用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法与系统与流程

本发明涉及油气开发与勘探技术领域，尤其涉及一种用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法，还涉及一种用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理系统。

背景技术：

地层电阻率是反映地层特性的主要参数，随钻地层电阻率的测量是随钻测井的关键组成部分。通过随钻测量地层的电阻率判断地层特性变化，再结合其它地层资料，经过综合分析，可以及时地判断钻头是否钻出储层，从而及时调整井眼轨迹，确保井眼最大程度穿行于储层中有利于油气开采的最佳位置。目前使用的随钻电阻率测量工具以随钻电磁波电阻率测量应用最为广泛。由于电磁波在穿越地层时产生幅度衰减和相位偏移，并且产生幅度衰减和相位偏移由地层的电阻率和介电常数的特性所决定，电磁波在穿越不同的地层介质时产生的幅度衰减和相位偏移不同。不同的频率的电磁波对地层介质的响应特征也不同，当10mhz以上频率的电磁波，其产生的幅度衰减和相位偏移主要与地层的介电常数相关；而10mhz以下的电磁波，其产生的电磁波幅度衰减和相位偏移主要与地层的电阻率相关。地层电阻率对于地质导向和地层评价是重要地质参数。用于随钻测量电阻率的方法也很多，随钻电磁波测量方式可以应用在油基钻井液，这是随钻侧向电阻率测量方式所不能实现的。

现有的随钻电磁波电阻率测量方法的不足在于：现有的随钻电磁波电阻率测量信号发射和接收电路为了实现一个线圈及其匹配电路能够在两个不同的频率(2000khz和400khz)下实现谐振，结构较为复杂，功耗较大。由于2000khz和400khz的信号直接采集需要复杂的电路系统。为了便于采样，现有技术都是使用混频器来实现高频向低频的转换，将2000khz或400khz转换为几khz的低频信号。但是混频器的功耗较大，而且需要较高的供电电压，与前后的模拟放大和滤波电路不兼容。在实际操作过程中，通常使用高温fpga来实现数字混频。因为高温fpga属于非常复杂的芯片，其功耗非常大、芯片引脚非常多，对电路 板设计要求极高。这些都会增加电路系统的复杂程度，降低电路系统的可靠性。

因此，期望提供一种简单有效的随钻电磁波电阻率仪器的信号处理方法及系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有的随钻电磁波电阻率测量方法涉及数字混频，计算复杂，需要功耗大、芯片引脚多的高级处理器来实现，从而在增加了电路的复杂程度的同时，降低了电路的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种简单有效的随钻电磁波电阻率仪器的信号处理方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法，其包括：

将预设频率的发射信号发射到待测地层；

获取经待测地层反射回来的第一电磁波信号和第二电磁波信号；

对所述第一电磁波信号和所述第二电磁波信号进行放大，得到第一放大信号和第二放大信号；

利用数字开关模块来分离所述第一放大信号和所述第二放大信号中的高、低频分量，得到对应所述第一放大信号的第一高频分量和第一低频分量，以及对应所述第二放大信号的第二高频分量和第二低频分量，所述数字开关模块由数字开关控制信号控制；

过滤掉所述第一高频分量和所述第二高频分量，以提取出所述第一低频分量和所述第二低频分量；

计算所述第一低频分量和所述第二低频分量的相位差和幅度比；

根据所述相位差和幅度比，得到所述待测地层的电阻率。

优选的是，所述数字开关模块的输入为第一/第二放大信号，所述数字开关控制信号f(t)满足：

其中：

并且，t表示时间，f0表示第一频率，f1表示第二频率，所述第一频率大于所述第二频率，并且第一/第二放大信号中频率大于所述第一频率的分量为所述高频分量，频率小于或者等于所述第一频率的分量为所述低频分量。

优选的是，将预设频率的发射信号发射到待测地层，包括：

生成预设频率的发射信号；

对所述发射信号进行放大；

对放大后的发射信号进行阻抗匹配；

由发射线圈将经阻抗匹配的信号发射到所述待测地层。

优选的是，所述预设频率为2000khz或者400khz。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理系统，其包括：

发射器，设置为将预设频率的发射信号发射到待测地层；

第一接收天线，设置为获取经待测地层反射回来的第一电磁波信号；

第二接收天线，设置为获取经待测地层反射回来的第二电磁波信号；

接收放大器，设置为对所述第一电磁波信号和所述第二电磁波信号进行放大，得到第一放大信号和第二放大信号；

数字开关模块，设置为分离所述第一放大信号和所述第二放大信号中的高、低频分量，得到对应所述第一放大信号的第一高频分量和第一低频分量，以及对应所述第二放大信号的第二高频分量和第二低频分量，所述数字开关由数字开关控制信号控制；

