基于小波包最优处理算法的近钻头电阻率随钻测量装置.docx

基于小波包最优处理算法的近钻头电阻率随钻测量装置贾 衡 天 ， 盛 利 民 ， 窦 修 荣 ， 邓乐（ 中 国石油集团钻井工程研究院 ， 北 京 100083 ）摘要 ： 岩 石 的 电 阻 率 与 岩 性 、 储 油 物 性 和 含 油 性 有 着 密 切 的 关 系 。 基 于 小 波 包 最 优 处 理 算 法 的近 钻 头 电 阻 率 随 钻 测 量 装 置 ， 由 于 采 用 随 钻 的 测 量 方 式 ， 能 实 时 在 第 一 时 间 测 量 到 地 层 电 阻 率 信 息 。并 且 通 过 小 波 包 最 优 小 波 树 信 号 提 取 等 算 法 ， 可 用 来 对 侧 向 电 阻 率 、 钻 头 电 阻 率 以 及 方 位 电 阻 率 进 行 高 精 度 测 量 。关 键 词 ： 小 波 包 最 优 处 理 算 法 ； 近 钻 头 电 阻 率 随 钻 测 量 ； 地 层 电 阻 率 ； 油 气 水 层中 图 分 类 号 ： tp274文 献 标 识 码 ： b文 章 编 号 ： 1674 - 7720 （ 2012 ） 09 - 0085 - 03resistivity mwd nearby dill device based on wp algorithmjia hengtian ， sheng limin ， dou xiurong ， deng le（ cnpc drilling reserch institute ， beijing 100083 ， china ）abstract ： rock resistivity has a close relationship with lithology， oil and oil -bearing material. based on algorithm of waveletpacket the device of resistivity measurement nearby dill can measure resistivity of stratum at first time because of the method of measurement while drilling.it can precisily measure resistivity of stratum by the algorithm of wavelet packet and the best wavelet tree of extract signal.key words ： best process of algorithm of wp； resistivity mwd nearby dill； resistivity of stratum； layer of oil gas and water在 地 质 导 向 钻 井 中 ， 近 钻 头 电 阻 率 的 测 量 装 置 ， 能够 测 量 出 反 映 地 层 的 电 阻 率 与 岩 性 参 数 的 信 号 信 息 ， 因 此 其 对 于 地 址 导 向 钻 井 的 意 义 重 大 。 传 统 测 井 方 法 测 量 电 阻 率 时 ， 需 要 将 线 缆 测 量 工 具 放 到 井 底 ， 在 上 提 的 工 程 中 进 行 测 量 。 但 这 种 方 法 是 在 起 钻 后 进 行 测 量 的 ， 此接 收 线 圈 、 远 接 收 线 圈 与 发 射 线 圈 的 结 构 类 似 ， 近 接 收线 圈 与 远 接 收 线 圈 用 来 测 量 侧 向 电 阻 率 和 近 钻 头 电 阻率 。3 个 接 收 电 极 安 装 于 扶 正 器 的 侧 肋 ， 并 且 位 于 一 条直 线 上 。 