一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法

1.本发明属于随钻测量领域，具体涉及一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法。


背景技术：

2.在现代随钻测量技术中需要及时准确的获取连续、动态的随钻姿态角，以实现对随钻轨迹的控制，而在惯性随钻测量系统中，采用加速度计数据解算随钻井斜姿态角的精度取决于钻具坐标系下的重力信号，但由于强噪声干扰存在，姿态测量时不能再将钻具坐标系下的重力信号近似为加速度计的测量值，所以需要有效提取钻具重力加速度信号，然而钻具钻进时常会遇到软硬交替的不同地质，导致钻具轴向重力加速度信号主要受到有害冲击加速度的影响，因此对捷联在钻具轴向的三轴加速度计z轴测量信号进行冲击信号的滤除十分重要。
3.目前对测量信号处理的滤波算法有限幅滤波、中位值滤波、算数平均滤波，这些滤波算法没有针对性的使用对象，在工程领域有局限性；同时这些滤波算法都是以数据处理为基础，并没有考虑实际工程中被测对象的自身物理特性，使得滤波后的信号有有用信号能量的损失，导致处理后的测量信号有误差，在随钻测量过程中对钻具轴向加速度测量信号采用平滑滤波的处理方式，该滤波方法的效果取决于输入采样数据的个数n，而n值需要先验知识进行截取确定，所以在研究钻具轴向重力加速度信号提取时，对测量加速度信号的处理应该打破先验知识的束缚，结合被测对象的物理特性对实测信号进行滤波处理。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于急动滤波钻具轴向冲击信号滤除的方法，步骤如下：步骤1：设钻具轴向，即三轴加速度计z轴测量的加速度信号采样时刻为t
(n)
(n＝0,1,
…
n)，计算各个时刻的急动值jk，并将所有的jk值，记作n维列向量jk；步骤2：定义急动尖峰值为j
p
，设置急动尖峰值个数为b并初始化为0；步骤3：设置急动尖峰值存在条件，若满足条件，则返回步骤2执行b＝b 1指令，同时计算急动尖峰值，将所有的急动尖峰值j
p
，记作b维列向量j
p
；步骤4：计算步骤1全部急动值的和计算步骤3全部急动尖峰值的和设置急动冲击阈值jit；步骤5：利用步骤4求得的急动冲击阈值，先采用阈值采样法(tvs-threshold-value sampling)删除jk≥jit的采样值，再采用能量插值法(eip-energy interpolation principle)恢复采样点数；步骤6：将步骤1～5得到的全部急动值，记作jf
k(n
×
1)
，进行逆向积分运算得到钻具
…ꢀjpb
]
t
为全部急动尖峰值组成的b维列向量，所述的急动尖峰值的维数b为采样时间内急动尖峰值的个数；步骤4：在步骤1到步骤3的基础上，并依据钻具钻进时轴向测量数据设置急动冲击阈值jit：式中：为全部急动值jk的和，为全部急动尖峰值j
p
的和，n为急动值jk的个数，b为急动尖峰值j
p
的个数；步骤5：先采用阈值采样法(tvs-threshold-value sampling)，即将各时刻的急动值与急动冲击值阈值作比较，删除jk≥jit的采样值，再采用能量插值法(eip-energy interpolation principle)恢复采样点数：
①
将jk≥jit的采样值定义为a区域，jk＜jit的采样值定义为b区域，a区域急动值设置为b区域急动值设置为
②
计算钻具轴向钻进动能，根据动能公式，则：vz(k)＝v
z,v
(k) v
z,s
(k) v
z,g
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：δez(k)为钻具轴向动能增量；m为轴向钻进时钻具质量；vz(k)为钻具轴向运动的速度，v
z,v
为钻具轴向振动速度，v
z,s
为钻具轴向冲击速度，v
z,g
为钻具轴向有用速度；
③
根据上述公式(2)(3)(4)可知各时刻的采样点，在a区域以轴向冲击加速度产生的动能为主导，b区域以轴向重力加速度产生的动能为主导，依据这一特性：截取各个值左边相邻连续的两个值，并将值对应的时刻定义为k
l
；若值左边相邻连续的两个值中产生了突变，即两个值中有一个为值或者两个值都为值，则继续向左遍历直到两个值不产生突变为止，使得遍历得到的维数大于的维数，针对钻具钻进时的轴向运动，则：wz(k
l
)＝fz·
δx(k
l-1,k
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)fz＝maz(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中：wz(k
l
)为钻具钻进时轴向做功大小，(k
l-1,k
l
)为值左边相邻连续的两个值对应时刻的时间间隔，δx为钻具轴向钻进时位移变化量，fz为钻具轴向所受的牵引力，m为轴向钻进时钻具质量，az(k)为钻具轴向加速度测量值；
④
由于钻具轴向重力加速度信号为变化缓慢的信号，根据能量守恒定律，则：wz(k
l
)＝δe
z,g
(k-1,k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)即：
所以：因此：式中：δv
z,g
(k-1,k)为钻具轴向有用速度增量；δe
z,g
(k-1,k)为钻具轴向有用速度产生的动能增量；δtg为有用速度增量对应的时间间隔；a
z,g
(k)为滤除冲击能量后的加速度；为钻具轴向不含冲击加速度的各时刻急动值，也为的替代值；
⑤
将计算得到的全部值，分别插入属于a区域的值对应的位置，恢复原本采样点数；步骤6：将滤波得到的全部急动值，记作jf
k(n
×
1)
，进行逆向积分运算得到钻具轴向各时刻不含冲击加速度的测量值，则：即：式中：为加速度计z轴测量的各时刻不含冲击分量的测量加速度，t
(n)
和t
(n-1)
为jf
k(n
×
1)
对应的相邻采样时刻。


