CN107246891A - 一种测试用高温高压井下数据信号提取方法 - Google Patents

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姜文
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Abstract

本发明公开了一种测试用高温高压井下数据信号提取方法，包括：步骤1、通过EEMD方法对数据信号进行分解，得到IMF分量；步骤2、对IMF分量进行选择，剔除无用的低频分量；步骤3、对得到的IMF分量进行HHT变换，得到所提取信号的时频谱和边际谱。采用EEMD分解具有较强的抗模态混叠性能，将信号从高频到低频，分解到不同的IMF分量当中，可以抑制噪声的干扰，在EEMD分解过程会产生不需要的低频IMF分量。对于该不足，该研究通过计算每个IMF分量与原始信号的相关系数，并设定一个合理的标准值来实现IMF分量的选择，也避免了低幅值但相关的IMF分量被去除。对通过EEMD分解得到的IMF分量进行Hilbert变换，进一步得到IMF分量对应的Hilbert谱和边际谱，能够抑制低频信号的干扰。

Description

一种测试用高温高压井下数据信号提取方法
技术领域
本发明涉及一种测试用高温高压井下数据信号提取方法，属于石油、天然气勘探测试领域。
背景技术
目前，随着海上油气测试范围的不断扩大，时效要求的提高，面对的高温高压井况也日趋增多，但目前行业中井下数据直读***的温度级别均无法达到高温井况作业需求，影响了测试期间的数据获取工作。
现有的解决方法是将井下测试阀上接头拆除与测压测温仪器连接，这种连接方式需要将已经做完功能测试的工具拆开，然后两家不同公司生产的工具连接成一体进行作业，存在密封和匹配差异，重新做功能等问题，不但加大了密封失效的风险，且耽误了作业时效，并且原有技术在***的温度等级上不能满足高温井况作业。
在开井期间，通过电磁耦合方式进行数据提取，这种信号提取方式电磁耦合距离短，耦合距离仅为1米，存在对接失败风险，当流体流量较大时，信号的稳定性差，并且信号提取过程由于受到干扰，信号提取的精度并不精确，存在大量的误差，需要在信号提取方式上进行改进。
EEMD是EMD方法的改进，EEMD分解具有较强的抗模态混叠性能，将信号从高频到低频，分解到不同的IMF分量当中，同时保留了原有的调制成分，可以抑制噪声的干扰。
由于EEMD分解过程中会产生不需要的低频IMF分量，因此通过计算每个IMF分量与原始信号的相关性系数，来实现IMF分量的选择，保证IMF分量的准确性。
对通过EEMD分解得到的IMF分量进行Hilbert变换，进一步得到IMF分量对应的Hilbert谱和边际谱，能够抑制低频信号的干扰，实现降噪的目的。
发明内容
本发明设计开发了一种测试用高温高压井下数据信号提取方法，能够克服现有井下远距离数据信号传输受到干扰，信号提取精度不高的问题。
本发明提供的技术方案为：
一种测试用高温高压井下数据信号提取方法，包括：
步骤1、通过EEMD方法对数据信号进行分解，得到IMF分量；
步骤2、对IMF分量进行选择，剔除无用的低频分量；
步骤3、对得到的IMF分量进行HHT变换，得到所提取信号的时频谱和边际谱。
优选的是，所述步骤1中得到的IMF分量为：i＝1,2,...,M，s＝1,2,...,S，其中cs(t)即为EEMD分解得到的IMF分量，M为初始化总体平均次数，s为分解的次数，S为IMF分量的个数，t为自变量。
优选的是，所述步骤2中通过设定临界值来对IMF分量进行选择，防止低频但相关的IMF分量被意外除去。
优选的是，所述临界值设定为λ，设IMF分量cs(t)与原始信号的相关系数为αi，i＝1,...,n，n为cs(t)的个数，λ是由αi最大值的比率决定，表示为：λ＝max(αi)/μ，(i＝1,2,...,n)，μ为比率因子，取μ＝0.6。
优选的是，对得到的IMF分量cs(t)做Hilbert变换，得到
优选的是，对上式进一步求解，得到瞬时频率继而得到Hilbert谱其中RP代表取实部。
优选的是，在所述Hilbert谱的基础上，定义Hilbert边际谱为：其中T为信号的总长度。
本发明所述的有益效果：通过采用高温高压井下数据提取方法，能够对高温高压井下数据进行实时监控。在数据提取方法中，采用EEMD方法对原始信号进行分解，通过每次在信号中加入限定幅值的高斯白噪声来改变信号或数据的极值点个数，以及极值点的分布间隔，再通过对多次分解得到的IMF分量进行总体平均，进而达到抵消加入到信号中的高斯白噪声，能够有效的避免了模态混叠现象；将信号从高频到低频，分解到不同的IMF分量当中，同时保留了原有的调制成分，可以抑制噪声的干扰。
在EEMD分解过程会产生不需要的低频IMF分量。对于该不足，该研究通过计算每个IMF分量与原始信号的相关系数，并设定一个合理的标准值来实现IMF分量的选择，也避免了低幅值但相关的IMF分量被意外的去除。
对通过EEMD分解得到的IMF分量进行Hilbert变换，进一步得到IMF分量对应的Hilbert谱和边际谱，能够抑制低频信号的干扰。
附图说明
图1为本发明所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法的分析过程图。
图2为本发明所述的测试用高温高压井下数据信号提取装置的示意简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种测试用高温高压井下数据信号提取方法，包括以下步骤：
步骤S410，通过数据采集装置，对高温高压井下的数据信号x(t)进行采集；
步骤S420，对信号x(t)进行EEMD分解：
(1)给信号x(t)设定平均处理次数M，给加入的白噪声添加限定的数值的幅度，并使i＝1
