（测试计量技术及仪器专业论文）测井信号的采集与处理.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 测井信号的采集与处理 测试计量技术及仪器 张珂( 签名) 党瑞荣( 签名) 要 本文结合高分辨数字式感应测井仪器的研制，设计了测井信号采集与处理系统，并 对系统进行了调试。主要研究内容包括波形发生器、井下信号的采集与预处理、地面数 据处理等三个方面。 波形发生器采用了数字电路体制，克服了传统的模拟体制的频率不稳定等缺点；增 加提高了波形的精度：实现了相位调节功能。 井下信号的采集与处理包括硬件和软件，硬件包括井下传输单元、测井信号采集与 控制电路；软件采用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 汇编语言编制，可以对感应测井信 号和数字球形聚焦测井信号进行剔刺、归一化、相敏检波、视电阻率识别等处理。通过 硬件与软件的开发、调试，构成了比较系统的井下数据采集与处理系统，解决了高分辨 率感应测井仪器研制的关键技术，为全套仪器的研制打下了良好的基础，尤其是通过先 进的d s p 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 、高速高精度a d 、d a 等的应用， 既提高了测量精度、也提高了系统的可靠性、稳定性，还实现了数据的实时、高速处理。 地面数掘处理的内容包括趋肤效应校正和围岩效应校正，本文以视电导率的实部分 量和虚部分量为初值采用迭代方法对双线圈系和复合线圈系感应测井仪器进行趋肤效应 校正，用迭代方法对均质地层的视电导率进行处理后，得到的趋肤效应校正结果与地层 的真电导率值完全吻合；利用最优化方法设计能围岩效应影响的滤波器刘测量信号进行 处理后，可以良好地恢复地层。 关键词：曼彻斯特码趋肤效应校正围岩效应校正d s pf p g a 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r r e q u r i n ga n dp r o c e s s i n go fl o g g i n gs i g n a l t e c h n o l o g y i n s t r u m e n to ft e s ta n dm e a s u r e z h a n gk e ( s i g n a t u r e ) d a n gr u i r o n g ( s i g n a t a b s t r a c t c o m b i n gt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lh i g hr e s o l u t i o ni n d u c t i o nl o g g i n gt o o l ，t h i sp a p e r d e s i g n sd a t ar e q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mo fl o g g i n gs i g n a l t h er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e t h r e ep a n s ：w a v eg e n e r a t o r , d a t ar e q u r i n ga n dp r e t r e a t m e n to fd o w n h o l es i g n a l a n dd a t e p r o c e s s i n go ns u r f a c eu n i t d i g i t a lc i r c u i ti sa d o p t e di nt h ew a v e f o r mg e n e r a t o r w h i c hi su s e dt oo v e r c o m et h e t r a d i t i o n a ld e f e c to fu n s t a b l ef r e q u e n c y ，i n c r e a s e st h es a m p l i n gp o i n to ft h e s i g n a l ，i m p r o v e s t h ep r e c i s i o n ，a n dr e a l i z e st h ep h a s i ca d j u s tf u n c t i o n d a t ac o l l e c t i o na n dp r e t r e a t m e n to fd o w n h o l es i g n a li n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e h a r d w a r ei n c l u d e s ：t h ec i r c u i to fd o w n h o l et r a n s f e r su n i t ，d a t ar e q u r i n ga n dc o n t r o lc i r c u