CN115685355A - 用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法及装置，所述方法包括如下步骤：步骤1、将接收天线感应的微弱电信号利用信号调理电路进行程控增益放大和低频滤波处理，得到满足采样要求的待采样模拟信号；步骤2、根据奈奎斯特采样定理，利用模数转换模块将所述待采样模拟信号进行离散化处理，得到多个周期的数字信号；步骤3、控制器对离散后的连续多个周期信号进行叠加降噪处理，将每个周期内相位相同的采样点进行叠加，叠加后取平均得到一个周期的数字信号，用此信号与方波参考信号进行幅度和相位的提取；所述的方波参考信号由每周期采样点数N决定，再根据接收信号的同相分量和正交分量，进而计算出被测信号幅度和相位信息。

Description

用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法及装置

技术领域

本发明涉及油气勘探测量电路技术领域，尤其是一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法及装置。

背景技术

随着常规油气勘探开发进入中后期，越来越多的复杂油气资源需要采用大斜度井或水平井开发以提高产量和效益，其中随钻测井技术是大斜度井、水平井油气勘探开发不可缺少的重要手段，主要用于地质导向和地层评价，成为当今石油勘探开发中不可替代的技术之一。该技术是在钻井时获取岩性、饱和度、孔隙度等地层评价信息，能提供钻井工程参数以便于有效的钻进储层，并能在恶劣井眼条件下开展测井工作，因而在诸多方面具有优越性。随钻方位电磁波电阻率仪器作为地质导向和地层评价的重要仪器之一，其利用地层电磁学特性测量电阻率信息。所测量的地层电阻率是开展地层含油、气、水等定性评价的重要依据，同时也是定量评价储层含油气饱和度的重要参数之一。该仪器具有高效、准确等特点，能有效对地层未知的探测区域进行评估，从而保证井眼轨迹在期望的储层内，提高储层钻遇率。

传统的随钻电磁波电阻率仪器由于发射天线与接收天线处于同一方向，不具备方位探测能力，无法探测地层边界和走向。而随钻方位电磁波电阻率仪器通过多个发射天线向地层发射出不同频率的电磁波信号，由于不同电阻率地层对电磁波的吸收作用不同，经地层传播、衰减后的信号会携带地层参数信息，通过改变接收天线的倾角和安装位置，对接收到的电磁波信号进行处理和计算，得到不同接收天线的幅度和相位信息，进而反演出地层电阻率、到地层边界的距离和方位，用于实时地质导向和地层评价。

高效提取接收天线感应的电磁波信号的幅度和相位是获取地层电阻率的关键问题。目前商用仪器通常将接收到的高频模拟信号进行程控增益放大、低通滤波、模数转换等处理，得到数字信号，再提取出数字信号的幅度和相位。其中，幅度和相位的提取主要采用数字相敏检波算法，将采集的数字信号与预先存储在仪器内部的与被测信号同频的标准正余弦信号进行乘法和加法运算，得到被测信号的同相分量和正交分量，最终计算出幅度和相位。该方法利用接收信号中的有用信号与参考信号之间的相关性来检测出幅度和相位，可以抑制信号中的噪声，但此种计算方法相对复杂，占用较多的井下处理器资源，降低了处理的实时性、提高了功耗，给仪器的应用带来不便。

在对接收信号进行程控增益放大、低通滤波和模数转换的过程中，由于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)具有更好的并行处理能力，其可以实现对程控增益放大电路、低通滤波电路和模数转换电路等外围硬件电路的精确控制，同时也可以对采集的数字信号进行处理和计算，因此被优先选用作为随钻方位电磁波电阻率仪器的井下控制器。但采用上述数字相敏检波算法，利用标准正余弦信号作为提取幅度和相位的参考信号时，需要将其预先存储在FPGA内部的ROM(Read-Only Memory)中，在计算过程中，需要调用FPGA内部的乘法器，导致内部电路过于复杂，占用更多的处理器资源，增大电路功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法及装置，简化传统利用正余弦信号作为参考信号的数字相敏检波计算方法，降低井下处理器资源使用率。从而降低电路功耗，有利于在井下仪器中实现。

本发明的技术方案为：一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法，包括如下步骤：

步骤1、将接收天线感应的微弱电压信号利用信号调理电路进行程控增益放大和低频滤波处理，得到满足采样要求的待采样模拟信号；

步骤2、根据奈奎斯特采样定理，利用模数转换模块将所述待采样模拟信号进行离散化处理，得到多个周期的数字信号；

步骤3、控制器对离散后的连续多个周期信号进行叠加降噪处理，将每个周期内相位相同的采样点进行叠加，叠加后取平均得到一个周期的数字信号，用此信号与方波参考信号进行幅度和相位的提取；所述的方波参考信号由每周期采样点数决定，再根据接收信号的同相分量和正交分量，进而计算出被测信号的幅度和相位信息。

