CN110770412B - 在具有不同时钟系统的天线之间使信号同步的方法 - Google Patents

在具有不同时钟系统的天线之间使信号同步的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于在位于井眼中的测井工具的发射器与接收器之间使信号同步的方法。由接收器获取通过操作所述井眼中的发射器产生的测量信号。由处理单元确定所述接收器的工作频率。所述接收器的所述工作频率与所述发射器的工作频率不同。基于所述确定的工作频率确定所述接收器的采样频率。由所述处理单元确定所述接收器的相位延迟。由所述处理单元基于所述接收器的所述确定的采样频率和所述相位延迟来调整所述获取的测量信号。

Description

在具有不同时钟系统的天线之间使信号同步的方法
技术领域
本文所公开的实施方案大体上涉及用于进行与石油和天然气勘探有关的测量的设备和方法，并且更具体地涉及在具有不同时钟系统的天线之间使信号同步的方法。
背景技术
在许多石油工业应用中，需要对流体样品进行测量。存在用于执行地质构造的岩石物理参数的井下测量的各种方法。测井可用于井筒中，例如以便进行地层评估测量来推断井眼周围地层和地层中流体的性质。典型的测井工具可包括电磁(电阻率)工具、核工具、声学工具和核磁共振(NMR)工具，但用于评估地层性质(也称为“地层参数”)的各种其他类型的工具也是可用的。早期的测井工具在钻探井筒之后在测井线缆上下入井筒中。新型的此类线缆工具可能已经广泛使用。然而，随着在钻探井眼时对信息的需求不断增加，已经开发了随钻测量(MWD)工具和随钻测井(LWD)工具。MWD工具通常可提供钻井参数信息，诸如钻压、扭矩、温度、压力、方向和倾度。LWD工具通常可提供信息评估测量值，诸如电阻率、孔隙率、NMR分布等。MWD和LWD工具可具有与线缆工具(例如，发射天线和接收天线、传感器等)共同的特性，但是可被设计和构造成耐受恶劣的钻探环境并且在这种环境中操作。
测井工具提供的检测深度与发射器与接收器之间的距离成正比。因此，大多数深度读取工具之间的距离非常大。LWD极深电阻率基本工具配置通常包括两个或更多个独立的钻井接头(sub)(一个发射器和一个或多个接收器)，其放置在井底钻具组件(BHA)以及其他钻井工具中以允许大的发射器-接收器间隔。使用此工具获得的基本测量值由在各种频率下的感应振幅组成，以便允许检测具有宽范围电阻率的电阻率对比的各种地层层边界。
多个接头通常可通过同步总线进行通信。同步总线包括控制线中的时钟和用于与时钟相关的通信的固定协议。然而，同步总线有两个缺点。第一，常规观点认为总线上的每个装置必须以相同的时钟速率运行。第二，由于可能由许多因素(包括线路阻抗)造成的时钟偏差、失真和延迟，如果同步总线是高频的，则同步总线不会很长。因此，同步子总线在长距离上使测量值同步是非常具有挑战性的。正确的同步对于获得良好的测量值和避免不希望的振幅/相位测量误差是合乎需要的。
至少一些业内使用的超深读取工具通过倾斜天线设计实现多耦合LWD测量。通常需要复数域(由实部和虚部组成)中的特殊处理方案来补偿此类测量并获取具有特殊灵敏度的信号。如本领域中已知的，存在各种信号处理方案来获取用于各种应用的LWD信号。然而，由于时间同步误差会影响测量准确性，因此基于多天线的工具的基本要求是将工具完整且精确的时间同步到单个公共参考时间，并且这对于更长的天线间距变得越来越具有挑战性。
减轻同步误差的影响的能力与超深度测井工具直接相关，特别是对于测量值的实时处理。因此，继续关注能够解决同步问题的校准方案的开发。
附图说明
为了更完整地理解所公开的实施方案并且为了理解其进一步的优点，现在参考以下结合附图进行的描述，在附图中：
图1示出设备的实施方案的框图，所述设备具有处理单元和工具以确定在井中的井下地层性质；
图2示出示例性信号在时域中的振幅和在傅里叶变换后的对应频谱的曲线图；
图3是根据本发明实施方案的图2的信号之一的离散傅里叶变换 (DFT)过程的归一化振幅的曲线图；
图4示出在引入信噪比(SNR)等于10的随机噪声的情况下图2 的示例性信号在时域中的振幅和在傅里叶变换后的对应频谱的曲线图；
图5示出根据本发明实施方案的图4的引入了随机噪声的信号的 DFT过程的归一化振幅的曲线图；
图6示出在引入SNR＝1的随机噪声的情况下图2的示例性信号在时域中的振幅和在傅里叶变换后的对应频谱的曲线图；
图7示出根据本发明实施方案的图6的引入了随机噪声的信号的 DFT过程的归一化振幅的曲线图；
图8示出根据本发明实施方案的示例性信号在时域中的振幅和在使用接收器的经调整的采样频率进行傅里叶变换后的对应频谱的曲线图；
图9是根据本发明实施方案的基于经调整的采样频率对图8的信号之一进行的DFT过程的归一化振幅的曲线图；
图10是根据本发明实施方案的多接头配置的示意性框图，每个接头具有不同的时钟系统；
图11示出根据本发明实施方案的在具有不同时钟系统的天线之间使信号同步的方法；
图12示出根据本发明的各种实施方案的示例性系统的框图，所述系统具有处理单元和工具以使测量值同步；
图13大体上示出诸如包括MWD或LWD能力的钻井设备的示例，其中可使用一个或多个所公开的实施方案；以及
图14大体上示出线缆测井设备的示例，其中可使用一个或多个所公开的实施方案。
具体实施方式
提出以下讨论以使得本领域的技术人员能够实现并且使用本发明。各种修改对本领域的技术人员将是显而易见的，并且在不脱离如本文所限定的所公开实施方案的精神和范围的情况下，本文所描述的一般原理可应用于除以下详细说明的实施方案和应用以外的实施方案和应用。所公开实施方案并不意图限于所示的特定实施方案，而是被赋予与本文所公开的原理和特征一致的最宽广范围。
