（测试计量技术及仪器专业论文）感应测井仪器的电路与信号处理技术的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 感应测井仪器的电路与信号处理技术的研究 测试计量技术 柳飞( 签名 李丽容( 签名 摘要 随着石油工业的发展和石油开采的需要，人们对测井仪器的性能提出了越来越高的 要求，但目前国内大量装备的8 0 1 感应测井仪的井下信号处理及传输采用的是模拟信号， 测量精度低，性能不够理想。因此对传统感应测并仪进行数字化改进，提高测井仪的测 量精度，已经成为测井仪发展的必然趋势之一。 本文主要对传统感应测并仪器的电路与信号处理技术开展了较为深入的研究，对传 统感应测井仪井下电路进行了数字化改进。论文所研究的数字化系统利用高速、高精度 的a d 转换器进行采样，用d s p 迸行信号处理，用f p g a 进行时序控制，使8 0 1 测井仪实 现数字化。所采用的d s p 具有高速运算及浮点操作功能，对测井信号的处理包括数字相 敏检波和归一化处理等，这就大大提高了仪器的运算速度和精度，同时也提高了仪器的 信噪比。利用f p g a 来实现系统的时序控制，极大地降低了仪器的成本，减小了仪器的尺 寸，提高了仪器的抗干扰能力，也提高了系统的可靠性。在研究系统设计的同时，对地 面信号处理技术也做了初步研究。 通过本项目的研究，实现了传统感应测井仪器的数字化改进，这为进一步开展测井 仪数字化的研究奠定了基础。 关键词：数字化、感应测井、数字相敏检波、数字信号处理、趋肤效应 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：ar e s e a r c ho nd i i g i t a lf o c u s e dl o g g i n ga n dd i g i t a li n d u c t i o nl o g g i n g t o o l s p e c i a l i t y ：t e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t0 n a m e ：l i u f e i ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l i l i r o n g ( s i g n a t u r e ) a b s i r a c r w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f p e t r o l e u mi n d u s t r y a n d r e q u i r e m e n t o f o i l g a s e x p l o i t a t i o n ，d e t e c t i o no ft h i nb e d sp l a y s a l li m p o r t a n tr o l ei ni n c r e a s i n go i lr e s e r v o i r b u tt h e t r a d i t i o n a l i n d u c t i o n - l o g g i n gt o o l s8 0 1 ，w h i c he q u i p p e dw i t hl o gw e l la r ei n f l u e n c e db y b o r e h o l e 、s h o u l d e r - e f f e c t 、s k i n e f f e c ta n dm u d ，t h e i rv e r t i c a lr e s o l u t i o nc a dn o tm e e to u r r e q u i r e m e n t t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt oa m e l i o r a t et h et r a d i t i o n a li n d u c t i o nl o g g i n gt o o lt o i m p r o v ei t sr e s o l u t i o na n dd e e p e rd e t e c t i o nd e p t h t l l i sp a p e rs t u d i e st h ee l e c t r i cc i r c u i ta n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h et r a d i t i o n a l i n d u c t i o nl o g g i n gt 0 0 1 i ta l s og i v e st h ed i g i t a lr e s e a r c h t h i sd i g i t a ls y s t e mu s e st h ea d v a n c e d t e c h n o l o g yo fd s pa n