（测试计量技术及仪器专业论文）测井数据的无损压缩方法研究.pdf

中文摘要 论文题目：测井数据的无损压缩方法研究 专业：测试计量技术及像器 硕士生：郭枫( 签名) l 塑 指导教师：汉泽西( 签名) 芝! i i 堑 摘要 随着测井技术的发展，尤其是组合测井、成像测井的出现，造成了测井数据的快速 膨胀。由于数据传输带宽的限制和实时的要求，不能够把这些数据实时而可靠的传到地 面这已经成为阻碍测井技术发展的大问题，迫切需要解决。应用无损数据压缩技术 减小数据传输量是最有效途径之一。 本文采用数据分析和特征提取的方法，对大量测井数据进行了深入特征分析，明确 指出，测井数据具有可压缩性。根据测井数据的特征，压缩测井数据的冗余，把压缩后 的数据实时传到地面后再解压缩。在这个过程中有两个问题需要解决：一方面，在保证 一定压缩率的前提下，要实现无损压缩；另方面，要进行实时压缩，就要解决好每次 压缩数据量与采样率的关系问题。 本文就如何对测井数据无损压缩提出了基于测井数据特征的帧压缩方法，该方法首 先对帧内测井数据进行单独压缩预处理( 第一步压缩) ，通过排序和差值处理，减少数据 的表示位数，再进行帧的重组。其次，本文对第一次压缩后的数据，采用算术编码的方 法整体上进行第二次压缩。论文描述了该方案的架构、设计的原则以及采用的主要技术。 最后，论文总结了完成的工作，并提出了方案中需要迸一步研究的问题。 关键词：测并数据无损压缩算法实时压缩 论文类型：应用研究 茎苎塑墨 s u b j e c t ： r e s e a r c ho fl o s s l e s sd a t ac o m p r r e s s i o nm e t h o da b o u tl o g g i n gd a t a s p e c i a l i t y ：m e a s u r i n ga n dt e s t i n g t e c h n o l o g i e sa n d i n s t r u m e n t s n a m e ：g u 。f e n g ( s i g n a t u r e ) g 量里匦 l s t r u c t o r ：h a r tz e x i ( s i g n a t u r e - ) 生匀三j 生l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl o g g i n gt e c h n o l o g y , p a r t i c u l a r l y t h ee m e r g e n c eo ft h e c o m b i n a t i o nl o g g i n ga n di m a g i n gl o g g i n g ，r e s u l t e dt h ei n f l a t i o no ft h el o g g i n gd a t af a s t l y b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fb a n d w i t ha n dr e q u i r e m e n to fp r o c e s s i n gd a t ai nr e a lt i m e ，t h e s e d a t ac a n tb et r a n s m i t t e dt ot h eg r o u n dd e p e n d a b l e l y , w h i c hh a v eb e c o m em a j o rp r o b l e m s w h i c he n c u m b e rt h ed e v e l o p m e n ta n dn e e dt ob es o l v e du r g e n t l y u s i n gl o s s l e s s d a t a c o m p r e s s i o nm e t h o dt o r e d u c et h eq u a n t i t yo fd e l i v e r e dd a t ai so n eo ft h em o s te f f e c t i v e a p p r o a c h e s i nt h i sp a p e r , w i t ht h em e t h o do ft h ed a t aa n a l y s i sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a ni n d e p t h c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i st o w a r dl a r g en u m b e r so fl o g g i n gd a t ah a sb e e nc a r r i e do n i ts h o w st h a t ， t h el o g g i n gd a t ai so fc o n d e n s