电 极 接 触 井 壁 ， 但 仅 占 整 个 井 眼 圆 周 的 一 小 部分 ， 因 此 可 以 用 来 测 量 方 位 电 阻 率 。 由 于 垂 直 安 装 于 一时 井 眼 周 围 的 地 层 已 经 钻 开 几 个 小 时 甚 至 更 长 时 间 。由条 直 线 上 ，所 以 能 够 提 供 具 有 垂 直 分 辨 率 的 电 阻 率 测量 。 对 于 远 接 收 线 圈 而 言 ， 其 相 当 于 电 流 互 感 器 ， 钻 铤 和钻 铤 周 边 的 地 层 形 成 互 感 器 的 初 级 磁 芯 ， 而 远 接 收 线 圈 的 环 形 磁 芯 上 所 绕 制 的 线 圈 形 成 电 流 互 感 器 的 次 级 ， 次级 的 两 根 导 线 接 入 电 流 检 测 电 路 测 量 感 应 出 的 电 流 信号 ， 由 于 被 测 电 流 为 经 过 远 发 射 线 圈 到 近 钻 头 地 层 的 电 流 ， 因 此 测 量 的 是 远 接 收 线 圈 和 钻 头 之 间 的 地 层 的 电阻 率 。 近 接 收 线 圈 和 远 接 收 线 圈 的 结 构 和 测 量 方 式 一于 钻 井 液 的 侵 入 ， 使 得 井 眼 周 围 的 地 层 的 电 阻 率 发 生 了 变化 ， 这 样 由 于 低 电 阻 率 钻 井 液 的 影 响 ， 会 使 测 井 结 果 解 释 的 时 候 ， 漏 掉 某 储 层 ， 这 在 钻 井 遇 到 薄 储 层 时 更 加 容 易 发生 。 本 文 介 绍 的 装 置 是 一 种 基 于 小 波 包 最 优 处 理 算 法 的 近钻 头 电 阻 率 随 钻 测 量 装 置 ， 其 能 够 准 确 可 靠 地 测 量 出 侧 向 电 阻 率 、近 钻 头 电 阻 率 以 及 方 位 电 阻 率 等 多 个 地 层 参 数 。测量系统测量原理 基 于 小 波 包 最 优 处 理 算 法 的 近 钻 头 电 阻 率 随 钻 测1致 ，但 其 测 量 的 是 近 接 收 线 圈 感 应 的 电 流 与 远 接 收 线圈 感 应 的 电 流 差 ， 用 来 衡 量 近 接 收 线 圈 的 远 接 收 线 圈量 装 置 的 结 构 图 如 图 1 所 示 ，在 钻 铤 上 装 有 发 射 线 圈 、间 的 地 层 电 阻 率 。由 于 近 接 收 线 圈 和 远 接 收 线 圈 检 测近 接 收 线 圈 和 远 接 收 线 圈 以 及 3 个 接 收 电 极 。 发 射 线 圈由 环 形 带 磁 芯 的 线 圈 构 成 ， 其 使 用 环 形 磁 芯 ， 并 在 磁 芯垂 直 于 钻 铤 的 电 流 线 ， 因 此 具 有 很 好 的 侧 向 电 阻 率 测量 效 果 。上 绕 制 线 圈 ， 并 使 用 绝 缘 材 料 封 装 后 安 装 在 钻 艇 上 。 微 型 机 与 应 用 2012 年 第 31 卷 第 9 期近欢 迎 网 上 投 稿 www . pcachina . com85应用奇葩example of application波 包 最 优 信 号 提 取 处 理 ， 最 大 程 度 地 消 除 噪 声 影 响 ， 提取 出 真 实 信 号 的 特 征 信 息 。 接 收 电 极 测 量 系 统 的 工 作 原 理 与 远 近 接 收 测 量 系 统 类 似 ， 测 量 的 是 3 个 接 收 电 极 的 电 阻 率 信 息 。3 个 接 收 电 极 是 感 应 电 流 从 地 层 进 入 钻 铤 的 通 道 ，测 量 到 的 电 流 值 是 该 电 极 所 面 对 的 地 层 的 区 域 的 方 位电 阻 率 。