CN105545292A - 一种泥浆液连续波信号的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泥浆液连续波信号的处理方法，采用小波变换将信号分解成一系列小波函数的叠加，在低频部分具有较高的频率分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率。这种特性对信号有自适应性，可以反应信号的细节。随钻测量信号在传输过程中，易受到各种噪声的影响。

Description

一种泥浆液连续波信号的处理方法

技术领域

本发明涉及一种泥浆液连续波信号的处理方法，属于石油随钻测量或随钻测井的技术领域。

背景技术

近年来，随钻测井(LWD)技术不断发展，通过实时传输井下测量数据，不仅能够及时指导钻井的钻进过程，还能够提高钻探效率、节约成本，对石油行业的发展至关重要。国外随钻测井技术已经逐渐成熟，技术角度来说，可以完全代替电缆测井技术。可是国际随钻市场份额和技术被斯伦贝谢、贝克休斯等几大公司绝对垄断。国内购买技术服务，投资巨大。

井下信号传输技术是随钻测井中的关键技术之一。目前，泥浆压力波信号传输系统是被验证的最为成熟可靠的随钻测井无线传输方式。井下测井仪器测量各种参数记录数据，经过信号发生器的调制，通过改变钻柱内的钻井液压力来向地面传输数据，信号在钻柱内以压力波的形式传播；地面的压力传感器记录钻柱内的钻井液压力来采集井下随钻测量数据。

实践证明，钻井液压力波信号传输方式是从井下无线传输数据最实用、最可靠的方法，但存在的一极其突出的问题，微弱信号极易受到噪声干扰。井下测量设备采集的LWD/MWD数据，经泥浆压力信号传输到地面时强度被极大削弱，这是由于泥浆信道的固有特性决定的。钻柱内的泥浆信道复杂多变，会产生许多噪声干扰，噪声最主要的来源是地面接收器附近泥浆泵的噪声，还包含泥浆马达噪声、钻头震动、钻柱屈曲等干扰。这些因素不可避免的造成地面接收的信号发生失真，并且包含大量噪声，甚至信号完全淹没在噪声中，处理难度大大增加；同时也降低了数据的质量和实时性，对指导钻井的顺利进行影响很大，尤其是在一些超深井钻探过程中，钻探失误意味着巨大的经济损失。

目前，对随钻测井信号的传输主要采用正/负脉冲方式(0.5-3bits)，相对与连续波传输方式(大于12bits)来说，传输速率较低，通过改善传输方式可以提高信号传输强度，增加钻井深度。对采集的复杂钻井信号的分析处理是至关重要的，有效的信号降噪和基线矫正算法，可以提高信号的处理质量和识别率，提高信号传输效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种泥浆液连续波信号的处理方法。本发明提供的信号处理算法，针对不同频率的连续波信号进行自适应处理，保证不同阶段测井的稳定可靠。

泥浆液连续波传输系统的噪声，主要是地面压力传感器附近泥浆泵运行时产生的噪声。U.S.Pat.No.5146433中详尽描述了泥浆泵噪声的产生和特性。泥浆泵通过活塞的往复运动来产生泥浆液流，三个活塞产生120度的相位差，来保证泥浆液压力的平稳。同时产生多个谐波噪声(约2Hz、4Hz、6Hz、8Hz、…)，使噪声频谱变宽。

噪声还包括泥浆马达、钻头震动、井下动力钻具失速、钻柱屈曲等引起的压力波动，随机性较大，相对幅度较强，频率较低。噪声频谱表现为限带高斯白噪声。与信号低频载波频率相近，会有一定的噪声进入信号的频带，造成信号的信噪比较低。图2是泥浆泵系统的噪声频谱图。泵噪声是始终存在的，没有井下信号时信道输出端就会输出这种加性噪声，是接收错误的主要因素之一。

本发明的技术方案如下：

一种泥浆液连续波信号的处理方法，包括步骤如下：

1)建立钻井液压力波信号模型：

S(t)＝λf(t)+Σp(t)+ρn(t)

其中：λ是连续波信号的传输衰减函数；f(t)是初始井下编码的连续波信号；p(t)是地面泥浆泵的周期性泵冲噪声；n(t)是低强度高斯白噪声；

2)对连续波信号进行小波阈值降噪和基线矫正处理：

$\left(W_{\mathrm{\ψ}}f\right)(a,b)={\left|a\right|}^{-\frac{1}{2}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}f\left(t\right)\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\left(\frac{1-b}{a}\right)dt$

