CN105484740A - 一种用于探测地层复电阻率的多频探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于探测地层复电阻率的多频探测装置，该装置包括：屏蔽电极；主探测电极；两个监督电极，设置在所述屏蔽电极和所述主探测电极之间；信号发生电路，用于产生探测所需的预设探测频率的方波信号；主动屏蔽电路，用于根据所述方波信号生成屏蔽信号到所述屏蔽电极；主探测电路，用于根据所述监督电极的电位差和所述方波信号生成与所述屏蔽信号同频同相位的探测信号，输出到所述主探测电极；电压电流采集电路，用于检测所述监督电极的电位和主探测电极中的电流；数字处理电路，用于对所述电压信号和所述电流信号进行波形分析和处理，计算得到地层的复电阻率频谱。该装置能够产生多种频率信号，准确测量地层的复电阻率频谱。

Description

一种用于探测地层复电阻率的多频探测装置

技术领域

本发明涉及地球物理测井仪器科学技术领域，特别涉及一种用于探测地层复电阻率的多频探测装置。

背景技术

根据长期的岩石物理性质实验研究发现，岩石的电学参数(如电阻率、介电常数)存在频散现象，其频散参数与岩石的含水饱和度有很好的对应关系，而且这两个电学参数的复数包含有丰富的岩石信息，可用来更好油气的探测，区分油水层。

在现有的探测仪器中，电法测井仪器大多数采用单一频率的电信号对地层信息进行采集，复电阻率测井仅采用高低两个频点进行测量，阵列感应测井采用8种不同的频率也仅仅是为了配合多种探测深度而设计的，频率低且带宽窄，不能激发岩石的频散现象，探测到的地层信息少且准确性低，斯伦贝谢多频介电扫描成像测井仪(DielectricScanner)也只利用了电阻率的实部信息，而无法对复电阻率参数进行准确的测量，从而难以获得岩石电阻率频散曲线，进而难以预测岩石的饱和度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种用于探测地层复电阻率的多频探测装置，该装置可以使主探测电流聚焦在目标地层，采集到精确的探测电压和电流信号，从而计算得到目标地层的复电阻率频谱。

为达到上述目的，本发明实施例提出的用于探测地层复电阻率的多频探测装置，包括：屏蔽电极；主探测电极；两个监督电极，设置在所述屏蔽电极和所述主探测电极之间，用于获取所述屏蔽电极与所述主探测电极之间的电位差；信号发生电路，用于产生探测所需的预设探测频率的方波信号；主动屏蔽电路，与所述信号发生电路相连，用于根据所述方波信号生成屏蔽信号，输出到所述屏蔽电极；主探测电路，分别与所述信号发生电路和监督电极相连，用于根据所述监督电极的电位差和所述方波信号生成与所述屏蔽信号同频同相位的探测信号，输出到所述主探测电极；电压电流采集电路，用于检测所述监督电极的电位，以及检测所述主探测电极中的电流，得到探测电压信号和探测电流信号的幅度与相位信息；数字处理电路，与所述电压电流采集电路相连，用于对所述电压信号和所述电流信号进行波形分析和处理，计算得到地层的复电阻率频谱。

可选的，监督电极包括第一监督电极和第二监督电极，所述第一监督电极靠近主探测电极，所述第二监督电极靠近所述屏蔽电极，交流转直流电路将第一监督电极与第二监督电极之间的电位差转换为直流信号以控制所述探测信号的幅度；所述主动屏蔽电路包括差分放大器、第一调制放大电路、第一低通滤波器、第一幅度控制电路和第一恒流源电路；所述主探测电路包括平衡监督电路、第二调制放大电路、第二低通滤波器、第二幅度控制电路和第二恒流源电路；其中，所述第一低通滤波器与第二低通滤波器具有相同的相频特性，所述第一恒流源电路与第二恒流源电路相同；所述平衡监督电路与所述第一监督电极和第二监督电极相连，用于检测两个监督电极之间的电压，经过交直流转换得到所述第二调制放大电路的幅度调制信号；所述第二调制放大电路用于根据所述幅度调制信号对所述方波信号进行调制。

