信息通过上位机显示套管接箍信息，或将套管接箍的位置信息通过D/A转换器转换经示波器模拟显示套管接箍信息。

步骤三二所述的对奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算的具体过程为：

令D={d(k),k=1,2,...,N}为小波多分辨率分析中数据长度为N的离散小波系数或单支小波重构信号矩阵，

其中，d(k)为第k个离散小波系数或单支小波重构信号，k为离散小波系数或单支小波重构信号矩阵中元素位置变量；

在小波系数或单支小波重构信号上定义一个窗宽w∈N，滑动因子δ∈N的滑动数据窗，该数据窗表示为：

W(m,w,δ)={d(k),k=1+mδ,…,w+mδ}（1）

其中,m=0,1，2,…,M-1，且M=(N-w)/δ∈N，其中m为滑动数据窗的滑动次数，M为小波熵矩阵列长度，N为原始数据长度；

通过将数据窗内的d(k)等距连续截断构造矩阵D_L×ω，根据矩阵分解理论将D_L×ω分解为：

D_L×ω=U_L×lΛ_l×lV_l×ω（2）

其中，D_L×ω为L×ω维矩阵；U_L×l为L×l维矩阵；V_l×ω为l×ω维矩阵；Λ_l×l为l×l维矩阵，Λ_l×l的主对角元素为λ_i，i=1,2,...,l且λ₁≥λ₂≥...≥λ_l≥0，所述的主对角元素是矩阵D_L×ω的奇异值；l为参与小波奇异熵运算的小波系数或单支小波重构信号的数量；

令 $p_m\left(i\right)={\mathrm{\λ}}_i/\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j,$

其中，为(m+w/2)时刻，滑动时间窗W(m,w,δ)内第j尺度下的小波系数或单支小波重构信号矩阵D的奇异值之和；

在(m+ω/2)时刻的Tsallis小波奇异熵WSE表示为：

$W_{\mathrm{SE}}^L\left(m\right)=\frac{1}{q-1}\{1-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}[p_m\left(i\right){]}^q\}---\left(3\right)$

其中，非广延参数q∈(1,2.5)。

步骤三二中所述的根据每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序判断所对应接箍的位置的具体方法为：

根据公式（4）判断每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序的位置，

s_n=n×X（4）

其中，n表示第n个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序，X表示每节套管的长度且X为常数，s_n表示第n个M形波动所对应接箍的位置距油井的第一个套管入口的距离。

步骤二所述的根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度的具体方法为：

对12位数字信号进行快速傅立叶变换后得到信号各频率的主要集中分布范围，将各范围内的上限频率用f_m表示，则小波分解选取的采样频率应满足f_s≥2f_m；根据小波分解后信号各频段应分布在不同分解尺度的原则，确定小波分解尺度。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过将磁定位仪测得的感应电压信号进行Tsallis小波奇异熵运算，解决了传统磁定位信号特征识别中由于噪声将磁定位信号淹没，无法正确提取特征信号的问题，实现了油井套管接箍的抗干扰检测；

2、本发明利用Tsallis小波奇异熵运算，在对信号进行小波奇异熵分析过程中，Tsallis小波奇异熵的数学表达简洁，运算量小于Shannon小波奇异熵，有利于提高工作效率；Tsallis小波奇异熵能够很好地抑制频率混叠现象，从而避免由于小波变换过程中相邻尺度能量泄漏、频率混叠引起的特征丢失。

本发明通过采集磁定位仪的感应电压直接利用井下检测到的磁定位信号来实现套管接箍检测，大大简化了被检测信号的获取过程，并且消除了信号在传递过程中的损耗及干扰，提高了检测精度及准确性。

附图说明

图1为基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法的方法流程图；

图2为理想工况下的磁定位仪感应电压信号波形示意图；

图3为图2中Q的放大图；

图4为牵引器在井上油井套管模拟平台上运行时，通过三个套管的时间段内采集到的磁定位仪感应电压波形；图中A表示套管A，图中B表示套管B，图中C表示套管C，R表示套管B和套管C的连接部分的波形；

图5表示图4中R的放大图；

图6为感应电压作四层小波分解后的第4小波尺度近似单支小波重构信号的归一化Tsallis小波奇异熵特征提取波形图，图中H表示射孔信号扰动；G表示接箍。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法，它包括下述步骤：

步骤一、采集磁定位仪的感应电压，将该感应电压经A/D转换器转换为12位数字信号，所述磁定位仪置于牵引器等油井测井仪器内，跟随牵引器在油井套管中作业；

步骤二、将获得的12位数字信号进行快速傅立叶变换，根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度；

步骤三、根据选取小波分解的采样频率和分解尺度对步骤二所述12位数字信号进行提升小波分解，使12位数字信号的不同频段分量相应地分布在不同的小波尺度中，再对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测。

