專利名稱：一種隨鉆電磁波電阻率的測量裝置和測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油、天然氣鉆井作業(yè)隨鉆測量或隨鉆測井領(lǐng)域，特別是用于地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的一種基于高頻欠采樣算法的隨鉆電磁波電阻率測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
電磁波電阻率是地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中用來進(jìn)行實時地層評價、提供鉆井導(dǎo)向信息的重要地質(zhì)參數(shù)。電磁波電阻率隨鉆測量技術(shù)是在傳統(tǒng)電纜電磁波電阻率測量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種可以在鉆井過程中實時測量鉆孔周圍不同方位地層電阻率的測量方法。隨鉆測井是最近幾年來迅速發(fā)展起來的一項先進(jìn)的測井技術(shù)，與常規(guī)測井方法相比較，隨鉆測量井下數(shù)據(jù)能夠更及時、更真實并且精度更高，更加客觀的反應(yīng)地層的真實地質(zhì)特征，滿足了當(dāng)代石油天然氣工業(yè)對測井技術(shù)指標(biāo)的特殊需要。隨著整個石油工業(yè)的不 斷發(fā)展，大斜度井、水平井等鉆井技術(shù)越來越多地被用來開發(fā)規(guī)模更小、物性更差、油層更薄、非均質(zhì)性強(qiáng)的油藏。隨鉆測井(LWD)由于自身的優(yōu)勢和特點，更多地被用于這些油藏的評價和大斜度井、水平井的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井應(yīng)用工作中。其中，隨鉆測井中的電磁波電阻率測井是電法測井中的一種，在石油勘查和鉆井技術(shù)中具有重要地位。由于電磁波在穿越介質(zhì)時產(chǎn)生幅度衰減和相位移動，并且由于地層的電阻率和介電常數(shù)的特性所決定，電磁波在穿越不同地層介質(zhì)時產(chǎn)生的幅度衰減和相位偏移不同。由于電磁波的頻率特性不同，當(dāng)頻率較高時，電磁波幅度衰減和相位偏移主要與地層的介電常數(shù)相關(guān)，而當(dāng)電磁波頻率低于10MHZ時，電磁波幅度衰減和相位偏移主要與地層的電阻率相關(guān)。電阻率對于地質(zhì)導(dǎo)向鉆井和油田地層評價地層電阻率是重要地質(zhì)參數(shù)。用于測量電阻率的方法也很多，電磁波測量方式可以應(yīng)用在導(dǎo)電性差或不導(dǎo)電的鉆井液，這是電流電阻率等測量方式所不能實現(xiàn)的。在美國專利(No. 6218842)公布了一種電磁波電阻率隨鉆測井工具，它包括一個能過產(chǎn)生對個頻率電磁波信號的不對稱發(fā)射裝置設(shè)計，一對被定位在發(fā)射天線陣列末端的接收天線組，在發(fā)射陣列和接收天線組是要測量的井眼地層，一個校準(zhǔn)發(fā)射天線被安裝在兩個接收天線之間，它被用作兩種不同的工作模式。在第一種工作模式它被用于校準(zhǔn)接收天線裝置熱漂移，在這種工作模式下，測量的衰減和相移的參數(shù)，被用于校準(zhǔn)儀器在鉆孔測量地層時發(fā)生的熱漂移。因此當(dāng)每次測量進(jìn)行之前它可以進(jìn)行溫度漂移的校正。第二種工作模式時校準(zhǔn)接收系統(tǒng)可以被用于被鉆地層的電磁波電阻率的測量。但這種方法的缺點在于不能消除溫度漂移影響之外的干擾，如電路中的噪聲等。在中國授權(quán)的發(fā)明專利(NO. CN101482013)中，公開了一種大地電磁波電阻率測量方法及其儀器，儀器包括接收電場強(qiáng)度信號的電場傳感器，接收磁場強(qiáng)度信號的磁場傳感器，兩個分別與電場傳感器和磁場傳感器的輸出端連接的前置放大與濾波器、與前置放大與濾波器的輸出端連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采集控制、數(shù)據(jù)存儲及處理系統(tǒng)。但這種方法的缺點在于不能降低采樣頻率，并在低采樣頻率的情況下測量出所需要的地層參數(shù)。在上述各種現(xiàn)有技術(shù)中，都是利用高頻電磁波在通過地層時會受到電阻率的影響產(chǎn)生幅度的衰減和和相位的偏移，儀器測量電磁波幅度的衰減比和電磁波的相位差，對于有些技術(shù)采用硬件電路測量的方式，但由于電路內(nèi)部噪聲干擾，會影響測量電路的可靠性和精度，而且硬件電路中的模擬器件隨溫度飄移會比較嚴(yán)重。有些采用過采樣方式測量電磁波信號的幅度衰減比和相位差值，但由于電磁波信號本身的頻率較高，過采樣要求比電磁波信號更高的采樣率，這樣高溫、高精度和高速的AD器件幾乎沒有，而且采樣頻率高采樣精度高的AD器件會產(chǎn)生大量的采樣數(shù)據(jù)，這對數(shù)字信號處理器件計算能力的要求更高，由于整個電路工作在高頻狀態(tài)，會使系統(tǒng)的功耗大量增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于 提出一種隨鉆電磁波電阻率測量方法，包括產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號；通過發(fā)射天線線圈將所述電磁波功率信號發(fā)射到地層中；通過兩個接收天線線圈分別接收含有被測地層信息的電磁波功率信號，生成兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號；對所述的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號分別進(jìn)行帶通濾波，并將經(jīng)過帶通濾波后的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號通過AD采樣后生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號；對所述兩路電磁波采樣信號的每一路電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成每一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息；根據(jù)所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息，生成所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差；根據(jù)所述的幅值比和相位差，根據(jù)圖表反演生成所述電磁波功率信號的電阻率圖板。