通过尺度a的膨胀和位置参数b的移动，利用小波的带通特性，将信号分解到各个频带上去，同时保留各分量的时间信息；

所述小波阈值降噪和基线矫正处理包括步骤如下：

(1)泥浆液连续波信号的小波分解；选择sym2小波并对含噪声信号S进行N层小波分解，N满足条件N≥log₂f_s的最小正整数，f_s是泥浆连续波信号的采样频率；

(2)对小波分解各层细节进行阈值量化处理：

对分解1-N层小波系数选用固定阈值原则进行处理，保留真实信号中的相位改变等调制信息；

(3)重构泥浆连续波信号：

根据小波分解的第N层近似部分小波系数和各层高频系数进行一维小波重构。

本发明的优势在于：

本发明所述一种泥浆液连续波信号的处理方法的优点在于，傅里叶变换不适用于信号与噪声频带相互重叠的领域，尤其是在低频基带信号传输时,而小波变换将信号分解成一系列小波函数的叠加，在低频部分具有较高的频率分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率。这种特性对信号有自适应性，可以反应信号的细节。

随钻测量信号在传输过程中，易受到各种噪声的影响。地表泥浆泵噪声是主要来源，泵噪声为多频，且基波频率与有用信号的基频很接近甚至混叠，频率和幅度输出基本稳定，噪声频谱图见图2。钻柱内泥浆信道信噪比较小，噪声幅度可能会远大于有用信号强度，以致淹没在噪声之中。其它包括泥浆马达、扭矩噪声螺杆噪声等，几乎占据除泵冲噪声外的整个频段。本发明采用软件滤波的方法进行降噪处理，软件滤波可以突破硬件滤波的限制，在滤波方式选择、参数设置、适用范围等方面具有天然的优势。

附图说明

图1为本发明所述方法中，所述传输频率与压力关系图；

图2为本发明中泥浆泵噪声信号的频谱图；

图3a-图3f为本发明调相方式高频连续压力波信号的波形仿真图：

图3a为调相方式原始信号波形；

图3b为噪声模型；

图3c调相方式含噪声信号波形；

图3d调相方式含噪声信号频谱图；

图3e调相方式小波分析前后各层成分；

图3f调相方式小波分析重构信号波形；

图4a-图4f为本发明调频方式高频连续压力波信号的波形仿真图：

图4a为调频方式原始信号波形；

图4b为噪声模型；

图4c调频方式含噪声信号波形；

图4d调频方式含噪声信号频谱图；

图4e调频方式小波分析前后各层成分；

图4f调频方式小波分析重构信号波形；

图5a-图5f为本发明低频基带信号方式的波形仿真图；

图5a低频基带信号原始波形图；

图5b低频基带信号噪声图；

图5c低频基带信号加噪声图；

图5d低频基带信号频谱图；

图5e低频基带信号小波分析前后分解各层成分；

图5f低频基带信号小波分析重构波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明，但不仅限于此。

传统连续脉冲传输频率为0.1-1.5Hz，起初发展到连续正弦波时载波频率能达到6-12Hz，现在通过优化信号发生器的结构设计，载波频率能够达到20-50Hz，甚至更高。这就为我们的传输方式提供了很多可以选择的方式。

如图3-5所示，泥浆液连续波信号传输特性为基础，设计的随钻测井信号连续波传输系统的调制波形。

(1)非线性调制(二进调相方式)。本例实验用高频载波频率选定为48Hz，每4个周期波形代表一位数据，采用调相方式进行信号传播。调制信号波形如图3a所示，相位发生变化时代表“1”，可以看到有一周期波形发生变化，相对与电信号的调制，泥浆液信号相位改变通过加/减速方式，产生的信号宽度较大，见图3a框内标注。

(2)非线性调制(二进调频方式)。本例实验用高频载波频率选定为48Hz，每4个周期波形代表一位数据‘0’；低频载波为24Hz，相同时宽两个周期波形代表数据位‘1’。调制信号波形如图4a所示。

(3)低频基带信号传输。如图5a所示，本例每个周期都代表一位数据，实验用一周期为T₁＝1/12表示数据位‘0’，一周期为T₂＝1/6表示数据位‘1’。分析频谱图可知，实例信号频谱与噪声信号产生重叠，信号处理与调频调相方式有所不同。

实施例、

一种泥浆液连续波信号的处理方法，包括步骤如下：

1)建立钻井液压力波信号模型：

根据泥浆液连续波传输系统的噪声分析，本发明采用连续波信号与规则的钻井液泵噪声、高斯白噪声相统一的复合信号模型来构造钻井液压力波信号模型：

S(t)＝λf(t)+Σp(t)+ρn(t)

