CN103924960A - 一种油气井射孔地面监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气井射孔地面监测方法，包括以下步骤：步骤一，对射孔枪起爆时沿油管壁传输的振动波进行信号采集；步骤二，对采集来的信号进行滤波处理；步骤三，对滤波后的信号进行短时能量分析，并将分析结果与预设阈值进行对比，如果对比结果达到预设阈值，则起爆成功；否则继续步骤一至步骤三。本发明通过3000多口油井监测，射孔起爆监测判断成功率＞96％。监测的油井最大射孔井深为7140米，最小射孔井深为119米。本发明性能稳定，操作简单，具有广泛的使用前景。同时，本发明通过设定阈值，而省去了庞大的数据库，使得本发明减少了实施成本，也避免了寻找起爆的规律性。

Description

一种油气井射孔地面监测方法

技术领域

本发明涉及油气井射孔监测技术，具体涉及一种油气井射孔地面监测方法。 

背景技术

目前在油气井射孔完井作业中要判断射孔枪是否起爆一般都是现场作业人员亲自到井口处感觉振动，这样很大程度的降低了人身安全保障，在整个油气井开采过程中必须做到安全第一，所以在射孔作业中需要用另一种办法判断射孔枪的起爆，既能保证现场作业人员的安全又能准确的判断射孔枪的起爆。早期有过报道介绍在地面监测井下射孔枪起爆的仪器，其原理在地面上接收井下射孔枪起爆时沿油管壁传输的振动波及加压时地面压力的变化，依据振动波和压力在同一时刻突变判断射孔枪是否起爆。但是这样的判断是现场操作人员凭据经验及这一时刻井场没有其它噪声信号的情况下做出的，而不是仪器自动做出的判断。属于被动式的记录信号。也有相应的实用新型专利如《油管传输射孔频谱分析监测仪》、《高速油管传输射孔地面监测方法》等。但这些专利介绍的仪器监测原理难以做到自动判断。 

上述两专利与本专利存在以下不同：1、没有阐述对采集到的数据进行何种滤波处理；2、没有阐述判断起爆方法做详细介绍，以及判断的流程。3、没有阐述判断射孔枪起爆的判断原理及判断依据，以及如何处理干扰信号。 

《高速油管传输射孔地面监测方法》这篇专利介绍的是利用已建立的数据库对采集到的射孔枪起爆信号进行比对，从而做出是否起爆的判断及射孔弹起爆个数的判断。但在实际工作中，因不同井况不同起爆因素不同地质条件影响起爆的因素各不相同，难以找到相同的数据进行对比，就是同一口井在相同的射孔条件下其起爆因素也是千变万化各不相同，难以找到规律性的起爆依据。 

油管波监测技术及方法在几年来的实际使用中，对判断射孔枪的起爆起着重要作用，同时也发现在以下三种情况时不能正确的判断射孔枪是否起爆：A撞击起爆时棒体撞击起爆器后起爆器没有起爆，而这个撞击信号被判断为起爆信号；B加压起爆时(或带有开孔器)起爆器中的销钉剪切的机械信号被误判断为射孔起爆。C带有封隔器作业时，由于封隔器的作用阻断了振动信号的传输通道，会导致射孔起爆时不被接收致使操作人员不做出判断。这三种情况虽不多见但因判断结果不正确会对现场施工操作及操作人员的安全性带来一定的影响。 

发明内容

本发明提供了一种对多种井况下射孔枪起爆时沿油管壁传输的振动信号进行频率及短时能量分析，并对背景噪声如泵车加压、井场发电机、发动机等信号进行滤除，最后获得的有用信号特征和阈值来判断是否射孔的油气井射孔地面监测方法，本发明还进一步的通过地震波监测对油管波监测技术的完善与补充，解决了现有技术中A、B、C三种情况发生误判的问题。在现场监测时，地震波监测与油管波监测二种方法同时进行，通过二路信号的互相对比，可以更加准确判断射孔起爆信号。 

本发明的技术方案是：一种油气井射孔地面监测方法，包括以下步骤：步骤一，对射孔枪起爆时沿油管壁传输的振动波进行信号采集；步骤二，对采集来的信号进行滤波处理；步骤三，对滤波后的信号进行短时能量分析，并将分析结果与预设阈值进行对比，如果对比结果达到预设阈值，则起爆成功；否则继续步骤一至步骤三。 

