基于小波分析的钻井泵水击监测的研究色差仪

基于小波分析的钻井泵水击监测的研究

基于小波分析的钻井泵水击监测的研究 2011年12月09日 来源： 中图分类号：TE 926.07　　　文献标识码：AHydraulic impact monitoring study on drilling pumps with wavelet analysisYANG Qi-jun1，SUN Hui2，PEI Jun-feng3（1．Department of Mechanical Engineering, University of Petroleum（Huadong）,Dongying 257062,China;2.Research Institute of Production Technology, Shengli Petroleum Administration Bureau,Dongying 257000,China;3.Department of Mechanical Engineering, Jiangsu Institute of Petrochemical Technology,Changzhou 213016,China)Abstract:Hydraulic impacts of a triplex pumps do harm to the pump during drilling operation. As the vibration signals measured are complicated and the traditional signal processing method can not extract hydraulic impact response features effectively on highly noised background signals,so it is necessary to study new and more effective feature extraction methods.This paper makes an approach on the feature extraction of vibration signals caused by hydraulic impact in a triplex pump with wavelet analysis.Through the wavelet transform's reconstruction of some scales with the help of liquid pressure waveform phase analysis in some pump cylinder or the piston position time mark signal phase analysis, some much more distinctive features as well as the time location of any hydraulic impact can be attained.Key words:wavelet analysis;drill pump;hydraulic end of pump; hydraulic shock control;monitoring 　　三缸往复泵是石油矿场广泛应用于钻井、压裂和注水的重要设备［1］。钻井作业中的水击会造成泵头的振动和窜动、泵体摆振和变形，甚至泵头的断裂和失效［2］。因此，很有必要对水击进行监测，而从测量的振动信号中获取有效的水击振动特征，乃是对其进行振动监测的关键。文献［3］探讨了用振动加速度时域信号进行水击监测。但由于泵的结构及运动复杂，振动时域响应为多种激励响应的组合， 当活塞或缸套出现故障时，测取的振动信号会更加复杂［4］。在复杂的振动响应中，水击造成的响应有可能早已被其他响应所淹没，故有时可能得不出明显的水击脉冲响应的振动特征。小波分析［5］是信号处理的新方法，利用正交小波分解的多分辨分析功能，可以聚焦到信号的任意细节对其进行时频分析，这为水击监测提供了一种新的方法。1　小波分析理论　　信号f(t) 的小波变换wf(a,b)定义为f(t)与子小波函数Ψa,b(t)共轭a,b(t)的卷积［5］，即：　(1)式中，Ψ（t）为振荡衰减且具有紧支集的基本（母）小波函数；a（a≠0）为尺度因子，当a增加时，信号的局部性质减弱，整体性质增强；反之，a减小时，局部性质增强而整体性质减弱；b为平移因子，决定小波变换的时域信息。　　在工程实际中，使用最为广泛的是二进小波变换，即取a=2-j，b=k2-j,而j、k∈Z，且为整数集。　　与傅里叶分析类似，在工程应用中，信号f(t)可以展开为小波级数，即：　(2)式中，Ψj,k(t)=2-j/2Ψ(2-jt-k),它由母小波经二进伸缩和平移得到。如果Ψ(t)选择得当，｛Ψj,k(t)｝可构成一组正交函数基，cj,k=〈f,Ψj,k〉。　　在多尺度分析的基础上，正交小波分解可用快速的Mallat塔型算法实现［6］。若fk为信号的离散采样数据，c0，k=fk，则有分解公式为，　(3)式中，N为采样点数，h(n)和g(n)为共轭镜像滤波器（QMF）的脉冲响应， cj,k 和dj,k分别为信号的逼近系数和信号的细节系数，j为分解的层数。小波相当于等带通滤波器品质滤波器。　　相应地有信号的重建（重构）公式为，　(4)　　可以根据信号特征提取的需要，有目的地重构需要频段，以有效提取所需的特征信息。2　试验装置及信号采集　　试验用NBH-250/60型三缸单作用往复泵。其设备及信号采

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