df p g a , a d ( a n a l o g yd i g i t a lc o n v e r t e r ) w i t hh i g hs p e e da n dh i g h r e s o l u t i o n t 1 l em i c r o p r o c e s s o r , d s p , t a k e so nt h ec h a r a c t e ro ft h eh i g hp r o c e s s i n g - s p e e da n d f l o a t i n g p o i n t ，w h i c hc o m p l e t e sd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n 乎_ d i g i t a lp h a s es e n s i t i v e d e t e c t o ri nt h i ss y s t e m t h i si m p r o v e st h eo p e r a t e s p e e da n dp r e c i s i o no f t h et o o lg r e a t l y n l c u s eo ff p g aa c h i e v e se x a c tt i m ec o n t r o la n dt h eg r e a t l ym u c hr c s o l l r c eo ff p g a d e g r a d e s c o s t ，r e d u c e st h es i z e ，i m p r o v e sr e l i a b i l i t y i nt h es a m et i m e ，i tg i v e st h eb a s i cr e s e a r c ho ft h e g r o u n ds i g n a lp r o c e s st e c h n i c i ti sm a i n l yt od o i n gp r e l i m i n a r yr e s e a r c ho ft h ec o r r e c t i n go f t h es k i ne f f e c ta n dt h es c a l e 1 1 1 ed i g i t a ll o g g i n gt o o li m p l e m e n t e di m p r o v e sg r e a t l yt h ep e r f o r m a n c eo ft h el o g g i n g t 0 0 1 n i sm u s ts e t t l et h eb a s eo f t h er e s e a r c ho f t h ed i g i t a ll o g g i n gt 0 0 1 k e yw o r d s ：d i g i t a l i n d u c t i o nl o g g i n g p h a s es e n s i t i v i t yd e m o d u l a t i o nd i g i t a ls i g n a l d i s p o s a ls m ne f f e c t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：垄里垩 日期：诊盯、，、厂 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 拉 拉 日期：d 岁f ，j 厂 日期：鲨坚：i ：! f 绪论 第一章绪论 1 1 测井概述 测井是地球物理学的分支学科，广泛应用于煤、石油、天然气、地下水、金属矿产 等资源的勘探中。在石油工业中，油气开采和开发管理的科学决策是否合理，取决于能 否对储集层进行正确描述，而正确描述储集层的关键之一就是要最大限度地利用各种来 源的不同资料。裸眼井电缆测井( 指固井之前的井下测量) 资料是储集层描述的重要资 料之一，利用测井资料计算储层含油饱和度是油气勘探开发中储层评价和储量计算的重 要手段脚。所谓测井就是运用物理学的原理和方法测量井下岩石的电、声、核、热、力 学信息，用于找油找气，评价油、气层，确定岩石孔隙度，饱和度、渗透率、矿物成分 和地层压力以及研究地质构造、沉积、油藏描述和地球物理解释等。可见，测井是找油 找气的重要方法和手段，测井技术是一门边缘学科，又是密集型技术和高新技术的结合 体。尤其当前电子技术、计算机技术、信号处理技术的迅猛发展，引起测井技术的不断 更新换代。世界测井技术的发展已有8 0 年的历史。1 ，而我国的测井技术的发展也有将近 6 0 年的历史。在这期间，发展了多种测井技术，像电法测井技术、声测井技术、核测井 技术、热测井技术、磁测井技术等；每种技术又有多种方法，如电法测井技术包括自然 电位测井、普通电阻率测井、侧向测井、感应测井、电磁波传播测井等。 测井的目的是为了获得储集层的信息，从而确定地层油气储量和储集层的生成能 力，这样就必须了解地层岩石的物理参数以及它们之间的关系。