多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
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器实现幅度衰减测量，采用复杂可编程逻辑器件实现高精度相位差测量。系统采用双频率、双源距实现径向上多个
探测深度的电阻率剖面测量，能够在地层钻遇的第一时间全面、真实地获取地层电阻率数据，为钻井地质导向及地
层评价提供重要地质参数。
关键词:随钻测井;电阻率;电磁波;复杂可编程逻辑器件;地质导向
中图分类号 :TE 151
具 USB BLASTER 下载到目标板。
参考信号，它与接收信号混频后输出频率较低的差
频信号;二是设计了高增益的接收信号前置放大电
图 2 是随钻电磁波电阻率测量系统控制功能仿
路，提高混频电路输入信号的信躁比，并设计了低频 信号放大电路，进一步提升模数转换器输入信号的
信躁比。另外，模数转换器采用 24 位工 - 高精度
囹3 接收信号幅度测量电路
(BTM_ T
= 1)将每个测量周期分为 8 个子周期，使 4
Fig. 3 Circuit configuration for measuring amplitude of receiving signal
个发射线圈在高频、低频各激励 1 个子周期。每个 子周期可以得到 1 个幅度比和相位差测量值。由于
(1. College of Geo-Resources and lnformation in China University of Petroleum , Dongying 257061 , China;
2. Drilling Research lnstitute ,
PetroChin日 ，
Beijing 100083 , China)
(1.中国石油大学地球资源与信息学院，山东东营 257061; 2. 中石油钻井工程技术研究院，北京 100083)
摘要:多深度随钻电磁波电阻率测量系统由电磁波发射接收线圈系和电子线路两部分组成。分析线圈系设计中需
要考虑的各种影响因素，介绍以数字信号处理器为核心的测量系统基本构成。测量系统采用 24 位 I- 模数转换
测量采用电磁波工作方式，其突出优点是适用于各
Leabharlann Baidu
量体系进一步完善及提高随钻测井及钻井地质导向
收稿日期 :2009
- 10 - 25 - ) ，男(汉族)，山东平原人，副教授，博士，博士后，从事随钻测井技术方丽的研究。
基金项目:国家 "863" 课题 (2006AA06A I0 1) ;中国博士后科学基金特别资助项目( 20080 1094 ) 作者简介:李会银(1 965
线圈阵列。 (3) 接收信号前置放大电路。为提高接收信号
时序依次工作;二是产生接收信号的数字采样时序，
根据采样间隔实现均匀采样;三是对接收信号进行
相位差测量。采用复杂可编程逻辑设计技术将上述
的信 l噪比，接收信号前置放大电路由多级组成，信号
增益 72 dB 。
功能集成到一片复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 中。 根据容量需要，选择美国 ALTERA 公司的 3.3V 在
p盯ameters
of radial investigation depth at the first-time with high precision. It is an important tool for drilling with
geological steering and formation evaluation. Key words: logging while drilling (LWD) ; resistivity; electromagnetic wave; complex programmable logic device (CPLD) ; geological steering
同样不利于精确测量。综合考虑以上因素，选用短
源距 50 cm ，长源距为 120 cm ，间距选用 20 cm 。
中的测量数据读出到计算机中。
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数 J…啤]
信 号 处 理 器
另外，为消除井眼影响，采用对称四发双收线圈
系，其井眼补偿功能将使仪器在井眼垮塌、泥饼等具 有不对称因素的井段仍能得到正确的测量结果。
given. 工一- A/ D
converters of 24-bit
were used for amplitude measuremen t. In phase difference measurement , a complicated programmable logical device was used for high precision measuremen t. As it had two source spaces and two working frequencies , this tool could acquire multiresistivity
