一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法
2023-06-11 09:29:21
一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法
【專利摘要】該發明公開了一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法，涉及感應測井儀中接收線圈直耦信號對消領域。該裝置包括線圈骨架，發射線圈、匝數固定的基線圈和匝數可調的調節線圈。調節線圈基於多層印製電路板（PCB）設計，並從中引出若干抽頭，不同的抽頭對應不同線圈匝數，各抽頭共同接入模擬開關，然後依次連接信號調理、採樣電路與主控電路。在自動對消過程中，主控電路控制模擬開關切換不同的調節線圈抽頭，計算當前抽頭下的直耦信號強度，並通過直耦對消算法使得模擬開關選通在直耦信號最弱的線圈抽頭上，最終達到簡單易行、精確穩定的自動直耦對消效果。
【專利說明】一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於感應測井【技術領域】，特別涉及測井儀中接收線圈直耦信號對消領域。【背景技術】
[0002]感應測井儀發射線圈的發射信號在導電地層中產生渦流，渦流對接收線圈產生攜帶地層信息的二次感應信號，通過測量二次感應信號來獲取地層信息。但是在實際測量過程中，由於發射線圈和接收線圈的耦合效應，接收線圈還會接收到來自發射線圈的直耦信號。直耦信號不攜帶地層信息，並且一般會比二次感應信號大一個數量級以上，因此需要對接收線圈的直耦信號進行消除。
[0003]由電磁感應的基本原理可知，直耦信號的方向與線圈的繞向有關。在測井儀中通常採用在接收線圈上串接補償線圈的方式來去除直耦信號，現階段實際應用中該過程需要手動繞制補償線圈，通過改變補償線圈的匝數和面積來去除直耦信號。然而手動繞制的線圈存在精度、穩定度差的缺點，並且一旦組裝完成，若儀器在運輸和使用中對消效果出現變化，必須通過上述方式重新對消，這樣會消耗大量的時間和人力成本。
[0004]中國專利《一種感應測井直耦信號調節裝置》申請號為201120078668.X提出了一種機械式的感應測井直耦信號調節裝置。在該裝置中，接收線圈的補償線圈纏繞在一可以通過螺旋方式沿線圈骨架移動的環狀支架上，帶動對消線圈與發射線圈之間的距離發生變化，影響線圈的耦合強度，直到調節到最佳距離使得基本消除直耦信號。上述方法使得消除直耦信號的過程中無需直接對線圈進行變化，簡化了對消過程，但是仍舊需要手動完成，調試困難，且存在精度低、穩定性差的弊端。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對【背景技術】的不足之處研究設計一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法，達到測井儀調試過程簡單易操作、精度高、穩定性好的目的。
[0006]本發明的解決方案是【背景技術】中補償線圈分為匝數固定的基線圈和匝數可調的調節線圈，調節線圈中引出若干抽頭，不同的抽頭對應不同線圈匝數，各抽頭共同接入模擬開關，然後依次連接信號調理、採樣電路與主控電路，模擬開關依次接通各抽頭，信號經過信號調理、採樣電路，傳給主控電路，主控電路通過DPSD算法(數字相敏檢波算法)計算出信號中各直耦信號強度並記錄下來，選擇出強度最弱的直耦信號對應的抽頭，控制模擬開關一直接通該抽頭，由此實現發明目的。因此本發明包括:線圈骨架、繞於線圈骨架頭段的發射線圈、繞於線圈骨架尾段的接收線圈和與接收線圈串聯、繞向相反的補償線圈，其特徵在於:補償線圈分為匝數固定的基線圈和與基線圈串聯且繞向一致的調節線圈，調節線圈中引出若干抽頭，不同抽頭對應不同線圈匝數，各抽頭共同接入模擬開關，模擬開關分別連接信號調理、採樣電路與主控電路，信號調理、採樣電路再與主控電路連接。