储集层评价的主要岩石 物理参数为孔隙度( 单位体积地层中的孔隙体积占样品总体积中所占的百分数) 、渗透率 ( 流过地层难易程度的量度) 、饱和度( 所考虑的流体在地层孔隙体积中所占的比例) 等。 其中根据地层电阻率估算含油( 气) 饱和度，是地层评价技术的重要内容。早在1 9 4 2 年，阿尔奇就提出了著名的“阿尔奇公式”。3 ，它确立了储集层孔隙度、油气饱和度、地 层水电阻率和地层电阻率之间的关系。阿尔奇公式常见形式为： 一l n r ：竺! 竺!f 1 1 1 。鄙” 式中，r 。为地层电阻率，a ，b 为常数，r 。为地层水电阻率，s 。为油气饱和度，庐为储 集层孔隙度，m 为胶结指数或孔隙度指数，n 为饱和度指数。 对于裸眼井，测井结果受测井仪器所处的井眼附近测井环境的影响不容忽视。井 眼附近的环境如图l 一1 。 分为冲洗带和过渡带，过渡带以外的未受侵入的地层为原状地层。由图1 一i 可看到， 在紧靠井眼的部分，原始地层水的大部分和一部分烃被泥浆滤液冲洗掉，因此这个区域 被称作冲洗带。 西安轭油火学硕士学位论文 上阳岩 缓 _l 一l l l 雾 渗透性地。 井冲 眼洗 _ 一 带 _ _ 下阐岩 图1 1 井眼附近的地层模型 在冲洗带和原状地层之间，泥浆滤液浸入，但地层的流体没被彻底替换的部分被 称作过渡带。在沿井轴的方向上，目的层上、下端可能存在的围岩，它们与井眼、侵 入带一样，都会对测井结果产生影响。所以，测井结果必须考虑这些因素的影响，对 测井数据进行必要的校正，或者通过合理设计测井仪器来减少它们的影响，通过不同 探测深度的测井仪器的组合来消除泥浆侵入的影响。 可见。实际测井时，仪器所处的环境非常复杂，如图1 1 所示的井筒环境；另外， 井径的变化，地层有薄有厚，电阻率有高有低等，这些因素都影响着测井结果，所以 所测得的地层电阻率与地层真实电阻率有很大区别。为了有所区别，我们把用测井仪 器所测的地层电阻率称为视电阻率，它表示井下许多因素的综合反映，不仅与地层电 阻率有关，还与地层厚度、井径大小、泥浆电阻率以及仪器常数等有关。 现代感应测井仪中包括多个发射和接收线圈。在发射线圈中通以恒定强度的高频 交变电流。由它产生的交变磁场在井眼周围地层中感应出次生电流。这个电流在与发射 线圈同轴的环形地层回路中流动，并产生一个磁场，这个磁场在接受线圈中感应出一个 电压。 因为发射线圈中的交变电流具有恒定的频率和幅度，所以地层环形回路中的电流 正比于地层电导率。在接受线圈中的感应电压f 比于地层环形回路中的电流，因而正比 于地层的电导率。在发射线圈和接受线圈之间还存在着直接耦合。由这种耦合产生的信 号可采用“补偿”线圈消除掉。 当井眼流体是不导电甚至是空气或天然气时，感应测井仪工作效果最好e 除非泥 浆矿化度和地层电阻率非常高，或井眼直径非常大，在井内含有导电泥浆的情况下，仪 器也能很好的进行测量。 1 2 测井仪器的国内外现状 测井技术从1 9 2 7 年法国人斯仑贝谢兄弟发明电测井以来”1 ，已有将近8 0 的历史， 2 我国的测井技术发展也有6 0 多年的历史。电法测井起始于2 0 世纪的2 0 年代后期，把 电阻率和自然电位等测量数据记录成深度的函数就被称为电法测井，也称作电阻率测 井，它是一种有效的地质勘探工具和识别含油气地层的手段。现在普通电阻率测井仍是 许多老井中唯一应用的测井方法。普通电阻率测井仪器属于非聚焦电极系，它受井眼和 围岩的影响很大，对于薄层、低电阻率地层以及侵入较严重的地层，测量精度会受到 很大影响。尤其在盐水泥浆井中，供电电极发出的电流大部分被井内导电的盐水泥浆所 分流，因此测出的信号很难反映地层的真电阻率。为了减小这些影响，1 9 5 1 年d o l l 提 出聚焦电极测井“1 ，即利用聚焦电流控制测量电流路径的聚焦电阻率测井仪器。聚焦电 极系与非聚焦电极系结构不同，它是在中央主测量电极两侧加上两个聚焦电极，强迫测 量电流在垂直于仪器的轴线的方向上流动；同时在电极系上增加屏蔽电极，保持电流分 布有恒定的形状。聚焦电极系包括球形聚焦测井电极系和侧向测井电极系。1 9 7 2 年s u a u 等研制出双侧向测井仪器“1 。到了1 9 9 2 年戴维斯等人由常规双侧向测井仪器演变出新 一代侧向测井仪器方位电阻率成像仪( a r i ) “1 ，a r i 测井仪采用硬件聚焦、有源测 量方式，改善了仪器的纵向分辨率，实现了电阻率的三维测量。为了满足组合测井的需 要，史密斯等人于1 9 9 5 年研制出高分辨率方位侧向测井仪( h a l s ) ”1 ，它的整个电极系的 长度仅为a r i 的一半，采用了软件聚焦、无源测量方式，可以合成高分辨率深、浅方位 电阻率测量以及常规和高分辨率双侧向测量。随着阵列感应测井的问世，斯仑贝谢公司 于1 9 9 8 年推出的阵列侧向测井仪( h r l a ) ”1 ，采用多个聚焦线圈系的组合，它可以探测 五种不同的深度。该仪器具有较好的薄层分辨能力，为测井解释提供了丰富的资料。 在感应型的测井仪器方面，1 9 4 9 年d o l l 提出了感应测井方法”1 ，于1 9 6 2 年他研 制出了双感应测井仪器，它是依据线圈与地层之间的电磁感应原理来测量地层的电阻 率。