低滲油藏寬帶壓裂中儀表壓力梯度信號提純技術(shù)

摘 要 針對滲透率很低的油藏，在水平井注氣過程中，水平井與裂縫布井方位、水平井層位、減氧空氣氧氣含量、注氣速率等參數(shù)，會對油藏水驅(qū)的啟動壓力梯度信號形成干擾，影響后期驅(qū)油效果，也會影響低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)的安全性的問題，提出一種儀表壓力梯度信號提純技術(shù)，設(shè)計存在干擾下的壓力梯度擬合方法，利用擬合因子提取信號特征；油藏的壓力梯度-外部干擾曲線在梯度下降階段是一條上凹型曲線，利用其非達(dá)西滲流特征，設(shè)計cost函數(shù)實現(xiàn)對儀表信號數(shù)據(jù)集的代價函數(shù)求解，完成擬合；分解分量，根據(jù)流體在地層中形成側(cè)向線性驅(qū)替規(guī)律，獲取壓力梯度信號的自適應(yīng)譜；在外部干擾條件下獲取最佳旋轉(zhuǎn)角，推導(dǎo)獲得直達(dá)波信號完成信號提純。實驗證明：該方法針對低滲油藏寬帶壓裂中儀表的壓力梯度信號提純效果好，而且波形沒有失真，確保了提純精度。

關(guān)鍵詞 儀表壓力梯度 信號提純 低滲油藏 信號波形 稀疏特性

中圖分類號 TN958 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0665-06

在低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，信號提純技術(shù)在儀表信號傳輸過程中起著重要作用。在進(jìn)行低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)時，常常會產(chǎn)生高頻沖擊波和壓力變化。利用壓力梯度儀表進(jìn)行測量并采集低滲油藏寬帶壓裂壓力信號，這些突發(fā)信號可能會干擾信號的傳輸和準(zhǔn)確接收。因此，信號通常需要經(jīng)過一系列的處理和提純，通過消除信號中的干擾、信號降噪、增強(qiáng)信號特征等手段，來提高儀表信號傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性?；み^程涉及多參量和復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。因此，儀器傳感器所獲得的信號常受多種干擾的影響，如電磁噪聲、溫度變化等，這些干擾會掩蓋有用信號并增加信號提純的難度。目前，針對信號提純技術(shù)在化工儀表領(lǐng)域中應(yīng)用的研究很少，有學(xué)者提出了一些信號處理技術(shù)。文獻(xiàn)［1］提出信號稀疏特性提純方法，考慮參考通道中混合信號的變換狀態(tài)，以及變換狀態(tài)對信號時延的敏感性，從多徑干擾信號中分離出信號尖峰，實現(xiàn)信號提純；但由于干擾信號的復(fù)雜性，其與目標(biāo)信號的諧波或者其他相關(guān)性會導(dǎo)致信號提純過程中錯誤的識別和分離。文獻(xiàn)［2］提出轉(zhuǎn)子振動降噪提純方法，在研究中深度設(shè)計出信號速度采集標(biāo)準(zhǔn)，通過混疊信號的原始模態(tài)，增加針對原始信號的分解，在理想基礎(chǔ)環(huán)境下完成信號降噪，有效完成了信號提純處理，但該方法在實際應(yīng)用中缺少對信號成分的獨(dú)立分析，因此在低滲油藏寬帶壓裂這種存在多種干擾源和復(fù)雜的環(huán)境中，很可能漏掉直達(dá)波信號中的重要信息。筆者提出一種針對低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中的儀表壓力梯度信號進(jìn)行提純的技術(shù)，以期實現(xiàn)對信號的提純，確保提純精度和波形無失真。

1 壓力梯度信號的擬合

在低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，注氣過程存在多種干擾因素，可能對壓力梯度信號產(chǎn)生不利影響，分析如下：

a. 水平井與裂縫布井方位是重要的干擾因素。裂縫布井方位和水平井的位置、傾角會影響注入流體的路徑和分布，進(jìn)而影響壓力梯度信號，不正確的方位或水平井位置可能導(dǎo)致無法充分覆蓋目標(biāo)區(qū)域，降低水驅(qū)效果。

b. 水平井層位也是關(guān)鍵干擾因素，選擇不當(dāng)?shù)木畬游粫棺⑷肓黧w與目標(biāo)層錯位，導(dǎo)致注入流體偏離有效油區(qū)，無法達(dá)到充分驅(qū)替效果，從而減弱驅(qū)油效果。

c. 減氧空氣氧氣含量和注氣速率也是干擾因素。氧氣含量變化會直接影響注入流體濃度和壓力，控制注氣速率可調(diào)控均勻性和覆蓋范圍。若未適當(dāng)控制氧氣含量和注氣速率，可能導(dǎo)致壓力梯度信號失真，進(jìn)而影響水驅(qū)效果。

