专利名称：一种随钻电磁波电阻率的测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及石油、天然气钻井作业随钻测量或随钻测井领域，特别是用于地质导向钻井系统中的一种基于高频欠采样算法的随钻电磁波电阻率测量方法和装置。
背景技术：
电磁波电阻率是地质导向钻井系统中用来进行实时地层评价、提供钻井导向信息的重要地质参数。电磁波电阻率随钻测量技术是在传统电缆电磁波电阻率测量技术的基础上发展起来的，是一种可以在钻井过程中实时测量钻孔周围不同方位地层电阻率的测量方法。随钻测井是最近几年来迅速发展起来的一项先进的测井技术，与常规测井方法相比较，随钻测量井下数据能够更及时、更真实并且精度更高，更加客观的反应地层的真实地质特征，满足了当代石油天然气工业对测井技术指标的特殊需要。随着整个石油工业的不 断发展，大斜度井、水平井等钻井技术越来越多地被用来开发规模更小、物性更差、油层更薄、非均质性强的油藏。随钻测井(LWD)由于自身的优势和特点，更多地被用于这些油藏的评价和大斜度井、水平井的地质导向钻井应用工作中。其中，随钻测井中的电磁波电阻率测井是电法测井中的一种，在石油勘查和钻井技术中具有重要地位。由于电磁波在穿越介质时产生幅度衰减和相位移动，并且由于地层的电阻率和介电常数的特性所决定，电磁波在穿越不同地层介质时产生的幅度衰减和相位偏移不同。由于电磁波的频率特性不同，当频率较高时，电磁波幅度衰减和相位偏移主要与地层的介电常数相关，而当电磁波频率低于10MHZ时，电磁波幅度衰减和相位偏移主要与地层的电阻率相关。电阻率对于地质导向钻井和油田地层评价地层电阻率是重要地质参数。用于测量电阻率的方法也很多，电磁波测量方式可以应用在导电性差或不导电的钻井液，这是电流电阻率等测量方式所不能实现的。在美国专利(No. 6218842)公布了一种电磁波电阻率随钻测井工具，它包括一个能过产生对个频率电磁波信号的不对称发射装置设计，一对被定位在发射天线阵列末端的接收天线组，在发射阵列和接收天线组是要测量的井眼地层，一个校准发射天线被安装在两个接收天线之间，它被用作两种不同的工作模式。在第一种工作模式它被用于校准接收天线装置热漂移，在这种工作模式下，测量的衰减和相移的参数，被用于校准仪器在钻孔测量地层时发生的热漂移。因此当每次测量进行之前它可以进行温度漂移的校正。第二种工作模式时校准接收系统可以被用于被钻地层的电磁波电阻率的测量。但这种方法的缺点在于不能消除温度漂移影响之外的干扰，如电路中的噪声等。在中国授权的发明专利(NO. CN101482013)中，公开了一种大地电磁波电阻率测量方法及其仪器，仪器包括接收电场强度信号的电场传感器，接收磁场强度信号的磁场传感器，两个分别与电场传感器和磁场传感器的输出端连接的前置放大与滤波器、与前置放大与滤波器的输出端连接的数据采集系统和采集控制、数据存储及处理系统。但这种方法的缺点在于不能降低采样频率，并在低采样频率的情况下测量出所需要的地层参数。在上述各种现有技术中，都是利用高频电磁波在通过地层时会受到电阻率的影响产生幅度的衰减和和相位的偏移，仪器测量电磁波幅度的衰减比和电磁波的相位差，对于有些技术采用硬件电路测量的方式，但由于电路内部噪声干扰，会影响测量电路的可靠性和精度，而且硬件电路中的模拟器件随温度飘移会比较严重。有些采用过采样方式测量电磁波信号的幅度衰减比和相位差值，但由于电磁波信号本身的频率较高，过采样要求比电磁波信号更高的采样率，这样高温、高精度和高速的AD器件几乎没有，而且采样频率高采样精度高的AD器件会产生大量的采样数据，这对数字信号处理器件计算能力的要求更高，由于整个电路工作在高频状态，会使系统的功耗大量增加。

发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于 提出一种随钻电磁波电阻率测量方法，包括产生特定频率的电磁波功率信号；通过发射天线线圈将所述电磁波功率信号发射到地层中；通过两个接收天线线圈分别接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息的电磁波功率信号；对所述的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号；对所述两路电磁波采样信号的每一路电磁波采样数字信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息；根据所述两路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差；根据所述的幅值比和相位差，根据图表反演生成所述电磁波功率信号的电阻率图板。