如本文所使用的术语“井上”意指沿着钻柱或孔从远端朝向地表，并且如本文所使用的术语“井下”意指沿着钻柱或孔从地表朝向远端。
应当理解，术语“油井钻探装备”或“油井钻探系统”并不意图将用这些术语描述的装备和过程的用途限于钻探油井。所述术语一般还包括钻探天然气井或烃类井。另外，此类井可用于与从地下采收烃类或其他材料有关的生产、监测或注入。这还可包括地热井，所述地热井旨在提供热能而不是烃类的来源。
本发明人已经认识到，除了其他事项之外，当使用具有不同时钟系统的多个天线时，使用超深测井工具测量地层性质的当前方法引入了同步误差。超深的探测深度可例如对应于约20-300英尺的探测深度。
下文描述诸如用于在接收实时电磁测量值时在天线之间使信号同步的设备和方法。本发明的各种实施方案大体上涉及能够直接解决同步问题的新颖的就地校准方案。具有至少一个井下发射器接头和多个轴向间隔的井下接收器接头的工具或工具结构可实时发射并接收多个信号。所述工具与处理单元集成或可操作地连接到处理单元，所述处理单元被配置来确定每个接收器的采样频率和相位延迟，并被配置来使用对应接收器的确定的采样频率和相位延迟来处理所获取的测量信号。有利地，本发明的实施方案不需要接头之间的总线互连来在长距离上执行天线之间的同步。相反，下文将详细描述若干处理方案，用来实现接头之间的相对同步和所接收信号的进一步调整，以补偿非同步的影响。在一个实施方案中，可通过考虑天线之间的相对时钟信息来执行同步测量。
为了便于更好地理解本公开，给出某些实施方案的以下示例。以下示例绝不应被解读成限制或限定本公开的范围。通过参考图1 至图14最好地理解本公开的实施方案和其优点，其中相同编号用于指示相同和对应部分。
现在转向附图，图1示出设备100的实施方案的框图，所述设备 100具有处理单元108和工具或工具结构105以确定在井102中的井下地层性质。工具105具有发射器接头103和与接收器104-1、 104-2......104-(N-1)、104-N(也统称为“接收器接头104”或简称为“接收器104”)集成的多个轴向间隔的井下接收器接头的布置，以结合处理单元108操作来获取由发射器103产生的实时信号。在一个实施方案中，接收器104-1、104-2......104-(N-1)、104-N之间的距离可在大约10英尺至大约300英尺的范围内。接收器104获取地层参数的测量值，如下文更详细描述的。如在本文的各种实施方案中所公开的，发射器和接收器的等效、类似或相同的控制和处理布置提供了用于在发射器103和接收器104具有不同时钟系统时使信号同步的机构。
在一个实施方案中，发射器接头103和接收器接头104的布置可结合处理单元108操作以提供各种地层性质测量值。发射器接头103 和接收器接头104可通过总线106互连。所示布置中的每个传感器元件(即，发射器和接收器)可实现为线圈元件、线元件、环形元件、螺线管元件、电极型元件、换能器或其他合适的电磁型传感器。所选择的传感器可在各种频率范围中操作。发射器天线103可采用交流电流来产生电磁场，所述电磁场可在周围区域中感应出涡电流。涡电流可产生可由测井工具105中的接收器天线104检测的磁场。
如图1所示，发射器103和每个接收器104-1、 104-2......104-(N-1)、104-N优选地沿着测井工具105的纵向轴线布置在不同的位置。多个接收器104可基于来自单个发射器的信号来检测响应。由两个间隔开的接收器104接收的信号可具有相位差和振幅差。在不同的实施方案中，模块化测井工具105的发射器模块 103和接收器模块104-1......104-N在对应于一个或多个测井工具的单个工具主体内。可替代地，测井工具105的发射器模块103和接收器模块104-1......104-N跨多个工具主体分布。多个工具主体可对应于单个测井工具或共享一些部件的多个测井工具。在不同的实施方案中，具有分布式发射器模块和/或接收器模块的多个工具主体可直接或间接地彼此联接。而且，工具主体的联接可以是刚性的或柔性的。例如，在随钻测井情形中，需要工具主体之间的刚性联接。同时，在线缆测井情形中，可使用工具主体之间的刚性或柔性联接。具有发射器和/或接收器模块的工具主体之间的联接部件可以是例如线缆、脐带缆、钢丝绳、连续油管、金属管(钻柱或套管段)、有线管或其他联接器。
在一个实施方案中，发射器103和接收器104的布置可结合处理单元108操作以调整(例如，校正)两个或更多个BHA位置之间的实时地层性质测量值，以便处理具有不同时钟系统的天线接头之间的同步问题。在这样的实施方案中述设备可解决同步问题，如下文更详细描述的，以便诸如实时地为现场操作员提供更准确的地层性质测量值。
处理单元108提供信号以选择性地或连续地启动发射器103并实时地在接收器104的布置处获取测量信号。在此类示例中，“实时”包括与从井102发射信号到处理单元108相关联的常见延迟，诸如材料或物理性质延迟属性。如本文所讨论的，信号或测量值包括电磁测量值。
应当清楚地理解，处理单元108可位于井102的地表处，通过通信机构可操作地与工具105通信。这样的通信机构可实现为通信车辆，这对井操作是标准的。处理单元108可沿着借以在井102中将工具105放置在井下的机构来分布。处理单元108可与工具105集成，使得处理单元108能在井102中在井下操作。在替代性实施方案中，处理单元108可沿着工具105或沿着在井下递送工具105的结构分布。
在各种实施方案中，处理方法在没有专用同步总线的情况下可操作地使实时信号同步。工具105可用作MWD工具，诸如LWD工具。此外，工具105可适用作线缆工具。
通常，响应于发射器天线103的启动(即，发射)而由处理单元 108处理的接收器天线(即，第一接收器104-1的天线)的复电压测量值可由等式(1)给出，表示为：
