核磁共振测井信号调理与回波提取技术研究

张嘉伟，薛志波，宋公仆，刘耀伟

（中海油田服务股份有限公司技术中心，北京 101149）

0 引 言

核磁共振测井方法可直接测量地层孔隙中可动流体的信息，可定量确定自由流体、束缚水、渗透率及孔径分布，其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响。在过去的近20年里，核磁共振测井仪器研制和资料应用一直是石油测井领域的热点和前沿领域，受到广泛关注。

该文主要对核磁共振测井中回波提取方法进行分析，重点介绍了回波信号调理电路设计与相敏检波提取算法。

1 核磁共振测井信号调理技术

1.1 核磁共振信号产生与接收模型

核磁共振测井主要采用图1方式发射激励信号并产生相应的回波信号。如图1所示的这种典型的核磁共振工作方式称为CPMG序列。首先需要D0的激化时间来完成地层的磁激化，使其探测深度范围内的地层中氢原子的核磁矩能够朝着静磁场方向激化，然后发射90°脉冲信号使其核磁矩扳倒90°，其后每隔D2时间发射180°脉冲使其在同一平面的2个速度不同的矢量重合产成回波信号，这种激励接受方式称为CPMG序列[1]。

图1 核磁共振CPMG序列发射与接收模型

核磁共振测井主要采用CPMG序列来进行工作，采集一系列回波信号，并计算回波的幅值与相位，以此来制作相应的指数衰减曲线从而进行T2谱反演标定底层的孔隙度、渗透率、束缚水等信息。

1.2 微弱信号调理电路设计

核磁共振测井中微弱信号调理电路的设计好坏直接影响到后面对回波信号幅值和相位提取的准确度。微弱信号调理电路主要是由隔离电路和低噪声微弱信号放大部分、低噪声高精度低通滤波部分以及单端转双端差分对称输出电路部分组成[2]。信号调理电路结构框图如图2所示。

该设计采用隔离板对天线上的高压发射信号进行隔离。同时在接收信号时段首先打开隔离板，对调理电路和隔离板进行软泻放来泻放发射阶段残留在天线上的剩余能量；其后停止软泻放让天线上的微弱回波信号通过隔离板进入到微弱信号调理电路进行放大和滤波处理。由于回来的信号十分微弱在100nV～5μV范围内，且噪声水平在几微伏左右，因此其输入信躁比基本在－40dB以下。所以，对前放的布局以及芯片的选择上需要特别注意其等效电压噪声应小于3nV/和等效电流噪声水平小于5pA/。

1.3 信号调理电路输出测试

核磁共振测井微弱信号放大电路的整个链路增益为3万倍。工作时由软泻放控制信号和RT_SW控制信号共同作用来泻放天线残存能量与导通和调理地层回波信号。接收时间段严格按照180°发射脉冲时间间隔的一半进行计时采集控制。其回波测试结果示波器抓图如图3所示。

2 回波提取技术

收到的地层回波信号通过微弱信号调理电路处理后，进行A/D采样，采样数据传给DSP进行处理。从流程上来看，微弱信号调理电路的设计以及回波信号提取算法的选择都会影响到回波信号幅值和相位的计算准确度。下面针对回波的有效提取介绍一种相敏检波算法。

2.1 相敏检波算法原理

图2 微弱信号调理电路结构框图

图3 前放电路调理后输出的回波串信号

目前，对于纳伏级（nV）微弱信号电压的测量仪器主要有锁定放大器和取样积分器2类。前者是物质表面组份分析和表面电子能态研究的重要手段；后者使得核磁共振技术得以真正实现。这2类微弱信号检测仪器可测量到淹没在强噪声中的μV～nV量级的电压信号。不过由于测量系统以及各种外界干扰引入的各种噪声使得噪声强度高出有用信号几十倍，一些常规的电压测量方法无法测量淹没在强噪声中的电压信号。对于这些信噪比低至-60～-30dB范围的混于噪声中的微弱信号的测量均采用基于最大似然估计的互相关方法。

图4 nV级正弦电压的互相关测量方法

图4为测量原理电路，其中参考信号r（t）是与被测信号同频的正弦电压信号，即r（t）=Ursin（ωt-φ），被测信号 s（t）=Ussin（ωt），测量系统的总噪声为 n（t），有 x（t）=s（t）+n（t），它的互相关器的输出为