本发明的进一步改进包括： 

所述步骤三对比结果达到所述阈值后间隔1-4秒后重复步骤一至步骤三。该方案用于多级起爆的监测。 

所述步骤一还包括对射孔弹起爆时冲击并挤压岩层产生的地震波进行信号采集，所述地震波信号不进行滤波及短时能量分析，如果如步骤三中振动波的处理结果达到阈值后0.010秒-1秒内采集到地震波信号，则起爆成功。 

所述的滤波为80Hz-300Hz带通滤波。 

所述步骤一的采样频率设为5000Hz，高截止频率设为300Hz，低截止频率设为80Hz。 

所述短时能量分析结果为振动波瞬时斜率，所述阈值是20-40。 

所述地震波的采集位置位于距井口20米-30米，距地面深度不大于1米。 

所述步骤一对采集的信号还进行增益放大，放大倍数是50-200。 

所述短时能量分析的短时能量函数为设信号序列为x(i)，i＝0，…，N-1，则短时能量函数S(n)定义为 

$S\left(n\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)\mathrm{\ω}(n-i)=\underset{i=n-M+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)\mathrm{\ω}(n-i)=x^2\left(n\right)\mathrm{\ω}\left(n\right)$

式中：w(n)为滑动窗函数，n＝0，…，M-1；S(n)代表了信号在时刻n的局部能量。 

所示短时能量分析中短时能量的海明窗取值是30。 

本发明通过3000多口油井监测，射孔起爆监测判断成功率＞96％。监测的油井最大射孔井深为7140米，最小射孔井深为119米。本发明性能稳定，操作简单，具有广泛的使用前景。同时，本发明通过设定阈值，而省去了庞大的数据库，使得本发明减少了实施成本，也避免 了寻找起爆的规律性。本发明通过带通滤波，解决了加压泵工作时的振动对判断射孔枪起爆振动信号产生的噪声干扰。在井场使用加压方式进行起爆时，不可避免的加压泵的振动会对射孔枪起爆振动信号产生噪声干扰。由于加压泵的振动同样具有局部连续性，使用短时能量分析法并不能排除它的干扰，所以我们在进行射孔枪起爆起始时间分析时加入了软件滤波的方法排除加压泵的振动的干扰。 

本发明通过短时能量分析，有效地提高了信噪比。实际信号中总是存在大量的随机噪声，相对于它的方差而言，噪声在时域中大部分时刻取值较小，少数时刻取值较大。假设在随机噪声中包含了有用的高频冲击信号，则信号经过平方处理后可以突出能量较大的有用信号，取值较小的噪声信号则可以忽略不计。又由于冲击信号具有局部连续性，在开始处连续几点的取值部较大，而噪声具有随机性，连续几点取到较大值的概率很低。所以，经过窗函数的平滑可以进一步削弱噪声的影响，从而有效地提高了信噪比。 

本发明提出射孔弹爆轰振动信号阈值概念。振动信号阈值是指振动传感器灵敏度等参数一定的条件下，一定数量射孔弹在一定井深起爆，地面接收到的爆轰波信号幅值在一定范围内，这个范围就是振动信号阈值。通过上百口射孔井数据得到的经验阈值，提高了射孔起爆判断的准确性。 

附图说明

图1是表特征信号频率采集图。 

图2A是普光某井的监测原始数据。 

图2B是普光某井的监测原始数据经带通滤波器滤波后的数据。 

图3A是胜利某投棒井的原始数据。 

图3B是海明窗取值10时信号处理结果。 

图3C是海明窗取值20时信号处理结果。 

图3D是海明窗取值30时信号处理结果。 

图3E是海明窗取值40时信号处理结果。 

图4A是某次射孔枪起爆时的监测数据。 

图4B是某次射孔枪起爆时监测数据经短时能量分析处理后的数据。 

图5是实施例1的监测波形图。 

图6是实施例2的监测波形图。 

图7是实施例3的监测波形图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。 

根据用示波表与振动传感器油田现场的实际数据采集，得到如图1所示的数据，由图1可以清晰地得出，射孔枪起爆时引起油管振动的频率范围集中在100Hz～140Hz之间。结合前期 上井所得到的监测数据可以将此频率范围定在80Hz～300Hz之间。比较现场各种噪声信号的频率特性见表1.1，本发明优选带通滤波器对信号进行滤波处理。 

