《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于小波包最優(yōu)處理算法的近鉆頭電阻率隨鉆測(cè)量裝置
來(lái)源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第9期
賈衡天,,盛利民,,竇修榮,鄧 樂(lè)
(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程研究院,,北京 100083)
摘要: 巖石的電阻率與巖性,、儲(chǔ)油物性和含油性有著密切的關(guān)系?;谛〔ò顑?yōu)處理算法的近鉆頭電阻率隨鉆測(cè)量裝置,,由于采用隨鉆的測(cè)量方式,能實(shí)時(shí)在第一時(shí)間測(cè)量到地層電阻率信息,。并且通過(guò)小波包最優(yōu)小波樹(shù)信號(hào)提取等算法,,可用來(lái)對(duì)側(cè)向電阻率、鉆頭電阻率以及方位電阻率進(jìn)行高精度測(cè)量,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 巖石的電阻率與巖性,、儲(chǔ)油物性和含油性有著密切的關(guān)系,。基于小波包最優(yōu)處理算法近鉆頭電阻率隨鉆測(cè)量裝置,,由于采用隨鉆的測(cè)量方式,,能實(shí)時(shí)在第一時(shí)間測(cè)量到地層電阻率信息。并且通過(guò)小波包最優(yōu)小波樹(shù)信號(hào)提取等算法,,可用來(lái)對(duì)側(cè)向電阻率,、鉆頭電阻率以及方位電阻率進(jìn)行高精度測(cè)量。
關(guān)鍵詞: 小波包最優(yōu)處理算法,;近鉆頭電阻率隨鉆測(cè)量,;地層電阻率;油氣水層

 在地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中,,近鉆頭電阻率的測(cè)量裝置,能夠測(cè)量出反映地層的電阻率與巖性參數(shù)的信號(hào)信息,,因此其對(duì)于地址導(dǎo)向鉆井的意義重大,。傳統(tǒng)測(cè)井方法測(cè)量電阻率時(shí),需要將線纜測(cè)量工具放到井底,,在上提的工程中進(jìn)行測(cè)量,。但這種方法是在起鉆后進(jìn)行測(cè)量的,此時(shí)井眼周圍的地層已經(jīng)鉆開(kāi)幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)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(huì)使測(cè)井結(jié)果解釋的時(shí)候,,漏掉某儲(chǔ)層,這在鉆井遇到薄儲(chǔ)層時(shí)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(cè)量裝置,,其能夠準(zhǔn)確可靠地測(cè)量出側(cè)向電阻率、近鉆頭電阻率以及方位電阻率等多個(gè)地層參數(shù),。
1 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,,在鉆鋌上裝有發(fā)射線圈、近接收線圈和遠(yuǎn)接收線圈以及3個(gè)接收電極,。發(fā)射線圈由環(huán)形帶磁芯的線圈構(gòu)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(yuǎn)接收線圈與發(fā)射線圈的結(jié)構(gòu)類似,,近接收線圈與遠(yuǎn)接收線圈用來(lái)測(cè)量側(cè)向電阻率和近鉆頭電阻率,。3個(gè)接收電極安裝于扶正器的側(cè)肋,,并且位于一條直線上。電極接觸井壁,,但僅占整個(gè)井眼圓周的一小部分,,因此可以用來(lái)測(cè)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(cè)量,。對(duì)于遠(yuǎn)接收線圈而言,其相當(dāng)于電流互感器,,鉆鋌和鉆鋌周邊的地層形成互感器的初級(jí)磁芯,,而遠(yuǎn)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(jí),次級(jí)的兩根導(dǎo)線接入電流檢測(cè)電路測(cè)量感應(yīng)出的電流信號(hào),,由于被測(cè)電流為經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)發(fā)射線圈到近鉆頭地層的電流,,因此測(cè)量的是遠(yuǎn)接收線圈和鉆頭之間的地層的電阻率。近接收線圈和遠(yuǎn)接收線圈的結(jié)構(gòu)和測(cè)量方式一致,,但其測(cè)量的是近接收線圈感應(yīng)的電流與遠(yuǎn)接收線圈感應(yīng)的電流差,,用來(lái)衡量近接收線圈的遠(yuǎn)接收線圈間的地層電阻率。由于近接收線圈和遠(yuǎn)接收線圈檢測(cè)垂直于鉆鋌的電流線,,因此具有很好的側(cè)向電阻率測(cè)量效果,。

