用于薄层阵列感应测井系统的电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到对油井、气井和矿井进行测井(logging)的领域。更具体地，公开了关于多频阵列感应测井的实时信号处理和脉冲压缩的改进。
【背景技术】
[0002]感应测井仪器是用于钻孔中测井操作的仪器，其被钻入到地下岩层中以探索石油、气体或矿物。这些仪器测量岩层电导率以判断在潜在产油层中期望的矿物的存在和数量。石油和天然气导致岩石具有低于平常的电导率，这是因为这些流体是不导电的并且它们取代了原生咸水。感应测井仪器理想地提供产油层中石油和气体的部分饱和度的精确定量测量。
[0003]感应测井仪器使用传感器阵列，其中传感器阵列映射出距离钻孔不同径向距离的岩石的电导率，从而可以减小钻孔液体入侵的影响。这些仪器基于诱发涡电流的原理操作，涡电流大体上正比于电导率，并且涡电流可以利用敏感线圈激发和探测。本领域所熟知的仪器使用线圈阵列，其中线圈阵列可以感应离钻孔不同径向距离处的电导率。
[0004]美国专利N0.5157605公开了一种感应测井的方法和设备，它们用于同时在多个频率操作感应探头。多个双线圈接收器阵列被使用。美国专利N0.5548219公开了一种用于生成多个频率的系统，其中这些频率用于在测井中使用的外差法测量系统。美国专利N0.7183771公开了一种设备，包括一种电路，这种电路用于将校准信号注入到接收器以获得没有由系统接收元素引入误差的测量。
[0005]虽然感应测井仪器技术有很多优点，但是多个电子相关的问题依然有待解决。例如，电子信号保真度问题依然出现在井底测井的噪声环境中，尤其是当高电导率地层出现时。感应测井仪器中进一步的问题由“表皮效应”引起。表皮效应引起所接收到的信号和地层电导率之间比例的损失，从而使得来自感应测井仪器的信号的解译更加复杂。相反，由于低信噪比，电导率非常低的岩石显现出感应测井仪器精确度的问题。这些问题在感兴趣的薄层地层或岩层相对薄的时候变得更具挑战性。
[0006]为了解决这些已经表现出缺点的问题，包括高成本/收益比。所需要的是成本效益好的、稳健的电子子系统，其具有以噪声最小化/噪声消除为中心的设计，其中噪声最小化/噪声消除使得数据信号保真度提高和测井结果更加精确。
【发明内容】
[0007]脉冲压缩信号处理技术和快速高分辨率多次测量被用于改善信噪比，其中改善信噪比是通过调制用于驱动发射器的波形和关联所接收信号和所发射信号来实现的。对于辐射源，公开了用于为被平行调谐到具有所选振幅和重复率的期望频率的差分驱动单发射线圈提供能量的、数字的、高度相稳定的、低失真的正弦波产生器/功率放大器。发射线圈诱发电流流入钻孔周围的地层。
[0008]为了测量来自地层的感应电流，距发射器不同距离的多个相互平衡的全差分接收线圈利用前置放大器/放大器部被耦合到宽带、低噪声接收器-放大器信号链上，其后跟随有包含选择性带通滤波器/相敏探测器部的信号处理模块，以及由高速微控制器控制的高采样率24位ADC转换器。所有接收器由采集数据、驱动仪器以及与遥测系统通讯的实时处理器并行地访问、校准和同步。
【附图说明】
[0009]图1不出了井底电子部分的通用系统架构框图。
[0010]图2示出了典型的多频率脉冲宽度和脉冲重复周期。
[0011]图3说明了电流、磁场和电压的相差。
[0012]图4示出了具有可选特征的系统架构。
[0013]图5不出了系统控制固件流程图。
【具体实施方式】
[0014]在此公开的测井仪器电子设备用于由五个接收器和一个发射线圈组成的阵列感应仪器，但是同样可以用于具有不同数量接收器/发射线圈的不同的拓扑结构。接收器优选地被成对使用，以一个线圈“反感应(bucking)”另一个线圈(线圈绕相反的方向缠绕)的形式。地层被由如图1所示的高度可配置的数字波形产生器/发射器驱动器/功率放大器部(发射器信号激励部)所生成的磁场辐射，并伴随有如图2所示的脉冲压缩信号。波形产生器10和放大器11优选地为数控的、高度相稳定的、低失真的正弦波产生器和功率放大器。它们在单频或者用于多频操作的扫频模式(线性调频)下为平行调谐的差分驱动发射线圈13提供能量。产生器10的相精确度和主时钟1a的温度稳定性被设计为可在钻孔的温度范围内保持稳定。装置在每个频率生成具有振幅(A)的稳态正弦脉冲。每个频率的振幅(A)可以被单独控制。载波频率(例如16KHz，24KHz和32KHz)被脉冲宽度或者脉冲压缩的磁场截短。发射器电流被线圈14感应到并通过电阻14a两端的电压读出，这个发射器电流起内部参考的作用。