a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el o g g i n gd a t a ，t h e r e d u n d a n c yi sc o m p r e s s e d ，t h e nt h ec o m p r e s s e dl o g g i n gd a t aw a ss p r e a dt ot h eg r o u n d i n r e a lt i m ea n da g a i nw a sd e c o m p r e s s e d t w op r o b l e m si nt h i sp r o c e s sn e e dt ob er e s o n e d o n t h eo t h e rh a n d ，w h i l et om a k ec e r t a i nt h ep r e m i s eo ft h ec e r t a i nc o m p r e s s i o nr a t e ，l o s s l e s s c o m p r e s s i o ns h o u l db ec a r r i e do u t ；0 nt h eo t h e rh a n d ，t oc a r r yo nc o m p r e s s i o ni nr e a lt i m e ， t h er e l a t i o np r o b l e mt h a tt h ec o m p r e s s i o nd a t aq u a n t i t ye v e r yt i m ea n dt h es a m p l i n gr a t em u s t b er e s o l v e dp r o p e r l y i nt h e p a p e ras c h e m ef o r c h a r a c t e r i s t i c b a s e dd a t af r a m ec o m p r e s s i o nf o rl o s s l e s s c o m p r e s s i o na b o u tl o g g i n gd a t ai sp r e s e n t e d ，w h i c hc a r r i e so nc o m p r e s s i o ns o l e l yi na d v a n c e t o w a r dl o g g i n gd a t ai nf l a m e ( t h ef i r s tc o m p r e s s i o n ) t h r o u g ha r r a y i n gt h ed a t ao r d e ra n d d i f f e r e n t i a lp r o c e s s i n g ，t h ed i g i t so fd a t aa r ec u td o w na n dt h e nt h ed a t af r a m e sa r er e f o r m e d s e c o n d l y ，w i t ht h em e t h o do fa r i t h m e t i cc o d i n g a b o v ec o m p r e s s e dd a t aa r ec o m p r e s s e d c o m p l e t e l ya g a i ni n t h i s p a p e r w ed e s c r i b e t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m ，t h ed e s i g n p r i n c i p l ea n dt h et e c h n o l o g yu s e d f i n a l l yt h et h e s i si ss u m m a r i z e da n df u t u r er e s e a r c hi sl i s t k e y w o r d s ：l o g g i n gd a t a ，l o s s l e s sd a t ac o m p r e s s i o n ，a l g o r i t h m s ，r e a l t i m ec o m p r e s s i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：黜 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：盘查垦 导师 日期：趔! ：! ：尘 签名：业同期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 随着新型井下仪器的不断涌现及多种井下仪器的组合应用，测井信息通道也不断增 加。测井时必须把这种不同的多道井下信息，可靠而适时地传到地面，由于测井信息传 输通道特性限制，解决好传输率的问题并非易事。