i to f l o g g i n gs i g n a l t h es o f t w a r ei sc o m p i l e db ya s s e m b l el a n g u a g ei tc a nr e a l i z em a n yf u n c t i o n s a sg e tr i do ft h eb u r r ，u n i t a r ya n dr e c o g n i z et h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t yo fi n d u c t i o nl o g g i n gs i g n a l a n dd i g i t a lr o u n d n e s sf o c u sl o g g i n gs i g n a l b yt h ei n v e n ta n dd e b u go ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，i tf o r m sa ni n t e g r a t e ds y s t e mo fc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fd o w n h o l es i g n a l ， s e t t l e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fd i g i t a la n dh i g hd i s t i n g u i s hi n d u c t i o nl o g g i n gi n s t r u m e n t ，a n ds e t af o u n d a t i o no fd e v e l o p m e n to ft h ew h o l ei n s t r u m e n t d s pa n df p g at e c h n o l o g ya r ea d o p t e d i nt h es y s t e m ，a n ds o m ep e r f o r m a n c e sa r ei m p r o v e di n c l u d i n gt h ep r e c i s i o n ，s t a b i l i t y , a n dt h e d a t ap r o g r e s s i n gi nt i m e d a t ep r o c e s s i n go nt h eg r o u n di n c l u d e st h ec o r r e c t i o no fs k i ne f f e c ta n ds h o u l d e rb e d s i n t h i sp a p e r , w er e g a r dt h er e a lp a r ta n dt h ei m a g i n a r yp a r to f t h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t y ( o r j u s tr i s e t h er e a lp a r to ft h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t y ) a si n i t i a lv a l u e t h e nu s et h ei t e r a t i v em e t h o dt o c o r r e c tt h es k i ne f f e c to fd o u b l ew i n d i n g sa n dc o m p o u n dw i n d i n g so fi n d u c t i o nl o g g i n g i n s t r u m e n t t h er e s u l to ft h i sm e t h o di sc o m p l e t e l yt h es a m ew i t ht h er e a la p p a r e n tr e s i s t i v i t y o ft h es t r a t u m i nt h i ss y s t e m ，w eu s eo p t i m i z a t i o nm e t h o dt o d e s i g nt h ef i l t e rw h i c hc a n c o r r e c tt h es h o u l d e re f f e c t t h er e s u l to ft h i sm e t h o dc a ng e tt h er e a ls t r a t u mc o r r e c t l y k e y w o r d s ：m a n c h e s t ec o d e ，c o r r e c t i o ns k i ne f f e c t ，c o r r e c t i o ns h o u d e rb e d s ，d s p t h e s i s f p g a a p p l i c a t i o ns t u d y 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 人已经芨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 了明确的浣明并表示了谢意。 