技术特征：
1.一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设钻具轴向，即三轴加速度计z轴测量的加速度信号采样时刻为t
(n)
(n＝0,1,
…
n)，计算各个时刻的急动值j
k
，并将所有的j
k
值，记作n维列向量j
k
；步骤2：定义急动尖峰值为j
p
，设置急动尖峰值个数为b并初始化为0；步骤3：设置急动尖峰值存在条件，若满足条件，则返回步骤2执行b＝b 1指令，同时计算急动尖峰值，将所有的急动尖峰值j
p
，记作b维列向量j
p
；步骤4：计算步骤1全部急动值的和步骤3全部急动尖峰值的和设置急动冲击阈值jit；步骤5：利用步骤4求得的急动冲击阈值，先采用阈值采样法(tvs-threshold-value sampling)删除j
k
≥jit的采样值，再采用能量插值法(eip-energy interpolation principle)恢复采样点数；步骤6：将步骤1～5得到的全部急动值，记作jf
k(n
×
1)
，进行逆向积分运算得到钻具轴向各时刻不含冲击加速度的测量值，作为滤波后的钻具轴向测量信号。2.根据权利要求1所述的一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法，其特征在于，所述步骤2中，利用钻具轴向测量加速度信号易受冲击加速度影响的特点，定义急动尖峰值j
p
，设置急动尖峰值个数为b并初始化为0。3.根据权利要求1所述的一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法，其特征在于，所述步骤3中，判断急动尖峰值存在条件并计算急动尖峰值：
①
设置急动尖峰值存在条件：式中，j
k
和j
k 1
为钻具轴向测量的相邻时刻加速度急动值，min{j
k
,j
k 1
}为钻具轴向测量的相邻时刻加速度急动值的最小值；
②
若满足式(1)的条件，则说明相邻急动值之间含有急动尖峰值，返回步骤2执行b＝b 1指令，同时计算急动尖峰值，将所有的急动尖峰值定义为b维列向量j
p
，则：式中，max{j
k
,j
k 1
}为钻具轴向测量的相邻时刻加速度急动值的最大值，为全部急动尖峰值组成的b维列向量。4.根据权利要求1所述的一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法，其特征在于，所述步骤4中，为准确得到急动冲击值，设置急动冲击阈值jit：
式中，为全部急动值j
k
的和，为全部急动尖峰值j
p
的和，n为急动值j
k
的个数，b为急动尖峰值j
p
的个数。5.根据权利要求1所述的一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法，其特征在于，所述步骤5中，采用能量插值法(eip-energy interpolation principle)恢复采样点数，具体包括以下步骤：
①
将j
k
≥jit的采样值定义为a区域，j
k
＜jit的采样值定义为b区域。a区域急动值设置为b区域急动值设置为
②
计算钻具轴向钻进动能；
③
在a区域以轴向冲击加速度产生的动能为主导，b区以轴向重力加速度产生的动能为主导；依据这一特性：截取各个值左边相邻连续的两个值，并将值对应的时刻定义为k
l
；若值左边相邻连续的两个值中产生了突变，即两个值中有一个为值或者两个值都为值，则继续向左遍历直到两个值不产生突变为止，使得遍历得到的维数大于的维数，针对钻具钻进时的轴向运动，则：w
z
(k
l
)＝f
z
·
δx(k
l-1,k
l
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)f
z
＝ma
z
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，w
z
(k
l
)为钻具钻进时轴向做功大小，(k
l-1,k
l
)为d
jk
值左边相邻连续的两个r
jk
值对应时刻的时间间隔，δx为钻具轴向钻进时位移变化量，f
z
为钻具轴向所受的牵引力，m为轴向钻进时钻具质量，a
z
(k)为钻具轴向加速度测量值；
④
由于钻具轴向重力加速度信号为变化缓慢的信号，根据能量守恒定律，计算值，所述的为钻具轴向不含冲击加速度的各时刻急动值，也为的替代值；
⑤
将计算得到的全部值，分别插入属于a区域的值对应的位置，恢复原本采样点数。

技术总结
本发明公开了一种基于急动滤波的钻具轴向冲击信号滤除方法。该方法不需要先验知识的干涉，钻进时先利用与钻具捷联的三轴加速度计Z轴采取钻具轴向加速度信号，求取采样信号的急动值，大幅度增大采样信号的幅值；再利用冲击加速度短时能量大的特点，定义急动尖峰值，并设置急动尖峰值条件，确定急动尖峰值个数。设置急动冲击阈值，使用阈值采样法(TVS-threshold-value sampling)筛除满足条件的急动冲击值，再使用能量插值法(EIP-energy interpolation principle)恢复采样点数；最后通过相邻时刻运算得到钻具轴向滤除冲击加速度后的测量信号。度后的测量信号。度后的测量信号。


技术研发人员：杨金显 蔡纪鹏 张颖
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2022.07.28
技术公布日：2022/11/11