[0007]其中調節線圈的繞線印製於PCB板上，多層PCB板替代多匝線圈，從每層PCB板接出一定數目的抽頭，以實現整數匝和分數匝的調節。[0008]設置3層PCB板，每層PCB板線圈接出5個抽頭。
[0009]信號調理、採樣電路包括低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數轉換器，信號依次經過低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數轉換器,最後輸出。
[0010]主控電路包括採樣輸入接口、DSP (數位訊號處理器)、控制輸出接口、外部通信接口，其中DSP通過外部通信接口與外部設備進行指令和數據傳輸、通過採樣輸入接口獲得線圈信號採樣數據、通過控制輸出接口控制模擬開關切換抽頭。
[0011]一種用於消除測井直耦信號的自動調節裝置的調節方法，該方法包括:
[0012]步驟一:初始化系統，包括模擬開關控制信號、自動增益放大器控制信號、模數轉換器採樣時鐘，以及外部通信接口的初始化；
[0013]步驟二:DSP從外部通信接口接收到來自外部設備的直耦自動對消命令；
[0014]步驟三:DSP在當前抽頭下完成DPSD算法，測得當前抽頭下線圈直耦對消後的直耦信號強度並記錄；
[0015]步驟四:DSP控制多選一模擬開關切換至另一相鄰抽頭，重複步驟三，測得該抽頭下直耦信號強度並記錄；
[0016]步驟五:比較步驟三和步驟四中直耦信號強度大小，若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭，直耦信號強度減弱，則繼續沿該方向切換抽頭，直至直耦信號強度減至最弱，此時直耦信號自動消除完成；反之，若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭，直耦信號強度增強，則沿相反方向切換抽頭，直到找出直耦信號強度最弱抽頭；
[0017]步驟六:DSP返回「直耦對消完成」信號、當前直耦信號強度、調節線圈抽頭位置信息至外部設備，等待下一次直耦自動對消命令的到來。
[0018]本發明通過控制各抽頭的連接，選擇處接收信號中直耦信號最弱時對應的抽頭，從而消除直耦信號，因此具有在測井儀調試過程簡單易操作、精度高、穩定性好的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為一般測井儀線圈結構示意圖；
[0020]圖2為本發明測井僅線圈繫結構不意圖；
[0021]圖3是基於多層PCB設計的單層調節線圈結構示意圖；
[0022]圖4是本發明系統框圖；
[0023]圖5是信號調理、採樣電路的結構框圖；
[0024]圖6是主控電路的結構框圖。
[0025]圖中1.線圈骨架，2.發射線圈，3.接收線圈，4.補償線圈，5.基線圈，6.調節線圈，7.多抽頭輸出，8.PCB板，9.PCB中央孔洞，10.上層線圈，11.線圈分支，12.下層線圈，13.過孔，14.線圈接入端，15.線圈抽頭，1.系統線圈部分，I1.系統電路部分。
【具體實施方式】
[0026]步驟一:設計、安裝接收線圈系。如圖1所示，一般測井儀採用補償線圈和接收線圈串接的方式，利用兩線圈繞向相反、直耦信號正負相反這一原理，達到對消接收線圈系直耦信號的目的。如前面所述，這種線圈結構具有一致性差，穩定度和精度難以控制，以及對消過程複雜等缺點。為此，本發明提出了一種基於多層PCB的接收線圈系設計方法。