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：毯翻f t 期：二“! 丛 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： 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 园 日期： 塑篮：盍! 丛 e l 期：2 q 出皇! i 工 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油、气层的重要手段之一，也是解决 一系列地质问题的重要手段。它能直接为石油地质和工程技术人员提供各种资料和数据。 八十年代末到九十年代，世界主要的石油测井公司一一斯仑贝谢公司、贝克一阿特拉斯 公司、哈早伯顿公司等均先后推出了感应测井系统。感应测井系统是为了适应复杂油气 藏勘探丌发的需要而发展起来的专门技术，在信息采集的规模、精度、信息传输、数据 处理以及地层解释应用等方面都将测井技术的发展推到一个新的阶段。 我国现有的测井仪器大多是石油工业的早期产品，是针对大而厚的储层设计的，存 在很多局限性，比如：纵向分辨率低，不能进行薄层分析；严重的井眼和侵入影响；大 的围岩效应和趋肤效应影响等，致使由此得到的井下地层信息不准确，漏失了许多有工 业价值的薄油气层。因此，探测薄储层成为增加油藏储量一条不可忽视的重要途径。研 制一种适合现代石油工业发展的测井仪器非常必要。 测井信号的采集与处理是数字式高分辨感应测井仪的一个重要组成部分，主要完成 对测井信号的采集、处理等操作。本文讨论对数字式高分辨感应测井仪的测井信号的采 集与处理，将电子领域的新技术d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 、f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 等用到了测井仪器中，使得对测井信号的采集与处理的速度、 精度都得到了很大幅度的提高，发生了质的变换。 1 2 测井信号采集与处理的发展 1 2 1 感应测井仪器的发展 感应测井仪器是为了适应由泥浆和空气钻井的裸眼井电阻率测量的需要而发展起柬 的。测井始于2 0 年代末期的直流电法电阻率测井1 1 】到了4 0 年代，人们发现直流电法测 井1 i 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层。 为了解决这个问题，d o l l 于1 9 4 9 年发表了“感应测井及其在油基泥浆中的应用1 2 】”。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 t m 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f 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。该仪器是根掘d o l l 几何因子的近 似理论来设计的，忽略了趋肤效戍的影响，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【4 j ”。 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 部分量琶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 ：、 西安石油大学硕士毕业论文 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，利用虚部 分量的幅值近似等于趋肤效应误差信号的幅值，对测量信号进行逐点趋肤效应校正。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，但陔仪器是后来相 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【6 j ，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的校正。这种方法一 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 ”j ，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 年国内用子立等人1 8 】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 2 2 测井信号采集与处理的发展 根据线圈系的结构和信号处理，感应测井仪可以分为三类，一类是聚焦感应测井仪 器，它通过多个发射和接收线圈来改善感应测井的探测性能，地面只有简单的信号处理， 这是最早发展的感应测井仪器，后来的发展中增强了信号处理的能力，这种处理属一维 信号处理：另一类是阵列感应测井仪器，它是在2 0 世纪9 0 年代出现的新型感应测井仪 器，它的信号处理是二维的。