摘 要： 巖石的電阻率與巖性、儲油物性和含油性有著密切的關系。基于小波包最優(yōu)處理算法的近鉆頭電阻率隨鉆測量裝置，由于采用隨鉆的測量方式，能實時在第一時間測量到地層電阻率信息。并且通過小波包最優(yōu)小波樹信號提取等算法，可用來對側向電阻率、鉆頭電阻率以及方位電阻率進行高精度測量。
關鍵詞： 小波包最優(yōu)處理算法；近鉆頭電阻率隨鉆測量；地層電阻率；油氣水層
在地質導向鉆井中，近鉆頭電阻率的測量裝置，能夠測量出反映地層的電阻率與巖性參數的信號信息，因此其對于地址導向鉆井的意義重大。傳統(tǒng)測井方法測量電阻率時，需要將線纜測量工具放到井底，在上提的工程中進行測量。但這種方法是在起鉆后進行測量的，此時井眼周圍的地層已經鉆開幾個小時甚至更長時間。由于鉆井液的侵入，使得井眼周圍的地層的電阻率發(fā)生了變化，這樣由于低電阻率鉆井液的影響，會使測井結果解釋的時候，漏掉某儲層，這在鉆井遇到薄儲層時更加容易發(fā)生。本文介紹的裝置是一種基于小波包最優(yōu)處理算法的近鉆頭電阻率隨鉆測量裝置，其能夠準確可靠地測量出側向電阻率、近鉆頭電阻率以及方位電阻率等多個地層參數。
1 測量系統(tǒng)測量原理
基于小波包最優(yōu)處理算法的近鉆頭電阻率隨鉆測量裝置的結構圖如圖1所示，在鉆鋌上裝有發(fā)射線圈、近接收線圈和遠接收線圈以及3個接收電極。發(fā)射線圈由環(huán)形帶磁芯的線圈構成，其使用環(huán)形磁芯，并在磁芯上繞制線圈，并使用絕緣材料封裝后安裝在鉆艇上。近接收線圈、遠接收線圈與發(fā)射線圈的結構類似，近接收線圈與遠接收線圈用來測量側向電阻率和近鉆頭電阻率。3個接收電極安裝于扶正器的側肋，并且位于一條直線上。電極接觸井壁，但僅占整個井眼圓周的一小部分，因此可以用來測量方位電阻率。由于垂直安裝于一條直線上，所以能夠提供具有垂直分辨率的電阻率測量。對于遠接收線圈而言，其相當于電流互感器，鉆鋌和鉆鋌周邊的地層形成互感器的初級磁芯，而遠接收線圈的環(huán)形磁芯上所繞制的線圈形成電流互感器的次級，次級的兩根導線接入電流檢測電路測量感應出的電流信號，由于被測電流為經過遠發(fā)射線圈到近鉆頭地層的電流，因此測量的是遠接收線圈和鉆頭之間的地層的電阻率。近接收線圈和遠接收線圈的結構和測量方式一致，但其測量的是近接收線圈感應的電流與遠接收線圈感應的電流差，用來衡量近接收線圈的遠接收線圈間的地層電阻率。由于近接收線圈和遠接收線圈檢測垂直于鉆鋌的電流線，因此具有很好的側向電阻率測量效果。
3個接收電極是感應電流從地層進入鉆鋌的通道，測量到的電流值是該電極所面對的地層的區(qū)域的方位電阻率。由于3個電極垂直分布在一條直線上，因此可以測量3個深度地層電阻率，由于這3個電機在隨鉆轉動，類似于在掃描井眼壁，因此可以測量電極周圍的方位電阻率。同樣接收到反映電阻率的互感電流通過電流電壓轉換單元轉換后測量。因此，在隨鉆測量時，3個接收電極可以同時獲得（淺、中、深）地層的電阻率測量值，這對評價鉆井液對地層的侵入效果十分有用，并且在掃描井壁的時候，可以獲得地層電性上的非均勻特性。
2 測量系統(tǒng)的結構和功能
對于近鉆頭電阻率的測量，需要完成大量的檢測、處理控制和通信功能，本測量裝置的結構為一個主控系統(tǒng)和兩個從控測量系統(tǒng)，其結構圖如圖2所示。主控系統(tǒng)包括監(jiān)控井下電源狀態(tài)的單元、井下信息存儲單元和通信單元。主控系統(tǒng)負責協(xié)調遠近接收測量系統(tǒng)和接收電極測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)，響應地面控制系統(tǒng)的命令，檢測和控制測量設備的電源供電系統(tǒng)，控制井下數據存儲單元存儲測量數據和設備的運行狀態(tài)。遠近接收測量系統(tǒng)負責與主控系統(tǒng)進行通信，并控制正弦波產生單元產生100 Hz~10 000 Hz的正弦波，利用功放單元將該正弦波轉換為加載到電流互感器上的激勵信號，從發(fā)射線圈上發(fā)射出去。當遠近接收線圈皆感應出反映電阻率的電流信號時，通過電流電壓轉換，將電流信號轉為電壓信號。