油管传输射孔信号的识别

宋 凯，庞 宏，马平全

(沈阳理工大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

传统信号处理方法是在Fourier分析基础上，适用于具有线性、高斯性和平稳性特点信号的处理，而对于非平稳信号的处理则显得不适应。虽然加窗Fourier变换克服了传统傅里叶变换的不足，但仍然受到Heisenberg测不准原理的约束。1998年，工作于NASA的美籍华人N.E Huang等［1-2］提出了经验模态分解法(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)，是分析非线性、非稳定信号的全新方法，该方法从根本上克服了Fourier变换的局限性，是一种更具适应性的时频局部化分析方法。

通过近年的发展与实践，EMD方法作为一种新的信号处理手段已经广泛应用于对非线性、非平稳信号的处理，是一种自适应的信号处理方法［3］。目前EMD方法已被应用于信号的降噪、滤波处理、爆破振动信号分析、电网故障分析、电能质量检测、机械故障诊断、水下目标提取等领域。

油管传输射孔(Tubing conveyed perforation，简称TCP)是当前国内外油田测井过程中广泛应用的射孔技术之一［4-5］。TCP射孔信号具有频率时变的特性，是一种典型的非线性、非平稳信号。本文提出采用EMD理论方法分析处理TCP射孔产生的振动信号，提取事件特征，作出相应事件的判断，进而为油井开发提供信息支持。

1 经验模态分解(EMD)

经验模态分解方法不采用Fourier变换对信号由各种正弦信号组成的定义，认为任意一个信号x(t)都是由一系列不同的、简单的非正弦函数的本征模态函数(Intrinsic Mode Function，简称IMF)组成［6］，因而任意一个信号x(t)都可以分解成若干频率从高到低的本征模态函数之和。一个本征模态函数必定满足以下两个条件:

(1)在整个信号时间段内零值点的数目与极值点的数目必须相等或者最多相差为一。

(2)在信号中的任一数据点，由局部极大值点构成的上包络线和局部极小值点构成的下包络线的均值为零，即信号波形关于时间轴局部对称。

在实际中采集到的信号都不是IMF，对原始信号进行EMD分解的具体步骤如下:

(1)首先找出x(t)的所有极大特征值点，采用三次样条插值法拟合出原始数据序列的上包络线eupp(t);同理找出的所有极小特征值点，拟合出下包络线elow(t)。计算出上下包络线的均值，记为m1(t)

(2)原始数据信号x(t)减去均值m1(t)即可得到一个去除低频的新的数据信号 h1(t)，h1(t)=x(t)-m1(t)。如果h1(t)为一个IMF分量则停止分解。

(3)一般h1(t)依然不是IMF分量信号，因而需要对h1(t)重复进行上述处理过程，重复k次直到h1k(t)符合IMF特征的定义要求，所得到的均值趋向零为止。这样就获得了原始信号的第一阶IMF分量c1(t)，此分量是信号x(t)中最高的频率分量。

(4)将c1(t)从x(t)中分出来即可得到一个去除高频率分量的信号r1(t)，既有:

为了进一步得到更低频率的分量信号，将r1(t)作为原始信号，重复(1)、(2)和(3)过程得到第二个IMF分量c2(t)。重复n次，直到符合预先设定好的停止规则，最终得到n个IMF分量，结果如下:

联合式(4)和式(5)得原始信号x(t)可表示为

EMD分解中第一个循环过程是求取IMF分量的过程，被称为Shifting(筛选)过程。筛选过程一定要有一个筛选准则，否则会达不到预期效果。称这个筛选准则为柯西类收敛准则:

当SD的取值介于0.2～0.3之间时，筛选过程终止，进入下一个过程［7］。

2 EMD方法在TCP射孔信号分析中的应用

对于一段完整的TCP射孔信号，由于射孔时间非常短暂，所以首先要对原始信号进行时域和频域的联合分析，找到其射孔时刻，截取有效的信号段，忽略一些不相关的片段。这样不仅排除了噪声的干扰，而且极大地提高了EMD处理信号的效率。