上下发射线圈是对称的，将上下两个测量值取平均
可以补偿井眼影响。这样每个测量周期，可以获得
对应两个源距、两个激励频率的 4 个幅度比和相位 差测量值，并且由于同一源距不同激励频率下的探
2.4 2.4.1
接收信号相位差测量
相位差测量原理
电磁波在地层中传播的过程中到达两个接收线 圈的时间不同，反映为两个接收信号存在相位差，如
件耐温 -55 -125 "C，内部资源包括 32kX16 位 EE
PROM , 2. 5kX16 位的数据存储器， 8 -16 通道 10 位
Al D 转换器。其主要功能一是系统数据采集、存
储、传输控制，二是数据处理，包括幅度比计算、相位
差计算及电阻率转换等。外围模块包括:
Fig.l
System configuration for measuring LWD electromagnetic wave resistivity
图 4 所示。图中所示接收 1 、接收 2 均为 1 个周期的
测深度是不同的，因此可以得到 4 个探测深度的电
咀率剖面测量结果。
系统可编程 CPLD 芯片 EPM7128AETI1 00 ，内部具有 128 个宏单元， TQFPIOO 封装，扩展工作温度 -40 -
(4) 接收信号处理电路。包括混 j烦，放大，带通
波:波电路。
(5) 接收信号幅度测量电路。采用 24 {:ìZ I-il 模数转换器实现接收信号幅度的高精度测量。
国内在随钻电磁波电阻率测量方法、仪器和资料处
理领域也进行了大量的工作 [1 川但直到目前还没
有相应的仪器应用到现场。国家 "863" 重大课题 "地质导向钻井技术"将随钻电磁波电阻率测量作 为其中一项重要攻关内容，对于我国随钻电阻率测
测量得到了最先发展和推广应用 [8] 其缺点是难以 在导电性差或不导电的钻井液(如淡水钻井液、油 基钻井液、气体钻井)中应用。随钻电磁波电阻率
Al D 转换器 AD7711 ，工作温度- 55 -125 OC ，理论 动态范围达到 144 dB ，有效分辨率达到 18 位，满足
真结果。图中信号含义如下 :START 为测量启动信
号; FCLK 为时序控制基准时钟; FreqSel 为频率选择
信号，逻辑 O 时选择低频，逻辑 1 时选择高频 ;FAR 为远发射控制，逻辑 1 有效 ;NEAR 为近发射控制，
逻辑 1 有效; TOP_T 为上发射控制，逻辑 1 有效;
BTM_T 为下发射控制，逻辑 1 有效。 START 正脉冲
仪器设计测量精度要求。
开始启动一个测量周期，再按照先低频( FreqSel
))后高频( FreqSel
=
发射 (FAR
= 1 )、先近发射 (NEAR = 1) 后远 = 1) 、先上发射 (TOP _ T = 1) 后下发射
探测深度和接收器的灵敏度决定。游、距太大，接收
器无法接收到电磁波信号;源距太小，不能达到要求
DSP 将测量数据通过串行接口传送到钻井液脉冲通 讯短节，实现随钻测量过程中关键数据的实时传输;
二是在钻具提升到地面后，与计算机接口，将存储器
的探测深度。②间距一一两个接收器间的距离。间
距由轴向的地层分辨率和接收器灵敏度确定。间距 太大，不利于分辨薄层，且第二接收信号强度太小， 测量误差增大;间距太小，幅度及相位差变化太小，
文献标志码 :A
doi: 10. 3969/j. issn. 1673-5005.2010.03.008
A logging while drilling tool for multi-depth electromagnetic wave resistivity measurement
11 Hui-yin l , SU Yi-nao 2 , SHENG Li-min2 , DOU Xiu-ron矿， DENG Le 2
2010 年第 34 卷 第 3 期
文章编号: 1673-5005 (2010 )03-0038-05
中国石油大学学报(自然科学版)
Journal of China University of Petroleum
Vo l. 34 No.3 Jun.20 1O
多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
李会银苏义脑 2 盛利民 2 窦修荣 2 邓 乐2
地层电阻率是地质导向钻井 [1] 和油田地层评
种导电和不导电类型的钻井液，斯仑贝谢的 ARC 系
价必需的重要地质参数 [2] 。目前应用较多的电阻
率测量方式有 3 种:电流测量方式、感应测量方式和
电磁波测量方式 [3.7] 。在随钻测井领域，电流电阻率
列和 Sperry-Sun 公司的 EWR 都采用这种方式 [9.10] 。
第 34 卷第 3 期
李会银，等:多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
.39.
