核磁共振測井信號調(diào)理與回波提取技術(shù)研究

張嘉偉，薛志波，宋公仆，劉耀偉

（中海油田服務(wù)股份有限公司技術(shù)中心，北京 101149）

0 引 言

核磁共振測井方法可直接測量地層孔隙中可動流體的信息，可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布，其孔隙測量不受巖石骨架礦物成分的影響。在過去的近20年里，核磁共振測井儀器研制和資料應(yīng)用一直是石油測井領(lǐng)域的熱點和前沿領(lǐng)域，受到廣泛關(guān)注。

該文主要對核磁共振測井中回波提取方法進行分析，重點介紹了回波信號調(diào)理電路設(shè)計與相敏檢波提取算法。

1 核磁共振測井信號調(diào)理技術(shù)

1.1 核磁共振信號產(chǎn)生與接收模型

核磁共振測井主要采用圖1方式發(fā)射激勵信號并產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號。如圖1所示的這種典型的核磁共振工作方式稱為CPMG序列。首先需要D0的激化時間來完成地層的磁激化，使其探測深度范圍內(nèi)的地層中氫原子的核磁矩能夠朝著靜磁場方向激化，然后發(fā)射90°脈沖信號使其核磁矩扳倒90°，其后每隔D2時間發(fā)射180°脈沖使其在同一平面的2個速度不同的矢量重合產(chǎn)成回波信號，這種激勵接受方式稱為CPMG序列[1]。

圖1 核磁共振CPMG序列發(fā)射與接收模型

核磁共振測井主要采用CPMG序列來進行工作，采集一系列回波信號，并計算回波的幅值與相位，以此來制作相應(yīng)的指數(shù)衰減曲線從而進行T2譜反演標定底層的孔隙度、滲透率、束縛水等信息。

1.2 微弱信號調(diào)理電路設(shè)計

核磁共振測井中微弱信號調(diào)理電路的設(shè)計好壞直接影響到后面對回波信號幅值和相位提取的準確度。微弱信號調(diào)理電路主要是由隔離電路和低噪聲微弱信號放大部分、低噪聲高精度低通濾波部分以及單端轉(zhuǎn)雙端差分對稱輸出電路部分組成[2]。信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該設(shè)計采用隔離板對天線上的高壓發(fā)射信號進行隔離。同時在接收信號時段首先打開隔離板，對調(diào)理電路和隔離板進行軟瀉放來瀉放發(fā)射階段殘留在天線上的剩余能量；其后停止軟瀉放讓天線上的微弱回波信號通過隔離板進入到微弱信號調(diào)理電路進行放大和濾波處理。由于回來的信號十分微弱在100nV～5μV范圍內(nèi)，且噪聲水平在幾微伏左右，因此其輸入信躁比基本在－40dB以下。所以，對前放的布局以及芯片的選擇上需要特別注意其等效電壓噪聲應(yīng)小于3nV/和等效電流噪聲水平小于5pA/。

1.3 信號調(diào)理電路輸出測試

核磁共振測井微弱信號放大電路的整個鏈路增益為3萬倍。工作時由軟瀉放控制信號和RT_SW控制信號共同作用來瀉放天線殘存能量與導(dǎo)通和調(diào)理地層回波信號。接收時間段嚴格按照180°發(fā)射脈沖時間間隔的一半進行計時采集控制。其回波測試結(jié)果示波器抓圖如圖3所示。

2 回波提取技術(shù)

收到的地層回波信號通過微弱信號調(diào)理電路處理后，進行A/D采樣，采樣數(shù)據(jù)傳給DSP進行處理。從流程上來看，微弱信號調(diào)理電路的設(shè)計以及回波信號提取算法的選擇都會影響到回波信號幅值和相位的計算準確度。下面針對回波的有效提取介紹一種相敏檢波算法。

2.1 相敏檢波算法原理

圖2 微弱信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖

圖3 前放電路調(diào)理后輸出的回波串信號

目前，對于納伏級（nV）微弱信號電壓的測量儀器主要有鎖定放大器和取樣積分器2類。前者是物質(zhì)表面組份分析和表面電子能態(tài)研究的重要手段；后者使得核磁共振技術(shù)得以真正實現(xiàn)。這2類微弱信號檢測儀器可測量到淹沒在強噪聲中的μV～nV量級的電壓信號。不過由于測量系統(tǒng)以及各種外界干擾引入的各種噪聲使得噪聲強度高出有用信號幾十倍，一些常規(guī)的電壓測量方法無法測量淹沒在強噪聲中的電壓信號。對于這些信噪比低至-60～-30dB范圍的混于噪聲中的微弱信號的測量均采用基于最大似然估計的互相關(guān)方法。

圖4 nV級正弦電壓的互相關(guān)測量方法

圖4為測量原理電路，其中參考信號r（t）是與被測信號同頻的正弦電壓信號，即r（t）=Ursin（ωt-φ），被測信號 s（t）=Ussin（ωt），測量系統(tǒng)的總噪聲為 n（t），有 x（t）=s（t）+n（t），它的互相關(guān)器的輸出為

（3）回報風(fēng)險。學(xué)校需與經(jīng)營管理方在相關(guān)協(xié)議上明確各自責(zé)權(quán)利，建議可采取固定資源占用費的模式，并制定復(fù)合指標考核體系，注重對經(jīng)營管理方的預(yù)算管理控制、建立負責(zé)人績效考核體系，加強對經(jīng)營管理方財務(wù)和采購監(jiān)督管理等，通過各種控制措施保障學(xué)校獲得應(yīng)有收益。