数字控制振荡器，设置为产生所述数字开关控制信号；

滤波模块，设置为过滤掉所述第一高频分量和所述第二高频分量，以提取出所述第一低频分量和所述第二低频分量；

计算模块，设置为计算所述第一低频分量和所述第二低频分量的相位差和幅度比；并根据所述相位差和幅度比，得到所述待测地层的电阻率。

优选的是，所述数字开关模块的输入为第一/第二放大信号，所述数字开关控 制信号f(t)满足：

其中：

并且，t表示时间，f0表示第一频率，f1表示第二频率，所述第一频率大于所述第二频率，并且第一/第二放大信号中频率大于所述第一频率的分量为所述高频分量，频率小于或者等于所述第一频率的分量为所述低频分量。

优选的是，所述发射器包括：

晶体振荡器，设置为生成预设频率的发射信号；

发射放大器，设置为对所述发射信号进行放大；

阻抗匹配电路，设置为对放大后的发射信号进行阻抗匹配；

发射线圈，设置为将经阻抗匹配的信号发射到所述待测地层。

优选的是，所述预设频率为2000khz或者400khz。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明采用数字开关控制通断的方式实现信号中高频分量和低频分量的有效分离，结合滤波器，可实现低频分量的有效提取(即高频分量向低频分量的转换)。与现有技术中采用混频器来实现高频分量向低频分量的转换的技术方案相比，本发明采用的数字开关控制模块与滤波模块所需的计算量小，因此采用普通的处理器即可满足数字开关控制模块和滤波模块的计算需求。可以看出，采用本本发明的系统的功耗低，电路简单，可靠性高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明 的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例中将预设频率的发射信号发射到待测地层的方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理系统的发射部分的结构示意图；

图4示出了本发明实施例用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理系统的接收部分的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明所要解决的技术问题是：现有的随钻电磁波电阻率测量方法涉及数字混频，计算复杂，需要功耗大、芯片引脚多的高级处理器来实现，从而在增加了电路的复杂程度的同时，降低了电路的可靠性。为解决现有技术中，本发明实施例提供了一种用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法。

图1示出了本发明实施例用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法的流程示意图。参照图1，本实施例用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理方法主要包括步骤10至步骤70。

在步骤10中，将预设频率的发射信号发射到待测地层。

参照图2，本步骤进一步包括步骤11至步骤14。

在步骤11中，生成预设频率的发射信号。

具体地，晶体振荡器经过分频生成预设频率的发射信号。特别地，预设频率优选为2000khz或400khz，此种频率的电磁波的幅度衰减和相位偏移主要与地层的电阻率相关，从而有助于进行地质导向和地层评价。

在步骤12中，对发射信号进行放大。发射信号经过功率放大器进行放大。

在步骤13中，对放大后的发射信号进行阻抗匹配。将放大后的发射信号输 入至阻抗匹配电路，以使阻抗匹配电路对该信号进行阻抗匹配，从而使信号更有效地耦合至发射线圈。

在步骤14中，由发射线圈将经阻抗匹配的信号发射到待测地层。

在步骤20中，获取经待测地层反射回来的第一电磁波信号和第二电磁波信号。

具体地，通过两个接收天线与匹配电路接收到携带地层电阻率信息的微弱电磁波信号，第一接收天线接收的信号为第一电磁波信号，第二接收天线接收的信号为第二电磁波信号。

在步骤30中，对第一电磁波信号和第二电磁波信号进行放大，得到第一放大信号和第二放大信号。由前级低噪声放大器对接收天线接收到的电磁波信号进行放大，得到对应第一接收天线的第一放大信号和对应第二接收天线的第二放大信号。

在步骤40中，利用数字开关模块来分离第一放大信号和第二放大信号中的高、低频分量，得到对应第一放大信号的第一高频分量和第一低频分量，以及对应第二放大信号的第二高频分量和第二低频分量；数字开关模块由数字开关控制信号控制。

在本步骤中，高频分量和低频分量是相对于某个预设的频率而言。一般来讲，信号中大于预设的频率(例如2000khz)的分量统称为高频分量，信号中小于或者等于预设的频率的分量统称为低频分量。可以通过合理地设计数字开关模块的函数模型，来使某一信号中的高频分量和低频分量分离开来。

在步骤50中，过滤掉第一高频分量和第二高频分量，以提取出第一低频分量和第二低频分量。利用带通滤波器将分离开来的高频分量过滤掉，只剩下低频分量，通过此种方式完成信号中低频分量的有效提取。