本实施方式中用于磁定位的感应电压信号的工作原理为：

在水平井测井过程中，水平井牵引器是不可或缺的测井仪器输送装置，通过地面供给能量，牵引器可在水平井段推送测试仪器实现测试。牵引器内部装有磁定位仪，当磁定位仪随牵引器通过套管接箍时，穿过感应线圈的磁通将发生突变并以感应电动势波动的形式反映接箍的存在，通过分辨磁定位信号的变化可实现油井套管接箍检测，进而推知牵引器所处井下位置及平均爬行速度。

步骤三中所述的提升小波分解不依赖于傅立叶变换，在空间域就能完成小波变换，同时集成了传统小波的多分辨率特征。与传统小波变换相比，提升小波变换具有计算速度快、计算方法简单、可以实现整数小波变换以及精确重构原始信号等优点。

本实施方式通过采集磁定位仪的感应电压直接利用井下检测到的磁定位信号来实现套管接箍检测，大大简化了被检测信号的获取过程，并且消除了信号在传递过程中的损耗及干扰，提高了检测精度及准确性。

本发明方法在垂直井等无需牵引器输送的测井作业中亦可采用。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法的区别在于，步骤三所述的对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测的具体过程为：

步骤三一、求取各小波尺度中的小波系数或单支小波重构信号的模极大值，并进行奇异性检测，各小波尺度中的模极大值点汇聚为奇异点，将该模极大值进行信号去噪并根据阈值法筛选出奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号；

步骤三二、对奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算，对Tsallis小波奇异熵的运算结果进行分类获得多个M形波动，根据每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序判断所对应接箍的位置，输出套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测，并将套管接箍的位置信息通过上位机显示套管接箍信息，或将套管接箍的位置信息通过D/A转换器转换经示波器模拟显示套管接箍信息。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式二所述的基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法的区别在于，步骤三二所述的对奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算的具体过程为：

令D={d(k),k=1,2,...,N}为小波多分辨率分析中数据长度为N的离散小波系数或单支小波重构信号矩阵，

其中，d(k)为第k个离散小波系数或单支小波重构信号，k为离散小波系数或单支小波重构信号矩阵中元素位置变量；

在小波系数或单支小波重构信号上定义一个窗宽w∈N，滑动因子δ∈N的滑动数据窗，该数据窗表示为：

W(m,w,δ)={d(k),k=1+mδ,…,w+mδ}（1）

其中,m=0,1，2,…,M-1，且M=(N-w)/δ∈N，其中m为滑动数据窗的滑动次数，M为小波熵矩阵列长度，N为原始数据长度；

通过将数据窗内的d(k)等距连续截断构造矩阵D_L×ω，根据矩阵分解理论将D_L×ω分解为：

D_L×ω=U_L×lΛ_l×lV_l×ω（2）

其中，D_L×ω为L×ω维矩阵；U_L×l为L×l维矩阵；V_l×ω为l×ω维矩阵；Λ_l×l为l×l维矩阵，Λ_l×l的主对角元素为λ_i，i=1,2,...,l且λ₁≥λ₂≥...≥λ_l≥0，所述的主对角元素是矩阵D_L×ω的奇异值；l为参与小波奇异熵运算的小波系数或单支小波重构信号的数量；

令 $p_m\left(i\right)={\mathrm{\λ}}_i/\underset{j=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j,$

其中，为(m+w/2)时刻，滑动时间窗W(m,w,δ)内第j尺度下的小波系数或单支小波重构信号矩阵D的奇异值之和；

在(m+ω/2)时刻的Tsallis小波奇异熵WSE表示为：

$W_{\mathrm{SE}}^L\left(m\right)=\frac{1}{q-1}\{1-\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}[p_m\left(i\right){]}^q\}---\left(3\right)$

其中，非广延参数q∈(1,2.5)。

当噪声干扰与特征信号频段相似且经提升小波变换后两者处于同一尺度上时，在不增大分解尺度的前提下，小波奇异熵具有较强的信号特征分辨能力，能准确地描述突变信号特征及发生时刻。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式二所述的基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法的区别在于，步骤三二中所述的根据每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序判断所对应接箍的位置的具体方法为：

根据公式（4）判断每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序的位置，

s_n=n×X（4）

其中，n表示第n个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序，X表示每节套管的长度且X为常数，s_n表示第n个M形波动所对应接箍的位置距油井的第一个套管入口的距离。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式一或四所述的基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法的区别在于，步骤二所述的根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度的具体方法为：

对12位数字信号进行快速傅立叶变换后得到信号各频率的主要集中分布范围，将各范围内的上限频率用f_m表示，则小波分解选取的采样频率应满足f_s≥2f_m；根据小波分解后信号各频段应分布在不同分解尺度的原则，确定小波分解尺度。