由 于 3 个 电 极 垂 直 分 布 在 一 条 直 线 上 ， 因 此 可基于小波包的随钻近钻头电阻率信号处理算法 传 统 的 近 钻 头 电 阻 率 测 量 方 法 采 用 全 硬 件 检 波 的3以 测 量 3 个 深 度 地 层 电 阻 率 ， 由 于 这 3 个 电 机 在 随 钻转 动 ， 类 似 于 在 扫 描 井 眼 壁 ， 因 此 可 以 测 量 电 极 周 围 的 方 位 电 阻 率 。 同 样 接 收 到 反 映 电 阻 率 的 互 感 电 流 通 过电 流 电 压 转 换 单 元 转 换 后 测 量 。 因 此 ， 在 随 钻 测 量 时 ， 3个 接 收 电 极 可 以 同 时 获 得 （ 浅 、 中 、 深 ） 地 层 的 电 阻 率 测 量 值 ， 这 对 评 价 钻 井 液 对 地 层 的 侵 入 效 果 十 分 有 用 ， 并且 在 扫 描 井 壁 的 时 候 ， 可 以 获 得 地 层 电 性 上 的 非 均 匀特 性 。测 量 方 式 或 者 传 统 iir 滤 波 数 字 测 量 方 式 。硬 件 检 波 的测 量 方 式 由 于 元 器 件 受 到 井 下 高 温 环 境 影 响 ， 会 产 生 参数 的 漂 移 和 硬 件 系 统 噪 声 ， 这 对 电 阻 率 测 量 结 果 的 影 响很 大 。传 统 的 iir 滤 波 数 字 测 量 方 式 ， 对 测 量 信 号 的 相位 延 迟 有 严 重 的 影 响 ， 并 且 由 于 其 频 率 分 辨 能 力 有 限 ，所 以 也 不 能 高 精 度 处 理 好 测 量 后 的 信 号 。 本 装 置 采 用 的 小 波 包 的 随 钻 近 钻 头 电 阻 率 信 号 处 理 算 法 能 很 好 地 解决 传 统 测 量 方 式 测 量 精 度 差 等 问 题 ， 可 稳 定 可 靠 处 理 出 反 映 电 阻 率 信 息 的 信 号 ， 为 近 钻 头 电 阻 率 信 号 的 去 噪 和滤 波 处 理 提 供 了 灵 活 的 方 法 。 传 统 的 基 于 傅 里 叶 分 析 法的 iir 滤 波 器 不 能 在 时 间 和 频 率 两 个 控 件 同 时 以 任 意 精 度 逼 近 被 测 量 电 阻 率 信 号 ， 但 小 波 可 以 根 据 需 要 选 取 时 间 和 频 率 上 的 精 度 ， 在 低 频 部 分 ， 由 于 信 号 比 较 平 缓 ， 可 以 不 去 关 心 信 号 随 时 间 的 变 化 ， 而 在 这 个 部 分 的 频 率2测量系统的结构和功能 对 于 近 钻 头 电 阻 率 的 测 量 ，需 要 完 成 大 量 的 检 测 、处 理 控 制 和 通 信 功 能 ， 本 测 量 装 置 的 结 构 为 一 个 主 控 系统 和 两 个 从 控 测 量 系 统 ， 其 结 构 图 如 图 2 所 示 。主 控 系统 包 括 监 控 井 下 电 源 状 态 的 单 元 、 井 下 信 息 存 储 单 元 和通 信 单 元 。 主 控 系 统 负 责 协 调 远 近 接 收 测 量 系 统 和 接 收 电 极 测 量 系 统 的 工 作 状 态 ， 响 应 地 面 控 制 系 统 的 命 令 ，检 测 和 控 制 测 量 设 备 的 电 源 供 电 系 统 ， 控 制 井 下 数 据 存 储 单 元 存 储 测 量 数 据 和 设 备 的 运 行 状 态 。 远 近 接 收 测 量 系 统 负 责 与 主 控 系 统 进 行 通 信 ， 并 控 制 正 弦 波 产 生 单 元产 生 100 hz 10 000 hz 的 正 弦 波 ， 利 用 功 放 单 元 将 该 正 弦 波 转 换 为 加 载 到 电 流 互 感 器 上 的 激 励 信 号 ， 从 发 射 线圈 上 发 射 出 去 。 当 远 近 接 收 线 圈 皆 感 应 出 反 映 电 阻 率 的 电 流 信 号 时 ， 通 过 电 流 电 压 转 换 ， 将 电 流 信 号 转 为 电 压 信 号 。 