可选的，所述电压电流采集电路包括电压采集器、与电压采集器相连的第一带通滤波器、电流采集器和与电流采集器相连的第二带通滤波器，所述第一带通滤波器与第二带通滤波器具有相同的幅频与相频特性。

可选的，所述主动屏蔽电路、主探测电路中的恒流源电路、滤波器与调制放大电路具有相同的相频特性。

可选的，所述第一恒流源电路与第二恒流源电路为输出电压24V～48V、带宽8MHz以上及输出电流1A以上的功率输出。

可选的，所述数字处理电路中包括前级调理电路，混频电路，模数转换电路，所述前级调理电路、混频电路和模数转换电路均为双通道电路，且两通道的幅频与相频特性一致。

可选的，所述数字处理电路中包括前级调理电路，混频电路，模数转换电路，所述混频电路用于使用预设频率的本振信号对所述探测电压信号和探测电流信号降频，所述前级调理电路，混频电路和模数转换电路均为双通道电路，且其两通道的幅频与相频特性高度一致。

可选的，所述探测信号是频率范围为1kHz～500kHz的正弦波信号。

通过本发明装置的实施例，可以利用屏蔽电流将主探测电流聚焦在目标地层，使测得到探测电压和探测电流更准确，通过对探测电压和探测电流的波形进行采集处理得到探测电压与探测电流的幅度比和相位差，从而得到目标地层的复电阻率，同时还可以在较宽的频带内使用多个频率的探测信号对目标深度的地层进行探测，求得目标地层的复电阻率频谱，进而更加准确的评估地层的含水饱和度等重要信息。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提出的用于探测地层复电阻率的多频探测装置的结构示意图；

图2是本发明一个具体实施例的用于探测地层复电阻率的多频探测装置的电路结构示意图；

图3是本发明一个实施例的调制放大电路的示意图；

图4是本发明一个实施例的信号发生电路的示意图；

图5是本发明一个实施例的仪表放大器的电路示意图；

图6是本发明一个实施例的功率放大电路的示意图；

图7是本发明一个实施例采用的KRC低通滤波器的电路原理示意图；

图8是本发明一个实施例的数字处理电路的示意图。

具体实施方式

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。

下面参考附图描述根据本发明实施例的用于探测地层复电阻率的多频探测装置。

本发明的实施例采用具有线圈系的探测器对地层进行探测，线圈系包括接收线圈和发射线圈，在利用探测器对目标深度的地层进行探测的过程中，首先采用发射线圈向目标深度的地层发射某一频率或某几个频率的探测信号，所发射的探测信号穿过所述目标深度的地层，受到所穿过地层的影响，发生幅度和相位等的变化。当这些信号再次反射到接收线圈时，这些信号对应的矢量电位和矢量电流等参数就可以被测量到。

图1是本发明一实施例提出的用于探测地层复电阻率的多频探测装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：

屏蔽电极A；主探测电极A0；参考电极N(图中未示出)；监督电极M1和M1’设置在所述屏蔽电极和所述主探测电极之间，用于获取所述屏蔽电极与所述主探测电极之间的电压。在实际探测中，各电极套在探测芯棒上，由上到下依次为N、A、M1’、M1、A0，A0的下方还可以对称地设置另一组屏蔽电极和监督电极，本实施例中仅针对其中上侧的部分进行介绍，涉及到的技术内容可以类推适用于对称的另一半电极。参考电极N视为距离主探测电极A0无限远，作为所有信号的接收回路。

信号发生电路10，用于产生探测所需的预设探测频率的方波信号，信号发生电路10可以是DDS(DirectDigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器)方波产生电路。