由多路選擇開關分時切換遠近接收線圈的信號進入帶通濾波器，并通過帶通濾波器去除部分激勵頻率分量之外的其他頻率分量，并由可變增益放大器更改信號幅度，避免限幅問題的產生。放大后的信號經過低通濾波器后進行A/D轉換，A/D轉換單元的轉換頻率控制在低通濾波器截止頻率的10倍，進行A/D采集，并將采集到的結果交由微處理器的數字信號處理單元進行小波包最優(yōu)信號提取處理，最大程度地消除噪聲影響，提取出真實信號的特征信息。接收電極測量系統(tǒng)的工作原理與遠近接收測量系統(tǒng)類似，測量的是3個接收電極的電阻率信息。
3 基于小波包的隨鉆近鉆頭電阻率信號處理算法
傳統(tǒng)的近鉆頭電阻率測量方法采用全硬件檢波的測量方式或者傳統(tǒng)IIR濾波數字測量方式。硬件檢波的測量方式由于元器件受到井下高溫環(huán)境影響，會產生參數的漂移和硬件系統(tǒng)噪聲，這對電阻率測量結果的影響很大。傳統(tǒng)的IIR濾波數字測量方式，對測量信號的相位延遲有嚴重的影響，并且由于其頻率分辨能力有限，所以也不能高精度處理好測量后的信號。本裝置采用的小波包的隨鉆近鉆頭電阻率信號處理算法能很好地解決傳統(tǒng)測量方式測量精度差等問題，可穩(wěn)定可靠處理出反映電阻率信息的信號，為近鉆頭電阻率信號的去噪和濾波處理提供了靈活的方法。傳統(tǒng)的基于傅里葉分析法的IIR濾波器不能在時間和頻率兩個控件同時以任意精度逼近被測量電阻率信號，但小波可以根據需要選取時間和頻率上的精度，在低頻部分，由于信號比較平緩，可以不去關心信號隨時間的變化，而在這個部分的頻率成分會很多，所以可以降低時間分辨率來提高頻率分辨率。在高頻部分，由于其含有很多瞬態(tài)變化的特征，可以降低頻率分辨率而提高時間分辨率來關注信號的瞬態(tài)特征。因此小波處理算法也被稱之為“數學顯微鏡”。
對被測信號的小波分析處理原理就是由小波函數推演出一組濾波器系數，用該組濾波器系數將采樣后的反映近鉆頭電阻率信息的信號分解成高頻和低頻兩個分量信息，再分別對這兩分量信息進行濾波，分解出下一級的4組高頻和低頻分量，依次類推，再通過選擇合理的閾值算法將信號中的噪聲和高頻強干擾信號的信息去掉，再通過小波逆變換濾波器組的重構算法將所需要的反映近鉆頭電阻率信息的信號提取出來，其分解和重構算法分別如式（1）和式（2）所示。
閾值也可以使用Birge-Massart規(guī)則計算出來，其能夠計算出小波分解后每一層的閾值，這種計算方式稱為軟閾值計算，顯然軟閾值的計算比硬閾值更加合理。根據計算出來的閾值對比每層小波分解后的趨勢分量和細節(jié)分量，并且分量中只保留大于閾值的部分，將這些保留下來的分量部分經過重構算法重構就可以對原反映近鉆頭電阻率的信號進行濾波處理，提取出反映電阻率的信號特征。但這種計算方式不是最優(yōu)的，而采用小波包的最優(yōu)小波樹算法能夠達到最好的濾波效果。
從濾波器的角度來講，小波包和小波沒有本質的區(qū)別，但小波包在小波分解的基礎上對細節(jié)系數也進行了分解，其結構圖如圖4所示。其基本思想是為了讓信息的能量集中，也就是在細節(jié)系數中去尋找信息的有序性，并進一步將其中的規(guī)律信息提取出來，因此小波包的最優(yōu)小波樹算法也需要一個判斷依據才行，這就是熵最小準則。熵是用來衡量信息規(guī)律性的工具，熵越小信息的規(guī)律性就越強，所以判斷方法是看系數分解后的系數的熵之和是否大于原系數的熵。計算熵的方法很多，在基于小波包最優(yōu)樹提取信號算法中使用的是Shannon熵，其公式為：
本裝置能夠對側向電阻率、近鉆頭電阻率以及方位電阻率進行測量，并通過小波包最優(yōu)處理算法提取出高精度的反映電阻率的有效信號，克服了傳統(tǒng)硬件電路測量方法易受溫度干擾引起的測量精度差的問題，獲得更多更加精確真實的底層信息，并且由于采用隨鉆的測量方式，能實時在第一時間測量到地層電阻率信息。為地質導向鉆井提供了高精度的真實可靠的測量數據。
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（收稿日期：2011-11-04）