为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的还在于提出一种随钻电磁波电阻率测量装置，包括电磁波功率信号产生装置，用于产生特定频率的电磁波功率信号；发射天线线圈，用于将产生的所述电磁波功率信号发射到地层中；两个接收天线线圈，用于接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息的电磁波功率信号；电磁波采样信号生成装置，用于对所述的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号；幅值信息与相位信息生成装置，用于对所述两路电磁波采样信号的每一路电磁波采样数字信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息；幅值比和相位差生成装置，用于根据所述两路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差；电阻率图板生成装置，用于根据所述的幅值比和相位差，根据图表反演生成所述电磁波功率信号的电阻率图板。本发明实施例的这种基于高频欠采样算法的随钻电磁波电阻率测量方法及测量装置，硬件电路简单、模拟器件少，并且温度对器件的影响弱。本发明能够通过较低的采样率对电磁波信号进行采样(这是因为对于高温AD器件来说高采样率与高精度是一对相互冲突的技术参数指标)，这样可以选用采样频率较低但采样精度高的高温AD器件，对电磁波信号进行采样，可以提高测量系统的精度，降低整个系统工作频率减少整套系统的功率损耗。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明的一种随钻电磁波电阻率测量方法的一个实施例的方法流程图；图2为图I所示实施例中的产生特定频率的电磁波功率信号步骤的方法流程图；图3为图I所示实施例中的对所述的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号的步骤的方法流程图；图4为图I所示实施例中的对所述两路电磁波采样信号进行混频变换和低通滤波，生成幅值信息和相位信息的步骤的方法流程图； 图5为本发明的一种随钻电磁波电阻率测量装置的一个实施例的结构示意图；图6为本发明实施例的随钻电磁波电阻率测量装置中的发射天线线圈和接收天线线圈在无磁钻铤中的结构示意图；图7为本发明实施例的随钻电磁波电阻率测量装置中的电磁波功率信号产生装置的结构示意图；图8为本发明实施例的随钻电磁波电阻率测量装置中的电磁波采样信号生成装置的结构示意图；图9为本发明实施例的随钻电磁波电阻率测量装置中的幅值信息与相位信息生成装置的结构示意图；图10为本发明实施例的幅值信息与相位信息生成装置进行算法处理过程的原理框图；图11为利用本发明实施例的随钻电磁波电阻率测量装置及测量方法进行算法处理后的效果图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。由于本发明使用了欠采样技术对高频电磁波信号进行采样，因此需要经过响应的算法来消除欠采样的频域混叠。其原理如下传统的采用奈奎斯特采样定理的电磁波信号采样的采样率需要高于被采样的电磁波信号的频率，即奈奎斯特采样定律设有一个频率带限信号x(t)，其频带限制在(0，fH)内，如果以不小于fs=2fH的采样速率对x(t)进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号X (n) =X(nTS)(其中Ts=l/fs称为采样间隔)，则原信号x(t)将被所得到的采样值x (n)完全地确定。该定理说明如果以不低于信号最高频率两倍的采样率对带限信号进行采样，那么所得到的离散信号采样值就能准确地确定原信号。即被采样的电磁波信号在频域上不会产生混叠。
但由于被采样的电磁波信号最高频率为2MHZ，这样使用传统的奈奎斯特采样定理进行采样就需要高于2倍的采样频率，这样高采样频率的高精度的而且是高温的AD转换器在现有的器件中没有，只能采用欠采样方式和响应的数字信号处理算法进行处理，来准确的确定被采样前的电磁波信号。由于被采样的电磁波信号为带通信号，其本身带宽并不一定很宽，因此有可能使用比NyquiSt定理所规定的采样率更低的速率来采样电磁波信号。对于一个带通很窄的电磁波信号，即设一个频率带限电磁波信号x(t)，其频带限制在(fL，fH)内，如果其采样速率fs满足
权利要求