主探测电路20，分别与所述信号发生电路10和监督电极M相连，用于根据所述监督电极的电压和所述方波信号生成与屏蔽信号同频同相的探测信号，输出到所述主探测电极。

主动屏蔽电路30，与所述信号发生电路10相连，用于根据所述方波信号生成屏蔽信号，输出到所述屏蔽电极。由于探测电极深入到测井中后，地层的上部充满泥浆等导电率高的混合液体，电阻率往往低于目标地层的电阻率，因此探测信号容易通过泥浆等液体直接向上部流动到参考电极N形成回路，难以聚焦在目标地层，因此需要屏蔽电极A上的电压与主探测电极的电压相同，从而避免探测信号向导电率高、电位较低的地层上方流动，而是聚焦在目标地层中。

电压电流采集电路40，用于检测所述监督电极与所述参考电极之间的电位差，以及检测所述主探测电极中的电流，得到探测电压信号和探测电流信号。当屏蔽电极A和主探测电极A0的电压相同时，位于中间的监督电极的电压也将与主探测电极A0的电压相同，因此可以从监督电极采集探测电压信号，同时，这样减少了电压检测过程对探测信号的影响，使检测到的结果更准确。

数字处理电路50，与所述电压电流采集电路相连，用于对所述电压信号和所述电流信号进行波形分析和处理，计算得到地层的复电阻率。根据电压信号和电流信号的幅值得到幅度比，根据电压信号和电流信号的相位得到相位差，从而进一步得到具有实部和虚部的地层复电阻率频谱。

本实施例的用于探测地层复电阻率的多频探测装置，通过主动屏蔽电路发出与主探测信号同频同向同幅度的屏蔽信号使主探测信号能够聚焦在目标地层，同时采集探测电压和电流信号的波形，能够获取到电压电流信号的幅度比和相位差进而计算得到地层的复电阻率，从而对地层的饱和度等信息进行全面的准确的评价。

图2所示是本发明一个具体实施例的用于探测地层复电阻率的多频探测装置的电路结构示意图。

如图2所示，所述监督电极包括第一监督电极M1和第二监督电极M1’，所述第一监督电极M1靠近主探测电极A0，以获取A0的电位，所述第二监督电极M1’靠近所述屏蔽电极A，以获取A的电位。如图2所示，在实际电路应用中，屏蔽电极A可以是A1和A1’两个电极。

所述主动屏蔽电路30包括差分放大器31、第一调制放大电路32、第一低通滤波器33、第一幅度控制电路34和第一恒流源电路35。

所述主探测电路20包括平衡监督电路21、第二调制放大电路22、第二低通滤波器23、第二幅度控制电路24和第二恒流源电路25；其中，所述第一低通滤波器33与第二低通滤波器23具有相同的相频特性，所述第一恒流源电路35与第二恒流源电路25相同。所述平衡监督电路21与所述第一监督电极M1和第二监督电极M1’相连，用于检测两个监督电极之间的电压，即检测屏蔽电极A与主探测电极A0之间的电压，经过交直流转换得到所述第二调制放大电路22的幅度调制信号；所述第二调制放大电路22用于根据所述幅度调制信号对所述方波信号进行调制。主探测电路20控制探测信号幅度的电压V2是将两监督电极之间的电压经过仪器放大，转换为直流后得到的。第二调制放大电路22与第一调制放大电路32采用相同的DDS控制信号。

在本发明的一个实施例中，差分放大器31的第一端连接直流电平，第二端与所述电压电流采集电路40相连，交流转直流电路将第一监督电极与第二监督电极M1，M1’之间的电位差转换为直流信号以控制所述探测信号的幅度。

在具体的实施例中，主动屏蔽电路30是一个压控恒流源，控制第一恒流源35输出的正弦电压信号由差分放大器31、第一调制放大电路32及第一低通滤波器33产生。差分放大器31利用直流电平分压得到的参考电压V1产生正比于该正弦电压信号幅度的直流电平Vd。第一调制放大电路32以Vd的幅度对DDS(DirectDigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器)方波信号进行调制，调制后的方波信号经过截止频率与DDS频率相同的第一低通滤波器33转换为正弦波，输入第一恒流源35之前该正弦电压信号的幅值可以通过第一幅度控制电路34进行微调。