為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的還在于提出一種隨鉆電磁波電阻率測量裝置，包括電磁波功率信號產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號；發(fā)射天線線圈，用于將產(chǎn)生的所述電磁波功率信號發(fā)射到地層中；兩個接收天線線圈，用于接收含有被測地層信息的電磁波功率信號，生成兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號；電磁波采樣信號生成裝置，用于對所述的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號分別進(jìn)行帶通濾波，并將經(jīng)過帶通濾波后的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號通過AD采樣后生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號；幅值信息與相位信息生成裝置，用于對所述兩路電磁波采樣信號的每一路電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成每一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息；幅值比和相位差生成裝置，用于根據(jù)所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息，生成所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差；電阻率圖板生成裝置，用于根據(jù)所述的幅值比和相位差，根據(jù)圖表反演生成所述電磁波功率信號的電阻率圖板。本發(fā)明實施例的這種基于高頻欠采樣算法的隨鉆電磁波電阻率測量方法及測量裝置，硬件電路簡單、模擬器件少，并且溫度對器件的影響弱。本發(fā)明能夠通過較低的采樣率對電磁波信號進(jìn)行采樣(這是因為對于高溫AD器件來說高采樣率與高精度是一對相互沖突的技術(shù)參數(shù)指標(biāo))，這樣可以選用采樣頻率較低但采樣精度高的高溫AD器件，對電磁波信號進(jìn)行采樣，可以提高測量系統(tǒng)的精度，降低整個系統(tǒng)工作頻率減少整套系統(tǒng)的功率損耗。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明的一種隨鉆電磁波電阻率測量方法的一個實施例的方法流程圖；圖2為圖I所示實施例中的產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號步驟的方法流程圖；圖3為圖I所示實施例中的對所述的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號分別進(jìn)行帶通濾波，并通過AD采樣后生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號的步驟的方法流程圖；圖4為圖I所示實施例中的對所述兩路電磁波采樣信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成幅值信息和相位信息的步驟的方法流程圖； 圖5為本發(fā)明的一種隨鉆電磁波電阻率測量裝置的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實施例的隨鉆電磁波電阻率測量裝置中的發(fā)射天線線圈和接收天線線圈在無磁鉆鋌中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實施例的隨鉆電磁波電阻率測量裝置中的電磁波功率信號產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明實施例的隨鉆電磁波電阻率測量裝置中的電磁波采樣信號生成裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明實施例的隨鉆電磁波電阻率測量裝置中的幅值信息與相位信息生成裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明實施例的幅值信息與相位信息生成裝置進(jìn)行算法處理過程的原理框圖；圖11為利用本發(fā)明實施例的隨鉆電磁波電阻率測量裝置及測量方法進(jìn)行算法處理后的效果圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。由于本發(fā)明使用了欠采樣技術(shù)對高頻電磁波信號進(jìn)行采樣，因此需要經(jīng)過響應(yīng)的算法來消除欠采樣的頻域混疊。其原理如下傳統(tǒng)的采用奈奎斯特采樣定理的電磁波信號采樣的采樣率需要高于被采樣的電磁波信號的頻率，即奈奎斯特采樣定律設(shè)有一個頻率帶限信號x(t)，其頻帶限制在(0，fH)內(nèi)，如果以不小于fs=2fH的采樣速率對x(t)進(jìn)行等間隔采樣，得到時間離散的采樣信號X (n) =X(nTS)(其中Ts=l/fs稱為采樣間隔)，則原信號x(t)將被所得到的采樣值x (n)完全地確定。該定理說明如果以不低于信號最高頻率兩倍的采樣率對帶限信號進(jìn)行采樣，那么所得到的離散信號采樣值就能準(zhǔn)確地確定原信號。即被采樣的電磁波信號在頻域上不會產(chǎn)生混疊。
但由于被采樣的電磁波信號最高頻率為2MHZ，這樣使用傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣定理進(jìn)行采樣就需要高于2倍的采樣頻率，這樣高采樣頻率的高精度的而且是高溫的AD轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)有的器件中沒有，只能采用欠采樣方式和響應(yīng)的數(shù)字信號處理算法進(jìn)行處理，來準(zhǔn)確的確定被采樣前的電磁波信號。由于被采樣的電磁波信號為帶通信號，其本身帶寬并不一定很寬，因此有可能使用比NyquiSt定理所規(guī)定的采樣率更低的速率來采樣電磁波信號。對于一個帶通很窄的電磁波信號，即設(shè)一個頻率帶限電磁波信號x(t)，其頻帶限制在(fL，fH)內(nèi)，如果其采樣速率fs滿足
權(quán)利要求