由 多 路 选 择 开 关 分 时 切 换 远 近 接 收 线 圈 的 信 号 进入 带 通 滤 波 器 ， 并 通 过 带 通 滤 波 器 去 除 部 分 激 励 频 率 分 量 之 外 的 其 他 频 率 分 量 ， 并 由 可 变 增 益 放 大 器 更 改 信 号幅 度 ， 避 免 限 幅 问 题 的 产 生 。 放 大 后 的 信 号 经 过 低 通 滤波 器 后 进 行 a / d 转 换 ， a / d 转 换 单 元 的 转 换 频 率 控 制 在成 分 会 很 多 ，所 以 可 以 降 低 时 间 分 辨 率 来 提 高 频 率 分辨 率 。 在 高 频 部 分 ， 由 于 其 含 有 很 多 瞬 态 变 化 的 特 征 ，可 以 降 低 频 率 分 辨 率 而 提 高 时 间 分 辨 率 来 关 注 信 号 的瞬 态 特 征 。镜 ” 。因 此 小 波 处 理 算 法 也 被 称 之 为“ 数 学 显 微对 被 测 信 号 的 小 波 分 析 处 理 原 理 就 是 由 小 波 函 数推 演 出 一 组 滤 波 器 系 数 ， 用 该 组 滤 波 器 系 数 将 采 样 后 的 反 映 近 钻 头 电 阻 率 信 息 的 信 号 分 解 成 高 频 和 低 频 两 个分 量 信 息 ， 再 分 别 对 这 两 分 量 信 息 进 行 滤 波 ， 分 解 出 下 一 级 的 4 组 高 频 和 低 频 分 量 ， 依 次 类 推 ， 再 通 过 选 择 合理 的 阈 值 算 法 将 信 号 中 的 噪 声 和 高 频 强 干 扰 信 号 的 信息 去 掉 ， 再 通 过 小 波 逆 变 换 滤 波 器 组 的 重 构 算 法 将 所 需 要 的 反 映 近 钻 头 电 阻 率 信 息 的 信 号 提 取 出 来 ， 其 分 解 和重 构 算 法 分 别 如 式 （ 1 ） 和 式 （ 2 ） 所 示 。 微 型 机 与 应 用 2012 年 第 31 卷 第 9 期低 通 滤 波 器 截 止 频 率 的 10 倍 ， 进 行 a / d 采 集 ，并 将 采集 到 的 结 果 交 由 微 处 理 器 的 数 字 信 号 处 理 单 元 进 行 小86小 波 用 值 可 以 波 分 解 声 强 度 硬 阈 值应用奇葩example of application軃的 最 优 小 波 树 算 法 也 需 要 一 个 判 断 依 据 才 行 ， 这 就 是 熵最 小 准 则 。 熵 是 用 来 衡 量 信 息 规 律 性 的 工 具 ， 熵 越 小 信軃 k軃 1k-1 cj h軈j-2n軃cn =軃軃 姨 2jz軃（1）軃息 的 规 律 性 就 越 强所 以 判 断 方 法 是 看 系 数 分 解 后 的 系，軃軃 1 軃 kk-1 cj軃dn =g軃 j-2n数 的 熵 之 和 是 否 大 于 原 系 数 的 熵 。 计 算 熵 的 方 法 很 多 ，在 基 于 小 波 包 最 优 树 提 取 信 号 算 法 中 使 用 的 是 shannon熵 ， 其 公 式 为 ：軃軃 姨 2軃jzk-1cn= 軃j hn-2j+ cj gn-2j 軃， k = n ， ， l1kck22=（ 2 ）e （ s ） = - si log （ si ）i其 中 ， e 为 shannon 熵 ， s 为 输 入 信 号 。( 4 )姨 2jzjz该 算 法 的 结 构 图 如 图 3 所 示 ， 被 测 信 号 经 过 小 波 高通 滤 波 和 低 通 滤 波 后 被 分 解 为 趋 势 分 量 和 细 节分 量 ， 其 中 趋 势 分 量 继 续 通 过 低 通 和 高 通 小 波滤 波 器 进 行 分 解 ，将 多 层 分 解 的 最 后 结 果 经 过阈 值 处 理 后 ， 再 将 趋 势 分 量 、 细 节 分 量 通 过 相 应低 通 、 高 通 逆 小 波 变 换 滤 波 器 ， 并 合 成 上 一 级 的趋 势 分 量 ，经 过 多 级 合 成 后 的 最 后 结 果 为 小 波滤 波 后 反 映 近 钻 头 电 磁 波 电 阻 率 的 被 测 信 号 。 