TCP射孔枪种类不同，射孔弹的弹间距和弹数也各不相同。射孔枪有的只有一支，有的由多支连接而成，射孔弹的安装也呈一定的相位，有的呈60°，也有90°的等。如果只有一支枪，爆破过程中信号不会出现明显拐点，如果由多支枪连接而成，连接处的相位可能会有不规律的变化，这样射孔爆破过程中信号波形会出现明显拐点。只要从波形中找到拐点，即可记为一个射孔弹爆点。

图1和图3分别为两个不同的TCP射孔的有效截取信号，对其进行EMD分解分别得到其第一阶IMF分量，如图2和图4所示。

图1 TCP射孔信号

图2 第一阶IMF分量

图3 TCP射孔信号

图4 第一阶IMF分量

由图1～4可看出，原始有效数据波形不能判断出射孔弹爆破点，而在第一阶IMF分量的波形图中可总结两点，其一，IMF分量波形的每一个周期对应原始数据波形中的一个拐点。其二，IMF分量波形总体受到阻尼作用而振幅逐渐衰减，而中间时刻有一个振幅增加的趋势，这实际是射孔爆破能量不断产生的过程。当波形呈指数曲线衰减时即认为射孔完毕。在相邻两个拐点之间是均匀传爆的，所以只要结合时域波形确定相邻两个拐点之间时间间隔与相邻射孔弹的爆破时间间隔求商，即可确定相邻两个信号拐点之间射孔弹爆破数目。

以16弹/m的射孔枪为例来说明对TCP射孔信号的识别。16弹/m即弹间距为0.0625m，而导爆索的传爆速度为7200～8000m/s。设其速度为7200m/s，则相邻两个射孔弹的爆炸时间间隔为8.6μs，这样在两个拐点之间的射孔弹爆破数目即可确定。

3 结论

通过对采集到的TCP射孔爆破信号进行加窗处理，截取有效片段，以减小进行EMD分解处理的工作量，同时提高EMD处理效率。由于射孔爆破信号必定为高频信号，所以对有效的片段信号进行EMD分解，取其第一阶高频IMF分量。对比截取的有效射孔信号，对第一阶IMF分量进行时频联合域分析，最终找到爆破点数目。这是一种全新的对TCP射孔信号的处理手段。

虽然EMD处理过程中存在一定误差，但是对射孔质量的判定在允许范围内。通过EMD方法对油管传输射孔信号进行识别解决了当前油田射孔过程中依据经验人工判断所造成的误判、错判等问题，对于获取整个射孔过程信息提供了科学而有力的依据。总之，EMD处理方法对于TCP射孔爆破信号的识别处理是一种新的尝试，值得深入研究与探讨。

［1］Norden E Huang，Z Shen，Steven R.Long，et al.The empirical mode decomposition and the Hilebert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis［J］.Proceedings of the Royal Society of London.A，1998(454):903-995.

［2］Norden E Huang，Z Shen，Steven R.Long.A NEW VIEW OF NONLINEAR WATER WAVES:The Hilbert Spectrum［J］.Annu.Rev.Fluid.Mech，1999(31):417-457.

［3］刘军，冯艳君，刘伟军.基于固定半径圆模板匹配的基因芯片网格定位方法［J］.沈阳理工大学学报，2011，30(1):9-11.

［4］周曌.TCP射孔技术概述［J］.火工品，1996(2):38-41.

［5］刘贯虹，朱建新.油管输送射孔(TCP)监测识别系统［J］.测井技术，2008，32(2):128-133.

［6］周晨赓.几种信号分析方法对非线性、非平稳信号分析效果的比较［J］.山东电子(电子技术与应用)，2003(4):43-45.

［7］王宏禹，邱天爽，陈喆.非平稳随机信号分析与处理［M］(第二版).北京:国防工业出版社，2008.