测井信息传输系统的发展史清楚地说 明了这一点，从上世纪6 0 年代起测井仪器纷纷数字化了，但是那时的数字信息量较小， 所要求的传输速率一般都小于1 0 k b s ，进入8 0 年代，由于采用了较好的编码及传输方式， 传输率已达1 0 0 k b s ，9 0 年代以来，为了满足各种新型测井仪对数据传输的要求，各大 测井公司争相采用数字通信中的先进技术和新型元器件，使测井信息传输系统的信息传 输率超过5 0 0 k b s ，例如斯伦贝谢公司的m a x i s 一5 0 0 测井系统的信号传输率已达5 0 0 k b s ， 而现在的阵列感应测井、地震剖面测井等的数据传输率已超过2 0 m b s ，随着测井技术的 发展，将来肯定还会有突破。可以说解决提高传输率技术，将会是测井信号传输系统发 展的主要动力之一【l j 。 本课题对测井数据进行无损压缩正是基于这方面的考虑而研究的：如果井下采集到 的各种原始数据可按要求进行初步压缩处理，然后把各种数据上传至地面，这样一来， 经井下传输与处理后的数据量将比原始数据量小的多，就可以大大减轻对测井数据传输 的压力。举一个例子来说，按照井下测井仪和地面测井系统之间的传输要求，如果测井 数据能压缩5 0 ，那么对于采用时分多路复用传输的单芯电缆数据传输系统，测井仪器 就有可能传输两次数据，传输效率就可以提高两倍；假定井下测井仪器需要8 0 的传输 带宽通过井下电缆传输数据，在组合测井中只占用4 0 的带宽而留下一半供其它设备使 用。因此，测井数据的无损压缩研究无疑将对提高测井效率起很大的推动作用。 1 1 1 测井技术的发展对数据传输的新要求 测井技术的发展使我们得到越来越精确的地层信息，测井信息的数字化、可视化给 我们了解地层信息带来了极大的便利。组合测井、成像测井已成为当今测井技术发展的 潮流和趋势。在国际化日益发展的今天，测井技术同样要与国际接轨，滞后的技术必然 在激烈的竞争中被淘汰，这使得测井也达到更高的标准，比如：信息更全面、数据更精 确、效率更高等。然而，这些技术的应用同时对数据传输提出了更高的要求。例如仅仅 微电阻率扫描成像测井单测，每秒的数据量达到1 5 0 m 以上( 按最低的采样率计算) 1 2 ， 如果采样率提高两倍，加上井眼和仪器的状态信息数据，数据总量甚至更多，要把这些 数据可靠的传向地面，必然要求更高的传输率。归根结底，提高数据的传输率已经成为 测井技术发展的迫切要求。 1 1 2 传统测井数据传输的不足与采用数据压缩技术的优势 传统测井数据传输的不足之处主要是带宽的“窄”瓶颈【3 】【4 】。传统的测井数据传输系统 受到传输带宽的限制，影响传输率的提高，人们在不断寻求不同的途径来提高传输率， 如采用数字调制技术等使得数据传输率有了一定的提高，目前达到5 0 0 1 地s t 5 i ，即便如此， 西安石油大学硕士学位论文 随着组合测井、成像测井的发展，当前的测井数据传输技术仍然满足不了测井发展的需 要。 数据压缩技术从另外一个途径来提高数据传输效率。实际上，就传输系统而言，其 传输码率并没有改变，然而通过数据压缩，按照文献【4 】提供的资料，假如平均压缩比达 到2 ：1 的情况下，原来需要n 个时间单位才能传输完的数据，现在只需要原来一半的时 间就可以传输完毕。这等价于在没有进行压缩的情况下，传输率提高了一倍。 此外，在现实应用中数据压缩技术还具有诸多方面的优势： a 数据压缩的研究不受基带带宽的限制，可以单纯提高数据压缩率来提高传输效 率。换句话说，只要压缩技术效率越高，传输效率就越高，或者说压缩比越高，传输效 率越高： b 对比传统的测井数据传输，数据压缩效果更明显。以前人们千方百计地研究数字 调制技术等，目的是最大限度地利用有效的带宽，来提高数据传输率，然而其效果和技 术的复杂性却不成比例。而采用数据压缩技术后，只要有压缩，数据传输效率就能提高。 c 数据压缩容易实现。如果算法足够的简单，实现起来就更容易一些，即使一些较 复杂的算法，在现有高速处理器( 如d s p ) 的支持下，实现已成为可能。 1 1 3 针对测井数据压缩面临的几个问题 测井数据压缩方法的提出，给目前传输率要求较高的组合测井、成像测井的数据传 输提供了新的思路，同时它也面临着以下问题： a 至今为止，还没有统一的针对测井数据压缩的标准。数据压缩技术已经日益成熟， 但针对测井数据的压缩技术几乎没有。 b 测井技术的多样化给测井数据压缩研究带来复杂性，很难用一种压缩方法满足所 有测井数据的压缩要求。 c 测井数据压缩不同于一般情况的数据压缩，它要求满足：第一，必须实时地完成， 压缩的时间不能超过其数据采集时间，越快越好；第二，必须完整地保存所有的测井信 息无任何丢失，甚至包括数据中的噪声都应保存，即压缩后恢复数据与原始数据应完全 一样，无任何误差。因为原始测量信号数据是混有各种因素的测量信号，数据送到地面 要进行分析处理，除去各种干扰因素，以获得最终数据，任何一点有用信息的丢失都会 导致最终结果的错误；数据压缩方法必须适应第一、第二要求，算法要求简单，实时性 好，易于快速实现，同时必须具有压缩效率，压缩效率的一点提高都对整个测井数据传 输产生重要的影响。