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只要时间T足够大，则式（1）表明测量系统的噪声n（t）可以被消除。只要使 τ=0，则输出电压 U0为使用双通道互相关器，通过计算得到被测微弱正弦信号电压的幅值和相位。方法如下：

设被测信号为

式中：K——测量电路放大器增益；

n（t）——零均值高斯噪声。

图5所示为双通道互相关器原理图，即使用模拟电路实现的相敏解调（APSD）算法。它的输出值为对正弦信号s（t）的幅值Us以及相位θ的最大似然估计。其中

图5 双通道互相关器检测方法

已经证明，由最大似然估计得到的正弦信号幅度及相位属于一致、有效估计[3]。但是当被测正弦信号为纳伏量级时，测量系统噪声是信噪比低至-60～-30dB，则在有限测量时间T以内，U01和U02的测量结果会有较大的起伏波动，从而严重妨碍了正弦参量Us以及θ的精确测量。显然，如何选择合适的测量电路以及参数是微弱正弦信号检测的关键技术。

图6 数字式相敏解调器（DPSD）电路组成

近年来，国际上正在探讨数字化的锁定放大器，采用A/D转换器和数字乘法器实现解调，称为数字式相敏解调器（DPSD）。基本原理是输入信号x（t）和参考信号r（t），首先通过A/D转换成数字量信号，再由计算机专门程序或专用的数字信号处理芯片（DSP）完成胡相关运算，实现相敏解调。图6为数字式相敏解调器（DPSD）的电路组成，包括多路开关（MUX）、A/D转换器及DSP芯片或计算机。

2.2 数字相敏检波（DPSD）算法

该设计主要采用数字相敏检波（DPSD）算法对淹没在噪声中的微弱信号进行提取。DPSD算法是指利用计算机或DSP芯片实现式（4）以及式（5）的相敏解调算法，将其数字化后，可写成

式中：N——取样点数（或数据长度）。

将式（8）用递推算法完成，即

r2（t）与r1（t）相位差90°（如图5），故r2（t）可以通过r（1t）来产生，但由于r（1t）是取样信号，故要求r（1t）一周期内的取样点数与原频率之比为4的整倍数，即m为4的整倍数。fs为采样频率（（rt）采样频率必须等于x（t）采样频率）。在预先存储中可以先让Ur为1，最后通过计算得出的相位是采样起始点处的初相。最后利用式（6）和式（7）求出回波的幅值和相位。参考信号r（1t）与r（2t）和的相关计算公式为

为了验证以上算法，输入标准正弦信号并加入噪声后如图7（a）所示，可以看出信号淹没在噪声中，利用DPSD算法进行提取后其提取结果如图7（b）所示。

图7 DPSD算法提取信号试验测试结果

利用DPSD算法实际测试刻度溶液中的回波信号，提取相关的回波幅值和相位，得到对应的回波指数衰减曲线如图8所示。

3 结束语

该文论述了在核磁共振测井中微弱信号调理的实现技术以及对采集到的回波信号进行幅值和相位提取的方法[4]。在核磁共振测井中，很多都利用该DPSD算法对采集到的回波串信号进行信号提取处理，其有着很好的噪声抑制和信号提取能力[5-6]。核磁共振测井技术是目前世界上最先进的石油探测技术之一，在勘探阶段可为流体性质、储层性质及可采储量等地层评价问题的解决提供有效信息[4]；在开发阶段，能为油层剩余油、采收率以及增产措施效果等问题的评价和分析提供定量数据。是否具备核磁共振测井技术已经成为衡量一个公司甚至一个国家测井技术水平的标志之一[7]。

图8 利用DPSD算法提取回波串信号幅值得出的指数衰减曲线

[1]Coates G，肖立志，Prammer M.核磁共振测井原理与应用[M].孟繁莹，译.北京：石油工业出版社，2007.

[2]邵维志，庄升，丁娱娇.一种新型核磁共振测井仪——MREx[J].石油仪器，2004，18（2）：36-39.

[3] 戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M].北京：国防工业出版社，1994.

[4] 肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京：科学出版社，1998.

[5]肖立志.核磁共振测井资料解释与应用导论[M].北京：石油工业出版社，2001.

[6] 肖立志.核磁成像测井[J].测井技术，1995，19（4）：284-293.

[7]肖立志，谢然红.核磁共振测井仪器的最新进展与未来发展方向[J].测井技术，2003，27（4）；265-269.