数控测井系统的数字滤波方法分析

1、󰀁22󰀁󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂石󰀂油󰀂仪󰀂器PETROLEUMINSTRUMENTS󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂2009年08月󰀂󰀁开发设计󰀁数

2、控测井系统的数字滤波方法分析刘永战(中国电子科技集团公司第二十二研究所󰀂河南新乡)摘󰀂󰀂要:文章从数字信号处理方面论述了数字滤波技术的设计方法以及在石油测井中的实际应用,并结合数控测井系统给出了具体测井项目滤波方法选择。关键词:信号处理;数字滤波;窗函数;数控测井中图法分类号:P631.8+11󰀂󰀂文献标识码:B󰀂󰀂文章编号:1004󰀁9134(2009)04󰀁0022󰀁030󰀂引󰀂言核衰变、中子与原子核

3、的作用、伽马量子与核外电子的作用等均具有随机性质,从而导致放射性测井曲线上出现许多与地层性质无关的统计起伏变化1。显然,用这些具有统计起伏或随机干扰严重的曲线,根本不能直接提交资料解释站用来做定量解释。因此,在数控测井的现场资料处理中,必须设法把这些与地层性质无关的统计起伏和随机干扰滤掉,只保留曲线上反映地层特性的有用成分。带有统计起伏与随机干扰的测井曲线主要有两种成分:短周期的干扰信号,它具有随机性质,与地层性质无关;较长周期的有用信号,它是反映地层性质的趋势成分。我们目的是要有效地抑制或消除这些随机干扰,同时又能很好地保持和分离出代表地层性质的有用信号。为此,必须采用数字滤波处理技术。通过

4、设计低通数字滤波器来滤掉原始测井曲线上的各种干扰。FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时,也容易做到有严格的线性相位特性,这一点在某些信号的处理中是重要的。设FIR滤波器单位脉冲响应h(n)的长度为N,其系统函数为N-1H(z)=n=0h(n)z-nH(z)是z-1的(N-1)次多项式,它在z平面上有(N-1)个零点,原点z=0是(N-1)阶重极点。因此,H(z)肯定稳定。稳定性和线性相位特性是FIR滤波器的突出优点。1.2󰀂FIR滤波器的窗函数FIR滤波器的线性相位,表现在测井曲线的滤波处理上是深度延迟固定,且已知。它在组合仪器的实时测井中,能够将各种曲线在深度上对齐,

5、使用的也最多。FIR滤波器主要有三种设计方法:窗函数法、频率采样法和切比雪夫等波纹逼近法。窗函数法是从时域出发的一种设计方法,设计简单,方便,也实用。窗函数法设计的主要窗函数有:矩形窗(RectangleWindow)、高斯窗(GauseWindow)、三角形窗(BartlettWindow)、哈明窗(HammingWindow)、汉宁窗(HanningWindow)、布莱克窗(BlackmanWindow)。常见窗函数时域图和幅频图如图1所示。从图1可以看出,同样的窗长(11),从矩形窗、高斯窗、三角形窗、哈明窗、汉宁窗到布莱克窗,其谱函数主瓣包含的能量越来越高,相应的旁瓣幅度逐渐变小,通带

6、、阻带波动逐渐减小,过渡带却越来越大。反映到测井曲线滤波处理上:同样窗长的滤波方法,矩形窗滤1󰀂数字滤波技术21.1󰀂数字滤波的设计方法数字滤波器从实现的网络结构或从单位脉冲响应分类,可以分为无限脉冲响应(IIR)滤波器和有限脉冲响应(FIR)滤波器。IIR滤波器传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方,因此可用较低的阶数获得高的选择性,所用的存储单元少,所以经济而效率高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。选择性越好,则相位非线性越严重。󰀂第一作者简介:刘永战,男,1976年生,工程师,1999年毕业于成都理工大学计算机应用专业,现在中国电子

7、科技集团公司第二十二研究所从事数󰀂2009年󰀂第23卷󰀂第4期󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂刘永战:数控测井系统的数字滤波方法分析󰀁23󰀁SKD3000中的加权滤波对应FIR中三角形窗滤波方法。三角加权滤波如图3所示。2.3󰀂高斯滤波方法SKD3000中的11点加权1、11点加权2、11点加权3滤波对应FIR中高斯窗滤波方法。11点加权滤波如图4所示。2.4󰀂IIR滤波SKD3000中的一阶滤波、串联滤波、累计滤波方法都属于

8、IIR滤波方法。虽然滤波效率高,但是因为相位的非线性,因此尽可能避免使用。图1󰀂常见窗函数时域图和幅频图(N=11)波,因为它的截至频率最低,旁瓣最大,通带、阻带波动最大,所以滤波后的曲线最为光滑,一些薄层信息被摸掉,滤波效果最差;相反,布莱克窗滤波,因为它的截至频率最高,旁瓣最小,通带、阻带波动最小,所以滤波后的曲线能够较好保持了薄层信息,滤波效果最好。对于一些辅助曲线如测速、井径、自然电位等只注重总体形态的可以采用矩形窗滤波,对于放射性类曲线如密度、中子、能谱等注重薄层信息的必须使用加权滤波,至少得用高斯窗滤波。图3󰀂三角加权滤波2󰀂SKD3000系统的滤波方法2.1󰀂矩形(平均)滤波方法SKD3000中的平均滤波对应FIR中矩形窗滤波方法。矩形平均滤波如图2所示。图4󰀂11点加权滤波3󰀂在测井项目中应用353.1󰀂放射性