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 技术及其发展 目前在石油测井方面，测井数据压缩主要针对声像的数据压缩，例如超声测井图像、 声波测井数据、超声电视测井图像压缩等。这主要是因为以前测井方法单一，需要传输 的数据量较小，测井信息传输系统的信息传输率从几k 到上百k ，传输系统的发展基本 第一章绪论 上能满足传输率的要求。而当前的声像数据传输要求上兆的传输率，若按以前的数据传 输方法受到传输带宽的限制，根本满足不了传输率的要求。另外，以前对测井数据很少 进行压缩的原因，除了数据量小以外，还有就是以前大规模集成电路、大规模可编程逻 辑器件、以及高速数字信号处理器还没有得以广泛的发展和应用，用传统的电路设计使 得系统体积庞大，用于井下空间几乎是不可能的。 近年来，国内外许多石油公司在测井理论和方法研究不断深入并取得进展的基础上， 已经推出了井周声波、阵列声波、微电阻扫描、阵列中子、阵列感应等下井仪。通常这 些下井仪测量的地层信息多，而传统的电缆传输方式，由于传输道数少、传输的信息量 小和电缆传输信号产生衰耗和畸变及滤波作用等因素，不能将这些下井仪测量的地层信 息全部从井下传输到地面测井系统。为解决上述问题，当前采取的办法是将这些模拟量 测井信号在井下进行模数转换，转换为数字量。对于信息量较大的情况，井下仪器中还 需要应用d s p 技术和采用单片机，对这些测井信号进行预处理，剔除无用数据，提取有 用信息。最后将这些测井信号数字量或数字信息进行编码或压缩，并以正弦波调制的方 式将测井信号和信息传输到地面系统。 另外，为了提高测井的精度和效率，当前主要采取测量参数的数字化传输和井下仪 器的组合来实现。井下仪器的组合使得在同一时间、同一井深的多个物理参数f 如井温、 井压等) 可以同时得到。多只井下仪器的数据组合、统一编码及传输均由电缆通讯系统来 完成。随着大规模可编程逻辑器件( 如c p l d 、f p g a ) 和高速数字信号处理器的出现，如 果能在井下对原始数据通过很好的算法进行编码压缩输出，即对原始数据进行无损压缩， 将成为提高传输率，进而提高测井效率又一途径。 国内外无损数据压缩的研究已经有5 0 年的历史。已经研究出很多成熟的算法，如： 哈夫曼编码、字典编码( l z 算法) 、游程编码、算术编码、预测编码等旧【”。到目前为止 没有把这些算法应用于测井数据的主要原因，首先最重要的是这些算法针对的是地面设 备，在地面上要实现这些算法，利用高性能的计算机或专用处理器非常容易，而对于井 下非常有限的空间来说却受到很多因素的制约；其次是这些算法的发展不是基于测井数 据而发展的，反过来，也就是说，有的算法根本无法适用于测井数据。例如哈夫曼编码， 哈夫曼编码是根据信源中各种符号出现的概率进行编码，出现概率越高的符号，为其设 计的码字越短，出现概率越小的符号择其对应的码字越长，从而达到较少的平均码长。 而测井数据本身对于未知地层具有不确定性，要统计出信源中各种符号出现的概率，这 是不现实的。算术编码同样如此。预测编码具有一定的复杂性，用硬件实现起来也必然 会复杂，这和井下设备简单方便的要求是相违背的。因此必须从其它途径寻求适合于测 井数据的无损压缩算法。 国外研究测井数据的无损压缩，在1 9 9 2 年的法国格纳召开的欧洲石油会议上 g a r d n e r w r 曾经发表过一篇论文。它是把变长码技术应用于图像测井数据的压缩，根据 测井数据的类型不同，其压缩比从1 2 ：1 到2 2 ：1 8 】。还有就是对随钻测量数据的压缩，其 两安石油大学硕士学位论文 压缩比达到1 5 ：1 例，这些应用范围是有限的，其出发点和本文有很大不同之处。国内对 于测井数据无损压缩的研究也局限于不能满足传输率的声像数据压缩。本课题的完成将 为测井数据无损压缩提供另一种思路，进而推动测井效率的提高。 1 2 2 研究成果及其应用 本课题相关的一些研究成果与应用主要有以下几种： a 声波测井数据小波压缩方法把声波测井数据看成声波图像，利用二维小波 变换对其正交分解，在不同的子带下对小波系数施行不同的处理方法，然后对数据进行 复合编码p j 。 1 5 基于分块自适应预测的超声测井图像无损压缩它就是针对超声测井图 像数据量较大，且要求实时传输的问题，提出了一种基于分块自适应预测的无损压缩编 码方法，该方法首先对原图像分块；然后在每一子块内自适应选择预测方案，并进行 d p c m 编码；最后采用改进的i z w 算法对差值图像进行编码输出【4 】。 c 基于p l o t 算法的测井数据压缩主要是油井测井曲线数据压缩，简化测井 曲线的特征提取过程，低数据存储容量【1 0 】。它利用分段线性在线趋势化方法，来对油井 曲线数据进行压缩。 d 基于d c t 的超声电视测井图像压缩码主要是基于离散余弦变换( d c t ) 的 j p e g 图像压缩方法，将j p e g 标准算法用于超声电视测井图像的压缩“】。 1 2 - 3 技术标准 目前的数据压缩研究主要集中于图像和视频信号的压缩方面，其标准当然也是针对 这两方面的标准。