本发明实施例中所有调制放大电路均可采用图3所示的调制放大电路。调制放大电路的作用包括将直流信号转换为幅值有正负的方波。图3中的调制放大电路考虑了模拟开关导通电阻对电路的影响，在开关与运放相连的部分采用相同的结构，利用运放的同向放大输入电阻为兆欧级的特性，使运放的输入电阻对开关电路的影响达到最小。

本发明具体实施例中DDS可采用DSPF28335+AD9854为核心的编程可控数字信号产生器。可以灵活高效地产生任意高品质波形。如图4所示是本发明一个实施例的信号发生电路的示意图，DSP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理器)负责与上位机通讯，并通过输入/输出端口控制8根数据线、6根地址线以及时序逻辑控制线。AD9854输出为20mA左右的电流信号，由下一级AD8009放大驱动，再经过由LM7171构成的高速比较器，产生方波脉冲。

在本发明的一个实施例中，所述电压电流采集电路40包括电压采集器41、与电压采集器相连的第一带通滤波器42、电流采集器43和与电流采集器相连的第二带通滤波器44。具体地，电流检测时可先用1Ω的采样电阻将输出的电流信号转换为电压信号，将得到的差分电压利用仪表放大器转换为对地的电压，之后使用第二带通滤波器44滤除不需要的噪声。所述第一带通滤波器42与第二带通滤波器44具有相同的相频特性，以防止引入额外的相位差。

在本发明的一个实施例中，所述平衡监督电路21中包括仪表放大器，所述仪表放大器由分立器件组成，所述仪表放大器中包括前级保护电路。在信号测量过程中，测量仪器通常需要测量高频毫伏级小信号，因此，本发明的实施例采用分立器件设计了一种具有高增益、高频带、低失真特性的仪表放大器，如图5所示是本实施例一种仪表放大器的电路示意图，使用该仪表放大器后，测量时的输入阻抗可达10MΩ，共模抑制比可达82dB，0.3dB增益带宽积可达200MHz。电压通道中使用仪表放大器放大倍数可达1387倍，电流通道放大倍数可达18.75倍。仪表放大器中包括由多个二极管构成的前级保护电路，保证输入电压大于电源电压时，电路能安全工作。

在本发明的一个实施例中，所述第一恒流源电路与第二恒流源电路中包括功率放大电路。优选地，第一恒流源电路与第二恒流源电路为超高压超高带宽超大功率输出电路。如图6所示是本发明一个实施例的功率放大电路的示意图，功率放大电路采用APEX公司的视频放大器PA09构建，采用2.2pF的相位补偿电容，使得整个电路的平坦增益带能够宽达到2MHz，采用1欧姆的采样电阻Rs，输出阻抗可达100kΩ。驱动10Ω到100Ω负载的情况下，频带内电路输出电流最高可达710mA。

在本发明的一个实施例中，所述第一低通滤波器与第二低通滤波器采用KRC低通滤波器，所述第一带通滤波器与第二带通滤波器采用KRC带通滤波器。由于涉及到矢量运算和信号的屏蔽、叠加等过程，因此在测量过程中对信号的相位测量精度有苛刻的要求，本装置中的滤波器均采用KRC设计实现，从而第一低通滤波器与第二低通滤波器之间、第一带通滤波器与第二带通滤波器之间的相位差异可以控制在0.1°以下。图7为本实施例采用的一种KRC低通滤波器的单元电路原理图。

