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。并且通過小波包最優(yōu)小波樹信號(hào)提取等算法，可用來對(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)鉆開幾個(gè)小時(shí)甚至更長時(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，避免限幅問題的產(chǎn)生。放大后的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后進(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，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，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，將這些保留下來的分量部分經(jīng)過重構(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)小波樹算法能夠達(dá)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(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，因此小波包的最優(yōu)小波樹算法也需要一個(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）