有益效果：

现有的随钻方位电磁波电阻率仪器利用被测信号与同频标准正余弦信号进行数字相敏检波运算，提取出幅度和相位信息，该方法需预先存储好离散的正余弦信号以及需要调用FPGA内部的乘法器资源，增加了算法和电路的复杂性。本技术提出的方波参考信号避免使用ROM和乘法器，只利用简单的加减法运算，即可提取幅度和相位信息，简化了计算方式，提高了可靠性，更适用于井下高温的恶劣环境。提高幅度和相位提取计算的实时性，进而提高仪器实时地质导向能力。

附图说明

图1为幅度和相位的处理流程和方法；

图2为随钻方位电磁波电阻率仪器信号处理流程。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明实施例，一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取装置，包括：接收天线、信号调理模块、模数转换模块和控制器。

如图1中，所述接收天线用于将接收天线感应到的微弱电磁波信号转换为电压信号，接收天线的输出端与信号调理模块相连，供后续电路处理。

所述信号调理模块，与控制器和模数转换模块相连，共包括两部分：程控增益放大电路和低通滤波电路。程控增益放大电路接收控制器的增益设置参数，实现根据微弱信号的幅度灵活调整增益的放大功能；低通滤波电路根据接收信号的频率，在控制器的作用下选择适当的滤波频率，滤除高频噪声。

所述模数转换模块，与信号调理模块和控制器相连，用于将满足采样要求的模拟信号进行离散化处理，得到数字信号，供后续电路处理和计算。

所述控制器选用FPGA，分别与信号调理模块和模数转换模块相连。一方面实现对信号调理模块中增益的控制以及滤波频率的选择；另一方面实现对模数转换模块中ADC(Analog-to-Digital Converter)芯片采样频率的配置，将模拟信号转换为数字信号，并对采样后的数字信号进行处理和计算，利用与每周期采样点数相同的方波信号实现被测信号幅度和相位的提取。

所述幅度和相位的提取方法，是将离散后多个周期的数字信号进行叠加，将相位相同的采样点进行叠加求和取平均，最终将多个周期的信号处理成一个周期的信号，并将这一个周期的信号与点数相同的离散的方波信号进行运算，得到被测信号的幅度和相位。

具体地，求取被测信号幅度和相位的方法包括以下步骤：

a.根据奈奎斯特采样定理，对频率为f₀的被测信号进行离散处理。

具体地，控制器FPGA配置ADC芯片的采样频率为f_s，与被测信号之间满足关系：f_s＝N×f₀，其中，N为一个周期内的采样点数，且满足，N＞2，f₀为被测信号频率，离散后的数字信号可以用x[k]表示，k取0，1，2...m-1，m为采样周期数。

b.对x[k]进行同相位点叠加，将不同周期的采样点中相位相同的点进行叠加，叠加后取均值，从而提高被测信号的信噪比。叠加后的信号可以表示为y[n]，

n取0，1，2...N-1。

c.对叠加后的信号y[n]与同频率采样点数相同的离散的方波信号r[n]和c[n]进行运算。方波信号如下所示：

具体地，利用y[n]、r[n]和c[n]进行如下运算：

d.利用R_yr和R_yc分别计算出待测信号的幅度A和相位

其中幅度

相位

根据本发明的一个具体实施例，以随钻方位电磁波电阻率仪器上接收天线实际接收到的电磁波信号为例，进一步阐述本发明提出的技术方案。

按所述技术方案中的步骤进行幅度和相位的提取，具体操作如下：

步骤a：如附图2所示，随钻方位电磁波电阻率仪器首先利用接收天线将感应到的电磁波信号转换为电压信号，此时电压信号极其微弱，仅在nV级别。

步骤b：对微弱的电信号进行放大、滤波处理。由于随钻方位电磁波电阻率仪器接收天线感应到的信号极其微弱且有多个信号频率，通常在400kHz或2MHz附近，因此步骤b需要在控制器FPGA的作用下结合信号幅度和频率实现不同的增益控制和滤波频率的选择，从而达到ADC芯片的采样要求。

步骤c：根据奈奎斯特采样定理，采样频率应大于被测信号最高频率的两倍，才能无失真地恢复出被测信号，而且为了保证采集精度，实际选用的采样频率通常远高于被测信号最高频率的两倍，此处将采样频率设置为待测信号最高频率的8倍，即二者之间满足关系：f_s＝8×f₀，每周期采样8个点。