VRx＝Amp目标xej(pha Tx +pha Rx +pha 目标 )，   (1)
其中Amp目标是复测量值的幅度，phaTx是发射器天线的电子器件中的相位延迟，phaRx是接收器天线的电子器件中的相位延迟并且 pha目标是目标信号的相位延迟。应当指出的是，复测量值的Amp目标通常受发射器天线与接收器天线之间的任何介质的影响，但不受发射器和/或接收器天线处的任何电子器件的影响。这是由于应用于测量以仅确定检测到的目标信号(通常作为地层信号)的幅度的傅里叶变换方案。测量的复电压信号的相位部分包括三个部分：上文所描述的phaTx、phaRx和pha目标。为了仅从目标获取准确的复电压信号，应捕获发射器天线和接收器天线两者中的相位延迟且/或使其同步。
另一方面，获取测量值的LWD常规电磁(EM)电阻率工具通常利用复测量值(即，电阻率测量值)的比率信号来表征工具周围的地层性质。真实的地层电阻率是关键的岩石物理参数，这个参数可帮助岩石物理学家表征并开发储层。电阻率测量值表示测井工具周围地层的EM性质，其中不同的地层具有不同且独特的电阻率读数。连续电阻率测井记录允许岩石物理学家识别地层地质，并开发良好的井筒放置程序，以便在储层中实现最大的石油产量。通常通过响应于启动发射器天线(即，发射器103)而收集两个接收器(即，接收器104-2和104-N)的信号测量值来获得此类比率信号。下面的等式(2a) 和等式(2b)描述了两个电磁接收器测量值：
VRx1＝Amp1 x ej(pha Tx +pha Rx1 +pha 1 )   (2a)
VRx2＝Amp2 x ej(pha Tx +pha Rx2 +pha 2 )   (2b)
其中Amp1和Amp2是复测量值的幅度，phaRx1和phaRx2分别是第一接收器天线和第二接收器天线的电子器件中的相位延迟，并且 pha1和pha2是目标信号的相位延迟。由于两个接收器测量值是基于来自同一发射器天线的发射，因此发射器天线的相位延迟对于两个测量值应该是相同的。另外，两个接收器天线通常是同一电子装置的一部分并同时接收信号。因此，由基本相同的电子装置接收的信号的相位延迟(phaRx1和phaRx2)也被预期是大致相同的。一般来说，校准两个对应接收器天线的相位延迟(或相位偏移)，使得两个信号之间不存在接收器相位延迟差(phaRx1-phaRx2＝0或phaRx1＝phaRx2＝ 0)。等式(3)描述了常规的感应型LWD电阻率测量工具如何通过取得两个接收器测量值之间的比率并仅从周围目标信号确定信号来消除相位延迟差：
Figure BDA0002289537990000091
由于天线之间没有同步，因此第一个问题是在接收器电路(即第一接收器104-1的天线)处测量的反射的发射信号的真实工作频率与限定的发射器工作频率之间的不匹配，这导致由傅里叶变换过程进行的振幅确定并不准确。具体地，从发射器天线103发射固定的发射器工作频率，并且在接收器天线(例如，第一接收器的天线104-1) 中使用相同的工作频率值来执行傅里叶变换并获取对应的复振幅特性(或相位和幅度)。然而，如果发射器时钟信号和接收器时钟信号未在井102中在井下正确地校准和/或同步，则当测量所接收信号的振幅并基于所获取的接收器测量值来执行傅里叶变换时，实际工作频率将偏移。特别地，各个接头的时钟可响应于改变的工作参数(例如，诸如温度)而随机偏移。
如果一个接头的时钟比另一个接头的时钟快，并且没有专用总线来在不同接头之间使时钟同步，则工作频率会偏移，然后测量所接收信号的振幅并使用所测量的振幅来执行傅里叶变换的任何电阻率工具在不知道发射器的真实工作频率的情况下，将得到不准确的结果。应当指出的是，时钟同步过程是有些复杂且耗时的。例如，通过执行以下步骤，可在多天线电阻率工具中使两个时钟同步：产生与第一时钟相关联的信号；调制所述信号；发射所述调制信号；由与第二时钟相关联的接收器接收所述调制信号；对所接收信号进行关联；确定所接收信号的到达时间；确定两个时钟之间的时间差；以及使两个时钟同步。因此，本发明的各种实施方案公开了解决时钟同步问题的新颖的方法，而不执行在发射器接头103与接收器接头104-1、104-2......104-(N-1)、104-N的布置之间的实际时钟信号同步。
现在转向图11，示出了描绘根据本发明实施方案的在具有不同时钟系统的天线之间使信号同步的过程的流程图。在转向图11的描述之前，请注意，图11中的流程图示出其中以特定顺序(如连接各框的线所指示)执行操作步骤的示例，但是此图中示出的各个步骤可以任何顺序或以任何组合或子组合执行。应当理解，在一些实施方案中，下文描述的一些步骤可组合成单个步骤。在一些实施方案中，可省略一个或多个步骤。在一些实施方案中，可执行一个或多个另外的步骤。如本领域的技术人员将了解，本发明的各方面可体现为方法或计算机程序产品。在一些实施方案中，下文描述的方法可至少部分地由处理单元108(在图1中描绘)执行。
在1102处，可在初始时间启动沿着布置的纵轴的发射器天线 103。第一发射器天线可被配置来以固定的工作频率操作，如下文所描述。在1104处，一个或多个接收器接头104-1、 104-2......104-(N-1)、104-N处的天线可在初始时间被启动，并且可诸如在接收器104-1处实时地收集第一多个测量值。第一接收器接头 104-1和发射器子天线103可分开已知的距离。第一多个测量值可与第一接收器天线104-1相关联。类似地，在1104处，可诸如在第二接收器接头104-2处等实时地收集第二多个测量值。