当前主要有三种流行的数据压缩国际标准【l2 j ： a j p e g 一静止图像压缩标准国际标准化组织( ) 和国际电报电话咨询委员 会( c c i t t ) 联合成立的专家组j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 经过五年艰苦 细致地工作后，于1 9 9 1 年3 月提出了i s o c d l 0 9 1 8 号建议草案：多灰度静止图像的数字 压缩编码( 通常简称为j p e g 标准) 。这是+ 个适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止 数字图像的压缩标谁。它包括基于d p c m ( 差分脉冲编码调制) 、d c t ( 离散余弦变换) 和h u f f m a n 编码的有损压缩算法两个部分。前者不会产生失真，但压缩此很小；后一种 算法进行图像压缩是信息虽有损失但压缩比可以很大，例如压缩2 0 倍左右时，人眼基本 上看不出失真。j p e g 标准实际上有三个范畴： 1 ) 基本顺序过程( b a s e l i n es e q u e n t i a lp r o c e s s e s ) 实现有损图像压缩，重建图像质 量达到人眼难以观察出来的要求。采用的是8 8 像素自适应d c t 算法、量化及h u f f m a n 型的墒编码器。 2 ) 基于d c t 的扩展过程( e x t e n d e dd c tb a s e dp r o c e s s ) 使用累进工作方式，采用 自适应算术编码过程。 3 ) 无失真过程( l o s s l e s s s p r o c e s s ) 采用预测编码及h u f f m a n 编码( 或算术编码) ， 可保证重建图像数据与原始图像数据完全相同。 4 第一章绪论 其中的基本顺序过程是j p e g 最基本的压缩过程：符合j p e g 标准的硬软件编码解码 器都必须支持和实现这个过程。另两个过程是可选扩展，对一些特定的应用项目有很大 实用价值。 1 ) j p e g 算法：基本j p e g 算法操作可分成以下三个步骤：通过离散余弦变换( d c t ) 去除数据冗余：使用量化表对以d c t 系数进行量化，量化表是根据人类视觉系统和压缩 图像类型的特点进行优化的量化系数矩阵；对量化后的d c t 系数进行编码使其熵达到最 小，熵编码采用h u f f m a n 可变字长编码。 2 ) 离散余弦变换：j p e g 采用8 x 8 子块的二维离散余弦变换算法。在编码器的输入 端，把原始图像( 对彩色图像是每个颜色成分) 顺序地分割成一系列8 8 的子块。在8 x 8 图像块中，像素值一般变化较平缓，因此具有较低的空间频率。实施三维8 8 离散余弦 变换可以将图像块的能量集中在极少数儿个系数上，其它系数的值与这些系数相比，绝 对值要小得多。与f o u r i e r 变换类似，对于高度相关的图像数据进行这样变换的效果使能 量高度集中，便于后续的压缩处理。 3 ) 量化：为了达到压缩数据的目的，对d c t 系数需作量化处理。量化的作用是在 保持一定质量前提下，丢弃图像中对视觉效果影响不入的信息。量化是多对一映射，是 造成d c t 编码信息损失的根源。j p e g 标准中采用线性均匀量化器，量化过程为对6 4 个d c t 系数除以量化步长并四舍五入取整，量化步长由量化表决定。量化表元素因d c t 系数位置和彩色分量的不同而取不同值。量化表为8 8 矩阵，与d c t 变换系数一一对 应。量化表一般由用户规定j p e g 标准中给出了参考值) ，并作为编码器的一个输入。量 化表中元素为1 到2 5 5 之间的任意整数，其值规定了其所对应d c t 系数的量化步长。 d c t 变换系数除以量化表中对应位置的量化步长并合入小数部分后。多梦变为零，从而 达到了压缩的目的。 4 ) 游程编码：6 4 个变换数经量化后，左上角系数是直流分量( d c 系数) ，即空间 域中6 4 个图像采样值的均值。相邻8 x 8 块之间的d c 系数一般有很强的相关性，j p e g 标准对d c 系数采用d p c m 编码( 差分编码) 方法，即对相邻像素块之间的l 系数的差 值进行编码。其余6 3 个交流分量( a c 系数) 使用游程编码，从左上角开始沿对角线方 向，以z 字形( z i g z a g ) 进行扫描直至结束。量化后的a c 系数通常会有许多零值，以 z 字形路径进行游程编码有效地增加了连续出现的零值个数。 5 ) 熵编码：为了进一步压缩数据，对d c 码和a c 行程编码的码字再作基于统计特 性的熵编码。j p e g 标准建议使用的熵编码方法有h u f f m a n 编码和自适应二进制算术编 码。 b m p e g 一运动图像压缩编码m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 是 i s o i e c j t c s c 2 w g l l 的一个小组。它的工作兼顾了j p e g 标准和c c i t t 专家组的 h 2 6 1 标准，于1 9 9 0 年形成了一个标准草案。