随着海上油气田加密井调整开发技术应用越来越普遍，钻井过程中井眼碰撞的风险也成了一个不容忽视的问题。目前，防碰检测技术主要有电测与井眼轨迹扫描、随钻测量技术与井眼轨迹扫描、井下电磁测量以及井口监听四种方式。前三种为预测技术，由于受实时性的影响，有时难以满足施工需求。第四种为监测技术，但受人员的经验及环境影响大，工作强度大、难以做到全程监听。为解决防碰监测的难题，笔者提出了采用钻头振动波方法对钻头趋近邻井套管进行实时监测的方法，其原理是，当施工井的钻头破碎地层时所产生的振动会在地层中传播，并将振动能量传递至邻井套管。鉴于套管对振动信号低衰减特性，使其成为连接井底与地面的高效信息通道，将振动信号输送到地面，通过安装在套管顶端的加速度传感器采集井下振动信号，作为判断钻头趋近邻井套管的程度^[1-4]的依据。

由于钻头振动信号具有非线性、非平稳性等特征，类型复杂，如何提取蕴藏在时间序列中的特征参数，是一个比较棘手的问题。鉴于小波分析方法具有良好的时频域分析性能，本文提出了一种基于小波变换并结合信号本身的特点对钻头振动信号进行特征提取的方法。

1 防碰监测系统

防碰监测系统基本构成如图 1所示。该系统是由振动检测传感器、信号滤波放大系统、数据采集系统、采集分析软件构成。系统是基于对套管地面振动信号的检测，通过对信号的分析处理，找出信号特征随井间距离的变化关系，根据信号的变化预测钻头趋近或碰撞风险邻井，当信号特征值超过门限值时实现报警。该系统操作简单方便，不受作业条件和作业环境的影响，也不影响正常的油井生产及钻井施工，大大降低了现场井口监听人员的工作强度和精神压力。

2 小波包变换分析方法

小波包分析是一种信号的时频分析方法，是一种比小波分析更为精细的分解方法，特别适用于非平稳信号分析。该方法逐级把信号分解成低频和高频两部分，通过n层小波包的分解，共分解为j=2n个子频率带，重构原信号也可由这些等宽的子频带构成。如果某个信号频带为[0，W]，依据小波包分解的原理，每个子频带宽即为W/2n。通过小波包分解，可以分析钻头振动信号各频率成分的能量分布、主频带所在位置等。小波包分解层次示意如图 2，其中S表示原信号，V开头表示低频分量，W开头表示高频分量，数字表示小波包分解的层数^[5]。由于小波包这种具有精确刻画高频率信号的能力，从而更加精细地刻画信号在不同频带的局部信息。

和傅里叶频谱分析技术一样，小波包频带分析技术也是根据Parseval能量积分等式。信号x(t)在时域上的能量为

(1)

式(1)与x(t)的小波包变换系数C_jk由Parseval能量积分等式关联起来，可以得到

(2)

由式(2)可知，小波包变换系数具有能量量纲，可用于信号的频带能量分析。信号在不同频段上的能量分布由信号中包含有不同的信息造成的，经过小波包分解后，信号中的信息成分在各分解尺度分量中的分布也存在差异，故不同的信号小波包分解特征频段上的特征频谱或能谱系数也存在差异，因而考虑采用小波包分解在各子带上的归一化能量即能谱作为信号特征^[6-8]。信号处理流程如图 3所示。

3 现场试验及数据分析 3.1 现场试验情况

在渤海某海上油田区块钻井现场进行试验，试验在L平台(井号以L开头)进行，其中L3、L4、L5、L7、L8、L10等井二开已钻完，L11井二开尚未开钻。利用Compass进行防碰扫描来选定L1l井的风险邻井以及对比分析井，以确定L11井二开井段的防碰监测井，得到具有防碰风险的监测井为L5、L8，采样频率为4 000 Hz，监测数据回放如图 4所示。当L11井趋近L5井时，时域信号有明显的变化。

3.2 试验数据分析

根据图 3所示的信号处理流程，对L11井趋近L5井的时域信号进行特征提取，采用db4小波包3层小波包分解后各层能量归一化结果如图 5所示，图中横坐标为小波包分解后的频率区间，纵坐标是归一化能量。

从图 5中小波包能量谱图可以看出，在钻井和风险井的钻头振动信号经db4小波包3层分解后各层能量在1、2、3、4四个频率区间内相对集中，占全部能量的绝大部分。对这四个特征分量进行功率谱分析，结果如图 6。

小波包分解后的钻头振动信号的功率谱信息如图 6所示，主要振动信号频率分布为0~1 000 Hz的频率段内，其中200~300Hz特征频率段信号所含能量最高，是反映钻头与地层冲击作用的关键频率成分。对该频段信号进行重构，可以作为滤去干扰信号的一种手段，得出特征信息。经过大量实测数据处理得到的结果和上述结论一致。因此，我们分别选取正钻井与风险井信号经小波包分解后的1、2层两个特征分量重构信号，并将其能量作为正钻井钻头趋近邻井距离的一种衡量标准，运用到海上丛式井防碰的现场试验数据分析，结果如表 1和图 7所示。

表 1和图 7给出了L11井趋近L5井时的相对能量随中心距变化。可以看出随着在钻井钻头对风险邻井井筒的趋近，时域信号的相对能量有明确的增大趋势。而且随中心距的增大，信号能量以指数形式衰减，从分析结果可以看出，以信号的相对能量做标准，可以对钻头趋近邻井套管进行预测。

4 结论

为解决钻头振动波用于防碰监测时的信号滤波，研究了基于小波包变换的信号特征提取方法，并进行了现场试验数据分析，得到了以下结论：

(1) 套管头采集的钻头振动信号分散在0~ 1 000 Hz的频率段内，其中200~300 Hz特征频率段为反映钻头冲击作用的特征频率成分。

(2) 信号特征频率段在200~300 Hz，该频率段能量比较集中，相对能量与中心距呈负指数关系，随中心距增大相对能量衰减迅速。

(3) 以200~300 Hz频率段信号能量作为判断钻头趋近邻井套管程度的标准，可以准确识别潜在的井眼碰撞风险，从而避免事故的发生。