1.一种随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，所述随钻电磁波电阻率測量方法包括: 产生特定频率的电磁波功率信号； 通过发射天线线圈将所述电磁波功率信号发射到地层中； 通过两个接收天线线圈分别接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息的电磁波功率信号；对所述的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号; 对所述两路电磁波采样信号的每一路电磁波采样数字信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息； 根据所述两路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差； 根据所述的幅值比和相位差，根据图表反演生成所述电磁波功率信号的电阻率图板。
2.如权利要求I所述的随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，所述产生特定频率的电磁波功率信号并通过发射天线线圈发射到地层中的步骤包括 通过信号锁相环产生所需频率的电磁波功率信号； 将所述电磁波功率信号通过D类功率放大器，生成调谐所需的交流功率信号； 所述交流功率信号根据调谐驱动信号，调谐生成正弦高压功率激励信号； 将所述的正弦高压功率激励信号加载到所述发射天线线圈上，并通过所述发射天线线圈分别发射到地层中。
3.如权利要求I所述的随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，所述通过发射天线线圈将电磁波功率信号发射到地层中，包括 通过四个发射天线线圈将所述电磁波功率信号发射到地层中，所述电磁波功率信号的为500KHZ或2MHz，分时发送，通过两个接收天线线圈接收所述电磁波功率信号，生成四组幅值比和四组相位差。
4.如权利要求I所述的随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，在通过两个接收天线线圈分别接收含有被测地层信息的电磁波功率信号的步骤以后，对所述的两路含有被测地层信息的高频电磁波功率信号分别进行带通滤波的步骤以前，还包括 对所述两路含有被测地层信息的电磁波功率信号进行自适应调谐； 对自适应调谐后的信号通过前置放大器，进行前置放大处理； 对进行前置放大处理后的信号进行二次放大处理，生成进行带通滤波的电磁波信号。
5.如权利要求I所述的随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，所述对所述两路电磁波采样信号的每一路电磁波采样数字信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息的步骤包括 对所述每一路电磁波采样数字信号进行正弦和余弦混频变换，生成混频信号，其公式为 I (n) =X (n) cosco Qn 和 Q (n) =X (n) sin ω Qn,其中 X (η)为电磁波采样信号； 对所述混频信号进行低通滤波，生成混频信号的同相分量和正交分量，其中-)为反映地层电阻率的低频信号; 根据所述的同相分量和正交分量，由公式
6.如权利要求5所述的随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，根据所述两路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差，包括 如果第一路电磁波采样数字信号的幅值为al(t)，相位为φ ( )，如果第二路电磁波采样数字信号的幅值为a2(t)，相位为(f)2(t)，则所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差分别为
7.如权利要求2所述的随钻电磁波电阻率測量方法，其特征在于，根据所述的四组幅值比和四组相位差，根据图表反演生成所述电磁波功率信号的电阻率图板，包括 根据所述四组幅值比和四组相位差，结合所述地层所在地区中岩心取样岩石物理測量的结果，并參考所述地区临井测量的电阻率，生成电阻率图板。
8.一种随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述随钻电磁波电阻率測量装置包括 电磁波功率信号产生装置，用于产生特定频率的电磁波功率信号； 发射天线线圈，用于将产生的所述电磁波功率信号发射到地层中； 两个接收天线线圈，用于接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息的电磁波功率信号； 电磁波采样信号生成装置，用于对所述的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号分别进行带通滤波，并将经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号； 幅值信息与相位信息生成装置，用于对所述两路电磁波采样信号的每一路电磁波采样数字信号进行混频变换和低通滤波，生成每一路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息； 幅值比和相位差生成装置，用于根据所述两路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差； 电阻率图板生成装置，用于根据所述的幅值比和相位差，根据图表反演生成所述电磁波功率信号的电阻率图板。