表1.1信号频率表 

本发明信号采样频率设为5000Hz，高截止频率设为300Hz，低截止频率设为80Hz。 

本发明根据射孔弹数、井深自动设置采集卡增益大小，采集卡增益影响到判断结果。经我们对大量上井数据的射孔井深与射孔弹个数对与增益的关系总结出下列二者间的经验公式： 

经验公式如下表： 

滤波功能实例：如图2A所示为普光某井的监测原始数据，射孔方式为环空加压，泵车打压引起的振动幅度较为强烈，起爆信号混杂于噪声信号之中。经过带通滤波器滤波后的效果较为理想，如图2B所示，将信号进行带通滤波处理，可以有效地将泵车、发动机，电动机等噪声信号与起爆特征信号分离开来，便于特征信号的提取。 

短时能量分析技术在声波技术中用来处理同一时刻中不同音源的能量大小。表达意义是ΔU/ΔT，表示在T时刻时振源的能量。广义的说，不同的物理量产生相同的频率，但生成这个物理量的能量大不相同，如人类能发出与起爆信号相同频率的声音，但二者所付出的能量相差很大。井场的各种杂音信号的谐波有可能与射孔枪起爆信号处于同一频段内，但杂音的能量与射孔枪起爆能量不处于一个能量等级内，经短时能量分析技术处理后区分出是杂音信号还是射孔枪起爆信号。 

确定事件起始时间的方法。 

仪器拾取到的振动信号中干扰信号的瞬时幅值和频率大到与振动信号可以比拟时。采用传统的方法就很难有效地区分噪声信号和有用信号。 

短时能量端点检测是语音信号处理中常用的一种时域分析方法，可以明显地提高信噪比，本发明中正是将这种方法应用于射孔枪起爆振动信号的事件时间提取。 

短时能量的计算： 

设信号序列为x(i)，i＝0，…，N-1，则短时能量函数S(n)定义为： 

$S\left(n\right)=\underset{i=\∞}{\overset{-\∞}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=\underset{i=n-M-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(i\right)w(n-i)=x^2\left(n\right)w\left(n\right)---\left(1\right)$

式中：w(n)为滑动窗函数，n＝0，…，M-1；S(n)代表了信号在时刻n的局部能量。 

可以看到短时能量分析相当于对信号先进行指数变换，然后用分段或分帧叠加的方法加以处理。分帧可以连续，也可以交叠，用可移动的有限长度窗口进行加权处理。 

由于窗函数的幅频特性类似于低通滤波器，故短时能量分析也可看作是信号平方通过一个单位函数响应为w(n)的线性滤波器的输出。不同的窗函数(形状、长度)将决定短时能量的特性。当采样率一定时，窗长越短则时间分辨率越高，但同时又不利于发挥短时能量分析信噪比高的特点，应用中必须权衡两者加以选择。 

短时能量法的信噪比分析： 

实际信号中总是存在大量的随机噪声，相对于它的方差而言，噪声在时域中大部分时刻取值较小，少数时刻取值较大。假设在随机噪声中包含了有用的高频冲击信号，则信号经过平方处理后可以突出能量较大的有用信号，取值较小的噪声信号则可以忽略不计。又由于冲击信号具有局部连续性，在开始处连续几点的取值都较大，而噪声具有随机性，连续几点取到较大值的概率很低。所以，经过窗函数的平滑可以进一步削弱噪声的影响，从而有效地提高了信噪比。 

根据振动力学理论，假设振动信号满足冲击衰减振荡模型公式 

$X\left(n\right)=A\sin [\mathrm{\&omega;}(\mathrm{nT}-t_0)+<]e^{-\mathrm{\&alpha;}(\mathrm{nT}-t_0)}---\left(2\right)$

根据随机信号分析理论，如果叠加在振动信号上的噪声v(n)满足零均值高斯型随机分布，其方差为σ² _μ，则采样长度N足够大时噪声能量可近似表示为： 

$\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}v{\left(n\right)}^2\&ap;N{{\mathrm{\&sigma;}}^2}_{\mathrm{\&mu;}}---\left(3\right)$

总体信号为： 

y(n)＝X(n)+v(n)    (4) 

对于足够长的观察时间[0，N-1]，信号的总能量近似表示为： 

$\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}v{\left(n\right)}^2\&ap;N{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&mu;}}^2+\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}X{\left(n\right)}^2---\left(5\right)$

式5中：为离散冲击信号的能量，其大小和冲击信号的幅值A及衰减速度α有关。由式(5)可知，当滑动窗(为分析方便假设为矩形窗，窗长M)中仅含有噪声时，观测到的短时能量约为实际上，由于冲击信号历时较短，M不可能取得很大，但仍可认为该关系式近似成立。在n时刻，当滑动窗中包含高频冲击信号时，信号短时能量约为 