另外，一旦发射器103和一个或多个接收器天线104被启动，它们就可连续地或离散地运行，诸如以给定的间隔运行。发射器和接收器的布置可包括在工具结构上，诸如图1和本文所描述的工具105 。可在从初始记录时间开始的预定时间间隔内收集第一、第二、第三等多个测量值。例如，从钻井操作开始到钻井操作结束或在其中的任何时间间隔。在一个示例中，收集多个测量值可包括在时域内收集，使得多个测量值中的每个测量值与时间、第一接收器天线、第二接收器天线等以及振幅相关联。也就是说，每个所收集的测量值可与相应发射器天线和相应接收器天线相关联。
在1106处，确定对应于每个接头的所接收工作频率偏移和对应的DFT振幅。
下表(表1)示出作为非限制性示例的一种工作频率偏移的情况：
Figure BDA0002289537990000111
表1
在所示的示例中，设计的工作频率是2kHz且振荡器时钟频率是16.384MHz。振荡器常常用作参考时钟，用于在各种电子装置中进行系统集成。假设在相同的工作温度范围内存在±250ppm的时间偏移，并假设对应时钟的最坏情况偏移率(即，发射器处的偏移为 -250ppm，接收器处的偏移为+250ppm)，如表1所指示，发射信号的真实工作频率
Figure BDA0002289537990000112
偏移到1.9995kHz。而且，与发射器一样，由于接收器时钟偏移，接收器的采样频率
Figure BDA0002289537990000113
也偏移。因此，由接收器处的电磁测量工具获取的离散数据将具有与发射器的真实工作频率值不同的工作频率值。由本发明的各种实施方案提供的新颖的测量值处理方法不使用任何时钟信息，而是使用16.004kHz的原始接收器采样频率(fs)来处理由接收器获取的测量值。根据本发明的实施方案，由接收器接头测量的最终工作频率
Figure BDA0002289537990000114
)可由等式(4)给出：
Figure BDA0002289537990000115
如上文表1中所示，所示的最坏情况偏移情形将在接收器测量值中产生1Hz的频率变化。因此，一个或多个实施方案提供了确定工作频率偏移的新颖的方法。在最坏情况情形中(例如，发射器时钟处为-250ppm，接收器时钟处为+250ppm)，具有非同步时钟的工具 105将在发射器103处(fsTx)和接收器处(fsRx)产生不同的采样频率，然而所述fsTx通常用于产生和/或采样具有工作频率
Figure BDA0002289537990000116
的信号。根据本发明的实施方案，发射器103使用发射器采样频率产生由等式(5a)和(5b)描述的两个输入信号-振幅为1.0的第一输入信号(信号1)和振幅为0.5的第二输入信号(信号2)：
Figure BDA0002289537990000121
Figure BDA0002289537990000122
由于本文描述的系统和方法不利用任何时钟信息，因此使用设计的采样频率(fs)实现傅里叶变换。图2示出示例性信号在时域中的振幅和在快速傅里叶变换(FFT)后的对应频谱的曲线图。第一曲线图202示出振幅为1且工作频率为1.9995kHz(表1中的发射器工作频率)的第一信号的振幅变化。第二曲线图206示出振幅为0.5且工作频率也为1.9995kHz的第二信号的振幅变化。第三曲线图203和第四曲线图207分别是第一信号和第二信号的FFT幅度与频率的关系的曲线图。如图2所示，通过使用2kHz的工作频率以及上文表1中的参数在接收器(例如，第一接收器接头104-1)处进行一秒测量，第一信号和第二信号都在1999Hz处具有峰值振幅(通过FFT获得)，所述峰值振幅分别由附图标记204和208表示。
接下来，根据本发明的实施方案，处理单元108执行与工作频率相关联的单独的离散傅里叶变换(DFT)处理操作。单独的处理操作应当被理解为意指与2kHz的单个工作频率(例如，1.998kHz至 2.002kHz的DFT频率范围)相关联的处理操作。图3是根据本发明实施方案的图2的说明性第二信号的DFT处理操作的归一化振幅的曲线图。处理单元108可使用图3中所示的曲线图302，通过评估在 2kHz工作频率附近的DFT振幅峰值来捕获接收天线处的偶然工作频率偏移。
通过将纯随机噪声注入到上文的等式(5a)和等式(5b)所描述的信号，从而实现为10的信噪比(SNR)，来评估所提出的方法。图4分别示出在注入SNR等于10的纯随机噪声的情况下图2的第一信号和第二信号在时域中的振幅变化402和406的曲线图。就像在图2中一样，两个信号的工作频率都是1.9995kHz。此外，图4包括曲线图403 和407，其分别是第一信号和第二信号的FFT幅度与频率的关系的曲线图。与图2类似，第一信号和第二信号都在1999Hz处具有峰值振幅(通过FFT获得)，所述峰值振幅在这种情况下分别由附图标记404和408表示。
图5示出根据本发明实施方案的图4的引入了随机噪声的信号的 DFT处理操作的归一化振幅的曲线图502和504。处理单元108可使用图5中所示的曲线图502和504在2kHz的工作频率附近捕获DFT 振幅峰值506和508。图5示出，当将纯随机噪声注入到输入信号中时，通过所提出的方法实现了基本类似的结果。
通过将SNR为1的纯随机噪声注入到上文的等式(5a)和等式(5b) 所描述的信号，进一步评估所提出的方法。图6分别示出在注入 SNR等于1的纯随机噪声的情况下图2的第一信号和第二信号在时域中的振幅变化602和606的曲线图。此外，图6包括曲线图603和607，其分别是第一信号和第二信号的FFT幅度与频率的关系的曲线图。即使在这种情形中，第一信号和第二信号都在1999Hz处具有峰值振幅(通过FFT获得)，所述峰值振幅在这种情况下分别由附图标记 604和608表示。
图7示出根据本发明实施方案的图4的引入了SNR为1的随机噪声的信号的DFT处理操作的归一化振幅的曲线图702和704。处理单元108可使用图7中所示的曲线图702和704在2kHz的工作频率附近捕获DFT振幅峰值706和708。图7示出，即使将不太可能的 SNR为1的纯随机噪声注入到输入信号中，通过所提出的方法仍然可获得基本类似的结果。