为了减少井眼、围岩和侵入带的影响，采用了线圈系聚焦的方法。在1 9 8 3 年，斯 仑贝谢公司推出了相量双感应测井仪器p d i l “1 ，它是同时测量实部和虚部信号：阿特拉 斯公司也于1 9 9 0 年推出了双相位感应测井仪器( d p i l ) “1 ，该仪器使用三种工作频率， 并且同时测量实部和虚部信号；1 9 9 2 年哈里伯顿公司推出了高分辨率感应测井仪 ( h r i ) ”1 ，它能够测量响应的两种信号，然后对实部和虚部信号进行处理，得到比较高的 纵向分辨率。在2 0 世纪9 0 年代初，斯仑贝谢公司推出了自己的阵列感应测井仪器( a i t ) “1 ，它是通过软件聚焦合成具有三个纵向分辨率、五个探测深度的仪器响应。阿特拉斯 公司推出了高分辨率阵列感应测井仪器( h d i l ) “1 ，采用八种工作频率，同时测量实部 和虚部信号，通过软件合成三个纵向分辨率、六个探测深度的仪器响应。 那么，当代世界测井技术的前沿是什么? 答案是成像测井技术。3 ，这是当今世界测 井技术的前沿，专家预测成像测井技术将取代数控测井技术。这是因为原来给出的地层 特性随深度( 一维坐标) 变化的特征，已无法准确判明不同方位和距井壁不同距离( 径 向深度) 地层的变化。为了研究地层在空间分布的非均匀性，就要采集在二维和三维空 间中地层特性变化的信息，并以图像方式将地层特性的变化显示在各种平面图上，这就 西安打油大学硕士学位论文 是所谓成像测井。成像技术自2 0 世纪9 0 年代以来取得了较大的发展，但三维成像及考 虑到地层特性随时间改变的四维成像还处在初始阶段。若不考虑地层特性随时问的变 化，与钻孔有关的成像测井技术分三类：第一类，井壁成像。这是目前发展较快的一类， 现已有井下声波成像( 或称井下声波电视) 投入使用。第二类，井间或井与地面之间的 介质成像，主要有电磁波法、声波法和直流电阻率法，由于理论和技术上的一些问题， 还没正式投入使用。第三类，井周围某一范围内介质的成像。从储层评价的角度而论， 这是最具吸引力的方向，因为它能给出井壁附近不同径向深度和不同方位上储层性质的 变化特征的二维电阻率图像，现在已取得应用的有阵列感应测井和方位电阻率测井。斯 仑贝谢公司作为世界最大的测井服务公司，在成像测井仪研制方面，处在测井仪器的最 前沿。仅就电磁学测井技术方面，他们已经研制出阵列感应成像测井技术、全井眼地层 微电阻扫描成像测井技术、方位侧向成像测井技术和自然电位成像测井技术，还有其它 的电磁学前沿测井技术如：深探测脉冲感应测井技术、深探测电磁测井技术，它们探测 深度都比较深，径向探测深度甚至可达到l o o m 。3 ，这种测井技术可用于过套管测井，对 老油井进一步发现剩余油气有着更重要的作用；当然还有非电法成像铡井技术，像声波 成像测井技术、阵列地震成像测井技术、核能谱成像测井测井技术、重力成像测井技术、 核磁共振成像测井技术等，测井技术人员正在进行积极的探索和研制。 我国测井技术的使用比法国人晚了1 2 年，是从1 9 3 9 年开始的。1 。经过几十年的发 展，我国建立了一批测井科学技术研究机构，同时也培养了一大批测井技术人员，储备 了比较雄厚的技术力量，我国能够独立地进行测井方法和仪器以及数据处理的研究。但 是我国的测井技术与国外先进测井技术相比，在某些方面还有很大差距，特别是测井数 据采集技术的差距更大。当前，我国所生产的测井仪还只停留在数控测井仪阶段，如西 安石油勘探仪器总厂仍在生产的双感应一八侧向测井仪、双感应一球形聚焦测井仪、自 然伽马测井仪等，与国外前沿的测井技术相差十几年的水平。如前面提到的一些高分辨 率测井仪，我国的几家测井研究机构正在紧张的研制，胜利油田测井公司仿制的 h a l l i b u r t o n 公司的高分辨率感应测井仪的样机己出现，西安石油勘探仪器总厂正在研 制自己的高分辨率感应测井仪，另外中海油测井公司也正在研制高分辨率测并仪。新型 的测井方法的研究也已经开始基础研究，有些测井技术人员已开展高分辨率侧向测井、 阵列感应测井了研究，对成像仪的研究也已经被我国测井技术人员提到日程上来了。总 之，我国对测井方法的研究与国外相比还有很大的差距。因此，加快我国测井方法的基 础研究，紧跟测井前沿，对先目茸研制出的测井仪迸一步改进或继续研制我们自己的新型 的测井仪，都是我国测井技术人员的当务之急。 1 3 感应测井的发展 感应测井仪器是为了适应油基泥浆和空气钻井的井眼电阻率测量的需要而发展起来 的。测井始于2 0 年代末期的直流电法电阻率测井r 7 l 。到了4 0 年代，人们发现直流电法 测并不适于淡水泥浆和油基泥浆测井，因为直流电法测井需要导电泥浆传导电流进入地 4 绪论 层。为了解决这个问题，d o l l 于】9 4 9 年发表了“感应测井及其在油基泥浆中的应用” 1 8 j 。1 9 5 2 年又发明了最早的感应测井仪器，采用聚焦线圈系来消除井眼周围的影响。1 9 6 2 年t a n g u y l 9 1 发明了至今仍普遍使用的感应测井仪器，该仪器采用2 0 k h z 的正弦波作为 发射信号，只测量和利用实部信号，而没有利用虚部信号。