$S\left(n\right)\&ap;M{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&mu;}}^2+\underset{i=n-M-1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}X{\left(i\right)}^2---\left(6\right)$

和只含噪声的短时能量相比，增加的部分为冲击信号的瞬时能量。相对噪声而言，冲击信号在起始点的瞬时能量很大，因而用短时能量的方法可以有效提高局部信噪比。 

在实际信号的短时能量处理中，海明窗的窗长取值是本环节最关键的一点，下面为短时能量海明窗取值实验： 

如图3A所示，胜利某投棒井，井深2224m，当射孔枪起爆后几秒钟内，现场操作人员不慎将管钳掉落在采油树上并引起振动信号，出现噪声信号。  其中，图3B、3C、3D、3E是海明窗实际不同取值下信噪比的对比图。 

由图3B、3C、3D、3E可以得出，在短时能量的海明窗取值选择在30以下时，由于窗长过短，导致噪声信号经过处理后的幅值变大，使得特征信号与噪声信号的振幅都较大，信噪比较小；当窗长选择大于30时，由于窗长选择过长，导致特征信号与噪声信号相互叠加，无法区分开来。因此，本发明中的海明窗取值定位优选30。 

短时能量功能分析实例：如图4A和图4B为某次射孔枪起爆时的监测数据。通过两图对比得到，通过短时能量分析后的数据大大提高了信号之间的信噪比，使得起爆特征信号从与其频率相近的噪声信号中分离开来。 

随着射孔工艺的不断更新不断提高也出现了对部分复杂起爆器材情况下难以在地面上接收到起爆时引起的油管振动(如撞击起爆时棒体撞击起爆器后起爆器没有起爆，而这个撞击信号被判断为起爆信号；加压起爆时或带有开孔器起爆器中的销钉剪切的机械信号被误判断为射孔起爆；  带有封隔器作业时，由于封隔器的作用阻断了振动信号的传输通道，会导致射孔起爆时不被接收致使操作人员不做出判断)及当起爆器材未起爆导致不射孔时不能做出正确的起爆判断。我们提出了一种带有地震波监测射孔识别方法。其工作原理为使用二路振动传感器，第一路接于地面的采油树上采集油管波，第二路在距井口一定距离外将传感器插入地表接收地震波。当射孔起爆时会引起油管的振动并沿着油管传至地面，另一方面射流打 入地震引起地震的振动并传输至地面。所述地震波信号不进行滤波及短时能量分析，如果如步骤三中振动波的处理结果达到阈值后0.010秒-1秒内采集到地震波信号，则起爆成功。 

如上所述三种情况下振动只是在油管中进行，信号是沿油管传输到地面采油树进行接收。由于射孔弹未起爆没有产生射流打入地层，因此地震波传感器不能接收到这个振动信号。在判断时对油管波发出判断而不对地震波发出判断时，可认定为是上述三种情况。 

对带有封隔器或减震器起爆作业的情况下判断顺序正相反，由于封隔器及减震器对信号传输进行了阻断，射孔时只产生地震波振动，因此软件对油管波不作出判断而对地震波作出判断。 

需要注意的是地震波传感器距离井口应保持一定范围，距离过近时接收到的信号有可能是油管波的振动信号传至地面后引起地表层的振动，这个振动沿地表层水平传输至地震波传感器，距离过远则应地震波信号微弱而不能正确接收。据我们实际监测，地震波接收点距离井口20米-30米左右，距地面深度不大于1米为宜。 

实施例1 

井况信息：井深：3200米；射孔方式：投棒。 

操作过程：监测前要安装两个传感器，一个振动传感器吸附在采油树上；一个地震波传感器插入离井口20米远的地面中，此井深为3200米，第一路增益(振动传感器)可为默认值或大一级，第二路增益(地震波传感器)设置为2000，打开监测软件进入参数配置界面填写射孔井段、总弹数、起爆级数等，并选择压力或撞击起爆方式、测试联作、尾声弹、减震器、棒尖自毁等相关内容，再进入数据采集界面设置增益，开始采集点击“数据保存”对数据进行实时存储，射孔起爆时会自动判断并给出判断依据并打印。在监测过程中要保证振动传感器附近没有敲击震动，监测前要设置时间阈值一般投棒方式阈值时间默认为60秒，可以根据具体井深、井斜、井液来设置时间阈值。(时间阈值主要是屏蔽棒体起初下落时与管壁碰撞产生的振动信号，这种振动信号与射孔起爆信号相似会造成误判)。地震波监测也非常成功，从图5(图中振动信号1是采油树上的振动信号，振动信号2是离井口20米远的地面中地震波信号)的监测波形可以明显的看出地震波监测屏蔽了棒体碰撞管壁产生的振动信号和棒体撞击液面产生的振动信号，只监测到射孔起爆信号。 