最后一类是聚焦与信号处理相结合的感应测井。 深、中双感应测井仪是最早研制出来的复合聚焦线圈系结构的测井仪器，2 0 世纪6 0 年代正式投入商业应用，它是种深感应与中感应测井组合的感应测井仪器，同时测量 得到深、中探测深度曲线。传统的双感应测井仪中仅测量实部信号，虚部信号被当作无 用信号通过电子线路被消除，深中感应信号通过电缆传到地面，地面通过简单的软件处 理对电压信号进行刻度并转换为地层电导率。对中感应信号仅进行趋肤效应校正。国内 也早己研制出了相应的仪器，例如西安石油仪器总厂研制的8 0 1 双感应测井仪。美国 b a k e ra t l a s 的双感应测井仪器型号为1 5 0 3 型。到了8 0 年代，在传统的双感应测井仪器 的基础上出现了数字双感应测井仪器，美国b a k e ra t l a s 数字双感应为1 5 0 7 型。美国的 斯伦贝谢公司的相量双感应测井仪器，通过不断改进信号处理能力，又有改进型和增强 型。 1 3 课题背景 随着石油勘探和开发技术的发展，许多油田的主力厚油层含水率不断上升。另外， 我国现有的测井仪器大多是石油工业的早期产品，是针对大而厚的储层设计的，存在很 多局限性，比如：纵向分辨率低，不能进行薄层分析；严重的井眼和侵入影响；大的围 岩效应和趋肤效应影响等，致使由此得到的井下地层信息不准确，漏失了许多有工业价一 值的薄油气层。因此，探测薄储层成为增加油藏储量一条不可忽视的重要途径研制一 种适合现代石油工业发展的测井仪器非常必要。 第一章绪论 美国哈罩伯顿公司生产的高分辨率感应( 简称h r i ) 测井仪采用新的线圈系设计， 使纵向、径向两个方向能同时得到最优化响应。另外，由于其深感应没有盲频率的影响， 通过现代信号处理可以使深、中感应达到相同的纵向分辨率，能分辩薄至o 4 4 m 的薄层。 其径向探测深度也比传统的双感应仪器要深，具有很高的实用价值。但是该仪器的生产 技术及仪器软件是保密的，而且井下仪器主要还是以模拟技术为主，具有受环境影响大， 体积也比较大的缺陷。在这种情况下，根据国内油田的技术需求，本文对高分辨率感应 式测井仪( 简称g g y 测井仪) 的信号采集与处理等关键技术进行了深入的研究。所研 究的高分辨率感应测井仪具有浅探测深度的数字聚焦侧向组合，可以同时进行三种不同 探测深度的电阻率测井。与传统的双感应测井仪相比，具有更加优越的性能，表现在以 下几个方面： ( 1 ) 具有更深的探测深度 决定感应仪器探测深度的主要因素是仪器线圈系中主发射和主接收线圈之阳：】的距 离。数字式高分辨感应测井仪的深感应主发射和主接收线圈之间的距离是1 7 9 0 m ，探测 深度为2 3 m ，比传统双感应的探测深度1 6 5 m 要深。 ( 2 ) 具有更高的纵向分辨率 由于传统双感应仪器的线圈系设计具有先天的缺陷，其径向探测深度和纵向分辨率 是相互牵制的，两者需要兼顾，不能同时达到晟优；同时传统双感应测井仪的深感应也 因此具有盲频率，信号处理只能在有限的范围提高分辨率。而数字式高分辨感应测井仪 采用对称的五线圈系结构，接收线圈在中间，两边对称放置发射线圈和屏蔽线圈，这样 响应函数是对称的，深感应也没有盲频率，通过现代信号处理，深、中感应的纵向分辨 率可同时达到o 4 4 m 。 ( 3 ) 具有较小的井眼影响 随着屏蔽线圈与接收线圈的间距的减小，其井眼影响也降低，这是因为反向线圈越 靠近接收线圈，就会有更多的探头附近的信号被抵消。因此可以利用小的反向线圈与接 收线圈问距，获得更大的仪器可适用的井眼直径。传统双感应测井仪的深感应井眼影响 达到总响应的0 1 时的井眼尺寸是9 英寸，而数字式高分辨感应测井仪井眼影响达到总 响应的0 1 时的井眼尺寸是l3 英寸。 ( 4 ) 深、中测量点在同一位置，不会引起深度误差 数字式高分辨感应测井仪深、中感应共用一个接收线圈，探测的是同一深度的地层 信号，因此不会产生深度误差。 ( 5 ) 信号处理方法更为优越和科学 传统双感应测井仪由于线圈系设计的不够合理，使得它的响应函数不对称，而且深 感应有盲频率，无法用相量反褶积进行数据处理。但是数字式高分辨感应测井仪采用简 单、对称的线圈系，对直耦信号和井眼影响进行有效抑制，而且深感应没有盲频率的影 响，可以用相量反褶积方法进行处理。在井下利用高速c p u 对测量信号进行数字相敏检 西安石油大学硕士毕业论文 波和归一化处理；地面软件通过最小二乘法设计考虑围岩效应的实部和虚部滤波器，和 迭代法对趋肤效对测量信号进行充分的校正，能使深、中感应同时达到相同的高分辨率。 ( 6 ) 井下仪器电路更为先进和可靠 数字式高分辨感应测井仪的井下电路把先进的数字技术应用于其中，以现场可编程 逻辑门阵列( 简称f p g a ) 作为控制核心，用来控制所有模拟开关的切换、a i d 的采样、 发射信号产生、通信等模块；数字信号处理器( 简称d s p ) 作为信号处理的核心，对深、 中感应，聚焦以及辅助道信号进行数掘采集和井下数据预处理，同时还与地面进行通信。 这种数字化的设计，减小了仪器的体积，提高了电路的可靠性和仪器的测量精度。 ( 7 ) 传输方式更为先进 考虑到国内石油仪器常用的通信平台都配有曼彻斯特码传输接口以及新的数字化设 计，采用了以曼彻斯特码形式传输数据，便于与现有的仪器接口。 1 , 4 主要研究内容 ( 1 ) 数字式高分辨感应测井仪井下数据采集与控制系统电路设计 数据采集是对双感应信号和聚焦信号进行a d 转换，使这两种信号在井下数字化， 并对它们进行数据处理，然后通过电缆由井下传输到地面上。这里要根据采样速率、精 度来确定a d 转换的芯片，同时也要兼顾p c b 板尽可能的小，因此对聚焦和感应来说， 必须选择合适的a i d 芯片来实现数据采集。 控制系统包括数据采集系统的控制、模拟电路中信号通道的切换控制、测量信号的 相位调节和控制。 聚焦和双感应的发射信号的产生。对于聚焦和感应来说，需要一定频率的正弦信号 作为聚焦电投和感应的发射信号，这就是波形发生器的任务，控制部分需要对波形发生 器提供地址线。 ( 2 ) 井下信号处理技术研究 井下信号处理分为感应、聚焦以及辅助道三部分，而其处理核心是数字相敏检波。 本文重点论述了数字相敏检波原理及实现方法。然后设计了感应、聚焦以及辅助道信号 处理方法，包括噪声处理、检波、刻度剔刺和归一化处理，并对所编程序进行了调试。 ( 3 ) 通信与传输技术研究 对井下通信系统的硬件电路、软件编程进行了设计。该仪器采用的是曼彻斯特码数 据传输格式，因此需要对传输的数据进行编码和译码，使之与地面系统建立起联系。曼 彻斯特码的编码和译码的实现是由专门的集成芯片来实现的，但要完成与此芯片的接口 设计以及传输接口板的设计等。 ( 4 ) 地面信号处理技术研究 仪器测量的是电压信号，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， 第一章绪论 因此它们的校i f 显得尤为关键。本文应用迭代法对趋肤效应进行了校f ，同时利用最小 二乘法设计了校_ i ：l 三围岩效应滤波器。 通过以上工作，完成了数字式高分辨感应测井仪的测井信号的采集和处理，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，对今后 石油仪器的丌发具有一定的指导作用。从线圈系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，并形成了完整的理论体系，方便今后的进 一步工作。 题目来源：西安思坦科技有限责任公司 西安石油大学硕士学位论文 第二章测井信号采集及预处理设计 哈旱伯顿的高分辨率感应测井仪的电路主要以模拟电路为基础，体积比较大，部件 多，调试困难，而且模拟电路受环境影响比较大，稳定性差，为此，我们提出了一种改 进的数字化电路设计方案。在测井信号采集和处理方面都实现数字化，而且信号发生器 采用的是数字电路体制，克服了传统的频率不稳定的缺点；增加了信号的采样点，提高 了波形的精度；实现了相位调节功能。测井信号采集及预处理设计包括波形发生器、感 应信号的采集、聚焦及辅助道信号的采集及测井信号预处理。 2 1 波形发生器部分 数字式高分辨感应测井仪的感应发射信号要求是2 0 k h z 的正弦波而且相位可调，保 证发射信号与测量信号的同步，聚焦是1 2 5 k h z 的正弦波。在这个系统中，我们利用 f p g a 控制f l a s h 的地址线，使之连续不断的将正弦波数据发送到a d 9 7 6 7 迸行d a 转换。 2 1 1 波形发生器硬件电路设计 波形发生器的硬件电路设计的框图如图2 1 所示 。萝鍪 排阻 47 k 一。- 1 一 l 来自f p c a 的1 2 根地址线【 a m 2 9 f 0 1 0 a 1 3 1 6 棚咖。到盛a m 2 9f o l o i 型! 型，矗 兰甄严 竺a m 2 9 f 0 1 0_ _ 蚪 川 驯m 2 6 w a l 2 w a l 3 a d 9 7 6 7 运放l2 0 k h 2 a d 8 2 9 医丽 运放f i ：2 5 必g - a d 8 2 9 11 98 v 正弦波 图2 - i波形发生器硬件框图 工作过程是：把对2 0 k h z 和12 5 k h z 的正弦波信号采样得到的数据预先存放在 f l a s h 存储器a m 2 9 f 0 1 0 内，2 0 k h z 丁f 弦波信号每个数据长度为1 4 位，低8 位数据存 放一个芯片，高6 位数据存放一个芯片，而且不同的地址内存放了不同起始相位的数扼。 第二章测井信号采集及预处理设计 再由f p g a 对固定时钟进行分频产生的地址线把f l a s h 存储器中的数据读出来，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，直到满足要求为止。感应部分通过调节拨动丌关访问不同的起始地址，从而可以调 节波形发生器的初始相位。聚焦部分波形发生器电路与双感应部分基本相同，同用一个 d a 转换器件，1 2 5 k h z 的聚焦数据的存储用一片a m 2 9 f 0 1 0 ，数掘长度为8 位，每个 周期( 8 0 0 u s ) 的采样点数为4 0 9 6 。