一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于包括以下步骤：1)建立瞬变电磁救援井探测信号模型，用于表征救援井探测仪测量得到的感应电动势与事故井和救援井之间相对距离的关系；2)通过建立救援实验井和事故实验井的方式，标定反演模板；3)对事故井进行瞬变电磁探测，并根据步骤1)建立的瞬变电磁救援井探测信号模型以及步骤2)中的反演模板，得到救援井探头与事故井套管之间的相对距离。本发明专利技术可以广泛应用于瞬变电磁救援井探测领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法
本专利技术涉及瞬变电磁救援井探测领域，主要涉及一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法。
技术介绍
近年来，随着石油钻井行业的发展，井喷等事故在世界各地都时有发生。而在井喷事故发生时，往往会伴随毒气泄漏、火灾爆炸等次生事件，造成人员伤亡、设备损毁、油气井报废和环境污染等严重后果。钻救援井是控制井喷等事故的有效方法，其具体过程是在事故井附近钻一口新井，与事故井进行联通，进而对事故井进行封堵，消除井喷和溢流，以实施救援。在救援井钻井过程中，精准探测救援井与事故井的相对距离是实施救援的关键。瞬变电磁法以法拉第电磁感应定律为基础，通过给发射线圈施加双极性阶跃信号或斜阶跃信号，在激励关断的间歇接收地层中随介质电导率变化的二次涡流场，二次场呈指数规律衰减，其衰减形式主要取决于周围介质的导电性、体积规模以及与探测仪器的距离。瞬变电磁救援井探测技术通过探测地层的等效电导率来计算推演事故井和救援井之间的距离，具有探测距离远、可连续快速测试、探测距离准确等特点。目前基于瞬变电磁救援井探测的研究有很多。例如，《救援井瞬变电磁探测传感器建模与仿真》建立了瞬变电磁法的救援井探测模型，对救援井中瞬变电磁传感器探测性能的影响因素进行了仿真分析。《瞬变电磁阵列救援井近距离探测方法》采用井下瞬变电磁阵列探测系统，判断被测范围内的一段事故井套管与救援井的相对姿态，提高救援井与事故井之间的联通成功率。但是，由于救援井探测距离远，根据涡流扩散理论，需要较晚期的信号，因此信号幅度较小，信噪比较低。而且，事故井在远距离探测时作为点目标对救援井周围地层电导率的影响较小，很难在信号中提取出来。常规方法通常采用傅里叶变换、小波分解等方法滤除噪声来提高信噪比，提高探测精度。但是救援井探测信号幅度很小，特别是事故井刚刚进入探测范围，信噪比很差，有用的信号信息淹没在噪声中，在实际应用中有很大难度。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的目的是提出一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法。采用经验模态分解方法，根据信号本身的特征来对瞬变电磁救援井探测信号进行数据自适应分解，从低信噪比的信号中提取有用信息，克服了小波分析方法基函数无自适应性的问题，保留了傅里叶变换的优点，然后利用提取的有效信息结合瞬变电磁救援井探测信号模型反演救援井与事故井的距离，实现瞬变电磁法救援井探测的远距离探测，进而为救援井与事故井的成功联通，实施有效救援提供依据。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其包括以下步骤：1)建立瞬变电磁救援井探测信号模型，用于表征救援井探测仪测量得到的感应电动势与事故井和救援井之间相对距离的关系；2)通过建立救援实验井和事故实验井的方式，标定反演模板；3)对事故井进行瞬变电磁探测，并根据步骤1)建立的瞬变电磁救援井探测信号模型以及步骤2)中的反演模板，得到救援井探头与事故井套管之间的相对距离。进一步地，所述步骤1)中，建立瞬变电磁救援井探测信号模型的方法，包括以下步骤：1.1)建立井下柱状多层非均匀介质模型，得到探头中接收线圈内的纵向磁场强度；1.2)将纵向磁场强度转换至时域，并结合边界条件，得到接收线圈的感应电动势；1.3)根据事故井套管的尺寸和材料，得到瞬变电磁救援井探测信号模型，用于表征接收线圈上的感应电动势与事故井和救援井之间相对距离的关系。进一步地，所述步骤1.1)中，探头中接收线圈内的纵向磁场强度为：式中，xj和λ为引入的中间变量，且满足其中，ω为角频率，C1为待定系数，I0(·)为第1类0阶修正贝塞尔函数。进一步地，所述步骤1.2)中，接收线圈的感应电动势为：式中，tof为激励信号的关断时间，Kp为G-S逆变换的第p级积分系数，t为采样时间，P为G-S逆变换的阶数。进一步地，所述步骤2)中，标定反演模板的方法，包括以下步骤：2.1)在与待探测事故井地质相近的实验救援井中下放瞬变电磁救援井探测仪；2.2)在距离实验事故井不同距离处，控制瞬变电磁救援井探测仪发射双极性方波信号对实验救援井进行探测，并接收相应的感应电动势信号；2.3)对各种不同距离处探头接收线圈上的感应电动势信号进行EMD分解，得到各感应电动势信号的IMF分量；2.4)对于各不同距离，提取该距离下EMD分解结果中的若干IMF分量作为感应电动势的有效信号，存储为反演模板。进一步地，所述步骤2.3)中，对各种不同距离的感应电动势信号进行EMD分解，得到各感应电动势信号的IMF分量的方法，包括以下步骤：2.3.1)将N个测量周期的感应电动势信号组合成向量形式U(tl,σ)；U(tl,σ)＝[U1(tl,σ)U2(tl,σ)…UN(tl,σ)]，其中，Un(tl,σ)为第n个测量周期中tl时刻采样得到的感应电动势信号，且n＝1,2,3,...,；2.3.2)找出原始数据序列U(tl,σ)所有的极大值点和极小值点，并将所有的极大值点用三次样条插值函数拟合形成原始数据序列的上包络线BU，将所有的极小值点用三次样条插值函数拟合形成原始数据的下包络线BD；2.3.3)求取上包络线和下包络线的均值序列UM：2.3.4)将原始数据序列U(tl,σ)和均值序列UM做差，得到一个新的数据序列UNEW：UNEW＝UO-UM，2.3.5)判断新的数据序列UNEW是否满足IMF的条件，如果不满足，则对新的数据序列UNEW重复步骤2.3.2)-2.3.4)，如果满足IMF的条件，则将新的数据序列UNEW作为原始序列的一个IMF成分UIMFm，其中，m表示第m个IMF成分，并得到剩余部分UL：其中，X表示已经找到了X个IMF成分；2.3.6)如果剩余部分UL是单调函数或是一个不能够继续分解的常量时，停止分解过程，否则对剩余部分UL重复步骤2.3.1)-2.3.3)。进一步地，所述IMF条件为：①函数在整个时间范围内，局部极值点和过零点的数目相等，或最多相差一个；②在任意时刻点，局部最大值的包络和局部最小值的包络平均必须为零。进一步地，所述步骤3)中，对事故井进行瞬变电磁探测，并根据步骤1)建立的瞬变电磁救援井探测信号模型以及步骤2)中的反演模板，得到救援井探头与事故井套管之间的相对距离的方法，包括以下步骤：3.1)将瞬变电磁救援井探测仪从救援井中下入至待探测区域；3.2)通过瞬变电磁救援井探测仪周期性发射双极性方波信号，并通过接收线圈接收感应电动势，经过放大滤波处理后转换为数字信号，发送给地面系统；3.3)地面系统接收到采集的感应电动势信号后，对N个测量周期的感应电动势信号组合成的向量进行经验模型分解，得到其IMF分量；3.4)提取其中的p1阶到p2阶IMF分量，并将提取的IMF分量与反演模板中的EMD分解结果进行比对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于包括以下步骤：/n1)建立瞬变电磁救援井探测信号模型，用于表征救援井探测仪测量得到的感应电动势与事故井和救援井之间相对距离的关系；/n2)通过建立救援实验井和事故实验井的方式，标定反演模板；/n3)对事故井进行瞬变电磁探测，并根据步骤1)建立的瞬变电磁救援井探测信号模型以及步骤2)中的反演模板，得到救援井探头与事故井套管之间的相对距离。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)建立瞬变电磁救援井探测信号模型，用于表征救援井探测仪测量得到的感应电动势与事故井和救援井之间相对距离的关系；
2)通过建立救援实验井和事故实验井的方式，标定反演模板；
3)对事故井进行瞬变电磁探测，并根据步骤1)建立的瞬变电磁救援井探测信号模型以及步骤2)中的反演模板，得到救援井探头与事故井套管之间的相对距离。