m p e g 标准分成两个阶段：第一个阶段 ( m p e g i ) 是针对传输速率为l m b s 到1 5 m b s 的普通电视质量的视频信号的压缩；第 西安石汕大学硕上学位论文 二个阶段( m p e g 一2 ) 目标则是对每秒3 0 帧的7 2 0 x 5 7 2 分辨率的视频信号进行压缩：在 扩展模式下，m p e g 一2 可以对分辨率达1 4 4 0 x 1 1 5 2 高清晰度电视( h d t v ) 的信号进行压 缩。 m p e g 算法除了对单幅图像进行编码外，还利用图像序列的相关特性去除帧间图像 冗余，大大提高了视频图像的压缩比，在保持较高的图像视觉效果的前提f 、压缩比可 以达到6 0 1 0 0 倍左右。m p e g 压缩算法复杂、计算量大，其实现一般要专门的硬件支 持。 m p e g 标准有三个组成部分：m p e g 视频；m p e g 音频：视频与音频的同步。m p e g 视频是m p e g 标准的核心。为满足高压缩比和随机访问两方面的要求，m p e g 采用预测 和插补两种帧间编码技术。m p e g 视频压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于1 6 x 1 6 子块的运动补偿技术，用来减少帧序列的时域冗余；另一种是基于d c t 的压缩，用于减 少帧序列的空域冗余，在帧内压缩及帧间预测中均使用了d c t 变换。运动补偿算法是当 前视频图像压缩技术中使用最普遍的方法之一。 1 ) 运动补偿预测：帧序列的相邻画面之间的运动部分具有连续性，即当前画面上的 图像可以看成是前面某时刻画面上图像的位移，位移的幅度值和方向在画面各处可以不 同。利用运动位移信息与前面某时刻的图像对当前画面图像进行预测的方法，称为前向 预测。反之，根据某时刻的图像与位移信息预测该时刻之前的图像，称为后向预测。 m p e g 的运动补偿预测方法将画面分成若干1 6 x 1 6 的子图像块( 称为补偿单元或宏块) ， 并根据一定的条件分别进行帧内预测、前向预测、后向预测及平均预测。 2 ) 运动补偿插值：以插补方法补偿运动信息是提高视频压缩比的最有效措施之一。 在时域中插补运动补偿是一种多分辨率压缩技术。例如以1 1 5 秒或1 1 0 秒时间间隔选取 参考子图，对时域较低分辨率子图进行编码，通过低分辨子图及反映运动趋势的附加校 正信息( 运动矢量) 进行插值，可得到满分辨率( 帧率1 3 0 秒) 的视频信号。插值运动 补偿也称为双向预测，因为它既利用了前面帧的信息又利用了后面帧的信息。 c h 2 6 1 一视频通信编码标准电视电话会议电视的建议标准h 2 6 1 常称为 p x 6 4 k 标准，其中p 是取值为1 到3 0 的可变参数；p = i 或2 时支持四分之一中间格式 ( q c i f ：q u a r t e rc m m o n i n t e r m e d i af o r m a t ) 的帧率较低的视频电话传输：p = 6 时支持通 用中间格式( c i f ：c o m m o n i n t e r m e d i a t e f o r m a t ) 的帧率较高的电视会议数据传输。p x 6 4 k 视频压缩算法也是一种混合编码方案，即基于d c t 的变换编码和带有运动预测差分脉冲 编码调制( i d p c m ) 的预测编码方法的混合。在低传输速率时( p = l 或2 ，即6 4b i t s 或 1 2 8 k b i t s ) ，除q c i f 外还可使用亚帧( s u b f l a m e ) 技术，即每间隔一帧( 或数帧) 处理 一一帧，压缩比可高达5 0 ：1 左右。 1 3 课题研究内容与本人所做的工作 本课题来源于西安石油大学科技创新基金项目井下数据采集压缩方法的研究，本 文是项目的井下数据压缩部分的研究，其研究的主要内容以及我所作的工作有以下几个 6 第一章绪论 方向： a 提出基于测井数据特征的数据压缩这部分内容主要是对目前测井数据传 输面临的问题进行分析以及无损数据压缩方案进行考察，了解其采用的相关技术以及优 缺点。首先研究测井数据的特征是非常必要的。本文是基于测井数据的无损压缩，通过 研究测井数据的特征找到测井数据的冗余。从特征中找出规律，为算法提供出发点。具 体地方法是通过分析测井数据，参考在石油测井中对测井数据、测井曲线解释，找出不 同测井方法、不同测井参数所测数据、曲线的规律，进而提取特征。为算法的实现提供 依据。 对于下面几个问题的回答构成了本论文的主要部分： 1 ) 测井数据压缩的意义； 2 ) 测井数据有没有可压缩性： 3 ) 测井数据具有的什么样的特征； 4 ) 测井数据压缩和其它压缩技术有什么不同； 5 ) 如何对测井数据进行压缩。 b 提出测井数据压缩的几个方案测井数据从采集到传输，实施压缩的环节 构成了压缩方案的依据，不同的压缩环节所实施的压缩方案是不同的。另外，不同的测 井数据类型也是实施压缩的重要依据。根据不同的测井数据类型可以采取各自单独压缩， 以达到压缩的较大效果：也可以结合测井数据的特点对传输的二进制数据进行统一压缩。 