再由f p g a 对固定时钟进行分频产生的地址线把 f l a s h 存储器中的数据读出来，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。 2 1 2 波形发生器的软件设计 波形发生器部分的软件设计包括数据产生和地址线产生两部分的设计。 a 数据产生 数据产生是指生成产生正弦波的数据，此处是用c 语言实现的。该软件是产生2 0 k h z 的正弦波所需的3 2 种不同起女l 口1 x - - 目位的数据和一个周期的1 2 5 k h z 的正弦波的数据。 b 地址线产生的软件设计 该部分是产生波形发生器部分用于选通f l a s h 的地址线。从而实现把f l a s h 不同 地址的数据读出来。此处由f p g a 来实现。2 0 k h z 正弦波信号每个数据长度为1 4 位， 低8 位数据存放一个芯片，高6 位数据存放一个芯片，而且不同的地址内存放不同起始 相位的数据。不同的地址由地址线选择。地址线产生的程序框图如图2 2 所示。 图2 2 程序框图 图中c b l 6 c e 是1 6 分频的计数器，c l k 为f p g a 的晶振输入时钟，产生的w a l 2 和 w a l 3 是输入到波形发生器中c l k 和w r t 管脚。w a ( 1 5 ：0 ) 输入到波形发生器的f l a s h 的地址线，来控制f l a s h 不同地址的数据输出。由于双感应的发射信号是2 0 k h z 的正 弦波，一个周期为2 5 6 个点，所以w a ( 7 ：0 ) 与存2 0 k h z 的数据的两片a m 2 9 f 0 1 0 的地址线 的低8 位相连。这两片a m 2 9 f 0 1 0 地址线的a ( 1 2 ：8 ) 与丌关相连，用于相位调节。其它的 地址线接地。聚焦的发射信号是12 5 k h z 的正弦波，一个周期为4 0 9 6 个点，所以f p g a 出来的w a ( 1 1 ：o ) 与存放1 2 5 k h z 数据的a m 2 9 f 0 1 0 的低1 2 根地址线相连，其它地址线接 西安石油大学硕士学位论文 地。 本文设计的波形发生器电路具有以下优点：采用的是数字电路体制，克服了传统的 频率不稳定的缺点；增加了信号的采样点，提高了波形的精度；实现了相位调节功能。 2 2 测井信号采集 一i 唢数据的周期为1 6 个5 04 m s ，每个5 0 4 m s 中的3 0 m s 用于数据采集，其余2 0 4 m s 用于数据处理。采集的数据包括：双感应的a 道和b 道数据，聚焦的0 、1 、2 、3 道数 据以及辅助道数据，具体一帧内采集的数据见表2 1 。其中数据处理和数据采集的时间 是由f p g a 控制的，其控制时序如图2 3 所示。 表2 - 1数字式高分辨感应测井仪测量信号表 仪器状态感应a 道感应b 道辅助道聚焦0聚焦1 j * 隹 聚焦3 3 2 d r c rg n dc a l m o v m 1 2 vm c 1 cm rc rf i s hc a lb o vb 1 2 vb c 2 4d xc xt e m pzm o vm 1 2 v m c 1 4m xc xs pzb o vb 1 2 vb c 6 ac rd r一1 5m cc a lm o vm 】2 v 4 bc rm rf l s hb cc a lb o vb 1 2 v 6 2c xd x+ 5m czm o vm 1 2 v 4 3c x m x s p b c z b o vb 1 2 v a d d r z rs 0m 1 2 vm cc a lm o v 9 d m rz r f i s hb 1 2 v b c c a lb o v a 5d xz x+ 15m 1 2 vm cz m o v 9 5m xz xs pb 1 2 vb czb o v f az rd rv r e fm o vm 1 2 vm cc a l d bz rm rf i s hb o vb 1 2 vb c c a l f 2z xd x + 5 0m o v m 1 2 vm c z d 3z xm xs pb o vb 1 2 vb cz 第二章测井信号采集及预处理设计 i q 5 0 4 m 3 二1 型里= 面习2 0 ；4 m s 塑竺堡厂_ ；_ 一5 4 m d l数据处理ll 壁堕旦麴堑垫0 0 0 0 l 1 防1 1 1 1 0 0 0 0 l ! ! ：! 竺! 墼塑竺堡1 1 0 0 0 00 0 i 易雌 + 州。f2 8 习l! = ! ! ：! ! ! ! = 叫l j l 一 鐾竺堕鳖哪砌哪砌0 舢删易m 一 厂 塑厂 竺兰璺銎竺堡籼心l 图2 - 3 数据采集时序 2 2 1 感应系统 感应系统的电路框图如图2 - 4 所示，前置放大电路仍然以模拟电路为主，状态切换、 采样等控制电路采用集成化设计，利用f p g a 代替了原来的分立元件实现所有的控制： 用高速、高精度的a d 转换器代替比例计数器来实现测井信号的模数转换：井下数据预 处理利用t i 公司的3 x 系列d s p 中的t m s 3 2 0 v c 3 3 进行。 