在步骤60中，计算第一低频分量和第二低频分量的相位差和幅度比。具体地，对得到的两路低频信号(即第一低频信号和第二低频信号)进行adc采样后，计算两者的相位差和幅度比。

在步骤70中，根据相位差和幅度比，得到待测地层的电阻率。具体地，利用计算得到的相位差和幅度比，再对照地层电阻率图板，反演得到待测地层的地层电阻率。由于利用两组信号的相位差的幅度比，结合地层电阻率图板来反演得到地层电阻率是本领域技术人员获得地层电阻率所采用的惯常技术手段，因此在 本文中不再对本步骤涉及的方法进行展开说明。

本实施例所述的信号处理方法，采用数字开关控制通断的方式实现信号中高频分量和低频分量的有效分离，结合滤波器，可实现低频分量的有效提取(即高频分量向低频分量的转换)。与现有技术中采用混频器来实现高频分量向低频分量的转换的技术方案相比，本实施例的数字开关控制模块与滤波模块所需的计算量小，因此采用普通的处理器即可满足数字开关控制模块和滤波模块的计算需求。可以看出，采用本实施例所述方法的系统的功耗低，电路简单，可靠性高。

此外，本实施例还保留幅度比和相位差信息的随钻电磁波电阻率信号处理方法与电路系统，这样的模拟信号处理方式可以有效降低后续模拟到数字转换，以及数字信号处理的性能要求。这样可以提高采样精度，进一步提高地层电阻率的测量精度，降低随钻电磁波电阻率测量仪器的功耗，延长工作时间。

由于本发明使用了数字开关模块对高频电磁波信号进行处理，因此需要介绍这种开关通断处理实现高频信号到低频信号转换的原理。在此之前，首先介绍传统混频器的工作原理，以作用本实施例的对比。

传统的采用混频器的方式实现高频到低频转换，首先需要使用一个锁相频率综合器(pll,phaselockedloop)或者直接数字频率综合器(dds,directdigitalsynthesizer)来生成一个与发射信号频率具有较小频率偏差的高频模拟信号。将该信号与接收的信号通过混频器进行混频，混频后生成一个低频信号和一个高频信号。

具体计算方法如下：

假设发射的信号频率为f0，f0通常取2000khz或者400khz。接收的信号与发射信号频率一致，其函数表达式表示为f1(t)＝a1sin(2πf0t+ω1)，其中a1是该信号的幅度，ω1是该信号的初始相位。由锁相频率综合器pll或者直接数字频率综合器dds生成的信号频率为f0+f1，f1通常取2khz，其函数表达式表示为f2(t)＝a2sin(2π(f0+f1)t+ω2)，其中a2是该信号的幅度，ω2是该信号的初始相位。

接收的信号与锁相频率综合器pll或者直接数字频率综合器dds生成的信号通过混频器进行混频得到一个新的信号f3(t)，其函数表达式如下：

f3(t)＝f1(t)*f2(t)

＝a1sin(2πf0t+ω1)*a2sin[2π(f0+f1)t+ω2]

＝-1/2a1a2{cos[2πf0t+ω1+2π(f0+f1)t+ω2]-cos[2πf0t+ω1-2π(f0+f1)t-ω2]}

＝-1/2a1a2{cos[2π(2f0+f1)t+ω1+ω2]-cos(2πf1t+ω1-ω2)}

＝-1/2a1a2cos[2π(2f0+f1)t+ω1+ω2]+1/2a1a2cos(2πf1t+ω1-ω2)

从生成的信号f3(t)的表达式可以看出，该信号分成两个部分，前半部分信号的频率为2f0+f1，后半部分的信号的频率为f1，再将该信号输入一个低通滤波器，可以将前半部分滤出，只留下后半部分。该后半部分仍包含接收信号的幅度和初始相位信息。因此通过采样两路该信号可以进行一步计算出这两路信号的幅度比和相位差。

上述传统方法需要采用锁相频率综合器pll或者直接数字频率综合器dds等模拟电路，生成的频率为f0+f1的模拟信号，而且需要使用混频器进行混频得到一个新的信号f3(t)，该信号频率为远低于f0的f1。

本发明实施例采用数字开关控制信号对接收的信号进行开关控制，数字开关控制信号为频率为f0+f1的方波信号，该信号使用数字控制振荡器(nco,numericallycontrolledoscillator)产生，该电路为数字电路，比传统方法的模拟电路(例如pll或dds)简单。由数字开关控制信号信号的函数表达式为：

其中：

并且，t表示时间，f0表示第一频率，f1表示第二频率，第一频率大于第二频率，并且第一/第二放大信号中频率大于第一频率的分量为高频分量，频率小于或者等于第一频率的分量为低频分量。