 3個(gè)接收電極是感應(yīng)電流從地層進(jìn)入鉆鋌的通道,測(cè)量到的電流值是該電極所面對(duì)的地層的區(qū)域的方位電阻率,。由于3個(gè)電極垂直分布在一條直線上,,因此可以測(cè)量3個(gè)深度地層電阻率,由于這3個(gè)電機(jī)在隨鉆轉(zhuǎn)動(dòng),,類似于在掃描井眼壁,,因此可以測(cè)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(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后測(cè)量,。因此,,在隨鉆測(cè)量時(shí),3個(gè)接收電極可以同時(shí)獲得(淺,、中,、深)地層的電阻率測(cè)量值,這對(duì)評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)地層的侵入效果十分有用,,并且在掃描井壁的時(shí)候,,可以獲得地層電性上的非均勻特性。
2 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能
 對(duì)于近鉆頭電阻率的測(cè)量,,需要完成大量的檢測(cè),、處理控制和通信功能,本測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)為一個(gè)主控系統(tǒng)和兩個(gè)從控測(cè)量系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)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(chǔ)單元和通信單元。主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)遠(yuǎn)近接收測(cè)量系統(tǒng)和接收電極測(cè)量系統(tǒng)的工作狀態(tài),,響應(yīng)地面控制系統(tǒng)的命令,,檢測(cè)和控制測(cè)量設(shè)備的電源供電系統(tǒng),控制井下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),。遠(yuǎn)近接收測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信,,并控制正弦波產(chǎn)生單元產(chǎn)生100 Hz~10 000 Hz的正弦波,利用功放單元將該正弦波轉(zhuǎn)換為加載到電流互感器上的激勵(lì)信號(hào),,從發(fā)射線圈上發(fā)射出去,。當(dāng)遠(yuǎn)近接收線圈皆感應(yīng)出反映電阻率的電流信號(hào)時(shí),通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換,,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào),。由多路選擇開(kāi)關(guān)分時(shí)切換遠(yuǎn)近接收線圈的信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器,并通過(guò)帶通濾波器去除部分激勵(lì)頻率分量之外的其他頻率分量,,并由可變?cè)鲆娣糯笃鞲男盘?hào)幅度,,避免限幅問(wèn)題的產(chǎn)生。放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,,A/D轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換頻率控制在低通濾波器截止頻率的10倍,進(jìn)行A/D采集,,并將采集到的結(jié)果交由微處理器的數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行小波包最優(yōu)信號(hào)提取處理,,最大程度地消除噪聲影響,提取出真實(shí)信號(hào)的特征信息,。接收電極測(cè)量系統(tǒng)的工作原理與遠(yuǎn)近接收測(cè)量系統(tǒng)類似,,測(cè)量的是3個(gè)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(hào)處理算法