c 提出帧压缩方案这部分内容主要是在分析目前测井数据传输系统中的数 据帧以及相关传输方式后，结合测井数据的特征，对现行数据帧进行压缩压缩按照下面 几个原则进行： 1 ) 必需是无损压缩： 2 ) 必需保证实时压缩； 3 ) 压缩的是帧内测井数据； 4 ) 进行压缩前的预处理和充分利用已有的无损压缩技术； 5 ) 待压缩数据帧的大小满足给定原则。 该方案通过压缩前的预处理、二进制数据压缩以及利用已有无损压缩技术达到更大 的压缩效果。 1 4 论文组织 论文主要分为测井数据的特征和测井数据的压缩两部分，各章内容如下： 第二章测井技术概述，主要介绍了论文相关的一些测井技术，包括其基本的原理、 测井数据及其传输、测井数据的格式等，对测井数据的数据量较大的感应测井、成像测 井和组合测井做了重点的介绍。并对影响数据传输率的因素做了分析。 第三章测井数据分析，首先分析了测井数据的压缩的前提条件以及测井数据的可压 西安= r i 油大学硕士学位论文 缩性，对测井数据进行了分类，重点分析了与本文有关的测井数据的特征。 第四章基于测并数据特征的压缩方法研究，首先说明了测井数据压缩面临的问题， 介绍与本文有关的重要的无损压缩技术，并提出了几个测井数据压缩方案。 第五章详细说明了帧压缩方案，介绍了其算法的架构，提出压缩前的预处理的重要 方法，讨论了为什么采取帧压缩的几个问题，最后给出了算法和结果。 第六章结论，对论文进行了总结，并提出进一步要做的工作。 第二章测井技术概述 第二章测井技术概述 2 1 测井原理与测井数据采集 测井技术发展到今天，已经发生了很大的变化：一是由模拟测井技术发展到了数字 测井技术；二是由数字测井技术发展到了数控测井技术。进入上世纪9 0 年代，成像测井 技术获得了较大的发展，测井系统中需要传送的数据信息量越来越大，为此必须解决数 据的实时接收和高速传输两个问题，如相关编码技术、缆芯多路复用技术、基带均衡技 术等用以提高数据传输速率和降低误码率。然而这些技术在不断发展过程中，所面l 临的 发展空间也越来越小，我们必须通过寻求更多途径来提高诸如测井数据的实时采集与传 输速率。本章我们将通过研究几种测井的基本原理，以及测井数据的采集、处理、传输 等问题，论证通过测井数据井下实时无损压缩这一途径来提高测井数据高传输率的可行 性。 虽然测井方法不断更新换代，但对于测井系统的组成来讲，其基本组成大致一样， 不同之处在于不同的测量方法、以及相应应用的不同的探测器或传感器，甚至一些特殊 的处理器，如图2 1 所示【l 。我们最终必须通过了解测井系统，明确应该在什么环节、 应用什么样的数据压缩技术，才能实现提高数据的传输率的目的。 图2 - 1 测井数据传输系统框图 然而各种测井方法千差万别，对于不同的测井方法还要弄清楚其测量的原理和所测得物 理量的特征，这对本文所研究对象是否有意义至关重要，因为对于不同的测井方法，要 实施数据压缩的对象是不一样的，每一种物理量对象( 数据) 都有其不同的特征。而且 对象不同，进行实时压缩的环节也可能不同。如果我们抛开这些空谈数据压缩，将失去 其实际意义。所以下面将着力讨论与本文有关的测井方法的原理、测量对象的特征等问 9 西安石油大学硕士学位沧文 题。 2 1 1 电阻率测井测量原理 不同的岩石和矿物的导电能力不同，尤其是地层中所含流体性质不同时，导电性能 差别很大。电阻率测井正是利用这一特点来区分钻井剖面上的岩层性质和油、气、水层 的。 普通电阻率测井是将一个三电极系 1 4 1 1 15 1 ( a m n 电极系1 下放井中，然后上提电极系 对井剖面进行测量。如图2 2 所示，在测量过程中，由供电电极a 不断向地层供电。假 定不考虑井眼影响，地层又是一个各向均匀的同性介质，其电阻率为p 。 图2 - 2 普通电阻率测井a m n 电极系 根据点电极的电位公式，则测量电极m 点的电位是： u ”= 等志 测量电极n 点的电位为： u 。= 石p i 丽1 因而有 a u m n = u 。- u n = 是丽1 一去) = 石丽m n 萧4 令k ：4 堡a m a 巫n m n 代入上式可得 卢= k 掣 ( 2 - 1 ) 第二章测井技术概述 式中i 为从a 电极流出的电流强度，k 为极系系数，单位m 。 由于实际地层是非均匀的各向异性介质，加上井眼的影响，由普通电阻率测井所测 得电阻率只能近似反映地层的真电阻率，称为视电阻率： 旷k 半( 2 _ 2 ) 按照公式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) ，可以看出，在供电电流的电流强度i 一定的情况下，可测 量m 、n 两点的电位差& u u n ，地层电阻率随着u m n 的增大而增大，减小而减小。根据 各种岩石的电阻率的不同，就可以识别岩石性质，反映在地质地层上，岩石电阻率主要 与有效孔隙度、地层水矿化度以及孔隙中原油含量有关【1 4 1 。表2 - 1 为主要页岩、矿物的 电阻率范围。 表2 - 1 主要页岩、矿物的电阻率范围f 1 4 】 岩石、矿物名称电阻率( o m )岩石、矿物名称 电阻率( o m ) 石油 1 0 9 1 0 1 6 琉松砂岩r5 0 致密砂岩 2 旷1 0 0 0 含油气的砂岩 2 。