本发明使用该数字开关控制信号控制一个开关电路(即数字开关模块)，开关电路的输入为接收的信号(即第一放大信号或第二放大信号)。该接收信号的表达式与传统方法的接收信号表达式一致：f1(t)＝a1sin(2πf0t+ω1)。该接收信号作为输入，数字开关控制信号作为控制信号，连接到开关电路的控制端口，由此，

开关电路的输出信号表达式如下：

f4(t)＝f1(t)*f3(t)

其中f3(t)经过复立叶变换展开表达式如下：

从上述表达式可以看出，该信号就是由一个直流信号与频率为f0+f1的1、3、5、…各次谐波之和。

因此有：

由数字控制开关信号的函数表达式，可知上述表达式仅有第二项：

经过三角函数的积化和差运算得到：

从上述表达式可以看出：表达式的后半部分的频率为f1(低频分量)，其它的组成频率都超过f0(高频分量)，因此经过后续连接的带通滤波器可以将这些频率都超过f0的高频分量全部滤除。经过滤波，上述表达式只剩下：

可以看出，放大的电磁波信号(例如，第一放大信号、第二放大信号)被频率为f0+f1(例如2002khz或402khz)的数字开关控制信号进行通断处理后，得到彼此分离的高频分量和低频分量。

并且，上述表达式中包含了接收信号的幅度和相位信息，因此通过采样两路该信号可以进行一步计算出这两路信号的幅度比和相位差，进而得到待测地层的 地层电阻率。

相应地，本发明实施例还提供了用于随钻电磁波电阻率测量的信号处理系统。图3和图4分别示出了该信号处理系统的发射部分和接收部分的结构示意图。

参照图3，晶振(即晶体振荡器)110，用于产生原始的32mhz频率信号。16倍分频器121，对晶振产生的32mhz信号进行16分频得到2000khz的信号。80倍分频器122，对晶振产生的32mhz信号进行80分频得到400khz的信号。多路选择器130，用于2000khz信号和400khz信号的选择，输出为2000khz信号和400khz信号中的一个。功率放大器(即发射放大器)140，用于对多路选择器130的输出信号进行功率放大。发射匹配电容(即阻抗匹配电路)150，用于对功率放大器140的输出进行信号匹配，使得信号有效耦合到发射线圈160。发射线圈160，用于对发射匹配电容150的输出信号发射到地层当中。本实施例中；功率放大器140和发射匹配电容150等器件或芯片的温度特性非常重要，其温度特性直接影响最终发射信号的在不同温度下的发射效率。

参照图4，接收线圈对(包括第一接收天线和第二接收天线)230，用于接收从地层中反射过来的电磁波信号。接收匹配电容240，用于提高接收线圈对的接收效率。低噪声放大器(即接收放大器)250，用于对接收的信号进行低噪声放大。数字开关模块260，在数字控制振荡器220产生数字开关控制信号的控制下对低噪声放大器250的输出进行开关控制。带通滤波器(即滤波模块)270，用于对数字开关模块260的输出进行滤波，滤除不需要的信号。adc采样器280，用于对带通滤波器270的输出进行数字化采样。微处理器(即计算模块)290，用于对adc采样器280输出的数字信号进行计算处理，计算出两路接收信号的相位差和幅度比，再对照地层电阻率图板，反演得到地层电阻率。

本实施例还中包括：数字控制振荡器220，用于产生2002khz和402khz的数字控制信号，其输出连接到数字开关模块260。

值得说明的是，数字开关模块260、数字控制振荡器220、带通滤波器270可集成在同一个微处理器290中，也可以分别由不同的处理器进行处理。

在本实施例中，数字开关模块的输入为第一/第二放大信号，数字开关控制信号f(t)满足：

其中：

并且，t表示时间，f0表示第一频率，f1表示第二频率，第一频率大于第二频率，并且第一/第二放大信号中频率大于第一频率的分量为高频分量，频率小于或者等于第一频率的分量为低频分量。

上述各模块中的操作的具体细化，可参见上面结合图1和图2对本发明方法的说明，在此不再详细赘述。

应用本发明实施例提供的信号处理系统，采用数字开关控制通断的方式实现信号中高频分量和低频分量的有效分离，结合滤波器，可实现低频分量的有效提取(即高频分量向低频分量的转换)。与现有技术中采用混频器来实现高频分量向低频分量的转换的技术方案相比，本实施例的数字开关控制模块与滤波模块所需的计算量小，因此采用普通的处理器即可满足数字开关控制模块和滤波模块的计算需求。可以看出，采用本实施例所述方法的系统的功耗低，电路简单，可靠性高。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。