1.一種隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，所述隨鉆電磁波電阻率測量方法包括: 產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號； 通過發(fā)射天線線圈將所述電磁波功率信號發(fā)射到地層中； 通過兩個接收天線線圈分別接收含有被測地層信息的電磁波功率信號，生成兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號；對所述的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號分別進(jìn)行帶通濾波，并將經(jīng)過帶通濾波后的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號通過AD采樣后生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號; 對所述兩路電磁波采樣信號的每一路電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成每一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息； 根據(jù)所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息，生成所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差； 根據(jù)所述的幅值比和相位差，根據(jù)圖表反演生成所述電磁波功率信號的電阻率圖板。
2.如權(quán)利要求I所述的隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，所述產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號并通過發(fā)射天線線圈發(fā)射到地層中的步驟包括 通過信號鎖相環(huán)產(chǎn)生所需頻率的電磁波功率信號； 將所述電磁波功率信號通過D類功率放大器，生成調(diào)諧所需的交流功率信號； 所述交流功率信號根據(jù)調(diào)諧驅(qū)動信號，調(diào)諧生成正弦高壓功率激勵信號； 將所述的正弦高壓功率激勵信號加載到所述發(fā)射天線線圈上，并通過所述發(fā)射天線線圈分別發(fā)射到地層中。
3.如權(quán)利要求I所述的隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，所述通過發(fā)射天線線圈將電磁波功率信號發(fā)射到地層中，包括 通過四個發(fā)射天線線圈將所述電磁波功率信號發(fā)射到地層中，所述電磁波功率信號的為500KHZ或2MHz，分時發(fā)送，通過兩個接收天線線圈接收所述電磁波功率信號，生成四組幅值比和四組相位差。
4.如權(quán)利要求I所述的隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，在通過兩個接收天線線圈分別接收含有被測地層信息的電磁波功率信號的步驟以后，對所述的兩路含有被測地層信息的高頻電磁波功率信號分別進(jìn)行帶通濾波的步驟以前，還包括 對所述兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)諧； 對自適應(yīng)調(diào)諧后的信號通過前置放大器，進(jìn)行前置放大處理； 對進(jìn)行前置放大處理后的信號進(jìn)行二次放大處理，生成進(jìn)行帶通濾波的電磁波信號。
5.如權(quán)利要求I所述的隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，所述對所述兩路電磁波采樣信號的每一路電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成每一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息的步驟包括 對所述每一路電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行正弦和余弦混頻變換，生成混頻信號，其公式為 I (n) =X (n) cosco Qn 和 Q (n) =X (n) sin ω Qn,其中 X (η)為電磁波采樣信號； 對所述混頻信號進(jìn)行低通濾波，生成混頻信號的同相分量和正交分量，其中-)為反映地層電阻率的低頻信號; 根據(jù)所述的同相分量和正交分量，由公式
6.如權(quán)利要求5所述的隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，根據(jù)所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息，生成所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差，包括 如果第一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值為al(t)，相位為φ ( )，如果第二路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值為a2(t)，相位為(f)2(t)，則所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差分別為
7.如權(quán)利要求2所述的隨鉆電磁波電阻率測量方法，其特征在于，根據(jù)所述的四組幅值比和四組相位差，根據(jù)圖表反演生成所述電磁波功率信號的電阻率圖板，包括 根據(jù)所述四組幅值比和四組相位差，結(jié)合所述地層所在地區(qū)中巖心取樣巖石物理測量的結(jié)果，并參考所述地區(qū)臨井測量的電阻率，生成電阻率圖板。