 傳統(tǒng)的近鉆頭電阻率測(cè)量方法采用全硬件檢波的測(cè)量方式或者傳統(tǒng)IIR濾波數(shù)字測(cè)量方式,。硬件檢波的測(cè)量方式由于元器件受到井下高溫環(huán)境影響,,會(huì)產(chǎn)生參數(shù)的漂移和硬件系統(tǒng)噪聲,這對(duì)電阻率測(cè)量結(jié)果的影響很大,。傳統(tǒng)的IIR濾波數(shù)字測(cè)量方式,,對(duì)測(cè)量信號(hào)的相位延遲有嚴(yán)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(cè)量后的信號(hào),。本裝置采用的小波包的隨鉆近鉆頭電阻率信號(hào)處理算法能很好地解決傳統(tǒng)測(cè)量方式測(cè)量精度差等問(wèn)題,可穩(wěn)定可靠處理出反映電阻率信息的信號(hào),,為近鉆頭電阻率信號(hào)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(shí)間和頻率兩個(gè)控件同時(shí)以任意精度逼近被測(cè)量電阻率信號(hào),但小波可以根據(jù)需要選取時(shí)間和頻率上的精度,在低頻部分,,由于信號(hào)比較平緩,,可以不去關(guān)心信號(hào)隨時(shí)間的變化,而在這個(gè)部分的頻率成分會(huì)很多,,所以可以降低時(shí)間分辨率來(lái)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(shí)間分辨率來(lái)關(guān)注信號(hào)的瞬態(tài)特征,。因此小波處理算法也被稱之為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。
對(duì)被測(cè)信號(hào)的小波分析處理原理就是由小波函數(shù)推演出一組濾波器系數(shù),,用該組濾波器系數(shù)將采樣后的反映近鉆頭電阻率信息的信號(hào)分解成高頻和低頻兩個(gè)分量信息,,再分別對(duì)這兩分量信息進(jìn)行濾波,分解出下一級(jí)的4組高頻和低頻分量,,依次類推,,再通過(guò)選擇合理的閾值算法將信號(hào)中的噪聲和高頻強(qiáng)干擾信號(hào)的信息去掉,再通過(guò)小波逆變換濾波器組的重構(gòu)算法將所需要的反映近鉆頭電阻率信息的信號(hào)提取出來(lái),,其分解和重構(gòu)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(jì)算出來(lái),其能夠計(jì)算出小波分解后每一層的閾值,,這種計(jì)算方式稱為軟閾值計(jì)算,,顯然軟閾值的計(jì)算比硬閾值更加合理。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的閾值對(duì)比每層小波分解后的趨勢(shì)分量和細(xì)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(lái)的分量部分經(jīng)過(guò)重構(gòu)算法重構(gòu)就可以對(duì)原反映近鉆頭電阻率的信號(hào)進(jìn)行濾波處理,提取出反映電阻率的信號(hào)特征,。但這種計(jì)算方式不是最優(yōu)的,,而采用小波包的最優(yōu)小波樹(shù)算法能夠達(dá)到最好的濾波效果。
 從濾波器的角度來(lái)講,,小波包和小波沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,,但小波包在小波分解的基礎(chǔ)上對(duì)細(xì)節(jié)系數(shù)也進(jìn)行了分解,其結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)系數(shù)中去尋找信息的有序性,并進(jìn)一步將其中的規(guī)律信息提取出來(lái),,因此小波包的最優(yōu)小波樹(shù)算法也需要一個(gè)判斷依據(jù)才行,,這就是熵最小準(zhǔn)則。熵是用來(lái)衡量信息規(guī)律性的工具,,熵越小信息的規(guī)律性就越強(qiáng),,所以判斷方法是看系數(shù)分解后的系數(shù)的熵之和是否大于原系數(shù)的熵,。計(jì)算熵的方法很多,在基于小波包最優(yōu)樹(shù)提取信號(hào)算法中使用的是Shannon熵,,其公式為:

 
 本裝置能夠?qū)?cè)向電阻率,、近鉆頭電阻率以及方位電阻率進(jìn)行測(cè)量,并通過(guò)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(hào),,克服了傳統(tǒng)硬件電路測(cè)量方法易受溫度干擾引起的測(cè)量精度差的問(wèn)題,,獲得更多更加精確真實(shí)的底層信息,并且由于采用隨鉆的測(cè)量方式,,能實(shí)時(shí)在第一時(shí)間測(cè)量到地層電阻率信息,。為地質(zhì)導(dǎo)向鉆井提供了高精度的真實(shí)可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。
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(收稿日期:2011-11-04)

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