只要時間T足夠大，則式（1）表明測量系統(tǒng)的噪聲n（t）可以被消除。只要使 τ=0，則輸出電壓 U0為使用雙通道互相關(guān)器，通過計算得到被測微弱正弦信號電壓的幅值和相位。方法如下：

設(shè)被測信號為

式中：K——測量電路放大器增益；

n（t）——零均值高斯噪聲。

圖5所示為雙通道互相關(guān)器原理圖，即使用模擬電路實現(xiàn)的相敏解調(diào)（APSD）算法。它的輸出值為對正弦信號s（t）的幅值Us以及相位θ的最大似然估計。其中

圖5 雙通道互相關(guān)器檢測方法

已經(jīng)證明，由最大似然估計得到的正弦信號幅度及相位屬于一致、有效估計[3]。但是當被測正弦信號為納伏量級時，測量系統(tǒng)噪聲是信噪比低至-60～-30dB，則在有限測量時間T以內(nèi)，U01和U02的測量結(jié)果會有較大的起伏波動，從而嚴重妨礙了正弦參量Us以及θ的精確測量。顯然，如何選擇合適的測量電路以及參數(shù)是微弱正弦信號檢測的關(guān)鍵技術(shù)。

圖6 數(shù)字式相敏解調(diào)器（DPSD）電路組成

近年來，國際上正在探討數(shù)字化的鎖定放大器，采用A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字乘法器實現(xiàn)解調(diào)，稱為數(shù)字式相敏解調(diào)器（DPSD）。基本原理是輸入信號x（t）和參考信號r（t），首先通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，再由計算機專門程序或?qū)Ｓ玫臄?shù)字信號處理芯片（DSP）完成胡相關(guān)運算，實現(xiàn)相敏解調(diào)。圖6為數(shù)字式相敏解調(diào)器（DPSD）的電路組成，包括多路開關(guān)（MUX）、A/D轉(zhuǎn)換器及DSP芯片或計算機。

2.2 數(shù)字相敏檢波（DPSD）算法

該設(shè)計主要采用數(shù)字相敏檢波（DPSD）算法對淹沒在噪聲中的微弱信號進行提取。DPSD算法是指利用計算機或DSP芯片實現(xiàn)式（4）以及式（5）的相敏解調(diào)算法，將其數(shù)字化后，可寫成

式中：N——取樣點數(shù)（或數(shù)據(jù)長度）。

將式（8）用遞推算法完成，即

r2（t）與r1（t）相位差90°（如圖5），故r2（t）可以通過r（1t）來產(chǎn)生，但由于r（1t）是取樣信號，故要求r（1t）一周期內(nèi)的取樣點數(shù)與原頻率之比為4的整倍數(shù)，即m為4的整倍數(shù)。fs為采樣頻率（（rt）采樣頻率必須等于x（t）采樣頻率）。在預(yù)先存儲中可以先讓Ur為1，最后通過計算得出的相位是采樣起始點處的初相。最后利用式（6）和式（7）求出回波的幅值和相位。參考信號r（1t）與r（2t）和的相關(guān)計算公式為

為了驗證以上算法，輸入標準正弦信號并加入噪聲后如圖7（a）所示，可以看出信號淹沒在噪聲中，利用DPSD算法進行提取后其提取結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7 DPSD算法提取信號試驗測試結(jié)果

利用DPSD算法實際測試刻度溶液中的回波信號，提取相關(guān)的回波幅值和相位，得到對應(yīng)的回波指數(shù)衰減曲線如圖8所示。

3 結(jié)束語

該文論述了在核磁共振測井中微弱信號調(diào)理的實現(xiàn)技術(shù)以及對采集到的回波信號進行幅值和相位提取的方法[4]。在核磁共振測井中，很多都利用該DPSD算法對采集到的回波串信號進行信號提取處理，其有著很好的噪聲抑制和信號提取能力[5-6]。核磁共振測井技術(shù)是目前世界上最先進的石油探測技術(shù)之一，在勘探階段可為流體性質(zhì)、儲層性質(zhì)及可采儲量等地層評價問題的解決提供有效信息[4]；在開發(fā)階段，能為油層剩余油、采收率以及增產(chǎn)措施效果等問題的評價和分析提供定量數(shù)據(jù)。是否具備核磁共振測井技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個公司甚至一個國家測井技術(shù)水平的標志之一[7]。

圖8 利用DPSD算法提取回波串信號幅值得出的指數(shù)衰減曲線

[1]Coates G，肖立志，Prammer M.核磁共振測井原理與應(yīng)用[M].孟繁瑩，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2]邵維志，莊升，丁娛嬌.一種新型核磁共振測井儀——MREx[J].石油儀器，2004，18（2）：36-39.

[3] 戴逸松.微弱信號檢測方法及儀器[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[4] 肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[5]肖立志.核磁共振測井資料解釋與應(yīng)用導(dǎo)論[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[6] 肖立志.核磁成像測井[J].測井技術(shù)，1995，19（4）：284-293.

[7]肖立志，謝然紅.核磁共振測井儀器的最新進展與未來發(fā)展方向[J].測井技術(shù)，2003，27（4）；265-269.