8.一種隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述隨鉆電磁波電阻率測量裝置包括 電磁波功率信號產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號； 發(fā)射天線線圈，用于將產(chǎn)生的所述電磁波功率信號發(fā)射到地層中； 兩個接收天線線圈，用于接收含有被測地層信息的電磁波功率信號，生成兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號； 電磁波采樣信號生成裝置，用于對所述的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號分別進(jìn)行帶通濾波，并將經(jīng)過帶通濾波后的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號通過AD采樣后生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號； 幅值信息與相位信息生成裝置，用于對所述兩路電磁波采樣信號的每一路電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成每一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息； 幅值比和相位差生成裝置，用于根據(jù)所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息，生成所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差； 電阻率圖板生成裝置，用于根據(jù)所述的幅值比和相位差，根據(jù)圖表反演生成所述電磁波功率信號的電阻率圖板。
9.如權(quán)利要求8所述的隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述電磁波功率信號產(chǎn)生裝置包括 信號發(fā)生裝置，用于通過信號鎖相環(huán)產(chǎn)生所需頻率的電磁波功率信號； D類功率放大器，用于將所述電磁波功率信號驅(qū)動輸出到調(diào)諧裝置； 調(diào)諧裝置，用于根據(jù)調(diào)諧驅(qū)動信號，調(diào)諧生成正弦高壓功率激勵信號并加載到所述發(fā)射天線線圈上，通過所述發(fā)射天線線圈分別發(fā)射到地層中。
10.如權(quán)利要求8所述的隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述發(fā)射天線線圈的數(shù)目為四個，所述生成的電磁波功率信號的為500KHZ或2MHz，分時發(fā)送，通過兩個接收天線線圈接收所述電磁波功率信號，生成四組幅值比和四組相位差。
11.如權(quán)利要求8所述的隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述電磁波采樣信號生成裝置包括 自適應(yīng)調(diào)諧裝置，用于對所述兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)諧； 前置放大器，用于對自適應(yīng)調(diào)諧后的信號進(jìn)行前置放大處理； 中放裝置，用于對進(jìn)行前置放大處理后的信號進(jìn)行二次放大處理； 帶通濾波器，用于對所述進(jìn)行二次放大后的電磁波信號進(jìn)行帶通濾波； AD采樣裝置，用于對所述帶通濾波后的電磁波信號進(jìn)行AD采樣，生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號。
12.如權(quán)利要求8所述的隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述幅值信息與相位信息生成裝置包括 混頻裝置，用于對所述兩路電磁波采樣信號分別進(jìn)行正弦和余弦混頻變換，生成混頻信號，其公式為I (n) =X (n) cosco 0n和Q (n) =X (n) sin ω Qn,其中X (η)為電磁波采樣信號； 低通濾波裝置，用于對所述混頻信號進(jìn)行低通濾波，生成混頻信號的同相分量和正交傭，餅a(n)為反映地層電阻率的低頻信號； 幅值信息與相位信息計算裝置，用于根據(jù)所述的同相分量和正交分量，由公式
13.如權(quán)利要求12所述的隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述幅值比和相位差生成裝置用于根據(jù)所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值信息和相位信息，生成所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差，包括 如果第一路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值為al(t)，相位為(pl(t)，如果第二路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值為a2 (t)，相位為q>2(t)，則所述兩路電磁波采樣數(shù)字信號的幅值比和相位差分別為a (t) =al (t) /a2 (t)，φ⑴=φ I ⑴-cp2(t)。
14.如權(quán)利要求9所述的隨鉆電磁波電阻率測量裝置，其特征在于，所述電阻率圖板生成裝置用于根據(jù)所述的四組幅值比和四組相位差，根據(jù)圖表反演生成所述電磁波功率信號的電阻率圖板，包括 根據(jù)所述四組幅值比和四組相位差，結(jié)合所述地層所在地區(qū)中巖心取樣巖石物理測量的結(jié)果，并參考所述地區(qū)臨井測量的電阻率，生成電阻率圖板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隨鉆電磁波電阻率測量方法，包括產(chǎn)生特定頻率的電磁波功率信號；通過發(fā)射天線線圈將電磁波功率信號發(fā)射到地層中；通過兩個接收天線線圈接收含有被測地層信息的電磁波功率信號，生成兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號；對兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號進(jìn)行帶通濾波，并將經(jīng)過帶通濾波后的兩路含有被測地層信息的電磁波功率信號通過AD采樣后生成兩路電磁波采樣數(shù)字信號；對電磁波采樣數(shù)字信號進(jìn)行混頻變換和低通濾波，生成幅值信息和相位信息；根據(jù)幅值信息和相位信息，生成幅值比和相位差；根據(jù)幅值比和相位差，根據(jù)圖表反演生成電磁波功率信號的電阻率圖板。本發(fā)明實施例還公開了一種隨鉆電磁波電阻率測量裝置。
文檔編號G01V3/30GK102704921SQ201210169139
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者宋延淳, 張程光, 艾維平, 賈衡天, 鄧樂 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院