(2)把一个给定幅度的白噪声si(t)加到原始信号x(t)中，组成一个新的信号xi(t)，xi(t)＝x(t)+si(t)，x(t)其表示第i个附加噪声信号，si(t)表示第i个加入的白噪声系列；
(3)对一系列信号xi(t)进行EMD分解，其中，s是分解的IMF的数量，ci,s(t)是分解的IMF分量，ri,s(t)是残余分量；
(4)重复(2)～(3)步骤M此，每次加入一定不同幅度的白噪声，分解出一系列的IMFs。对IMFs的集合做均值处理得到EEMD分解的IMF分量cs(t)；
原始信号最终表示为：i＝1,2,...,M，s＝1,2,...,S，其中cs(t)即为集合经验模态分解算法(EEMD)得到的IMF分量。
步骤S430，IMF分量的选择
根据各IMF分量与原始信号的相关系数，判断IMF分量的真伪，剔除与原始信号无相关性或相关性很弱的IMF分量，保留相关性较强的IMF分量，并设定一个合理的标准值来实现IMF分量的选择，也避免了低幅值但相关的IMF分量被意外的去除；
所述临界值设定为λ，设IMF分量cs(t)与原始信号的相关系数为αi，i＝1,...,n，n为cs(t)的个数，λ是由αi最大值的比率决定，表示为：λ＝max(αi)/μ，(i＝1,2,...,n)，μ为比率因子，取μ＝0.6。
步骤S440，进行HHT变换
步骤S420和S430得到IMF分量后，各个IMF分量的相对应的瞬时频率和瞬时幅值也可以被计算出来；
对IMF分量cs(t)做Hilbert变换，得到
进而，可构造解析信号为：
其中幅值函数为：
相位函数为：
进一步求出瞬时频率
继而得到Hilbert谱其中RP代表取实部，此处省略残余项rn。
在所述Hilbert谱的基础上，定义Hilbert边际谱为：其中，频率ωs为t的单值函数，t为时间，τ为时间尺度，as(t)为幅值，j为空间尺度因子，其中T为信号的总长度。
h(ω)和H(ω,t)能够描述在整个频率段上，信号的幅值随频率的变化情况，H(ω,t)还能够同时描述了在整个频率段上，信号幅值岁时间的变化情况。
对通过EEMD分解得到的IMF分量进行Hilbert变换，进一步得到IMF分量对应的Hilbert谱和边际谱，能够抑制低频信号的干扰，克服了井下信号数据提取的因距离短，干扰多而造成的信号提取不精确，影响对井下状况的判断等问题。
本发明还包括试用高温高压井下数据信号提取装置，包括，电子压力计100，数据采集装置200、中继器300，数据提取装置400以及电缆500。
电子压力计100设置在提取装置的最下端，放置在井下，包括压力传感器、温度传感器、信号放大电路、数模转换电路等，电子压力计100通过电缆500与数据采集装置200进行连接，将测量的数据传递给数据采集装置200，数据采集装置200能够与中继器300进行数据传输，将采集到的数据传递给中继器300，中继器300与数据处理装置400连接，在数据处理装置400中对提取到的信号进行滤波和降噪处理，得到较为准确的数据。
通过采用高温高压井下数据提取方法，能够对高温高压井下数据进行实时监控。在数据提取方法中，采用EEMD方法对原始信号进行分解，通过每次在信号中加入限定幅值的高斯白噪声来改变信号或数据的极值点个数，以及极值点的分布间隔，再通过对多次分解得到的IMF分量进行总体平均，进而达到抵消加入到信号中的高斯白噪声，能够有效的避免了模态混叠现象；将信号从高频到低频，分解到不同的IMF分量当中，同时保留了原有的调制成分，可以抑制噪声的干扰。
在EEMD分解过程会产生不需要的低频IMF分量。对于该不足，该研究通过计算每个IMF分量与原始信号的相关系数，并设定一个合理的标准值来实现IMF分量的选择，也避免了低幅值但相关的IMF分量被意外的去除。
对通过EEMD分解得到的IMF分量进行Hilbert变换，进一步得到IMF分量对应的Hilbert谱和边际谱，能够抑制低频信号的干扰。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、通过EEMD方法对采集的井下数据信号进行分解，得到IMF分量；
步骤2、对IMF分量进行选择，剔除无用的低频分量；
步骤3、对得到的IMF分量进行HHT变换，得到所提取信号的时频谱和边际谱。
2.根据权利要求1所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，所述步骤1中得到的IMF分量为： 其中cs(t)即为EEMD分解得到的IMF分量，M为初始化总体平均次数，s为分解的次数，S为IMF分量的个数，t为自变量。
3.根据权利要求2所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，所述步骤2中通过设定临界值来对IMF分量进行选择，防止低频但相关的IMF分量被意外除去。
4.根据权利要求3所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，所述临界值设定为λ，设IMF分量cs(t)与原始信号的相关系数为αi，i＝1,...,n，n为cs(t)的个数，λ是由αi最大值的比率决定，表示为：λ＝max(αi)/μ，(i＝1,2,...,n)，μ为比率因子，取μ＝0.6。
5.根据权利要求4所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，对得到的IMF分量cs(t)做Hilbert变换，得到
6.根据权利要求5所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，对上式进一步求解，得到瞬时频率继而得到Hilbert谱其中RP代表取实部。
7.根据权利要求6所述的测试用高温高压井下数据信号提取方法，其特征在于，在所述Hilbert谱的基础上，定义Hilbert边际谱为：其中T为信号的总长度。
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