一旦确定了所接收的工作频率，处理单元108就可使用此信息来对准接收器的采样频率。在下文的等式(6)中，理想信号(没有由时钟偏移引起的不确定性的信号)由等式的左手边大小表示。对于已经受益于本公开的人来说将显而易见的是，等式(6)的右手边大小可用于基于接收器的工作频率
Figure BDA0002289537990000141
来处理所接收的测量值：
Figure BDA0002289537990000142
其中Amp是测量值的幅度，f0是设计的工作频率，fs是设计的采样频率，
Figure BDA0002289537990000143
是接收器装置的所确定的工作频率，并且
Figure BDA0002289537990000144
是接收器处的经调整的采样频率。
因此，等式(6)可重写为等式(7)：
Figure BDA0002289537990000145
根据本发明的实施方案，在步骤1106处，处理单元108利用等式(7)来确定接收器处的经调整的采样频率。
继续上文的示例，设计的工作频率是2kHz，但接收器的所确定的工作频率是1.999kHz。此外，设计的采样频率为16kHz。将这些数字放入等式(7)中可得到所提供示例的接收器采样频率： 1.999kHz×16kHz/2kHz＝15.992kHz。因此，处理单元108应将接收器的采样频率值调整为15.992kHz，以处理在上文示出的示例中由对应接收器获取的信号。
仍然参考图11中的步骤1106，一旦由处理单元108调整了接收器的采样频率，DFT处理操作(使用fs和f0)就可通过使用2kHz作为峰值振幅(如图8和图9所示)来准确地处理所接收的测量值。图8示出根据本发明实施方案的示例性信号在时域中的振幅和在使用接收器的经调整的采样频率进行傅里叶变换后的对应频谱的曲线图802 和806。如图8所示，当使用经调整的接收器采样频率时，在曲线图 802和806中的离散时域信号没有任何振幅调制。相反，图2中的离散时域信号具有基于原始采样频率的这种振幅调制。显然，如果接收器的采样频率被适当调整，则第一信号和第二信号都在2kHz处具有峰值振幅(通过FFT获得)。第一信号和第二信号的峰值振幅分别由附图标记804和808表示。图9是根据本发明实施方案的基于经调整的采样频率对图8的信号进行的DFT处理的归一化振幅的曲线图902 。图9示出，当使用经调整的采样频率时，实际峰值振幅为2kHz。
尽管所接收的工作频率以及接收器的采样频率可由处理单元108 使用上文描述的方法确定，但是本文描述的计算调整方案还应当在步骤1108处解决在发射器与接收器接头之间的相位延迟问题。在一个实施方案中，为了确定由接收器104响应于发射器103的启动而测量的信号的相位延迟，工具105可包括安装在发射器103处并被配置成在发射器天线103启动期间测量电流信号的装置(图1中未示出)。这样的电流信号带有与传输信号的相位延迟相同的相位延迟。因此，在此实施方案中，处理单元108可通过利用发射器103的对应电流测量值来相对于所述发射器103启动对各个接收器测量值进行归一化，如等式(8)所描述：
Figure BDA0002289537990000151
其中VRx表示电磁接收器测量值，Amp目标是目标信号的振幅， ITx表示发射器的测量电流信号，是j单位虚数(也表示为i)，其用于表示复数，phaTx表示发射器103的相位延迟，phaRx表示接收器104 的相位延迟，pha目标表示目标信号的相位延迟。
用于同步相位延迟差的另一种方法涉及在进行测量之前确定天线之间的相对相位延迟，作为下文描述的自校准方案。根据此替代性实施方案，为了实现这种自校准，发射器接头103和接收器接头 104可通过互连总线106或通过使用极低频信号(诸如在约1Hz至约100kHz范围内的信号)的无线通信彼此通信。这种处理方法涉及识别位于不同接头处的时钟系统之间的相对同步，并且将在下文参考图 10进行描述。
图10是根据本发明的实施方案的多接头接收器配置的示意性框图。在图10中所示的布置1000中，存在N个接收器接头104-1、 104-2......104-N，并且每个接头具有不同的时钟系统。根据此实施方案，第二接收器104-2被配置来确定相对于第一接收器104-1相位延迟的相位延迟，所述相位延迟由在总线106上发射的专用信号或在第一接收器接头104-1与第二接收器接头104-2之间的对应低频无线信号通信提供。类似地，第三接收器104-3被配置来确定其相对于第二接收器接头104-2的相位延迟。根据此实施方案，接收器子 104-1......104-N中的每一个可将确定的相对相位延迟值发送到处理单元108。处理单元108还被配置来使用接头104之间的所接收相对相位延迟来调整在每个接收器接头104处获取的测量值。例如，假设第一接头104-1的相位延迟是ejpha1，则接头N的相位延迟可表示为
Figure BDA0002289537990000161
其中phan是第一接收器接头104-1与第n接收器接头104-N之间的相对相位延迟。
在另一个替代性实施方案中，用于图10中所示的子布置的相对相位同步方法还可在实验室环境中在不同温度下执行，以得出对应于特定温度测量值的用于每个接收器接头的校准系数。在此实施方案中，处理单元108在处理由对应的接收器接头104获取的测量值时可利用这些得出的系数来在接头之间同步电子器件相位延迟。
使用这种自校准方案，可将等式(1)修改为等式(10)：
Figure BDA0002289537990000162