其中：λ是连续波信号的传输衰减函数，属于乘性干扰，反应信道的特性，造成时间延迟、衰减等；f(t)是初始井下编码的连续波信号；p(t)是地面泥浆泵的周期性泵冲噪声，包含多个谐波；n(t)是低强度高斯白噪声，分布在泥浆泵噪声频带以外的范围；

高频传输时噪声波形为图3b、4b所示，低频时为图5b。添加噪声后的连续波仿真信号分别见图3c、4c、5c，三种传输方式在噪声作用下的信号波形。

2)对连续波信号进行小波阈值降噪和基线矫正处理：

$\left(W_{\mathrm{\ψ}}f\right)(a,b)={\left|a\right|}^{-\frac{1}{2}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}f\left(t\right)\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\left(\frac{1-b}{a}\right)dt$

小波变换具有时间和频率局部化能力，通过尺度a的膨胀和位置参数b的移动，利用小波的带通特性，将信号分解到各个频带上去，同时保留各分量的时间信息；

本文采用以小波变换为理论基础的小波消噪方法,在改善信噪比的同时,又保持了相当高的时间分辨率，准确对泥浆脉冲信号进行提取，有效复原泥浆脉冲信号。同时,该方法对待检测信号形式不敏感，因而比匹配滤波器更加优越。理论分析和实验表明该方法特别适合于弱信号的检测和定位；所述小波阈值降噪和基线矫正处理包括步骤如下：

(1)泥浆液连续波信号的小波分解；选择sym2小波并对含噪声信号S进行N层小波分解，N满足条件N≥log₂f_s的最小正整数，f_s是泥浆连续波信号的采样频率；图3e、4(e)选择N＝7，优点在于，能将低频的基线漂移分解出来，以便后期去除。图5e当N＝4时，就可以分解出信号；

(2)对小波分解各层细节进行阈值量化处理：

对分解1-N层小波系数选用固定阈值原则进行处理，保留真实信号中的相位改变等调制信息；

泥浆连续波信号的信噪比一般较小，按无偏似然估计原则处理的信号噪声较大，选用固定阈值原则，保留真实信号中的尖峰，去噪更彻底；

对图3e、4e，D4、D5层包含信号的主要信息，全部保留；D1-3主要反映高频的白噪声可以滤除；D6-7为低频泵噪声可以设置阈值将低频小波系数致0，来矫正基线漂移。对图5e低频信号与噪声有一定程度的重叠，将1-4层细节部分滤除，第4层近似部分即能反应原始信号，可见小波分析对混叠噪声处理优势明显；

(3)重构泥浆连续波信号：

根据小波分解的第N层近似部分小波系数和各层高频系数进行一维小波重构。

图3f、4f、5f给出了上述调制方式小波降噪后的波形，可以准确反映出原始信号的特性；小波降噪算法在泥浆液连续波信号处理方面，能够提高信号的处理效率。得到的滤波信号后期可通过波形整形等处理，来进一步提高信号识别准确度。

Claims (1)

1.一种泥浆液连续波信号的处理方法，其特征在于，所述处理方法包括步骤如下：

1)建立钻井液压力波信号模型：

S(t)＝λf(t)+Σp(t)+ρn(t)

其中：λ是连续波信号的传输衰减函数；f(t)是初始井下编码的连续波信号；p(t)是地面泥浆泵的周期性泵冲噪声；n(t)是低强度高斯白噪声；

2)对连续波信号进行小波阈值降噪和基线矫正处理：

$\left(W_{\mathrm{\ψ}}f\right)(a,b)=\left|a{|}^{-\frac{1}{2}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}f\right(t\left)\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}\right(\frac{1-b}{a})dt$

通过尺度a的膨胀和位置参数b的移动，利用小波的带通特性，将信号分解到各个频带上去，同时保留各分量的时间信息；

所述小波阈值降噪和基线矫正处理包括步骤如下：

(1)泥浆液连续波信号的小波分解；选择sym2小波并对含噪声信号S进行N层小波分解，N满足条件N≥log₂f_s的最小正整数，f_s是泥浆连续波信号的采样频率；

(2)对小波分解各层细节进行阈值量化处理：

对分解1-N层小波系数选用固定阈值原则进行处理，保留真实信号中的相位改变等调制信息；

(3)重构泥浆连续波信号：

根据小波分解的第N层近似部分小波系数和各层高频系数进行一维小波重构。