井场主要振动信号的分离研究及应用

王 茜,吕苗荣,于承敏

(1.江苏工业学院 机械与能源学院,江苏 常州 213016;2.聊城大学 计算机学院,山东 聊城 252000)

井场主要振动信号的分离研究及应用

王 茜1,吕苗荣1,于承敏2

(1.江苏工业学院 机械与能源学院,江苏 常州 213016;2.聊城大学 计算机学院,山东 聊城 252000)

采用一种新的工程信号分离处理方法——模式滤波法,开展了钻井井场振动信号的分离研究应用,介绍了钻井泵、牙轮钻头和 PDC钻头钻进时钻柱顶部振动信号的模式滤波法信号分离结果。实践表明,可以采用模式滤波法快速、合理地分离各种混叠信号;只要信号之间存在一定的差异性,就可以实现信号完整、合理的分离处理。该方法在工程信号的分离处理中具有良好的应用前景。

井场;振动;模式滤波法;信号分离

Abstract:A new approach-Pattern Filtermethodwas used to carry out the study and practical use of the drilling signal separation on well site,the results of these sub-signals extracted from vibration measurement on drilling pump and the top of drill string is presented when drilled with tricone or PDC bit. It showed that this method can be used to segregate different components fast and reasonably;as long as there are some differences between mixed sub-signals,these sub-signals can be separated from vibration measurement reasonably and integrally.Such a signal separationmethod has a good prospect for engineering signal processing.

Key words:well site;vibration;pattern filtermethod;signal separation

目前,信号处理技术的难点不在于接收到的信号质量,而在于对信号的解释理论、方法和手段。快速傅立叶变换、Gabor变换、小波变换等都试图通过方法的革新来实现信号处理技术上的突破与创新。20世纪 50年代,以快速傅立叶变换为代表的各种频谱分析手段,在信号处理方法的发展进程中起到了很大的促进作用。但快速傅立叶变换、小波变换和Walsh变换等方法由于方法本身的限制,要将 2个或多个在时域和频域都产生混叠的信号完全、合理地分开是一件很难的事情。

本文将文献[1-2]介绍的模式滤波法应用于井场声振信号的处理,同时引入声振信号的数字化音频技术来识别各种信号,取得了很好的效果。由于采用了这些方法,不仅能够快速地识别、诊断井场设备的故障,并且可以实现各种振动信号的合理分离、典型振动信号的提取和模型化处理。

1 模式滤波法的基本原理

模式滤波法就是从信号的物理特性出发来建立合理的信号模型,并将该模型看成是一个操作单元或操作子。采用最优化的方法从实际的信号中提取得到一系列操作子参数,使信号转化为由一系列操作单元表示的子信号。研究表明,可将信号看成是由声音子以时间为轴线、按一定的方式排列、相互叠加作用的结果。通过操作单元的合理选择和分类整理,就可实现信号的提取、分离和降噪处理[1]。该方法不仅可以用于语音信号的处理,而且也可以用于工程信号的分离[2]。

2 井场主要振动信号的分离

在钻井过程中,钻机的各种机械设备在运转过程中会引发大量的振动,钻柱、钻头在井眼内运动破岩的过程中也产生强烈的振动,这些振动和声信号是相互混叠在一起的,实现各种混叠信号的合理分离和定量化处理,对钻井过程声振现象的研究具有重要的意义。笔者将模式滤波法应用于井场声振信号的处理,借助于文献[3]介绍的音频转化和测试技术,实现了多种混叠信号的合理分离和定量化处理。

2.1 钻井泵液力端振动信号的分离

为了实现机械设备振动信号的分离,首先利用文献[4]介绍的方法进行振动信号的基元分段处理。图1是一个钻井泵振动信号,按照设备自身运转周期逐一分段,然后依序排列得到的结果。通过这样的分段处理,可以将不同类信号进行相应的归类,从而为下一步开展信号分离提供便利。

图1 钻井泵液力端系列基元信号

对于图1不同基元中的同类信号,信号与信号之间存在着各种随机的干扰,而呈现出千差万别的变化,尤其是冲击和摩擦信号,这种差异性就显得更加强烈。如何实现各种信号之间的完整分离?实践证明,信号的模式滤波方法是一个有效的处理手段。由于模式滤波具有操作简便、各种声音子易于组合测试的特点,在钻井泵振动信号的处理过程中显得尤为方便。

图2a是从国内某油田测量得到的钻井泵某缸套振动基元分段中的排液冲击信号,利用模式滤波法可以方便地分离图中混叠的各种信号。图2b是因连接件松动引发的冲击摩擦振动信号。图2c是活塞与缸套之间的冲击摩擦信号。图2d是低频振动信号,主要反映了泵体振动和钻井液的流动。实践表明这些信号出现的位置、时间都存在很强的规律性。

图2 钻井泵液力端振动信号的模式滤波法分离实例

各种运动的规律性可通过寻找各小段信号中存在的相同声音子来进行确认,无论是低频振动,还是高频冲击成分,都存在很好的对应关系。低频信号的规律性可以很直观地观察得到,而高频冲击的规律性不能直接观察,但可以通过研究声音子组合的规律性来获得。