图2和图3为理想工况下的磁定位仪感应电压信号波形示意图；图4为牵引器在井上油井套管模拟平台上运行时，通过套管A、套管B和套管C时间段内采集到的磁定位仪感应电压波形；图5中箭头所指为套管B和套管C连接部分的波形放大视图，其中，安装磁定位仪的牵引器以10cm/s在套管内部爬行，数据采集时间为180秒。对采集到的磁定位信号进行小波采样，采样频率f_s=1024Hz。套管接箍引发的感应电压信号突变频率范围在1.5Hz≤f_X≤20Hz之间，根据Mallat算法的二进制尺度划分原则，反映套管接箍的磁定位信号特征应包含于第4小波尺度近似单支小波重构信号中。

对磁定位仪感应电压信号进行四层小波分解，对第4小波尺度近似单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算，绘制的归一化Tsallis小波奇异熵特征提取波形图如图3所示。

分析图6可知，在119.7s～120.15s时间段内，小波奇异熵出现了一个近似M形波动突变，而此时磁定位仪恰好通过了一处套管接箍，可以确定这是由接箍磁定位信号变化引起的小波奇异熵突变，根据其发生时间以及牵引器爬行速度可得该接箍的位置距套管A入口约12m。

Claims (1)

1.基于磁定位信号特征识别的油井套管接箍检测方法，其特征在于：它包括下述步骤：

步骤一、采集磁定位仪的感应电压，将该感应电压经A/D转换器转换为12位数字信号，所述磁定位仪置于牵引器等油井测井仪器内，跟随牵引器在油井套管中作业；

步骤二、将获得的12位数字信号进行快速傅立叶变换，根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度；

步骤二所述的根据快速傅立叶变换的结果选取小波分解的采样频率和分解尺度的具体方法为为：对12位数字信号进行快速傅立叶变换后得到信号各频率的主要集中分布范围，将各范围内的上限频率用f_m表示，则小波分解选取的采样频率应满足f_s≥2f_m；根据小波分解后信号各频段应分布在不同分解尺度的原则，确定小波分解尺度；

步骤三、根据选取小波分解的采样频率和分解尺度对步骤二所述12位数字信号进行提升小波分解，使12位数字信号的不同频段分量相应地分布在不同的小波尺度中，再对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测；

步骤三所述的对提升小波分解得到的小波系数或单支小波重构信号进行特征信息评估，获得套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测的具体过程为：

步骤三一、求取各小波尺度中的小波系数或单支小波重构信号的模极大值，并进行奇异性检测，各小波尺度中的模极大值点汇聚为奇异点，将该模极大值进行信号去噪并根据阈值法筛选出奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号；

步骤三二、对奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算，对Tsallis小波奇异熵的运算结果进行分类获得多个M形波动，根据每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序判断所对应接箍的位置，输出套管接箍的位置信息，实现了套管接箍抗干扰检测，并将套管接箍的位置信息通过上位机显示套管接箍信息，或将套管接箍的位置信息通过D/A转换器转换经示波器模拟显示套管接箍信息；

步骤三二所述的对奇异度异常的小波系数或单支小波重构信号进行Tsallis小波奇异熵运算的具体过程为：

令D＝{d(k),k＝1,2,...,N}为小波多分辨率分析中数据长度为N的离散小波系数或单支小波重构信号矩阵，

其中，d(k)为第k个离散小波系数或单支小波重构信号，k为离散小波系数或单支小波重构信号矩阵中元素位置变量；

在小波系数或单支小波重构信号上定义一个窗宽w∈N，滑动因子δ∈N的滑动数据窗，该数据窗表示为：

W(m,w,δ)＝{d(k),k＝1+mδ,…,w+mδ}(1)

其中,m＝0,1，2,…,M-1，且M＝(N-w)/δ∈N，其中m为滑动数据窗的滑动次数，M为小波熵矩阵列长度，N为原始数据长度；

通过将数据窗内的d(k)等距连续截断构造矩阵D_L×ω，根据矩阵分解理论将D_L×ω分解为：

D_L×ω＝U_L×lΛ_l×lV_l×ω(2)

其中，D_L×ω为L×ω维矩阵；U_L×l为L×l维矩阵；V_l×ω为l×ω维矩阵；Λ_l×l为l×l维矩阵，Λ_l×l的主对角元素为λ_i，i＝1,2,...,l且λ₁≥λ₂≥...≥λ_l≥0，所述的主对角元素是矩阵D_L×ω的奇异值；l为参与小波奇异熵运算的小波系数或单支小波重构信号的数量；

令

其中，时刻，滑动时间窗W(m,w,δ)内第j尺度下的小波系数或单支小波重构信号矩阵D的奇异值之和；

在(m+ω/2)时刻的Tsallis小波奇异熵WSE表示为：

其中，非广延参数q∈(1,2.5)；

步骤三二中所述的根据每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序判断所对应接箍的位置的具体方法为：

根据公式(4)判断每个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序的位置，

s_n＝n×X(4)

其中，n表示第n个M形波动在所述多个M形波动中的位置顺序，X表示每节套管的长度且X为常数，s_n表示第n个M形波动所对应接箍的位置距油井的第一个套管入口的距离。