其中，phaRx-Tx是发射器天线接头与接收器天线接头之间的相对相位延迟，并且phaTx是发射器接头处的相位延迟，其可由在上文提到的发射器接头处的专用装置(诸如天线电流测量电路/模块)测量。一旦确定了这些相位延迟项，就可使用等式(11)对接收器接头处的目标信号进行解耦：
Figure BDA0002289537990000171
因此，根据本发明的实施方案，在1108处，处理单元108接收由发射器103处的专用装置获得的测量电流信号并利用所接收的电流信号作为归一化因子来消除相位延迟，或处理单元1108确定多个接头103、104-1、104-2......104-(N-1)、104-N之间的相位延迟差。在1110处，处理单元108基于在步骤1106和步骤1108处进行的确定来对由每个接收器接头104提供的测量值相对于彼此进行调整。
在步骤1112处，处理单元108可进一步分析来自测井工具105 的经调整的测量数据，以检测地下层。例如，处理单元108可基于由井筒102中的工具105获取的经调整的电阻率测量值来识别地下层的边界位置和其他性质。例如，在某些情况下，较高的电阻率指示较高的烃积聚可能性。
在一些实施方案中，基于到地层边界的距离(DTBB)分析来检测地下层的边界位置。例如，处理单元108可确定从测井工具105上的参考点到每个地下层的边界的距离。测井工具105上的参考点可表示例如在测井工具105中的发射器和接收器阵列的轴向中心处或附近的井筒深度，或另一位置处的井筒深度。每个地下层的边界可表示例如地下层与井筒102相交处的井筒深度。
根据本发明的实施方案，由于在某些深度间隔下基本稳定的工作温度，上文描述的步骤1106-1110仅由处理单元108优选地响应于温度变化周期性地执行。换句话说，当工作温度的变化在预定义时间段内超过预定义阈值水平时，处理单元108执行步骤1106-1110以更新接收器天线的采样频率，确定相位偏移并相应地调整获得的测量值。因此，通过各种处理方法实现了优异的测量值校正，以补偿响应于温度变化的时钟系统之间的非同步的影响。这使得有可能根据实际温度偏移来解决同步问题。请注意，一旦处理单元108解决了时钟同步问题，则原始设计的工作频率(f0)值和采样频率(fs)值仍然由处理单元108在DFT计算中使用，因为经调整的接收器采样频率有效地使对应的接收器时钟与发射器时钟系统同步。
图12描绘示例性工具105的特征的框图，所述示例性工具105 具有与其集成的处理单元，以可操作地提供测量值来使实时信号同步。处理单元108可与工具105集成，使得处理单元108能在井102 中在井下操作。工具105的处理单元108可操作地连接到发射器103和接收器104的布置，其中可响应于启动所述布置中的发射器103而获取测量信号，其中处理来自接收器104和发射器103的所收集信号提供了例如地层参数测量值。工具105的发射器和接收器的布置可以与本文讨论的布置类似或相同的方式实现。
工具105还可包括控制器1208、存储器1212、电子设备1218和通信单元1214。控制器1208、存储器1212和通信单元1214可被布置来以与本文讨论的处理单元类似或相同的方式控制工具105的操作。工具105的各种部件可一起作为处理单元操作，以实现所述布置中的发射器与接收器之间的相对同步并进一步调整所接收信号以补偿非同步的影响。控制器1208、存储器1212和电子设备1218可被实现以根据如本文所述的测量程序和信号处理来启动发射器天线和接收器天线。通信单元1214可包括钻井操作中的井下通信。此类井下通信可包括遥测系统。
工具105还可包括总线1210，其中总线1210在工具105的部件之间提供导电性。总线1210可包括地址总线、数据总线和控制总线，每一总线被独立地配置。总线1210还可使用公共导电线来提供地址、数据或控制中的一者或多者，所述公共导电线的使用可通过控制器1208来调节。总线1210可被配置成使得工具105的部件是分布式的。这种分布可布置在工具105的井下部件(诸如发射器和接收器) 与可设置在地表上的部件之间。可替代地，所述部件可在共同的位置，诸如在钻柱的一个或多个套环上或在线缆结构上。
在各种实施方案中，外围装置1216可包括可结合控制器1208和 /或存储器1212来操作的显示器、另外的存储器和/或其他控制装置。在一个实施方案中，控制器1208是处理器。外围装置1216可被布置有显示器，所述显示器可与存储在存储器1212中的指令一起使用以实现用户界面来管理工具105的操作。这样的用户界面可结合通信单元1214和总线1210来操作。工具105的各种部件可与其集成，使得与关于本文的各种实施方案所讨论的处理方案相同或类似的处理可在井下所述测量的附近执行。
短语“处理器可读介质”应被理解为包括能够存储或编码指令序列的任何有形的非暂时性装置，所述指令序列用于由机器执行并致使机器执行所描述的和/或要求保护的方法中的任一种。这样的处理器可读介质包括机器可读介质或计算机可读介质。术语“非暂时性介质”明确地包括所有形式的存储装置，所述存储装置包括驱动器(光学的、磁性的等)和所有形式的存储器装置(例如，动态随机存取存储器(DRAM)、(所有存储设计，包括NAND或NOR拓扑的)闪存、静态随机存取存储器(SRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、相变存储器等，以及被设计来存储任何类型的信息以用于稍后检索的所有其他结构。
在电气情境中，使用短语“耦合(coupled或coupling)”可指直接耦合，诸如导电耦合(例如，如在导电地耦合到地层中的励磁电流的示例中)，或间接耦合(例如，无线、电抗或电磁耦合)。在机械情境中，“联接(coupled或coupling)”可指直接机械连接，或通过示例的一个或多个其他机械部分的间接机械连接。