实施例2 

井况信息：井深：1448米；起爆方式：加压。 

操作过程：监测前要安装两个传感器，一个振动传感器吸附在采油树上；一个地震波传感器插入离井口20米远的地面中，此井深为1400米，第一路增益(振动传感器)可为默认值 或大一级，第二路增益(地震波传感器)设置为1000，打开监测软件进入参数配置界面填写射孔井段、总弹数、起爆级数等，并选择压力或撞击起爆方式、测试联作、尾声弹、减震器、棒尖自毁等相关内容，再进入数据采集界面设置增益，开始采集点击“数据保存”对数据进行实时存储，射孔起爆时会自动判断并给出判断依据，最后进入数据同放界面对数据进行回放分析并打印。注意在监测过程中要保证震动传感器附近没有敲击振动，监测前要设置时间阈值一般加压方式阈值时间默认为10秒，地震波监测也非常成功，从图6(图中振动信号1是采油树上的振动信号，振动信号2是离井口30米远的地面中地震波信号)的监测波形可以明显的看出地震波监测屏蔽了泵车加压时的震动信号，只监测到射孔起爆信号。 

实施例3 

井况参数：井深：2923米；射孔方式：投棒；级数：两级起爆。 

监测过程中使用振动传感器和地震波传感器。对两级起爆均做出起爆判断。监测前须在参数配置界面将起爆级数设置成两级，监测时才会有两次射孔起爆判断。监测结果如图7(图中振动信号1是采油树上的振动信号，振动信号2是离井口25米远的地面中地震波信号)。 

多级起爆时，在判断第一次起爆后间隔3秒时自动进行第二次起爆的判断。 

从上述监测数据分析，对带有复杂起爆器材的射孔施工中，单一的依靠油管波的判断会因种种原因得不到真实的数据，如开孔器的开孔动作振动信号也同样传至地面时仍有可能被认为是射孔枪的起爆，但如果配合地震波进行同步监测则是判断射孔枪是否起爆的最佳方法。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (10)

1.一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，对射孔枪起爆时沿油管壁传输的振动波进行信号采集；

步骤二，对采集来的信号进行滤波处理；

步骤三，对滤波后的信号进行短时能量分析，并将分析结果与预设阈值进行对比，如果对比结果达到预设阈值，则起爆成功；否则继续步骤一至步骤三。

2.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述步骤三对比结果达到所述阈值后间隔1-4秒后重复步骤一至步骤三。

3.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述步骤一还包括对射孔弹起爆时冲击并挤压岩层产生的地震波进行信号采集，所述地震波信号不进行滤波及短时能量分析，如果如步骤三中振动波的处理结果达到阈值后0.010秒-1秒内采集到地震波信号，则起爆成功。

4.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述的滤波为80Hz-300Hz带通滤波。

5.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述步骤一的采样频率设为5000Hz，高截止频率设为300Hz，低截止频率设为80Hz。

6.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述短时能量分析结果为振动波瞬时斜率，所述阈值是20-40。

7.根据权利要求3所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述地震波的采集位置位于距井口20米-30米，距地面深度不大于1米。

8.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述步骤一对采集的信号还进行增益放大，放大倍数是50-200。

9.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所述短时能量分析的短时能量函数为

设信号序列为x(i)，i＝0，…，N-1，则短时能量函数S(n)定义为

$S\left(n\right)=\underset{i=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}^2\left(i\right)\mathrm{\&omega;}(n-i)=\underset{i=n-M+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}^2\left(i\right)\mathrm{\&omega;}(n-i)=x^2\left(n\right)\mathrm{\&omega;}\left(n\right)$

式中：w(n)为滑动窗函数，n＝0，…，M-1；S(n)代表了信号在时刻n的局部能量。

10.根据权利要求1所述的一种油气井射孔地面监测方法，其特征在于，所示短时能量分析中短时能量的海明窗取值是30。