该仪器是根据d o l l 几何因 子的近似理论来设计的，忽略了趋肤效应的影响，在实际应用中误差较大。 1 9 6 2 年，m o r a n 和k u n z 发表了“感应测井基本理论及其在双线圈系中的应用”【l0 】。 他们都是从m a x w e l l 方程导出了双线圈系在均匀介质的精确解，并指出测量信号中的虚 部分量包含了实部分量中由于趋肤效应影响损失的信息：同时他们还研究了非均匀介质 中感应测井的影响因素。1 9 6 4 年，m o r a n 发明了测量虚部的感应测井仪器【1 “，利用虚 部分量的幅值近似等于趋肤效应误差信号的幅值，对测量信号逐点进行趋肤效应校正。 由于当时的测量技术很难准确测量虚部分量，因此没有得到广泛利用，但该仪器是后来 相量感应仪器的基础。1 9 6 5 年d o l l 发明了实用的深感应测井仪器【12 】，第一次提出用三 点反褶积法消除感应测井中围岩效应的影响，然后对实部进行趋肤效应校正，该方法一 直用于传统深感应的信号处理中。1 9 6 7 年t a n g u y 提出双感应与双侧向组合测井的方法 i l3 1 ，因为双侧向适合盐水泥浆井，双感应适合淡水泥浆和油基泥浆，两者结合即可进行 各种条件下的测量，起到相互补充的作用。1 9 6 8 年国内田子立等人【j 4 j 在研究均匀介质 中感应测井的基础上提出了趋肤效应几何因子，并用于侵入解释和校正图版。至此传统 感应测井仪器已经发展成熟。 1 4 本项目的研究意义 在石油工业勘探开发中，地层电阻率测量是测井解释评价油气储藏的主要依据，感 应测井是重要的地层电阻率测量方法。感应测井诞生于5 0 年代初，它是以线圈系与待研 究地层之间的电磁耦合为依据。在使用空气钻井、淡水泥浆钻井及油基泥浆钻井时，感 应测井特别有效【”】。这是普通电阻率测井望尘莫及的，而且在一般的水基泥浆井中，感 应测井也表现出一系列的优越性，例如，受临层影响小，对低电阻反应灵敏等，所以在 区分低阻油水层和油水过渡带方面，能发挥很大的作用。侧向测井则属于浅探测深度的 电阻率测井方法，作为一种浅探测深度测井，测井环境会对其测量结果产生严重影响， 所以它通常和其他深、中电阻率测井仪一起使用，作为综合评价储集层和侵入带性质的 重要手段。在感应测井信号处理中，直接把视电阻率称为测量信号，包含实部测量信号 和虚部测量信号。传统的双感应测井中，把视电导率实部直接当成视电导率，而把视电 导率虚部当作无用信号抑制掉。而且传统感应测井仪井下信号处理及传输都是模拟信号， 信号处理过程中易受干扰，传输速率低，从而影响测量精度。随着石油工业的发展，测 井的重要性逐渐增强，测井分析家希望能够提供地层的丰富信息，精确求出地层真电阻 率，揭示产油能力。精细评价和进一步开采油气需要进行薄层分析，而传统双感应测井 仪器中的问题日益暴露出来，分辨率低，不能进行薄层分析；严重的是井眼、侵入、围 岩等环境影响和趋肤效应影响，不能提供准确的地层真电阻率，不能满足测井发展的需 积安石油大学硕士学位论文 要。因此急需对传统仪器进行改进来满足日益发展的测井技术的需要。虽然近年来出现 了各种新型感应测井仪和阵列感应测井仪，但是由于双感应测井仪简单，价格便宜，使用 方便，测井性能也为人们所熟悉，因而它仍为生产上使用的主要设备“。 虽然新型先进的电法仪器层出不穷，但双感应八侧向测井仪器由于其设计思路简捷 明了，电路容易实现，因而是在我国油田勘探开发中仍然普遍使用的电法测井仪器。当 前随着数控测井的发展，理论研究和实际测井的发展以及其它领域成熟的高科技，为传 统仪器的改进、新仪器的产生提供了条件。因此改进传统的测井仪器以满足现代测井 的要求很迫切，其意义也非常重大。 1 5 本文的主要工作 对于国内生成的8 0 1 测井系列中的双感应一八侧向测井仪，由于井下电路全部为 模拟电路，同时由于井下复杂的外界环境，导致测量精度不是很高，且仪器本身纵向分 辨率低，严重的井眼和侵入的影响以及围岩效应和趋附效应的影响等，致使由此得到的 井下地层信息不准确，从而漏失了许多有工业价值的簿油气层；因此我们提出对8 0 1 双 感应八侧向测井仪进行数字化改进，以提高测量精度，提供正确的井下信息。 本文开展了利用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术和f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 技术以及高速高性能的a d 转换器，对其井下测量信号进行 数字相敏检波的研究。系统工作原理框图如图1 2 。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 双感应和八侧向测井理论的研究 8 0 1 双感应一八侧向测井仪是一种具有深、中两种探测深度的感应仪器。是可以进 行两种不同探测深度的电阻率测井仪。本文对感应测井的原理进行了分析，推导出视电 图1 2 系统原理框图 6 绪论 阻率的数学表达式，并对几何因子理论进行了研究。 ( 2 ) 井下电路的实现 井下电路完成的功能有：波形发生器的产生，接收信号的前置放大和测量放大，a d 采样实现测井数据数字化，对数据进行数字相敏检波和归一化处理，数据传输等。本文 主要完成了8 0 1 双感应一八侧向测井仪系统中数字化电路的实现，其主要功能包括：双 感应和八侧向发射信号的产生、前置放大和测量放大信号的产生、测井数据的采集及预 处理等。数字电路是以性价比较高的d s p 进行数据处理，以f p g a 进行时序逻辑控制， 从而提高了仪器的数据处理速度和精度。f p g a 技术的应用，极大地缩小了仪器尺寸， 降低了仪器成本，提高了仪器抗干扰性和稳定工作的可靠性，提高了整个系统的性价比， 完成系统电路图及p c b 的设计，并进行了性能分析。 ( 3 ) f p g a 逻辑功能 在改进后的8 0 1 测井仪的数字电路中，d s p 和f p g a 是电路的核心。d s p 主要完成了 数据采集和数据处理，而f p g a 则是整个电路的控制中心，实现了整个系统的逻辑控制， 用它所设计的控制时序有精度高、速度快、抗干扰性强等优点。它控制着所有a d 芯片 的转换启动信号，以及接收、发送时序控制，数据采集的传输等。另外，它也是与d s p 接口的芯片。电路中选用的f p g a 是3 3 v 供电的，但输入输出引脚可接收5 v 的信号， 输出为3 3 v ，a d 采集的信号电平也是5 v ，因此f p g a 同时也完成了一个电平转换的功 能。 ( 4 ) 井下信号处理技术研究 井下信号处理分为感应和侧向两部分，而其处理核心是感应信号的数字相敏检波。 本文重点论述了数字相敏检波原理及实现方法，设计了感应、侧向各部分的信号处理方 法，包括感应信号采集、数据平均和数字相敏检波，并对所编程序进行了调试。 ( 5 ) 地面信号处理的研究 测井仪器在井下测量的只是电压信号，为了得到地层电导率就必须进行刻度处理。 本文详细研究了其刻度原理和具体实现方法。围岩效应和趋肤效应是感应测井中测量误 差的主要来源，因此对它们的校正显得尤为关键【1 7 j 。本文主要是对趋肤效应的校正进行 了初步的研究，包括对趋肤效应的校正方法、计算出各种方法的校正结果、并且对各种 方法校正的结果进行了比较。 ( 6 ) 系统调试 在完成数字电路的调试前提下，与模拟电路整体联调对电路调试中出现的各种各 样问题进行分析，提出改进措施，使仪器性能进一步完善。其他方面的研究包括；耐温、 耐压、抗振以及机械性能的研究。 1 6 本论文创新点 同以前的研究成果相比，本论文主要有以下创新点： 1 采用d s p 浮点技术，改变了传统的计算方法，提高了运算速度和计算精度，浮点扩 7 两安石油人学硕士学位论文 展精度高达4 0 位，可直接在井下完成视电阻率和阻抗的计算。 2 采用了可编程逻辑技术，简化了控制逻辑，减少了体积，提高了时序控制精度。 3 采用了高精度a d 转换技术。 4 突破了以往模拟相敏检波的方法，实现了数字相敏检波，达到了较高的精度。 总结以上几点，本论文将d s p 、f p g a 等现代数字技术应用其中，突破了传统石油 仪器以模拟电路为主的体制，完成了8 0 1 双感应l 侧向测井仪的井下电路的数字化研 究，并且从电路设计和信号处理两方面入手，研究了提高仪器分辨率和测量精度的理论 和实现方法，形成了完整的理论体系，并且为今后工作的进一步开展提供了方便，对石 油仪器的开发具有一定的导向作用。 8 感应测井仪器数字化电路设计 第二章感应测井仪器数字化电路设计 本章根据系统设计的要求，在系统总的方案设计的基础上将系统功能电路主要划分 为d s p 功能模块、f p g a 功能模块和数据处理模块等。根据各个模块的具体功能要求，设 计实现各模块的硬件电路，并对各个模块的功能做了详细介绍。 2 1 井下电路总统设计 根据各个模块的具体功能，整个系统又可分为波形发生器、a d 数据采集、d s p 数 据处理等。 2 2 波形发生器 2 2 1 波形发生器产生原理 本文所讨论的波形发生器主要是用来产生双感应和八侧向的发射信号。仪器要求双 感应的发射信号频率为2 0 k h z 的正弦波，八侧向的发射信号频率为1 2 5 k h z 的正弦波。 其中双感应部分的2 0 k h z 的正弦波还可以调节相位，以保证发射信号与测量信号的相位 同步。这两个信号经过模拟部分的功率放大，最后把它们送到线圈系的发射线圈和电极 系的主电极。 波形发生器的产生原理是：把对2 0 k h z 和1 2 5 k h z 的正弦波信号采样得到的数据预 先存放在e p r o m 内，再由对固定时钟进行分频产生的地址线把e p r o m 中的数据读出来， 然后用高速的d a c 芯片进行数模转换，从而产生正弦的模拟信号，再用放大器对其幅度 放大，直到满足要求。 另外可对双感应的发射信号实现相位调节，要求调节范围就为一2 2 5 0 1 9 6 8 7 0 ，分 辨率不大于2 8 0 0 ，而实际结果是相位调节范围：- 2 3 4 0 2 2 0 ，分辨率为1 4 1 0 。