在于 降 噪 的 过 程 中 ， 阈 值 的 计 算 是 其 核 心 程 序 ， 阈 从 原 始 信 号 的 信 号 噪 声 比 来 提 取 ， 一 般 可 以 用 小的 各 层 系 数 的 标 准 差 来 衡 量 ， 可 以 求 出 信 号 的 噪 ， 再 根 据 式 （ 3 ） 计 算 出 阈 值 ， 这 种 计 算 方 式 成 为 计 算 。thr = 姨2log（n）其 中 n 为 信 号 的 长 度 。（ 3 ）根 据 计 算 出 来 的 熵 ， 就 可 以 找 出 需 要 保 留 的 小 波 树分 支 ， 根 据 这 些 分 支 利 用 重 构 算 法 进 行 重 构 ， 就 可 以 最 完 美 地 从 测 量 信 号 中 去 除 干 扰 成 分 ， 提 取 出 真 正 反 映 近钻 头 电 阻 率 信 息 成 分 。 利 用 小 波 包 的 最 优 小 波 树 算 法 处 理 基 于 小 波 包 最 优 处 理 算 法 的 近 钻 头 电 阻 率 随 钻 测 量装 置 所 测 量 的 信 号 ， 处 理 的 效 果 如 图 5 所 示 。 图 中 s （ t ）为 测 量 系 统 测 量 到 的 信 号 ， es （ t ） 为 经 过 小 波 包 最 优 处 理 算 法 处 理 之 后 的 信 号 。 处 理 后 的 信 号 已 经 将 原 来 信 号中 的 干 扰 成 分 全 部 滤 除 掉 了 ， 保 留 能 够 反 映 近 钻 头 电 阻 率 信 息 的 有 效 信 号 。阈 值 也 可 以 使 用 birge - massart 规 则 计 算 出 来 ， 其 能够 计 算 出 小 波 分 解 后 每 一 层 的 阈 值 ， 这 种 计 算 方 式 称 为 软 阈 值 计 算 ， 显 然 软 阈 值 的 计 算 比 硬 阈 值 更 加 合 理 。 根据 计 算 出 来 的 阈 值 对 比 每 层 小 波 分 解 后 的 趋 势 分 量 和细 节 分 量 ， 并 且 分 量 中 只 保 留 大 于 阈 值 的 部 分 ， 将 这 些 保 留 下 来 的 分 量 部 分 经 过 重 构 算 法 重 构 就 可 以 对 原 反映 近 钻 头 电 阻 率 的 信 号 进 行 滤 波 处 理 ， 提 取 出 反 映 电 阻 率 的 信 号 特 征 。 但 这 种 计 算 方 式 不 是 最 优 的 ， 而 采 用 小波 包 的 最 优 小 波 树 算 法 能 够 达 到 最 好 的 滤 波 效 果 。从 滤 波 器 的 角 度 来 讲 ， 小 波 包 和 小 波 没 有 本 质 的 区 别 ， 但 小 波 包 在 小 波 分 解 的 基 础 上 对 细 节 系 数 也 进 行 了分 解 ， 其 结 构 图 如 图 4 所 示 。其 基 本 思 想 是 为 了 让 信 息本 装 置 能 够 对 侧 向 电 阻 率 、 近 钻 头 电 阻 率 以 及 方 位电 阻 率 进 行 测 量 ， 并 通 过 小 波 包 最 优 处 理 算 法 提 取 出 高( 下 转 第 90 页 )的 能 量 集 中 ，也 就 是 在 细 节 系 数 中 去 寻 找 信 息 的 有 序性 ， 并 进 一 步 将 其 中 的 规 律 信 息 提 取 出 来 ， 因 此 小 波 包 微 型 机 与 应 用 2012 年 第 31 卷 第 9 期欢 迎 网 上 投 稿 www . pcachina . com87应用奇葩example of application将 gprs 和 zigbee 技 术 应 用 到 实 训 车 间 设 备 监 控 系统 ， 解 决 了 实 训 车 间 设 备 在 管 理 上 的 诸 多 问 题 ， 不 仅 大 大 减 轻 了 实 训 车 间 设 备 管 理 人 员 的 工 作 量 ， 同 时 也 使 学院 领 导 能 及 时 了 解 实 训 设 备 的 运 行 状 况 和 使 用 状 况 。 