假设被测的模拟信号可以表示为：

A、f₀、

分别为待测信号的幅度、频率和相位。若以f_s的采样频率对其进行采样，可得到离散后的第i个采样点：

离散后的多个周期可以表示为：

其中，k取0，1，2...m-1，m为采样周期数。

步骤d：对离散信号x[k]中相位相同的点进行叠加去均值，得到y[n]，

n取0，1，2...7。

再根据N＝8，确定方波信号：

则以方波提取幅度和相位的方法可以表示为：

根据欧拉公式e^ix＝cos(x)+isin(x)，将三角函数与复数指数函数相关联，可以得到

进一步可以计算出R_yr和R_yc的值，如下所示：

进而得到幅度和相位的计算公式：

以上就是随钻方位电磁波电阻率仪器通过采用与每周期采样数相同的方波信号为参考提取接收天线上信号幅度和相位的计算方法。一方面，该方法不用预先将标准的正余弦信号存储在控制器FPGA内的ROM中，且在计算的过程中，只需简单的加减法运算，即可计算出幅度和相位信息，避免使用乘法器资源，降低了井下处理器资源利用率，简化电路结构，提升了仪器的可靠性，使之更加适应井下高温的测试环境。另一方面，可以实现边采集边计算的方式，节约了井下测量时间，这可以使测井仪器及时、高效地判断地层信息，提高了数据处理的实时性，保证仪器在储层内钻进，提高钻遇率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将接收天线感应的微弱电压信号利用信号调理电路进行程控增益放大和低频滤波处理，得到满足采样要求的待采样模拟信号；

步骤2、根据奈奎斯特采样定理，利用模数转换模块将所述待采样模拟信号进行离散化处理，得到多个周期的数字信号；

步骤3、控制器对离散后的连续多个周期信号进行叠加降噪处理，将每个周期内相位相同的采样点进行叠加，叠加后取平均得到一个周期的数字信号，用此信号与方波参考信号进行幅度和相位的提取；所述的方波参考信号由每周期采样点数决定，再根据接收信号的同相分量和正交分量，进而计算出被测信号的幅度和相位信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法，其特征在于，所述步骤3中计算被测信号幅度和相位的方法包括以下步骤：

a.根据奈奎斯特采样定理，对频率为f₀的被测信号进行离散处理，离散后的数字信号可以用x[k]表示，k取0,1,2…m-1,m为采样周期数；

b.对x[k]进行同相位点叠加，将不同周期的采样点中相位相同的点进行叠加，叠加后取均值，从而提高待测信号的信噪比水平；叠加后的信号表示为y[n]，

n取0,1,2…N-1；

c.对叠加后的信号y[n]与采样点数相同的离散的方波信号r[n]和c[n]进行运算；

d.根据步骤c运算后的结果分别计算出被测信号的幅度A和相位

3.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法，其特征在于，所述步骤a包括：

控制器FPGA配置ADC芯片的采样频率为f_s，与待测信号之间满足关系：f_s＝N×f₀，其中，N为一个周期内的采样点数，且满足N>2，f₀为被测信号频率，离散后的数字信号用x[k]表示，k取0,1,2…m-1,m为采样周期数；

4.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法，其特征在于，所述步骤c.对叠加后的信号y[n]与采样点数相同的离散的方波信号r[n]和c[n]进行运算，方波信号如下所示：

利用y[n]、r[n]和c[n]进行如下运算：

5.根据权利要求1所述的一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取方法，其特征在于，所述步骤d具体包括：

利用R_yr和R_yc分别计算出待测信号的幅度A和相位

其中幅度：

相位

6.一种用于随钻方位电磁波电阻率仪器的幅相提取装置，其特征在于，所述装置包括：

接收天线，用于将接收天线感应到的微弱电磁波信号转换为电压信号，接收天线的输出端与信号调理模块相连，供后续信号调理模块电路处理；

信号调理模块，与控制器和模数转换模块相连，共包括两部分：程控增益放大电路和低通滤波电路；程控增益放大电路在控制器的作用下，接收参数信息，实现对微弱信号指定增益的放大功能；低通滤波电路根据接收信号的频率，在控制器的作用下选择适当的滤波频率，滤除高频噪声；

模数转换模块，与信号调理模块和控制器相连，用于将满足采样要求的模拟信号进行离散化处理，得到数字信号，供后续电路处理和计算。

控制器，选用FPGA，分别与信号调理模块和模数转换模块相连，实现对信号调理模块中增益的控制以及滤波频率的选择；以及对模数转换模块中ADC芯片采样频率进行配置，将模拟信号转换为数字信号，并对离散后的数字信号进行处理和计算，利用与每周期采样点数相同的方波信号实现待测信号幅度和相位的提取；

所述幅度和相位的提取，是将离散后多个周期的数字信号进行叠加，将相位相同的采样点进行叠加求和取平均，最终将多个周期的信号处理成一个周期的信号，并将这一个周期的信号与点数相同的离散的方波信号进行运算，得到被测信号的幅度和相位。

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