1 0 0 0 页岩 1 旷1 0 0 泥质页岩 5 1 0 0 0 石灰岩 6 0 旷6 0 0 0 贝壳石灰岩 2 旷2 0 0 泥灰岩 5 5 0 0 白云石 5 旷6 0 0 0 玄武岩 6 0 0 - 1 0 5 兹岗岩 6 0 0 - 1 0 5 硬石膏 1 0 “1 0 6 无水石膏 1 0 9 无烟煤 1 0 4 1 烟煤 1 0 - 1 0 4 石英 1 0 k1 0 1 4白云母4 x 1 0 “ 长杠 4 1 0 l j 方解石 5 1 0 3 5 1 0 1 2 石墨l o 3 l o r 4磁铁矿 1 0 + 4 6 l f f 3 黄铁矿 1 0 _ 4黄铜矿 1 0 。3 p 另外，上面的普通电阻率测井，由于受到井眼和邻层的影响，当钡量薄层、低电阻 率地层以及侵入较严重的地层时，精度会受到影响。电流聚焦测井则可弥补以上缺陷。 电流聚焦测井是采用电屏蔽方法，聚焦电极系在中央的主测量电极两侧加上两个聚 焦电极，使主电流聚焦后在垂直于仪器轴线方向流动，因而大大减少了井眼和围岩的影 响，电流聚焦测井的电流线沿电极轴线的侧向流入地层，故又叫侧向测井。按构成电极 数目分有三侧向、七侧向、八侧向和九侧向( 即双侧向) ，其基本原理都是相同的1 1 4 j 【”j 。 两安石油大学硕士学何论文 2 1 2 感应测井 a 传统感应测井感应测井是一种重要的电测井方法。感应测井的模型1 4 1 如图 2 3 所示。 图2 - 3 感应测井的模型 相隔一定间距的发射线圈和接收线圈放置于井内，若发射线圈通以稳定的交变电流， 那么交变电流在井眼周围将产生交变的电磁场( 称为一次电磁场) ，同时，交变电磁场在 导电地层中感应出环行涡流，该涡流又产生的二次交变电磁场将在接收线圈中产生感生 电动势，由于涡流的大小是地层电导率的函数，所以它在接收线圈感应的电动势也是周 围地层电导率的函数。通过一定的信号处理，将测量电压转换为地层电导率，这就是感 应测井的基本原理【l 。 图中，t 和r 分别为发射线圈和接收线圈，l 是发射线圈和接收线圈之间的间距。 接收线圈产生感应电动势【1 4 j 为： 矿：i c ”l d r a ，r n r a r ，n ，r ( 1 一i k x f 孑a2 + l 2 ) p 甲他廊) ( 2 - 3 ) 2 ，r ( a2 + l 。、“ 1。 式中，“为磁导率( h m ) ；0 9 为电流变化的角频率；i t 是电流强度；n 1 和n r 分别 为发射线圈、接收线圈的匝数；a t 和a r 分别为发射线圈、接收线圈面积。上式中，由 于a l ，所以上式可简化为： ( 2 4 ) 由公式( 2 4 ) ，在感应测井中，直接测量的信号是电压信号，即感生电动势。为了方 便，常定义一个测量电导率来表示测量信号。由于实际地层是非均匀地层，测量电导率 不等于地层的真实电导率，在以前的研究中别称为视电导率，称真实电导率为真电导率。 第二章测井技术概述 视电导率为复数形式，其实部和虚部【”1 分别为： = 壶秒l 否l 一扣 陋s ， 6 “2 面五歹1 。l “+ i 弦否一i 。5 否j f 仁。 = 嘉l 两ll l l - ( 1 + 吾) s i n 伽钏 倍6 ， 盯2 五矛1 8 。否一否5 否j 2 。6 厂丁 其中万= f 二二。 va y z f 7 由公式( 2 - 5 ) ，( 2 _ 6 ) ，视电导率( 测量信号) 包括实部和虚部两部分。在现代感应 测井中，由于当s 较大，即d 较小时，s a x 比较大，所以也把虚部作为有用信号来测量。 感应测井的双线圈系仅有理论意义，因为它的纵向探测特性和径向探测特性不理想， 而且直耦信号太强，使仪器无法测量出比直耦信号弱几十倍到几千倍的地层信号。实际 用的线圈系是以双线圈系为基础的多线圈系阵列。 阵列感应测井采用基本的三线圈系子阵列，在双线圈系之间增加一个屏蔽线圈。屏 蔽线圈可以屏蔽直耦分量和增加高分辨率信息。完整的阵列感应测井有多个三线圈系子 阵列组成。 三线圈系子阵列结构【1 4 】【1 5 1 如图2 _ 4 所示： 上 观测点 p ( p ，z ) 图2 - 4 感应测井三线圈系子阵列结构 在双线圈系基础上增加了接收线圈b 来屏蔽直耦分量，它与第一个接收线圈串联， 线圈缠绕方向相反。两接收线圈中，第一个接收线圈称为主接收线圈，第二个接收线圈 称为屏蔽线圈。 感应测井直接测量得到的不是电导率信号，而是很小的电压信号 1 4 1 。例如，在 0 0 0 1 一l o s m 电导率范围，深感应信号为1 6 1 0 7 1 o 1 0 。v 。如此小的测量信号必须首 珏安石油大学硕十学位论文 先将其放人，然后才能转换为实际的视电导率信号。 b 阵列感应测井以1 9 9 6 年a t l a s 测井公司推出的高分辨率感应测井仪器h d i l 为例。它是种全数字化、全谱感应测井仪器，线圈系结构【l 卅如图2 5 所示，其线圈系 阵列由七个单侧布置的三线圈系子阵列组成：主接收线圈间距从0 1 5 m 到2 ，3 9 m ，按对 数间隔布置：所有子阵列同时接收包含8 个频率的时间序列波形，波形数字化后传到地 面，地面用快速傅立叶变换将波形分解为实部和虚部信号，总共1 1 2 个信号；现场提供 6 种探测深度曲线、三组分辨率益线；具有井斜校正；井下接收波形