在该 系 统 中 ， 采 用 zigbee 无 线 传 感 器 网 络 技 术 和 gprs 无 线 远 程 传 输 技 术 ， 使 该 系 统 具 有 zigbee 技 术 的 组 网 速 度 快 、 成 本 比 较 低 、 功 耗 比 较 小 、 网 络 结 构 简 单 、 对 参 数 能 进 行 实 时 监 控 和 远 程 通 信 、 安 装 费 用 低 廉 、 维 护 简 单 等 特 点 。 该 监 测 网 络 模 型 具 有 一 定 的 通 用 性 和 广 阔 的 发 展 前 景 。参 考 文 献 3 程 永 生 ， 王 天 添 ， 王 益 祥 基 于 zigbee 的 无 线 热 网 监 控系 统 研 究 j 测 控 技 术 ， 2008 （ 4 ） ： 88 - 90 . 4 李 文 基 于 zigbee 和 gprs 的 远 程 监 控 系 统 设 计 j 低 压 电 器 ， 2009 （ 12 ） ： 37 - 39 . 5 郑 煊 ， 刘 萌 基 于 zigbee 和 gprs 的城市照明监控系统 的 设 计 j 照 明 工 程 学 报 ， 2011 （ 4 ） ： 21 - 25 .（ 收 稿 日 期 ： 2011 - 12 - 05 ）作 者 简 介 ：黄 学 飞 ， 男 ， 1974 年 生 ， 讲 师 ， 硕 士 ， 主 要 研 究 方 向 ： 机 电 一 体 化 。李 兆 飞 ， 男 ， 1966 年 生 ， 副 教 授 ， 本 科 ， 主 要 研 究 方 向 ：机 电 一 体 化 。诸 进 才 ， 男 ， 1982 年 生 ， 讲 师 ， 硕 士 ， 主 要 研 究 方 向 ： 智 能检测及计算机应用 。 1 汝 彦 冬 ，张 文 祥 gprs - zigbee 技术的公交车 智 能 监 控系 统 j 黑龙江科技学院学报 ， 2009 （ 6 ） ： 474 - 477 . 2 王 钦 基 于 zigbee 技 术的无线 传 感网络研究与 实 现 j 重庆理工大学学报 ： 自 然 科 学 ， 2011 （ 8 ） ： 46 - 51 .( 上 接 第 84 页 )态 、 采 集 土 壤 样 品 信 息 、 发 送 土 壤 样 品 信 息 等 多 种 功 能 ，符 合 现 代 精 准 农 业 对 于 农 业 机 械 的 信 息 技 术 要 求 。 经 实 验 室 测 试 表 明 ， 该 装 置 运 行 稳 定 、 可 靠 性 较 高 ， 可 以 实 现设 计 功 能 。参 考 文 献 1 陈 立 东 ， 马 淑 英 ， 李 国 昉 ， 等 . 谈我国精准农业装备技术 的现状及发展方向 j . 山 东 农 机 ， 2004 （ 12 ） ： 4 - 6 . 2 戎 恺 ， 杨 星 卫 ， 段 项 锁 . 精准农业的研究应用 现 状 和 发 展 趋 势 j . 上 海 农 业 学 报 ， 2000 ， 16 （ 3 ） ： 5 - 8 . 3 wuest， stewart b. small -increment electric soilsamplerj. soil science society of america journal， 2008，72（6）：1554-1556. 4 张 凯 ， 刘 成 良 . 车 载 液 压 振 动 式 土 壤 采 集 装 置 研 究 j .南 京 信 息 工 程 大 学 学 报297 - 301 .（ 自 然 科 学