考慮到以上干擾因素，設(shè)計存在干擾下的壓力梯度擬合方法勢在必行。在注氣過程中，壓力梯度信號受到多種干擾因素的影響，導(dǎo)致信號失真、出現(xiàn)噪聲。在低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，油藏的壓力梯度-外部干擾曲線是一種反映注氣過程信號特征的重要曲線。在這個曲線的梯度下降階段，曲線呈現(xiàn)上凹型特點(diǎn)，形成一條明顯的峰值。通過分析低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中的壓力梯度-外部干擾曲線可以發(fā)現(xiàn)，特定階段下的梯度下降區(qū)域具有非達(dá)西滲流特征（非達(dá)西滲流是指在多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動速度不均勻的現(xiàn)象，更多集中在裂縫等通道中，而不是在整個介質(zhì)中均勻分布）。基于這一特點(diǎn)，通過擬合因子和代價函數(shù)的設(shè)計，提取出壓力梯度信號中具有非達(dá)西滲流特征的部分，設(shè)計一個適應(yīng)性的cost函數(shù)，求解其代價函數(shù)，提取出具有非達(dá)西滲流特征的壓力梯度信號，去除干擾信號并初步分離目標(biāo)信號。

建立信號功率譜的擬合因子特征提取，對壓裂作業(yè)中的待識別信號進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)記，擬合過程［3］如下：

Data=（X，Y）=［（x（1），y（1）），（x（2），y（2）），…，（x（m），y（m））］ （1）

其中，m表示擬合過程中的向量參數(shù)；（X，Y）表示擬合過程中信號的橫、縱傳輸方向；x表示儀表壓力梯度信號功率譜的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；y表示信號功率。

此時獲得了儀表壓力梯度信號的多項擬合最優(yōu)解，在梯度下降階段，去除干擾信號并初步分離目標(biāo)信號，更有利于對信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的有效提純。

2 儀表壓力梯度信號自適應(yīng)譜計算

3 儀表壓力梯度信號提純技術(shù)

上文通過對儀表信號的接收通道進(jìn)行分?jǐn)?shù)階小波變換，分離出儀表的直達(dá)波信號和多徑干擾信號，由于這兩種類型的信號通?；殳B于信號時頻區(qū)域，在稀疏域上能更好地實現(xiàn)二者的分離，利用濾波器完成對其他多徑干擾信號的有效抑制，但受到濾波器的設(shè)計局限，在抑制多徑干擾信號的同時，很難實時保留直達(dá)波信號。考慮到這一局限問題，參考小波變換關(guān)系及對應(yīng)條件，從變換域的角度出發(fā)，根據(jù)尖峰參數(shù)深度推導(dǎo)出直達(dá)波參數(shù)，在外部干擾條件下完成對儀表壓力梯度信號的直達(dá)波信號重構(gòu)提純。

此時獲取到完整的儀表壓力梯度信號的提純結(jié)果。具體的提取流程如下：

a. 在固定時段內(nèi)完成旋轉(zhuǎn)角a的連續(xù)變化，在階次p固定的情況下，變換儀表壓力梯度信號的小波形態(tài)，轉(zhuǎn)換成參考信號通道的接收能量，實現(xiàn)信號三維分布圖分解；

b. 在信號分布平面上查找峰值點(diǎn)，根據(jù)峰值點(diǎn)的具體分布位置估算信號的最佳旋轉(zhuǎn)角和階次；

c. 計算信號中純凈直達(dá)波信號的參數(shù)分量；

d. 根據(jù)估算出的直達(dá)波信號參數(shù)分量，完成對應(yīng)的儀表信號提純。

4 實驗驗證分析

為了深度驗證筆者提出的針對低滲油藏寬帶壓裂中儀表壓力梯度信號提純技術(shù)的有效性，接下來進(jìn)行相應(yīng)的性能分析和實驗驗證。

首先，制備與實際儲層相似的實驗?zāi)Ｐ停x取平均孔隙度為12.3%、平均滲透率為0.22 mD的砂巖露頭上鉆取的小巖心為對象，測得其黏度礦物——綠泥石92%、伊利石7%、黏土總量13%，與儲層巖樣對比，極為接近，可以反映流體儲層中的流動特征，儀表壓力梯度信號提純裝置如圖1所示。設(shè)置寬帶壓裂為復(fù)雜裂縫，裂縫模型尺寸0.41 m×0.12 m，基質(zhì)滲透率300 μm2，裂縫半長0.13 m，裂縫寬度0.01 mm。在實驗?zāi)Ｐ蛢山且约傲芽p中鉆取深孔，以模擬注水井和采出井，鉆取表層潛孔布設(shè)壓力梯度儀表。