2.如权利要求1所述的一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于：所述步骤1)中，建立瞬变电磁救援井探测信号模型的方法，包括以下步骤：
1.1)建立井下柱状多层非均匀介质模型，得到探头中接收线圈内的纵向磁场强度；
1.2)将纵向磁场强度转换至时域，并结合边界条件，得到接收线圈的感应电动势；
1.3)根据事故井套管的尺寸和材料，得到瞬变电磁救援井探测信号模型，用于表征接收线圈上的感应电动势与事故井和救援井之间相对距离的关系。


3.如权利要求1所述的一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于：所述步骤1.1)中，探头中接收线圈内的纵向磁场强度为：



式中，xj和λ为引入的中间变量，且满足其中，ω为角频率，C1为待定系数，I0(·)为第1类0阶修正贝塞尔函数。


4.如权利要求1所述的一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于：所述步骤1.2)中，接收线圈的感应电动势为：



式中，tof为激励信号的关断时间，Kp为G-S逆变换的第p级积分系数，t为采样时间，P为G-S逆变换的阶数。


5.如权利要求1所述的一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于：所述步骤2)中，标定反演模板的方法，包括以下步骤：
2.1)在与待探测事故井地质相近的实验救援井中下放瞬变电磁救援井探测仪；
2.2)在距离实验事故井不同距离处，控制瞬变电磁救援井探测仪发射双极性方波信号对实验救援井进行探测，并接收相应的感应电动势信号；
2.3)对各种不同距离处探头接收线圈上的感应电动势信号进行EMD分解，得到各感应电动势信号的IMF分量；
2.4)对于各不同距离，提取该距离下EMD分解结果中的若干IMF分量作为感应电动势的有效信号，存储为反演模板。


6.如权利要求1所述的一种基于经验模态分解的瞬变电磁救援井探测方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，对各种不同距离的感应电动势信号进行EMD分解，得到各感应电动势信号的IMF分量的方法，包括以下步骤：
2.3.1)将N个测量周期的感应电动势信号组合成向量形式U(tl,σ)；
U(tl,σ)＝[U1(tl,σ)U2(tl,σ)…UN(tl,σ)]，
其中，Un(tl,σ)为第n个测量周期中tl时刻采样得到的感应电动势信号，且n＝1,2,3,...,；
2.3.2)找出原始数据序列U(tl,σ)所有的极大值点和极小值...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝希宁，许亮斌，李中，李国玉，范白涛，耿亚楠，李红星，盛磊祥，罗洪斌，王宇，袁俊亮，罗曦，李爱勇，
申请(专利权)人：中国海洋石油集团有限公司，中海油研究总院有限责任公司，中海油田服务股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11