技术在国际国内的市场竞争力都具有重要意义。
将模拟信号转换成逻辑信号，采用 CPLD 实现相位
1
线圈系结构
随钻电磁波电阻率测量系统由线圈系和电子线
差检测。
(7) 测量结果的存储与回放电路。由于钻井液
脉冲传输系统的传输能力有限，井下测量数据的大 部分只能存储在井下存储器中，在仪器提升到地面 后，通过通讯模块将存储器中的数据读出。根据测
Abstract: A log在ing while drilling( LWD) tool for multi-depth electromagnetic wave resistivity measurement was designed. It is composed of two parts: the electrical cartridge and the transmiUer-receiver coils. Various influencing factors on coils system structure were analysed. A system scheme based on digital signal processor was
(1)高频信号发生器。采用数字合成技术实
现，产生 2 MHz 、 500 kHz 的基准频率信号。
(2) 多路分配与功率驱动电路。将 2 MHz 和
2.2
测量系统控制逻辑
测量系统控制逻辑实现 3 个功能:一是产生各
发射线圈的工作时序，控制各发射线圈按照规定的
500 kHz 信号多路分配并进行功率驱动后送到发射
量数据存储的需要，井下存储器模块容量设计为 8
MB ，可以满足 200 h 连续测量的存储需要。 (8) 通讯电路。通讯接口的功能有两个:一是
路两部分组成，线圈系是电磁波发射和接收传感器，
线圈系的源距和间距是决定系统探测深度、分辨率
的重要因素。 线圈系结构选择主要考虑以下因素:①师、
m~-发射线圈到接收线固的距离。源距的选择由
130 "c ，适用于井下高温环境。开发工具使用 AL
TERA 公司提供的 Quartus II 8. 0 设计软件，它支持
(6) 接收信号相位测茧电路。通过过零比较器
VHDL 设计语言，内部集成仿真工具支持功能仿真、
.40.
中国石油大学学报(自然科学版)
2010 年 6 月
定时仿真，编程目标码通过专用的 USB 接口下载工
4ID1~"~~31
南}巨彗
2
2.1
电子系统设计
Z M M D「 旧C A
∞
测量系统总体结构
叮M
根据随钻电磁波电阻率测量系统设计的技术要
〉
U『
4Ftz
图 1 随钻电磁波电阻率测量系统结构
求，电子线路组成如图 1 所示。系统核心控制部件 采用 TI 公司的数字信号处理器 SM320LF2407 ，该器
探测深度的电阻率剖面测量，能够在地层钻遇的第一时间全面、真实地获取地层电阻率数据，为钻井地质导向及地
层评价提供重要地质参数。
关键词:随钻测井;电阻率;电磁波;复杂可编程逻辑器件;地质导向
中图分类号 :TE 151
具 USB BLASTER 下载到目标板。
参考信号，它与接收信号混频后输出频率较低的差
频信号;二是设计了高增益的接收信号前置放大电
图 2 是随钻电磁波电阻率测量系统控制功能仿
路，提高混频电路输入信号的信躁比，并设计了低频 信号放大电路，进一步提升模数转换器输入信号的
信躁比。另外，模数转换器采用 24 位工 - 高精度
囹3 接收信号幅度测量电路
(BTM_ T
= 1)将每个测量周期分为 8 个子周期，使 4
Fig. 3 Circuit configuration for measuring amplitude of receiving signal
个发射线圈在高频、低频各激励 1 个子周期。每个 子周期可以得到 1 个幅度比和相位差测量值。由于
(1. College of Geo-Resources and lnformation in China University of Petroleum , Dongying 257061 , China;
2. Drilling Research lnstitute ,
PetroChin日 ，
Beijing 100083 , China)
(1.中国石油大学地球资源与信息学院，山东东营 257061; 2. 中石油钻井工程技术研究院，北京 100083)
摘要:多深度随钻电磁波电阻率测量系统由电磁波发射接收线圈系和电子线路两部分组成。分析线圈系设计中需
要考虑的各种影响因素，介绍以数字信号处理器为核心的测量系统基本构成。测量系统采用 24 位 I- 模数转换
测量采用电磁波工作方式，其突出优点是适用于各
Leabharlann Baidu
量体系进一步完善及提高随钻测井及钻井地质导向
收稿日期 :2009
- 10 - 25 - ) ，男(汉族)，山东平原人，副教授，博士，博士后，从事随钻测井技术方丽的研究。