設(shè)置的儀表壓力梯度信號的直達(dá)波信號參數(shù)為：儀表信號帶寬5 MHz，實驗觀測時長8 μs，小波信號在該方法中使用的調(diào)頻斜率為6.25×1011 Hz/s，將儀表壓力梯度信號的實驗采樣頻率設(shè)定為100 MHz，信號采樣點(diǎn)數(shù)為500。為保證實驗中能有效地明確信號幅值變化，將信號的歸一化幅度設(shè)置為0.1；在實驗中為確定提純性能及效果，將信噪比設(shè)置為8 dB。在上述實驗初始條件下獲取到的直達(dá)波信號如圖2所示。

從圖2可以看出，在儀表信號提純之前，實驗信號屬混合信號，其中既包括直達(dá)波信號又包括不同的多徑干擾信號，在實驗中分別通過1、2 μs的延時模擬兩條多徑干擾信號，這兩條多徑干擾信號的幅值分別設(shè)置為10、20 dB。在設(shè)置條件下獲取的混合信號如圖3所示。

再通過連續(xù)變化階次及旋轉(zhuǎn)角完成對實驗參考通道接收到儀表信號的小波變換，在矩陣區(qū)域光纖傳感器的輔助下獲取對應(yīng)的信號圖，根據(jù)信號正交稀疏字典矩陣，獲取實驗通道接收信號在旋轉(zhuǎn)角最優(yōu)狀態(tài)下的儀表壓力梯度信號初步提純結(jié)果，如圖4所示。

從圖4可以觀察到所提技術(shù)在低滲油藏寬帶壓裂相關(guān)信號提純方面取得了顯著效果，圖中顯示了3個獨(dú)立的尖峰，分別對應(yīng)著儀表壓力梯度信號中的直達(dá)波信號和另外兩個多徑干擾信號。這是因為筆者方法利用擬合因子和代價函數(shù)提取具有非達(dá)西滲流特征的壓力梯度信號，可以全面獲取有效信息，并去除了大部分干擾信號，有助于提升信號提取的準(zhǔn)確性。

再從分?jǐn)?shù)階小波變換的對應(yīng)關(guān)系出發(fā)，在信號提純過程中再次消除其中包含的多徑干擾信號，消除多徑干擾信號后的旋轉(zhuǎn)角最優(yōu)解下的信號結(jié)果如圖5所示，消除多徑干擾信號后的直達(dá)波信號情況如圖6所示?？梢钥闯?，信號提純后所提方法能夠很好地實現(xiàn)對多徑干擾信號的抑制作用，完整保留了直達(dá)波信號，在信號波形中直達(dá)波信號十分接近提純后的純凈信號，表明所提方法對信號的提純效果較好。這是因為筆者方法通過基于小波變換的方法進(jìn)行信號提純，可以有效去除冗余混合部分，并從中獲得低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中的直達(dá)波信號。由此，在優(yōu)化壓裂操作參數(shù)的過程中，可以更好地了解注氣過程中不同區(qū)域的滲透性分布、相對滲透率及油水相對滲透率等重要物理特性。這將有助于優(yōu)化注氣速率、控制注入流體濃度、氧氣含量等操作參數(shù)，從而提高驅(qū)替效果和最大化產(chǎn)能。

為了進(jìn)一步驗證筆者方法的性能區(qū)間，與稀疏特性提純法［1］和轉(zhuǎn)子振動降噪提純法［2］進(jìn)行對比，圖7給出了3種方法在不同信噪比條件下的直達(dá)波信號提純后的波形失真率。

通過圖7的對比結(jié)果可以看出，所提方法提純信號的波形失真率相較于稀疏特性提純方法和轉(zhuǎn)子振動降噪提純法要小，這也證明所提方法的信號提純性能更好。在信噪比逐漸增大的過程中，所提方法經(jīng)過信號提純后獲取到的信號波形失真率在不斷減小，說明提純后得到的直達(dá)波信號精度更高。這是因為筆者方法考慮低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，油藏的壓力梯度信號受多種干擾因素的影響，導(dǎo)致信號的失真和噪聲，通過壓力梯度擬合去除了大部分干擾噪聲，進(jìn)一步借助流體在地層中的側(cè)向線性驅(qū)替規(guī)律，通過信號峰值和小波變換快速得出目標(biāo)直達(dá)波信號，并提供了準(zhǔn)確的信號特性信息。這種方法在優(yōu)化壓裂操作參數(shù)、改進(jìn)產(chǎn)能預(yù)測以及提高生產(chǎn)過程的監(jiān)測和控制能力方面具有重要的應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