具体作 法是：对周期为5 0 u s ( 2 0 k h z 的正弦波周期为5 0 u s ) 正弦波计2 5 6 个脉冲，那么这2 5 6 个 脉冲对应于正弦波的3 6 0 0 ，因此每个脉冲对应的相位为3 6 0 0 2 5 6 - - - - 1 4 0 6 2 5 0 ，对应的时间 为5 0 u s 2 5 6 = 0 1 9 5 3 1 2 5 u s 。又相位调节范围为：一2 2 5 0 1 9 6 8 7 0 ，所以有：1 9 6 8 7 0 i 4 0 6 2 5 0 “1 4 个脉冲，即提前脉冲个数；2 2 5 0 i 4 0 6 2 5 0 = 1 6 个脉冲，即推迟脉冲个数。 这样相位调节范围就可转换为计数脉冲，从所计的脉冲数就可读出所要调节的相位。在 实际操作中就是对存放双感应数据的e p r o m 的地址线a 8 a 1 2 进行调节，即在这五根 地址线上接拨动开关，手动调节即可，其中地址线a 1 2 作为推迟和超前的标志位，若a 1 2 置于“0 ”，表示相位提前；若a 1 2 置于“1 ”，表示相位推迟。若参考信号的相位有 偏移，读出相位偏移的时间f ，再由 垒! 得出数值，取其整数，即调整的脉冲数， 0 1 9 5 3 1 2 5 这样就可拨动a 1 2 a 8 对其调节。 a 1 2 a 8 状态与相位的关系如表2 1 。 9 两安石油大学硕士学位论文 表2 1 相位调节 a 1 2 一a 8 初相位( 单位：度) a 1 2 一a 8 初相位( 单位：度) 0 0 0 0 0- 2 3 41 0 0 0 00 0 0 0 0 1- 2 2 。0 1 0 0 0 l1 4 0 0 0 1 0- 2 0 61 0 0 1 02 8 0 0 0 1 11 9 21 0 0 1 14 2 0 0 1 0 01 6 8l o l 0 05 6 0 0 l o l1 5 41 0 1 0 17 0 0 0 1 1 0 1 4 0 1 0 1 1 08 4 0 0 1 1 1一1 2 61 0 1 1 19 8 0 1 0 0 01 1 21 1 0 0 01 1 2 0 1 0 0 l一9 81 1 0 0 11 2 6 0 1 0 1 0 一8 41 1 0 1 01 4 0 0 1 0 1 17 01 1 0 1 11 5 4 0 1 1 0 05 61 1 1 0 01 6 8 o l l 0 14 21 1 1 0 11 9 2 0 1 1 1 0 一2 81 1 1 1 02 0 6 0 1 1 1 1一1 41 1 1 1 12 2 o a 双感应波形的产生：对2 0 k h z 的正弦信号进行采样，每个周期( 5 0 u s ) 内采2 5 6 个点，每个数据长度为1 2 位，共存放3 2 个周期的数据，则数据的总长度达到3 2 x 2 5 6 = 8 k ，如果用8 位的e p r o m 的话，那么就必须用两片e p r o m 。此时的每个采样点代表2 。8 l o 的相位。而h a l l i b u r t o n 公司的h r i 波形产生为每周期采样1 2 8 点，数据长度为8 位， 之后用8 位的d a c 转换成模拟信号，此时的每个采样点代表1 4 0 0 的相位。 b 八侧向波形的产生：对1 2 5 k h z 的正弦波进行采样，每周期( 8 0 0 u s ) 内采样4 0 9 6 个点，数据长度为8 位。 在电路中需要e p r o m ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ) 2 片，型号为 2 9 f 0 1 0 。d a c 转换芯片一片，所选用的为a d ( a n a l o gd e v i c e ) 公司的a d 9 7 6 5 ，它是1 4 位两通道d a 转换器；d a 转换后的信号通过模拟放大电路进行放大，然后通过a d 8 2 3 进行功率放大后发射到接受电极。 2 2 2 波形发生器电路实现 波形发生器原理框图如图2 1 所示。 双感应波形发生器每个数据长度为1 4 位，低8 位存放在一片2 9 f 0 1 0 中，高6 位存 放在另一片2 9 f 0 1 0 中。由f p g a 控制其地址线a o a 7 以控制数据的输出。数据每个周期 ( 5 0 u s ) 2 5 6 个点；r o m 中共存放3 2 个周期的数据，总长度为3 2 2 5 6 = 8 k 。 从两片2 9 f 0 1 0 输出的数据，由a d 9 7 6 5 进行d a 转换为模拟信号再送给放大电路进 行放大。a d 9 7 6 5 的f s a d j l 、f s a d j 2 和f e f i o 脚上接的电阻、电容用来调节信号的对称 性幅度大小，a d 9 7 6 5 的时钟信号和写信号由f p g a 来控制。 a d 9 7 6 5 输出的为差分的电流信号，经过d c 差分耦合电路后，转换成单端的电压信号。 1 0 感应测井仪器数字化电路设计 图2 1 波形发生器原理框图 在硬件原理图设计时，可以通过电位器实现对输出波形的对称性和幅度的调节。 其中，电路实现的个亮点为选用了高性能的d a 转换器 d 9 7 6 5 ，保证了信号 输出的稳定性，减少了电路板的体积。