基金项目:国家 "863" 课题 (2006AA06A I0 1) ;中国博士后科学基金特别资助项目( 20080 1094 ) 作者简介:李会银(1 965
线圈阵列。 (3) 接收信号前置放大电路。为提高接收信号
时序依次工作;二是产生接收信号的数字采样时序，
根据采样间隔实现均匀采样;三是对接收信号进行
相位差测量。采用复杂可编程逻辑设计技术将上述
的信 l噪比，接收信号前置放大电路由多级组成，信号
增益 72 dB 。
功能集成到一片复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 中。 根据容量需要，选择美国 ALTERA 公司的 3.3V 在
p盯ameters
of radial investigation depth at the first-time with high precision. It is an important tool for drilling with
geological steering and formation evaluation. Key words: logging while drilling (LWD) ; resistivity; electromagnetic wave; complex programmable logic device (CPLD) ; geological steering
同样不利于精确测量。综合考虑以上因素，选用短
源距 50 cm ，长源距为 120 cm ，间距选用 20 cm 。
中的测量数据读出到计算机中。
ll1 型~ iM!;l W l
数 J…啤]
信 号 处 理 器
另外，为消除井眼影响，采用对称四发双收线圈
系，其井眼补偿功能将使仪器在井眼垮塌、泥饼等具 有不对称因素的井段仍能得到正确的测量结果。
given. 工一- A/ D
converters of 24-bit
were used for amplitude measuremen t. In phase difference measurement , a complicated programmable logical device was used for high precision measuremen t. As it had two source spaces and two working frequencies , this tool could acquire multiresistivity
上下发射线圈是对称的，将上下两个测量值取平均
可以补偿井眼影响。这样每个测量周期，可以获得
对应两个源距、两个激励频率的 4 个幅度比和相位 差测量值，并且由于同一源距不同激励频率下的探
2.4 2.4.1
接收信号相位差测量
相位差测量原理
电磁波在地层中传播的过程中到达两个接收线 圈的时间不同，反映为两个接收信号存在相位差，如
件耐温 -55 -125 "C，内部资源包括 32kX16 位 EE
PROM , 2. 5kX16 位的数据存储器， 8 -16 通道 10 位
Al D 转换器。其主要功能一是系统数据采集、存
储、传输控制，二是数据处理，包括幅度比计算、相位
差计算及电阻率转换等。外围模块包括:
Fig.l
System configuration for measuring LWD electromagnetic wave resistivity
图 4 所示。图中所示接收 1 、接收 2 均为 1 个周期的
测深度是不同的，因此可以得到 4 个探测深度的电
咀率剖面测量结果。
系统可编程 CPLD 芯片 EPM7128AETI1 00 ，内部具有 128 个宏单元， TQFPIOO 封装，扩展工作温度 -40 -
(4) 接收信号处理电路。包括混 j烦，放大，带通
波:波电路。
(5) 接收信号幅度测量电路。采用 24 {:ìZ I-il 模数转换器实现接收信号幅度的高精度测量。
国内在随钻电磁波电阻率测量方法、仪器和资料处
理领域也进行了大量的工作 [1 川但直到目前还没
有相应的仪器应用到现场。国家 "863" 重大课题 "地质导向钻井技术"将随钻电磁波电阻率测量作 为其中一项重要攻关内容，对于我国随钻电阻率测
测量得到了最先发展和推广应用 [8] 其缺点是难以 在导电性差或不导电的钻井液(如淡水钻井液、油 基钻井液、气体钻井)中应用。随钻电磁波电阻率
Al D 转换器 AD7711 ，工作温度- 55 -125 OC ，理论 动态范围达到 144 dB ，有效分辨率达到 18 位，满足
真结果。图中信号含义如下 :START 为测量启动信
号; FCLK 为时序控制基准时钟; FreqSel 为频率选择
信号，逻辑 O 时选择低频，逻辑 1 时选择高频 ;FAR 为远发射控制，逻辑 1 有效 ;NEAR 为近发射控制，
逻辑 1 有效; TOP_T 为上发射控制，逻辑 1 有效;
BTM_T 为下发射控制，逻辑 1 有效。 START 正脉冲
仪器设计测量精度要求。