介紹了一種針對低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中儀表的壓力梯度信號提純的技術(shù)。通過設(shè)計壓力梯度擬合方法，借助非達(dá)西滲流特征提取信號峰值，有效去除信號中的干擾成分，實現(xiàn)直達(dá)波信號的提純。實驗結(jié)果表明，該方法在提純效果和信號準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)良好。該方法的目標(biāo)主要集中在壓力梯度信號的提純，未來的研究可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他類型的儀表信號，實現(xiàn)多種信號處理，以提高整體低滲油藏的監(jiān)測和控制準(zhǔn)確性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 應(yīng)濤，王雪寶，田威，等.非合作無源探測中的參考信號提純新方法［J］.航空學(xué)報，2022，43（2）：410-419.

［2］ 胡超，毛寬民，張東峰，等.ICEEMDAN結(jié)合FastICA方法在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)降噪提純中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造工程，2022（1）：113-118；103.

［3］ 邢毓華，段沁霖.高倍頻大時間帶寬積線性調(diào)頻信號產(chǎn)生技術(shù)［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2022，59（19）：162-170.

［4］ 朱鑫琦，張佩，王光輝，等.基于歸一化本征熒光信號的氣溶膠分類技術(shù)研究［J］.中國激光，2023，50（13）：223-228.

［5］ 史鵬亮，王曉宇，薛瑞.基于陣列天線波束形成的衛(wèi)星導(dǎo)航信號提純［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2022，48（10）：1906-1914.

［6］ 馬媛，陳友興，李鵬，等.經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解火箭發(fā)動機(jī)多界面粘結(jié)檢測特征信號提取技術(shù)［J］.宇航材料工藝，2021，51（1）：90-93.

［7］ 溫科，李常洪，徐曉肆.質(zhì)量信號對創(chuàng)新績效的影響研究：技術(shù)可供性的中介作用與技術(shù)特征的調(diào)節(jié)作用［J］.科技管理研究，2023，43（7）：20-32.

［8］ 陳勝哲，景艷紅，任寧，等.用于航天器振動測量的激光雷達(dá)微弱信號提取技術(shù)［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2021（4）：113-116.

［9］ 蘇紫娜，馬軍，王曉東，等.改進(jìn)SVD算法的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡快速提純研究［J］.振動與沖擊，2023，42（10）：144-154.

［10］ 白冰，朱維斌，黃垚，等.基于解調(diào)原理的莫爾信號特征分離技術(shù)研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2022（7）：74-78.

［11］ 袁赫良，金天，曲家慶，等.旋轉(zhuǎn)條件下非連續(xù)衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理技術(shù)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2021，43（9）：2573-2580.

［12］ 沈夢萍，段然，張海燕，等.基于圖形處理器的轉(zhuǎn)變邊緣傳感器讀取系統(tǒng)信號處理技術(shù)研究［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，58（2）：203-208.

（收稿日期：2023-11-27，修回日期：2024-01-24）

Purification Technology for Instrument Pressure Gradient Signals in the Broadband Fracturing of Low Permeability Reservoir

WU Zhen， WU Shuai

（No. 1 Oil Production Plant， CNPC Changqing Oilfield Co.）

Abstract " For reservoirs with very low permeability and the gas injection occurs in the horizontal well， the parameters like the horizontal well and fracture distribution， horizontal well position， oxygen content in the oxygen-reduced air， and the gas injection rate will interfere with the startup pressure’s gradient signals of reservoir water flooding， and affect the effect of later oil flooding， and also influence the safety of broadband fracturing operation in low permeability reservoirs. In this paper， a purification technology for the instrument pressure gradient signal was proposed and a pressure gradient fitting method under interference was designed， including making use of the fitting factor to extract signal features. Considering "upper concave of the reservoir’s pressure gradient-external interference curve in the gradient descent stage， having the non-Darcy flow characteristics based to design cost function was implemented to solve the cost function of the instrument signal’s data set and complete the fitting operation. Through decomposing pressure gradient signal’s component of the instrument， the adaptive spectrum of the pressure gradient signal was obtained according to the lateral linear displacement law of the fluid in the formation， including the optimal rotation angle obtained under the condition of external interference， and the direct wave signal was derived to complete signal purification. The experimental results prove that， the method has a good purification effect on the pressure gradient signals of the instrument in the broadband fracturing of low permeability reservoir， and the waveform is not distorted to ensure purification accuracy.

Key words " instrument pressure gradient， signal purification， low permeability oil reservoir， signal waveform， sparse characteristics