西安石油大学硕十学位论文 缆 面 图2 - 4 井下系统感应电路框图 波形发生器产生的2 0 k h z 的正弦波经过滤波网络和前置放大后，从变压器初级线 圈输出后送给发射线圈发射，f p g a 产生的a 5 控制线控制模拟开关，使深、中发射线圈 交替发射；同时从变压器的次级取出感应的刻度信号。接收线圈接收到的信号首先送到 模拟部分进行前置放大，再进行差分变单端，然后再进行a d 转换，转换的数据送到 d s p 进行相敏检波和归一化处理后在固定位置存储，等待上传；d s p 接收到传输数据的 命令后，将数据送到f p g a 进行并串转换后，由井下通信接口上传到地面。双感应需同 时采样a 、b 两道的数据，采样频率3 2 0 k h z ( 间隔3 1 2 5 u s ) 。双感应a 、b 两道的数据 采集分别采用两片a d 9 7 7 a 。其原因是由于a d 9 7 7 a 的最大采样速率为2 0 0 k h z ，而双 感应的采样速率为3 2 0 k h z ( 间隔3 1 2 5 u s ) ，因此采用两片a d 9 7 7 a 轮流采样一个通道， 即每片a d 9 7 7 a 采样间隔为62 5 u s ( 速率为1 6 0 k h z ) 。a d 9 7 7 a 是串行接口a d ，因此采 用串l j 方式将双感应的a 、b 两道数据分别传送给f p g a ，由f p g a 在其内部实现串并 转换，然后通过并口传送给d s p 。其中4 片a d 9 7 7 a 的启动信号由f p g a 控制，a 道的 第一片a d 9 7 7 a 与b 道的第一片a d 9 7 7 a 的启动信号一样，这两片a d 9 7 7 a 的b u s y 连接在一起并接到f p g a ，a 道的第二片a d 9 7 7 a 与b 道的第二片a d 9 7 7 a 的启动信号 一样，这两片a d 9 7 7 a 的b u s y 信号同样连接在一起接到f p g a ，所以d s p 接收双感应 数据的中断信号是a 、b 道的第一片a d 9 7 7 a 的b u s y 信号与a 、b 道的第二片a d 9 7 7 a 的b u s y 相或的结果。送到d s p 的数据：f p g a 内部先对a 、b 两道的各路a d 9 7 7 a 采 第二章测井信号采集及预处理设计 集的数据进行串并转换，图2 5 中的s h u j u x u 模块就完成浚功能，转换后的数据通过图中 的s x 模块选择输出a ( b ) 道的第一路或者第二路，之后d s p 通过不同的地址线选通不同 道的数据，实现分时采集两道信号。这里所有a d 转换器的启动信号都出f p g a 提供。 图2 - 5f p g a 采集感应数据软件流程 2 2 2 聚焦和辅助道 聚焦电路框图如图2 - 6 所示，实际工作时，i o 和i b 两个电流不是同时发射的，而是 由状态控制线a 5 控制切换开关交替发射。数字聚焦的发射信号为1 2 5 k h z 的正弦波， 经过丌关切换和放大后送到电极系的主电极a 0 和屏蔽电极a 1 u 、a 1 l 。在接收部分， 测量的信号包括m l m 2 电极之间的电位m 1 2 v 、m 0 电极的电位m o v 、检测发射的主电 流i o 和聚焦电流i b 以及刻度信号c a l ，这四个信号由模拟开关切换变成0 、l 、2 、3 四个通道。这四个通道的信号全部是差分信号。其中在获取m 1 2 v 时，先经过变压器耦 合，再经运算放大器放大，经过了一个模拟开关，它是由状态线a 5 控制的。而在获取 m o v 信号时就没经过这样的一个模拟开关。这是因为在不同的电流工作模式下，测量到 的m 1 2 v 的符号相反，为了数据处理的方便，所以在硬件中增加了这个丌关。四通道的 信号经过差分变单端后进行a d 采样，在d s p 中完成数据的处理，然后并行送到f p g a 中，曼彻斯特编码译码芯片h d 1 5 5 3 0 对其进行编码，通过七芯电缆送到地面。聚焦有4 路信号输入，用一片a d 9 7 7 a 即可实现对其4 路信号的采样，辅助道由另外一片a d 9 7 7 a 进行采样，它们都是由d s p 的串口输入到d s p ，它们通过一定的逻辑组合送到d s p ，其 具体逻辑组合如图2 7 所示，由f p g a 控制进行分时采样。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 6井下系统聚焦电路框图 霍二二二o p 一 匝耍巫p 二- 二_ - 一一：。 。 n a n d 2 陌矿爱丽 二二- 一 图2 7f p 6 a 采集聚焦、辅助道数据软件流程 2 3 测井信号井下预处理 数字式高分辨感应测井仪的测井信号井下预处理是由t m s 3 2 0 v c 3 3 完成，软件采用 汇编语言编制，结合硬件电路对中断、数据采集、剔刺、平均、相敏检波、幅度检波、 归一化、数据传输进行处理和控制，测井信号井下预处理的总体框图如图2 - 8 所示。其 主要是中断的应用，把d s p 的中断o ( i n t o ) 作为引导程序中断，中断1 ( i n t l ) 作为感应数 据采集的中断，聚焦和辅助道数据采集通过串口中断实现，数据传输是出f p g a 发送的 中断2 ( i n t 2 ) 实现的，数据处理由i n t 3 实现。井下预处理的核心是数字相敏检波。 以下将结合图2 8 详细介绍。 