[0015]如图2所示，脉冲宽度可以是50毫秒。所包络的三个频率的正弦脉冲(脉冲压缩)实现不同的探测深度。在地层中产生的涡电流利用距发射线圈不同距离的接收线圈16探测。如20和21所示，包括接收线圈16、放大器17、带通滤波器18和放大器19的、可高度配置的接收器信号链处理同相分量(和发射器电流零相差)和正交分量(和发射器电流相差为90度)。如在22所示，信号随后被数字化，优选地使用24位模数转换技术(信号测量部)。所探测到的地层中的涡电流表示地层电阻。在固件控制下利用自适应算法，控制可重构的激励分量和测量分量。自适应算法可以被存储在计算机可读的媒介中，其中计算机可读的媒介位于测井仪器外壳内的井底硬件中或地表硬件中。在此公开的井底系统非常适合自适应算法的使用以根据由算法所决定的系统最佳操作条件来设置激励分量和测量分量。用于优化的自适应算法是众所周知的。在主控制24的控制下，频率选择、接地控制以及测井配置在23中实现。来自遥测端的数据总线被连接至主控制24的输入然后来自主控制的信号被放至连接至接收器的内部数据总线上。
[0016]图3说明了信号和响应的相角，其中:
[0017]Bt =发射器磁场
[0018]It =发射器电流
[0019]If地层电流“地环路”
[0020]B1=地层电流“地环路”磁场
[0021]R =地层电导率引起的同相接收器DAQ (Digital Acquisit1n数字采集)电压分量，以及
[0022]X =地层表皮效应引起的正交相接收器电压分量。
[0023]由于与发射器生成的磁场耦合，地层“地环路”电流在感应仪器周围流动。利用地层地环路电流，地层电导率被探测到，其中地层环路电流生成二级磁场，二级磁场将信号耦合进接收器阵列，此信号是地层电导率的指标(或者反过来，也是电阻率的指标)。发射线圈中的电流建立起由发射器生成的初级磁场(参考磁场)。
[0024]用于高性能自动屏蔽感应仪器的接收线圈中所感应到的X信号相对于R信号的比值在导电地层和钻孔中可以是大约10:1，所以数字化的R信号(同相)地层数据是低电导率地层中感兴趣的信号，而正交的X信号被用于高电导率环境中的校准、表皮效应修正以及特殊的处理算法。
[0025]发射器信号激励部生成磁场，驱动发射线圈13中所控制的脉冲电流。发射器和所选电容器组成调谐箱12，其根据以下方程运行:
[0026]f = 1/2 JT V LC
[0027]其中f为操作频率，L为发射器电感，以及C为由固件控制的可变电容器的电容。本电子设备中，频率和电容器的转换优选地为每1ms —次，操作的脉冲频率通过固件在IKHz到32KHz之间是可调的。
[0028]图1所示的接收线圈测量信号链DAQ系统(16、17、18、19、20和21)利用基于激励部自动生成的方波参考信号操作的相敏探测器来测量自动诱发信号和视在电导率。DAQ重新配置每个频率的带通滤波器，将接收器前端接地并且周期性测量接地和参考通道以校正井底，如下面将要解释的。
[0029]所有来自五个接收器的R信号和X信号以及校准信号被实时并行地采集并且可以被用于逐点关联和计算井口(在地表的)的真正的电导率。主处理器24利用广泛应用的工业网络总线驱动仪器操作以及数据采集，在下面将被讨论。
[0030]仪器被设计为在工业网络总线上操作、传输数据速率可达到IM比特及支持32个节点。这样的结构提供了管理具有多发射器和多接收器的不同种类的感应仪器，以及频率可调或者具有扫频功能的灵活性。在此讨论的设计中，仪器包括五个接收器(五对接收器，主接收线圈(+)和反感应线圈(_)每隔一定间隔串联连接)、一个具有三个操作频率的发射器。这样的仪器同样支持多种类型的传感器和执行器的连接，只需要地址和固件被主处理器访问。每个连接到数据总线的模块(多路复用器(MUX)、接收器(RECEIVWER)、控制器(CONTROL)以及发射器(TRANSMITTER))都具有可重构、自动校准、以及自动测试的特征，这些特征用于可调节和可适应的电子设备，其中可调节和可适应的电子设备用于多种类型的仪器、拓扑结构和配置。
[0031]这种多核架构被开发以最小化系统的稳定性问题，允许每个模块足够自主以提高信号测量动态范围(对于低电导率地层通过过采样采集点来减少噪音并得到更好的数据)以及利用采样频率计算能耗，这对于使用低电源电压组件的新仪器的设计尤其重要。自适应(可重构的)系统上的最新发展和更高采样率ADC的使用被结合起来以提供这种稳健的高速架构，这种架构在之前的系统中是没有的。
[0032]这些特征使得电子设备可以避免激励部中高和长的瞬态，允许多频率的扫频(当保持与以前系统一样的探测深度时)以及可以使用多个接收器。更快的采样允许系统在薄层高清晰度测井中具有更好