數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法分析

1、󰀁22󰀁󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂石󰀂油󰀂儀󰀂器PETROLEUMINSTRUMENTS󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂2009年08月󰀂󰀁開發(fā)設(shè)計(jì)󰀁數(shù)

2、控測(cè)井系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法分析劉永戰(zhàn)(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所󰀂河南新鄉(xiāng))摘󰀂󰀂要:文章從數(shù)字信號(hào)處理方面論述了數(shù)字濾波技術(shù)的設(shè)計(jì)方法以及在石油測(cè)井中的實(shí)際應(yīng)用,并結(jié)合數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)給出了具體測(cè)井項(xiàng)目濾波方法選擇。關(guān)鍵詞:信號(hào)處理;數(shù)字濾波;窗函數(shù);數(shù)控測(cè)井中圖法分類號(hào):P631.8+11󰀂󰀂文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B󰀂󰀂文章編號(hào):1004󰀁9134(2009)04󰀁0022󰀁030󰀂引󰀂言核衰變、中子與原子核

3、的作用、伽馬量子與核外電子的作用等均具有隨機(jī)性質(zhì),從而導(dǎo)致放射性測(cè)井曲線上出現(xiàn)許多與地層性質(zhì)無關(guān)的統(tǒng)計(jì)起伏變化1。顯然,用這些具有統(tǒng)計(jì)起伏或隨機(jī)干擾嚴(yán)重的曲線,根本不能直接提交資料解釋站用來做定量解釋。因此,在數(shù)控測(cè)井的現(xiàn)場(chǎng)資料處理中,必須設(shè)法把這些與地層性質(zhì)無關(guān)的統(tǒng)計(jì)起伏和隨機(jī)干擾濾掉,只保留曲線上反映地層特性的有用成分。帶有統(tǒng)計(jì)起伏與隨機(jī)干擾的測(cè)井曲線主要有兩種成分:短周期的干擾信號(hào),它具有隨機(jī)性質(zhì),與地層性質(zhì)無關(guān);較長(zhǎng)周期的有用信號(hào),它是反映地層性質(zhì)的趨勢(shì)成分。我們目的是要有效地抑制或消除這些隨機(jī)干擾,同時(shí)又能很好地保持和分離出代表地層性質(zhì)的有用信號(hào)。為此,必須采用數(shù)字濾波處理技術(shù)。通過

4、設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器來濾掉原始測(cè)井曲線上的各種干擾。FIR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時(shí),也容易做到有嚴(yán)格的線性相位特性,這一點(diǎn)在某些信號(hào)的處理中是重要的。設(shè)FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)h(n)的長(zhǎng)度為N,其系統(tǒng)函數(shù)為N-1H(z)=n=0h(n)z-nH(z)是z-1的(N-1)次多項(xiàng)式,它在z平面上有(N-1)個(gè)零點(diǎn),原點(diǎn)z=0是(N-1)階重極點(diǎn)。因此,H(z)肯定穩(wěn)定。穩(wěn)定性和線性相位特性是FIR濾波器的突出優(yōu)點(diǎn)。1.2󰀂FIR濾波器的窗函數(shù)FIR濾波器的線性相位,表現(xiàn)在測(cè)井曲線的濾波處理上是深度延遲固定,且已知。它在組合儀器的實(shí)時(shí)測(cè)井中,能夠?qū)⒏鞣N曲線在深度上對(duì)齊,

5、使用的也最多。FIR濾波器主要有三種設(shè)計(jì)方法:窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近法。窗函數(shù)法是從時(shí)域出發(fā)的一種設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,方便,也實(shí)用。窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的主要窗函數(shù)有:矩形窗(RectangleWindow)、高斯窗(GauseWindow)、三角形窗(BartlettWindow)、哈明窗(HammingWindow)、漢寧窗(HanningWindow)、布萊克窗(BlackmanWindow)。常見窗函數(shù)時(shí)域圖和幅頻圖如圖1所示。從圖1可以看出,同樣的窗長(zhǎng)(11),從矩形窗、高斯窗、三角形窗、哈明窗、漢寧窗到布萊克窗,其譜函數(shù)主瓣包含的能量越來越高,相應(yīng)的旁瓣幅度逐漸變小,通帶

6、、阻帶波動(dòng)逐漸減小,過渡帶卻越來越大。反映到測(cè)井曲線濾波處理上:同樣窗長(zhǎng)的濾波方法,矩形窗濾1󰀂數(shù)字濾波技術(shù)21.1󰀂數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)方法數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或從單位脈沖響應(yīng)分類,可以分為無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。IIR濾波器傳輸函數(shù)的極點(diǎn)可位于單位圓內(nèi)的任何地方,因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性,所用的存儲(chǔ)單元少,所以經(jīng)濟(jì)而效率高。但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好,則相位非線性越嚴(yán)重。󰀂第一作者簡(jiǎn)介:劉永戰(zhàn),男,1976年生,工程師,1999年畢業(yè)于成都理工大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè),現(xiàn)在中國(guó)電子

7、科技集團(tuán)公司第二十二研究所從事數(shù)󰀂2009年󰀂第23卷󰀂第4期󰀂󰀂󰀂󰀂󰀂劉永戰(zhàn):數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法分析󰀁23󰀁SKD3000中的加權(quán)濾波對(duì)應(yīng)FIR中三角形窗濾波方法。三角加權(quán)濾波如圖3所示。2.3󰀂高斯濾波方法SKD3000中的11點(diǎn)加權(quán)1、11點(diǎn)加權(quán)2、11點(diǎn)加權(quán)3濾波對(duì)應(yīng)FIR中高斯窗濾波方法。11點(diǎn)加權(quán)濾波如圖4所示。2.4󰀂IIR濾波SKD3000中的一階濾波、串聯(lián)濾波、累計(jì)濾波方法都屬于

8、IIR濾波方法。雖然濾波效率高,但是因?yàn)橄辔坏姆蔷€性,因此盡可能避免使用。圖1󰀂常見窗函數(shù)時(shí)域圖和幅頻圖(N=11)波,因?yàn)樗慕刂令l率最低,旁瓣最大,通帶、阻帶波動(dòng)最大,所以濾波后的曲線最為光滑,一些薄層信息被摸掉,濾波效果最差;相反,布萊克窗濾波,因?yàn)樗慕刂令l率最高,旁瓣最小,通帶、阻帶波動(dòng)最小,所以濾波后的曲線能夠較好保持了薄層信息,濾波效果最好。對(duì)于一些輔助曲線如測(cè)速、井徑、自然電位等只注重總體形態(tài)的可以采用矩形窗濾波,對(duì)于放射性類曲線如密度、中子、能譜等注重薄層信息的必須使用加權(quán)濾波,至少得用高斯窗濾波。圖3󰀂三角加權(quán)濾波2󰀂SKD3000系統(tǒng)的濾波方法2.1󰀂矩形(平均)濾波方法SKD3000中的平均濾波對(duì)應(yīng)FIR中矩形窗濾波方法。矩形平均濾波如圖2所示。圖4󰀂11點(diǎn)加權(quán)濾波3󰀂在測(cè)井項(xiàng)目中應(yīng)用353.1󰀂放射性