图13大体上示出诸如包括随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)能力的钻井设备1300的示例。图13的说明性示例可包括诸如图1中所示的设备。钻机或钻探平台1302大体上包括井架1304或其他支撑结构，诸如包括绞车1306或联接到绞车1306的支撑结构。绞车1306 可用于升高或降低装备或其他设备，诸如钻柱1308。钻柱1308可诸如通过井口1312进出井眼1316。钻柱1308的下端可包括用于提供井眼1316的各种设备，诸如钻头1314。
钻井液或“泥浆”可在钻头1314周围的环形区域中或其他地方循环，诸如通过供应管道1332提供给井眼1316、通过泵1320循环并且返回到地表以便捕获在保持坑1324或贮槽中。各种接头或工具组件(诸如BHA 1326和多个接头)也可沿着钻柱1308定位。多个可包括发射器接头103和与接收器104-1、104-2......104-(N-1)、104-N集成的多个轴向间隔的井下接收器接头，以结合处理单元(如图1所示)操作来获取由发射器103产生的实时信号。在各种实施方案中，多个接头可通过电池或井下涡轮机/发电机供电。一种用于井下发电的常规方法包括循环钻井泥浆以操作位于井下的发电机或涡轮机。应当指出的是，采用这种方法，当没有泥浆流动时，多个接头可在电池可用时自动使用电池。在一些实施方案中，多个接头可仅由电池供电。在又一个实施方案中，多个接头仅由井下涡轮机/发电机供电，并且在没有泥浆流动时则不操作。
当BHA 1326或多个接头1328穿过地层1318的各个区域时，可获得信息。例如，BHA1326或多个接头1328可包括诸如图1的示例中所示的布置。如上文所描述，多个接收器和发射器接头1328可包括无线遥测或记录能力、或这两种能力，诸如用于将指示地层电阻率的信息发射或稍后提供给地表上的操作者，或用于稍后访问以评估地层1318的性质，包括深度。例如，设备1300在地表处的部分 1330可包括诸如为了支持LWD或MWD操作的无线遥测术、处理器电路或存储设施中的一者或多者。
图14大体上示出线缆测井设备的示例。图14的说明性示例可包括诸如图1中所示的设备。与图13的示例类似，绞车1406可被包括为平台1402的一部分(诸如联接到井架1404)，并且用来升高或降低装备(诸如线缆探测器1450)进出井眼。在此线缆示例中，传送装置 1442可提供记录设施1444(例如，包括处理器电路1445或其他存储电路或控制电路)与探测器1450之间的通信耦合。传送装置1442可以是适于在井筒中部署一个或多个工具组件的任何传送构件，包括但不限于油管、连续油管、钻杆、电缆、线缆、钢丝绳和井筒牵引车。各种接头或工具组件(诸如多个接头)可沿着传送装置1442定位。多个接头可包括发射器接头103和与接收器104-1、 104-2......104-(N-1)、104-N集成的多个轴向间隔的井下接收器接头，以结合处理单元1445操作来获取由发射器103产生的实时信号。在一个实施方案中，发射器103和多个接收器104-1、 104-2......104-N被配置来与处理单元1445通信以接收、测量和/或估计井下部件、井眼和/或地层的方向特性和其他特性。这种通信可采用任何期望的形式，且可使用不同的传输介质和连接件。连接件的示例包括有线、光纤、声学、无线连接件和泥浆脉冲遥测术。如果传送装置1442包括线缆或电缆，则可通过线缆或电缆中的一个或多个导体从地表向多个接头提供电力，然而，在此实施方案中也可使用电池。以此方式，可诸如使用如本文其他示例中所讨论的被包括为探测器1450的至少一部分的上述工具来获得关于地层1418的信息。出于说明的目的，图13和图14的示例示出垂直取向的井眼配置。然而，本文中描述的设备和技术也可用于其他井眼配置，例如，诸如包括水平穿透方向的井眼或倾斜的井眼配置。图13和图14的示例还大体上示出陆上型示例。但是，本文所描述的设备和技术也可用于海上环境，诸如用于海底操作。具体地说，海上或海底操作可包括使用包括本文的示例的各方面的线缆或LWD/MWD设备和技术。
因此，如上文所阐述，本文所公开的实施方案可以数种方式来实现。一般来说，在一个方面，所公开的实施方案涉及一种用于在位于井眼中的测井工具的发射器与接收器之间使信号同步的方法。除了其他步骤之外，所述方法包括以下步骤：i)由接收器获取通过操作所述井眼中的发射器产生的测量信号；ii)由处理单元确定所述接收器的工作频率，所述接收器的所述工作频率与所述发射器的工作频率不同；iii)由所述处理单元基于所述确定的工作频率确定所述接收器的采样频率；iv)由所述处理单元确定所述接收器的相位延迟；以及v)由所述处理单元基于所述接收器的所述确定的采样频率和所述相位延迟来调整所述获取的测量信号。
在一个或多个实施方案中，用于确定用于在位于井眼中的测井工具的发射器与接收器之间使信号同步的所述方法还可单独地包括以下特征中的任何一个，或以组合的方式包括这些特征中的任何两个或更多个：(a)发射器的工作频率是固定的，并且接收器的采样频率由于环境温度变化导致的接收器的时钟源的偏移而周期性地变化；(b)由处理单元处理经调整的测量信号的步骤；(c)处理经调整的测量信号的步骤还包括执行离散/快速傅里叶变换(DFT/FFT)计算；以及(d)确定接收器的工作频率、接收器的采样频率和接收器的相位延迟的步骤是响应于温度变化超过预定义阈值来执行的。