在本发明的一个实施例中，所述探测信号是频率范围为1kHz～500kHz的正弦波信号。

在本发明的一个实施例中，所述数字处理电路中包括混频电路，所述混频电路用于使用预设频率的本振信号对所述探测电压信号和探测电流信号降频。数字处理电路可以是A/DC(Analog-to-DigitalConverter模数转换器)电路，如图8所示，对采集到的电流信号和电压信号分别进行高速高精度同步采样处理。对于100kHz、300kHz、500kHz信号等频率较高的信号，对于采样速度和数字处理的速度要求都较高，因此优选的，可先经过调理电路放大与滤波，然后进入混频器进行降频，本振信号可以由AD9854产生，对应的本振信号频率例如分别为95kHz、295kHz、495kHz。对于1kHz、3kHz、10kHz、30kHz等频率较低的信号，通过调理电路后可直接送入模数转换器，不进行混频处理。然后对信号进行16bit-40MBPS高速模数转换，由高速FIFO(FirstInFirstOut，先入先出队列)缓存转换结果，再由DSP读取转换结果并进行相关算法处理，得到两信号的幅度比和相位差，进而得到地层的复电阻率。

本实施例通过利用屏蔽电流将主探测电流聚焦在目标地层，使测得到探测电压和探测电流更准确，通过对探测电压和探测电流的波形进行采集处理得到探测电压与探测电流的幅度比和相位差，从而得到目标地层的复电阻率，同时使用监督反馈机制对屏蔽信号和探测信号的幅值进行微调，是探测过程更稳定，还可以在较宽的频带内使用多个频率的探测信号对目标深度的地层进行探测，求得目标地层的复电阻率频谱，进而更加准确的评估地层的含水饱和度等重要信息。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于探测地层复电阻率的多频探测装置，其特征在于，包括：

屏蔽电极；主探测电极；

两个监督电极，设置在所述屏蔽电极和所述主探测电极之间，用于获取所述屏蔽电极与所述主探测电极之间的电位差；

信号发生电路，用于产生探测所需的预设探测频率的方波信号；

主动屏蔽电路，与所述信号发生电路相连，用于根据所述方波信号生成屏蔽信号，输出到所述屏蔽电极；

主探测电路，分别与所述信号发生电路和监督电极相连，用于根据所述监督电极的电位差和所述方波信号生成与所述屏蔽信号同频同相位的探测信号，输出到所述主探测电极；

电压电流采集电路，用于检测所述监督电极的电位，以及检测所述主探测电极中的电流，得到探测电压信号和探测电流信号的幅度与相位信息；

数字处理电路，与所述电压电流采集电路相连，用于对所述电压信号和所述电流信号进行波形分析和处理，计算得到地层的复电阻率频谱。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监督电极包括第一监督电极和第二监督电极，所述第一监督电极靠近主探测电极，所述第二监督电极靠近所述屏蔽电极，交流转直流电路将第一监督电极与第二监督电极之间的电位差转换为直流信号以控制所述探测信号的幅度；

所述主动屏蔽电路包括差分放大器、第一调制放大电路、第一低通滤波器、第一幅度控制电路和第一恒流源电路；

所述主探测电路包括平衡监督电路、第二调制放大电路、第二低通滤波器、第二幅度控制电路和第二恒流源电路；

其中，所述第一低通滤波器与第二低通滤波器具有相同的相频特性，所述第一恒流源电路与第二恒流源电路相同；

所述平衡监督电路与所述第一监督电极和第二监督电极相连，用于检测两个监督电极之间的电压，经过交直流转换得到所述第二调制放大电路的幅度调制信号；

所述第二调制放大电路用于根据所述幅度调制信号对所述方波信号进行调制。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压电流采集电路包括电压采集器、与电压采集器相连的第一带通滤波器、电流采集器和与电流采集器相连的第二带通滤波器，所述第一带通滤波器与第二带通滤波器具有相同的幅频与相频特性。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述主动屏蔽电路、主探测电路中的恒流源电路、滤波器与调制放大电路具有相同的相频特性。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一恒流源电路与第二恒流源电路为输出电压24V～48V、带宽8MHz以上及输出电流1A以上的功率输出。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数字处理电路中包括前级调理电路，混频电路，模数转换电路，所述前级调理电路、混频电路和模数转换电路均为双通道电路，且两通道的幅频与相频特性一致。

7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述探测信号是频率范围为1kHz～500kHz的正弦波信号。