9.如权利要求8所述的随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述电磁波功率信号产生装置包括 信号发生装置，用于通过信号锁相环产生所需频率的电磁波功率信号； D类功率放大器，用于将所述电磁波功率信号驱动输出到调谐装置； 调谐装置，用于根据调谐驱动信号，调谐生成正弦高压功率激励信号并加载到所述发射天线线圈上，通过所述发射天线线圈分别发射到地层中。
10.如权利要求8所述的随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述发射天线线圈的数目为四个，所述生成的电磁波功率信号的为500KHZ或2MHz，分时发送，通过两个接收天线线圈接收所述电磁波功率信号，生成四组幅值比和四组相位差。
11.如权利要求8所述的随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述电磁波采样信号生成装置包括 自适应调谐装置，用于对所述两路含有被测地层信息的电磁波功率信号进行自适应调谐； 前置放大器，用于对自适应调谐后的信号进行前置放大处理； 中放装置，用于对进行前置放大处理后的信号进行二次放大处理； 带通滤波器，用于对所述进行二次放大后的电磁波信号进行带通滤波； AD采样装置，用于对所述带通滤波后的电磁波信号进行AD采样，生成两路电磁波采样数字信号。
12.如权利要求8所述的随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述幅值信息与相位信息生成装置包括 混频装置，用于对所述两路电磁波采样信号分别进行正弦和余弦混频变换，生成混频信号，其公式为I (n) =X (n) cosco 0n和Q (n) =X (n) sin ω Qn,其中X (η)为电磁波采样信号； 低通滤波装置，用于对所述混频信号进行低通滤波，生成混频信号的同相分量和正交傭，餅a(n)为反映地层电阻率的低频信号； 幅值信息与相位信息计算装置，用于根据所述的同相分量和正交分量，由公式
13.如权利要求12所述的随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述幅值比和相位差生成装置用于根据所述两路电磁波采样数字信号的幅值信息和相位信息，生成所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差，包括 如果第一路电磁波采样数字信号的幅值为al(t)，相位为(pl(t)，如果第二路电磁波采样数字信号的幅值为a2 (t)，相位为q>2(t)，则所述两路电磁波采样数字信号的幅值比和相位差分别为a (t) =al (t) /a2 (t)，φ⑴=φ I ⑴-cp2(t)。
14.如权利要求9所述的随钻电磁波电阻率測量装置，其特征在于，所述电阻率图板生成装置用于根据所述的四组幅值比和四组相位差，根据图表反演生成所述电磁波功率信号的电阻率图板，包括 根据所述四组幅值比和四组相位差，结合所述地层所在地区中岩心取样岩石物理測量的结果，并參考所述地区临井测量的电阻率，生成电阻率图板。
全文摘要
本发明公开了一种随钻电磁波电阻率测量方法，包括产生特定频率的电磁波功率信号；通过发射天线线圈将电磁波功率信号发射到地层中；通过两个接收天线线圈接收含有被测地层信息的电磁波功率信号，生成两路含有被测地层信息的电磁波功率信号；对两路含有被测地层信息的电磁波功率信号进行带通滤波，并将经过带通滤波后的两路含有被测地层信息的电磁波功率信号通过AD采样后生成两路电磁波采样数字信号；对电磁波采样数字信号进行混频变换和低通滤波，生成幅值信息和相位信息；根据幅值信息和相位信息，生成幅值比和相位差；根据幅值比和相位差，根据图表反演生成电磁波功率信号的电阻率图板。本发明实施例还公开了一种随钻电磁波电阻率测量装置。
文档编号G01V3/30GK102704921SQ201210169139
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者宋延淳, 张程光, 艾维平, 贾衡天, 邓乐 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院