开始启动一个测量周期，再按照先低频( FreqSel
))后高频( FreqSel
=
发射 (FAR
= 1 )、先近发射 (NEAR = 1) 后远 = 1) 、先上发射 (TOP _ T = 1) 后下发射
探测深度和接收器的灵敏度决定。游、距太大，接收
器无法接收到电磁波信号;源距太小，不能达到要求
DSP 将测量数据通过串行接口传送到钻井液脉冲通 讯短节，实现随钻测量过程中关键数据的实时传输;
二是在钻具提升到地面后，与计算机接口，将存储器
的探测深度。②间距一一两个接收器间的距离。间
距由轴向的地层分辨率和接收器灵敏度确定。间距 太大，不利于分辨薄层，且第二接收信号强度太小， 测量误差增大;间距太小，幅度及相位差变化太小，
文献标志码 :A
doi: 10. 3969/j. issn. 1673-5005.2010.03.008
A logging while drilling tool for multi-depth electromagnetic wave resistivity measurement
11 Hui-yin l , SU Yi-nao 2 , SHENG Li-min2 , DOU Xiu-ron矿， DENG Le 2
2010 年第 34 卷 第 3 期
文章编号: 1673-5005 (2010 )03-0038-05
中国石油大学学报(自然科学版)
Journal of China University of Petroleum
Vo l. 34 No.3 Jun.20 1O
多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
李会银苏义脑 2 盛利民 2 窦修荣 2 邓 乐2
地层电阻率是地质导向钻井 [1] 和油田地层评
种导电和不导电类型的钻井液，斯仑贝谢的 ARC 系
价必需的重要地质参数 [2] 。目前应用较多的电阻
率测量方式有 3 种:电流测量方式、感应测量方式和
电磁波测量方式 [3.7] 。在随钻测井领域，电流电阻率
列和 Sperry-Sun 公司的 EWR 都采用这种方式 [9.10] 。
第 34 卷第 3 期
李会银，等:多深度随钻电磁波电阻率测量系统设计
.39.
技术在国际国内的市场竞争力都具有重要意义。
将模拟信号转换成逻辑信号，采用 CPLD 实现相位
1
线圈系结构
随钻电磁波电阻率测量系统由线圈系和电子线
差检测。
(7) 测量结果的存储与回放电路。由于钻井液
脉冲传输系统的传输能力有限，井下测量数据的大 部分只能存储在井下存储器中，在仪器提升到地面 后，通过通讯模块将存储器中的数据读出。根据测
Abstract: A log在ing while drilling( LWD) tool for multi-depth electromagnetic wave resistivity measurement was designed. It is composed of two parts: the electrical cartridge and the transmiUer-receiver coils. Various influencing factors on coils system structure were analysed. A system scheme based on digital signal processor was
(1)高频信号发生器。采用数字合成技术实
现，产生 2 MHz 、 500 kHz 的基准频率信号。
(2) 多路分配与功率驱动电路。将 2 MHz 和
2.2
测量系统控制逻辑
测量系统控制逻辑实现 3 个功能:一是产生各
发射线圈的工作时序，控制各发射线圈按照规定的
500 kHz 信号多路分配并进行功率驱动后送到发射
量数据存储的需要，井下存储器模块容量设计为 8
MB ，可以满足 200 h 连续测量的存储需要。 (8) 通讯电路。通讯接口的功能有两个:一是
路两部分组成，线圈系是电磁波发射和接收传感器，
线圈系的源距和间距是决定系统探测深度、分辨率
的重要因素。 线圈系结构选择主要考虑以下因素:①师、
m~-发射线圈到接收线固的距离。源距的选择由
130 "c ，适用于井下高温环境。开发工具使用 AL
TERA 公司提供的 Quartus II 8. 0 设计软件，它支持
(6) 接收信号相位测茧电路。通过过零比较器
VHDL 设计语言，内部集成仿真工具支持功能仿真、
.40.
中国石油大学学报(自然科学版)
2010 年 6 月
定时仿真，编程目标码通过专用的 USB 接口下载工
4ID1~"~~31
南}巨彗
2
2.1
电子系统设计
Z M M D「 旧C A
∞
测量系统总体结构
叮M
根据随钻电磁波电阻率测量系统设计的技术要
〉
U『
4Ftz
图 1 随钻电磁波电阻率测量系统结构
求，电子线路组成如图 1 所示。系统核心控制部件 采用 TI 公司的数字信号处理器 SM320LF2407 ，该器