现就a d 9 7 6 5 的主要性能介绍如下： 它为两通道的1 4 位c m o s 的d a 转换器； 两路工作相互独立的： 数据刷新率高达1 2 5 m s p s ：双数据输入端n 交叉数据输入端口； 片内由l - 2 v 的参考电压； 极好的增益和偏移匹配率： 输出信号为差分电流，满幅度达2 0 m a ； 可选用5 v 或3 v 供电； 在5 v 工作情况下，功耗为3 8 0 m w ，低功耗模式下，功耗仅为5 0 m w ； 4 8 脚的l q f p 封装。 a d 9 7 6 5 的两路d a c 的工作是相互独立的，每路d a c 可以提供满幅度为2 0 m a 的电流， 并以差分的形式输出( 1 0 l 。和k 。) 。这个电流可以通过调节连在f s a d j 脚上的电阻， 使得它的值在2 m a - - 2 0 r n h 之间变化。对于差分输出的电流，当所有的数据位为高时，厶u 埘 基本上是接近满幅度值的，补偿电流i o 。没有电流输出。其他情况输出的差分电流与输 入代码和满幅度电流l 。有如下关系： j o f m = ( d a c c o d e 4 0 9 6 ) x 1 0 0 7 1 - s ( 2 - - 1 ) i o m = ( 4 0 9 5 一d a c c o d e 4 0 9 6 ) x ，w ( 2 - - 2 ) 这里的d a c 代码为0 到4 0 9 5 ；i o 。是参考电流，w 的函数，它是由有参考电压和 外接电阻决定的，即：l o t = 3 2 x i f ( 2 - - 3 ) 这里有：，脚= r ”( 2 - - 4 ) 那么在l 。和，。端接一负载电阻r 。就可得到各端的电压： c = i d r l d ( 2 - - 5 ) fm=iomrld(2-6) 西安石油大学硕士学位论文 二者之差就为两端的差分电压，即为： 巧w f = v o ( 一v o 月w = ( i o f 一厶“7 口) r ( 2 7 ) 这就把输出的差分电流转换成差分电压输出，经过运算放大器进行耦合可得到单端电压 如图2 2 ，所设计的电路借鉴了这种接法，所采用的差分操作消除了共模误差源，如共 模噪声、共模失真、共模d c 偏移等。 图2 2a d 9 7 6 5 的d c 差分耦合电路接法 2 2 3 波形发生器的主要性能 波形发生器的主要性能如下： ( 1 ) 利用高速的1 4 位d a 转换器实现数模转换； ( 2 ) 两路信号独立工作，同时输出； ( 3 ) 可调节输出信号的幅度及对称性； ( 4 ) 对2 0 k h z 的输出信号进行相位调节，相位调节分辨率为1 4 l o ，调节范围为 - 2 3 4 0 2 2 0 ； ( 5 ) 输出信号的精度高，稳定性好： 2 3a d 转换模块 a d 9 7 4 为四通道、1 6 位的串行数据采集模数转换器。该器件内含模拟输入多路转 换器、高速1 6 位采样模数转换器，芯片内部具有+ 2 5 v 参考电压。其内部功能框图如 图2 3 所示： 图2 - 3a d 9 7 4 的内部功能框图 a d 9 7 4 支持复杂的信号采集系统。具有四个单端的模拟输入通道，可以简化电路， 同时进行多路采样。可提供多种可设置的模拟输入范围，包括0 v 4 v 、0 v 5 v 或1 0 v 孑一 感应测井仪器数字化电路设计 + l o v ，本设计输入范围是1 0 v + i o v ，满足系统要求； 该转换器采用串行接口，与大多数微处理器的串行接口兼容，具有数据传送效率高、 数据连线少的特点。 a d 9 7 4 由单电源+ 5 v 供电，只需较少的外围电路，因而可以简化电路的设计。为了 达到简化电路设计的目的，a d 9 7 4 内部还集成了模拟输入多路转换器、高速逐次逼近开 关电容a d c 、时钟电路和内部2 5 v 参考电压电路等( 参考电压也可以由外部参考电路供 应) ，本设计采用的是内部参考电压。 高采样率、低功耗。a d 9 7 4 可提供2 0 0 k s p s 的高采样率，而功率耗散最大却只有 1 2 0 m w ，因此其转换速率可以高达2 k s p s m w 。在掉电模式下，a d 9 7 4 的功耗典型值仅 为5 0 u w 。 a d 转换部分主要是将线圈接收到的经过放大的模拟信号转换成d s p 可处理的数字 信号。为了提高测量精度，深感应和中感应采样时各用片a d 9 7 4 转换芯片，i ) s p 对接 收到的数据进行处理，处理完毕后送入d a 进行数模转换，转换后的数据上传时深、中 共用一片a d 9 7 6 5 a d 9 7 4 性能参数指标如表2 4 ： 表2 4a d 9 7 4 性能参数 i芯片位数采样参考电压 模拟通道模拟输入范围 频率 输入个数 a d 9 7 41 62 0 0 k 内部2 5 v 4 可选2 5 v ，5 v ，1 0 v 经过模拟电路放大后的深感应信号和中感应信号分别通过a d 9 7 4 进行采样。其控制 信号启动主要是由f p g a 与d s p 共同控制实现。其原理框图如图2 5 ： d s p 深感 应模 骺厂一 入l a d 9 7 4 d 1 5 ：0 矧 瓠。趔 号输l+