第二章测井信号采集及预处理设计 图2 - 8 井下数宇信号预处理总框图 曲安石油大学硕士学位论文 2 3 1 相敏检波原理及实现 对于数字式高分辨感应测井仪井下测井系统而言 是相敏检波。 假设测量信号d ( f ) 为： d ( r ) = d c o s ( c o t 一妒) d c o s r p c o s o ) t + d s i n q s i n c o t 信号的处理非常重要，而其核一i = 如果记： d ( t ) = d c o s ( o c o s o ) t = d r c o s 珊t 中的玩为实部信号 九( f ) = d s i n ( o s i n c o t = d is i n o ) t 中的d 、，为虚部信号 那么测量信号就可表示为 d ( t ) = d r ( f ) + d x ( f ) 相敏检波的目的就是要求出实部信号d 。和虚部信号d 。设 r 2 fd ( f ) c 。sc o t d t fd c o s ( c o t p ) c o s ( a t 西 ( 2 1 ) = f 导 c o s ( 2 0 t - ) + c o s 0 一t d 2 c 。s ( p = t d ” ( 2 2 ) 或 d 。= 昙r ( 2 3 ) 同理： 。2f d ( ，) s i n 曲，础2 了t ds i n 妒= 三。 ( 2 4 ) 或d 。= 兰( 2 5 ) 由式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 可见，只要把测量信号与对应同频率的零相位的i f 弦波和零相位的 余弦波相乘，积分后就可直接分离出d r 和d x 。实际应用中是把式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 采用 离散化形式，用求和近似代替积分。由于正弦( 或余弦) 信号正负累计的误差可相互抵消， 第二章测井信号采集及预处理设计 因而计算本身几乎不产生误差。但是起始采样点不准确会带来误差。在这种要求下，我 们利用f p g a 控制起始采样点。f p g a 是硬件电路，能够将误差控制在5 n s 之内。同时 由于f p g a 的所有控制信号都是由同一个晶振分频而得，因此不会造成累计误差。有了 f p g a 的高精度控制和d s p 的浮点数据处理，就能够保证系统整体误差较小，达到了测 井仪高精度、高分辨率的设计要求。 这种相敏检波方法的优缺点总结如下： 第一，上述计算方法实质上是用求面积方法分离实部和虚部，由于正负面积的误差 总是可以抵消，因而计算本身带来的误差较小 第二，没有利用基准信号就可直接分离出实部和虚部。这是一一种假象，或者况，采 样起始点不同，相角巾也不同，因而分离出的实部信号和虚部信号也就不同，这就是说 仍然需要一个采样起始点，而起点不同造成了妒的不同。 第三，当环境条件或电路改变时，引起起始条件的变化而造成了检测结果不稳定。 2 3 2 感应信号井下预处理 数字式高分辨感应测井仪感应部分井下数据预处理流程如图2 - 9 所示。深、中感应 信号交替地通过a 、b 二信号道进入高速a d ，变为数字信号后送入d s p 进行数字相敏 检波，得出相应a 、b 道深测量( d ) 、中测量( m ) 、内刻( c ) 、内零( z ) 的实部( r ) 信号和虚部信号( x ) 。 西安石油大学硕士学位论文 信号输入 串申 1 高速a d ，d s p 进行数字相敏检波：d 、m 、c 、z ：r a 、r 月、x a 、月 0 刻度信号0 内零信号 洲 井 2 剔毛刺处理l 一+ l3 内刻、内零信号的处理 信 上 、，号 4 硬件门化处理：一h o = i m - i zd 、m 、c 、z ：h n r d 、h 。月 、峨并、h 。z c z 。 t上1 时间一深度采样转 5 上传缓存：d 、m ：h 。r 、h 。r b 、峨爿、e ，b 图2 9 感应信号井下预处理流程 ( 1 ) 亥4 度易0 束0 因为内刻度信号取自发射电流，故应当基本相同。为了消除干扰对内刻度信号的影 响，设计了刻度信号剔毛刺子程序，即把变化较大的内刻信号剔除。它实际运作过程是 把a 、b 道的中、深感应内刻剔刺分别处理。当仪器通电工作第帧时，中、深感应的 a 、b 道均有二个内刻信号，称先出现的信号为最老信号c 。，另一个紧跟来的信号称 为老信号c 。，当下一帧第一个内刻信号来时称其为新信号c ，把c ，分别与c 。一 c 。比较，如果c 。比c ，更接近c 。，则送出c 。，反之则送出c 。作为本帧的第一 个内刻信号。此时原来的c 。溢出，c 。变为c 。，c 。，变为c ，。，以等待本帧的第二 个内刻信号到来，并称其为新信号c 。，如前一样比较后，送出本帧的第二个信号，以 此往后推移，产生各帧各道( a 、b ) 内刻信号。故在实际中输出的内刻信号把输入的内 刻信号位移了一个取样，其流程如图2 1 0 所示。 6 第二章测井信号采集及预处理设计 图2 1 0 刻度剔刺流程图 ( 2 ) 刻度、内零平均 为了对a 、b 道的测量信号进行归一化处理，首先必须确定参与处理的内刻信号( c ) ， 内零信号( z ) 。每道测量信号均用本道测得的