一般来说，在另一方面，所公开的实施方案涉及一种测量地层参数的设备。除了其他事项之外，所述设备包括工具结构，所述工具结构具有带有集成的发射器的井下发射器接头和带有集成的接收器的多个轴向间隔的井下接收器接头。所述设备还包括控制单元，用于控制所述工具结构的所述发射器的启动。所述设备另外包括处理单元，用于处理从所述工具结构中的所述接收器接收的信号。在一个方面，所述处理单元被配置来：i)收集由所述工具结构获得的测量信号；ii)确定每个接收器的工作频率，每个接收器的所述工作频率与所述发射器的工作频率不同；iii)基于所述确定的工作频率确定所述接收器的采样频率；iv)确定所述接收器的相位延迟；以及v)基于所述接收器的所述确定的采样频率和所述相位延迟来调整所述获取的测量信号。
在一个或多个实施方案中，用于测量地层参数的设备还可单独地包括以下特征中的任何一个，或以组合的方式包括这些特征中的任何两个或更多个：a)所述设备是随钻测井的井下工具并且所述收集的测量信号是收集的随钻测井信号；(b)通信总线将多个井下接收器接头和井下发射器接头互连；(c)所述测量信号是对应于约60英尺至约100英尺的探测深度的电磁测量信号；(d)所述处理单元还被配置来处理经调整的测量信号；(e)所述处理单元被配置来执行离散/快速傅里叶变换(DFT/FFT)计算；以及(f)多个非同步时钟与所述发射器和所述多个接收器相关联。
虽然已经说明并描述本公开的特定方面、实现方式和应用，但是应当理解，本公开不限于本文所公开的精确构造和组合物，并且在不脱离如所附权利要求所限定的所公开实施方案的精神和范围的情况下，各种修改、变化和变型从前面的描述中可显而易见。

Claims (20)

1.一种用于在位于井眼中的测井工具的发射器与接收器之间使信号同步的方法，所述方法包括：
由多个接收器获取通过操作所述井眼中的发射器产生的测量信号；
由处理单元确定所述多个接收器中的每一个的工作频率偏移和由此得到的每个接收器的结果工作频率，所述结果工作频率与所述发射器的工作频率不同；
由所述处理单元基于所述多个接收器中的每一个的所述结果工作频率确定所述多个接收器中的每一个的采样频率；
由所述处理单元确定所述多个接收器中的每一个的相位延迟；以及
由所述处理单元基于所述多个接收器中的每一个的所述确定的采样频率和所述相位延迟来对所述获取的测量信号相对于彼此进行调整。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述发射器的所述工作频率是固定的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述接收器的所述采样频率由于环境温度变化导致的所述接收器的时钟源的偏移而周期性地变化。
4.如权利要求1所述的方法，其还包括由所述处理单元处理所述经调整的测量信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中处理所述经调整的测量信号还包括执行离散/快速傅里叶变换(DFT/FFT)计算。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述接收器的所述工作频率、所述接收器的所述采样频率和所述接收器的所述相位延迟是响应于所述温度变化超过预定义阈值来确定的。
7.如权利要求1所述的方法，其中确定所述接收器的所述相位延迟包括确定由所述发射器产生的电流信号的相位延迟。
8.一种测量地层参数的系统，所述系统包括：
工具结构，其具有包括发射器的井下发射器接头和包括接收器的多个轴向间隔的井下接收器接头；
控制单元，用于控制所述工具结构的所述发射器的启动；以及
处理单元，用于处理从所述工具结构中的所述接收器接收的信号，所述处理单元被配置来：
收集由多个接收器获得的测量信号，所述测量信号是通过操作所述发射器产生的；
确定所述多个接收器中的每一个的工作频率，每个接收器的所述工作频率与所述发射器的工作频率不同；
基于所述多个接收器中的每一个的所述确定的工作频率确定所述多个接收器中的每一个的采样频率；
确定所述多个接收器中的每一个的相位延迟；并且
基于所述多个接收器中的每一个的所述确定的采样频率和所述相位延迟，对所述获取的测量信号相对于彼此进行调整。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述工具包括随钻测井的井下工具，并且其中所述收集的测量信号包括收集的随钻测井信号。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述多个井下接收器接头和所述井下发射器接头通过通信总线互连。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述测量信号包括对应于约20英尺至约300英尺的探测深度的电磁测量信号。
12.如权利要求8所述的系统，其中所述处理单元还被配置来处理所述经调整的测量信号。
13.如权利要求12所述的系统，其中被配置来处理所述经调整的测量信号的所述处理单元还被配置来执行离散/快速傅里叶变换(DFT/FFT)计算。
14.如权利要求8所述的系统，其中与所述发射器和所述多个接收器相关联的多个时钟是不同步的。
15.如权利要求8所述的系统，其中所述处理单元设置在地球的地表处。
16.如权利要求8所述的系统，其中所述测量地层参数的系统包括线缆系统。
17.如权利要求8所述的系统，其中被配置来处理所述经调整的测量信号的所述处理单元还被配置来计算地调整所述多个接收器中的一个或多个的采样频率。
18.如权利要求8所述的系统，其中被配置来处理所述经调整的测量信号的所述处理还被配置来计算地同步所述发射器和所述多个接收器中的每一个的所述相位延迟。
19.如权利要求8所述的系统，其中所述处理单元设置在井下。
20.如权利要求16所述的系统，其中所述发射器接头和所述多个接收器接头通过具有在约1Hz至约100kHz范围内的频率的无线信号彼此通信。
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