2.2 牙轮钻头钻井时钻柱顶部振动信号的分离

图3是实测牙轮钻头钻井时钻柱顶部振动的信号曲线。从图3可以看出,一般情况下,钻柱振动近似一条周期性变化的谐振曲线。当出现钻柱扭转、冲击等动态力的作用时,振动曲线会发生明显的变化,例如图中大幅度的曲线变化就是由钻柱冲击扭转振动引起的。

图3 实测牙轮钻头钻井时钻柱顶部振动的信号曲线

图4是将上述振动曲线分段显示的信号及其频谱图形。测试表明:钻柱振动曲线主要是钻柱自身的振动信号,除冲击动载信号引起钻柱大幅度振动之外,其他如钻头破岩振动、地面设备引起的振动等信号成分与钻柱自身的振动信号相比较都是一些弱小项,钻柱振动曲线的主频就是钻柱自身的固有频率。实际上,钻柱振动曲线内部包含了牙轮钻头钻井过程中钻柱所发生的所有信息,包括钻头破岩、磨损、牙齿与岩石的相互作用,钻柱在轴向与扭转的振动等。

图4 振动曲线分段显示的信号及其频谱图形

可以采用模式滤波法进行牙轮钻头振动信号成份的快速分离处理,图5就是按照图1的处理方法和流程,对图4b信号采用模式滤波法的最终分离结果。图4b信号的声音子最终被分成 0～10共 11类。其中“0”、“6”、“7”类声音子主要是地面发电机和柴油机振动信号;“1”类主要是钻柱振动信号;“3”类为扭转振动信号;“4”类为牙轮钻头特有的谐振信号;“5”、“8～10”估计是钻头振动信号成分。但这不是绝对的,由于声音子提取和分类还无参照信号,分类划分结果还存在一定程度的参杂与交叉,因此在声音子的分类处理上还需作更多的努力。

图5 牙轮钻头振动信号分离

2.3 PDC钻头振动信号分离

实践表明,利用信号之间的差异性也同样可以分离 PDC钻头的振动信号。但由于缺少钻头破岩时牙齿与岩石相互作用的信号特征信息,同牙轮钻头的处理结果一样,也就无法完整地提取得到钻头破岩时的振动信号。图6是对左上的实测 PDC钻头钻进时,钻柱顶部振动信号的模式滤波分离结果。该信号的声音子被分离成为 11类,结合耳听分辨可以得出,类型“1”声音子是管柱振动信号;“2～4”、“8～9”是钻头破岩信号;“5～7”类声音子是发动机振动信号,相应的信号及频谱如图6。

从分离的情况来看,钻头振动、管柱振动和地面发动机引起的振动信号之间存在明显的差异,即使是由于井眼的加深导致钻头振动信号衰减的情况下,只要确定钻头信号的分布就可以实现信号的合理分离。

从这些结果中可以明确无误地断定出地面发动机和机械设备的振动信号,与牙轮钻头类似,对于井下钻头振动破岩信号的分离结果还需要做进一步的验证。

图6 PDC钻头正当信号分离实例

3 结论

1) 在井场声振信号的处理过程中引入声振信号的数字化音频技术来分离各种信号,取得了很好的效果。

2) 采用信号的模式滤波法,可以实现井场设备和钻柱顶部振动信号中各种混叠成分合理、完整的分离处理,为实现石油石化设备的故障诊断做技术准备。

[1] 吕苗荣.工程信号处理最优化理论的研究应用:语音信号处理新方法探索[R].长沙:中南大学博士后研究报告,2006.

[2] 王 丽,吕苗荣,王 茜,等.拖拉机发动机信号降噪与分离处理新方法[J].安徽农业科学,2009,34(1):283-285.

[3] 黄仁东,徐国元,刘敦文,等.运用信号声音提高声波成析成像探测的针对性[J].西部探矿工程,2005,17(4):1-2.

[4] 吕苗荣,古德生,彭振斌.语音信号基本处理单元的选择与应用[C]//2007通信理论与技术新发展——第十二届全国青年通信学术会议论文集 (上册):736-743.

[5] 陈 峰,成新民.基于小波变换的信号去噪技术及实现[J].现代电子技术,2005(3):11-13.

[6] 刘永刚.钻柱转换接头断裂失效分析[J].石油矿场机械,2007,36(2):41-44.

[7] 段礼祥.基于小波包理论的往复泵故障特征提取研究[J].石油矿场机械,2007,36(1):1-4.

[8] 高加索王国胜.现代测试技术在石油装备中的应用[J].石油矿场机械,2007,36(9):103-105.

Well Site Separation of the Main Vibration Signals And Applications

WANG Qian1,LV Miao-rong1,YU Cheng-min2
(1.Department of Mechanical Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou213016,China;2.Department of Computer Science,Liaocheng University,Liaocheng252000,China)

TE928

A

1001-3482(2010)05-0062-03

2009-10-23

吕苗荣 (1964-),男,浙江嵊州人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事石油工程信息资源开发利用、钻井工程最优化和钻井系统工程方面的研究,E-mai:zjszgm@sina.com。