[0027]具體地，在接收線圈和補償線圈的基礎上，加入基於多層PCB設計的匝數可調的調節線圈，整個接收線圈系的結構如圖2所示。其中，接收線圈和基線圈完成直耦信號粗對消，調節線圈實現精確、自動對消。基線圈與圖3中的調節線圈的線圈接入端14連接。調節線圈的抽頭輸出端15接入多選一模擬開關，如圖4所示。
[0028]經過粗對消的接收線圈系的直耦信號強度處於較低水平。在具體實現工程中，本發明採用的發射線圈為84匝，接收線圈10匝，基線圈18匝。設計要求調節線圈的調節範圍不僅能夠滿足隨後的直耦信號精確自動對消的要求，並且能夠滿足測井儀在今後運輸和使用的過程中由於各種原因導致的線圈對消不準時的重新對消的要求。根據實際工程經驗，本發明中採用的調節線圈具有3匝的調節範圍，並且具有1/5匝的調節精度，其他調節範圍和調節精度的PCB線圈可採用相同的方法設計。
[0029]圖3中所示為本發明提出的基於多層PCB的調節線圈的單層結構示意圖。從圖中可以看出，在多層PCB板8中間位置有一圓形孔洞9，該孔洞直徑與玻璃鋼線圈骨架直徑相當，使得線圈骨架能夠從中穿過，方便調節線圈的安裝。在PCB上層圍繞著中央的孔洞9畫出上層線圈10，並在線圈不同的位置引出分支11，分支通過過孔13與下一層PCB線圈12相連，在下一層PCB上線圈以更小的半徑圍繞中央孔洞9完成布線。實際使用的線圈骨架具有磁導率和電導率極低的性質，因而可以近似地認為發射線圈在調節線圈處激勵的磁感線均勻地分布在上層線圈10內，線圈的直耦信號強度與線圈面積成正比。在本次具體實現中，圖3所示的線圈內徑約為32毫米，外徑為76毫米，不同抽頭對應的線圈具有不同匝數，調節線圈就是通過切換抽頭使線圈具有不同匝數，從而達到控制調節線圈直耦信號強度的目的。需注意的是，圖3中所畫的只有一匝PCB線圈的的示意圖，使用了 PCB的一、二層，多匝線圈也可採用類似方式完成。具體地，可以在圖中標號為13的過孔處與PCB第三層連接，並在PCB第三、四層完成如同圖3所示線圈設計，以此類推，即可以實現多匝線圈的設計。
[0030]步驟二:搭建測量、控制電路。測量、控制電路由多選一模擬開關，信號調理、採樣電路和主控電路等幾部分構成，安裝於線圈骨架周圍。
[0031]本發明採用的多選一模擬開關具有16路模擬信號輸入通道，從而可以實現3匝、每匝5抽頭，共計15個抽頭的線圈調節要求。如圖4所示，調節線圈抽頭接入多選一模擬開關，抽頭信號經過模擬開關選擇後輸入到信號調理、採樣電路，信號調理、採樣電路對抽頭信號進行放大、濾波、模/數採樣等處理後輸入主控電路，主控電路對模/數採樣數據進行DPSD算法處理，得出當前抽頭下接收線圈系感應信號強度，並控制多選一模擬開關對線圈抽頭進行切換。主控電路同時還為信號調理、採樣電路提供採樣時鐘信號和可編程增益放大器增益控制信號。
[0032]如圖5所示，信號調理、採樣電路由低噪聲運算放大器、帶通濾波器、可編程增益放大器以及模數轉換器構成。它們分別實現對接收線圈系感應信號的放大、濾波、模/數轉換等功能，最終將採樣得到的數位訊號輸入到主控電路中。
[0033]如圖6所示，主控電路由採樣輸入接口、控制輸出接口、外部通信接口以及DSP最小系統組成。DSP晶片通過採樣數據接口讀取感應電壓信號採樣值，通過控制輸出接口切換模擬開關通道，控制PGA增益，並為ADC提供採樣時鐘信號，通過外部通信接口與外部設備進行指令與數據通信。系統線圈部分I，系統電路部分II在實際應用中都安裝於井下。[0034]步驟三:直耦信號自動對消算法的實現。本發明通過在DSP晶片對採樣信號進行DPSD算法(數字相敏檢波算法)來濾除採樣信號中的噪聲信號，並測得直耦信號強度。當DSP晶片接收到來自外部設備的自動對消指令後，會根據當前直耦信號強度切換模擬開關通道，自動完成直耦信號的對消，其流程可以描述為:
[0035]1.初始化系統，包括模擬開關控制信號、自動增益放大器控制信號、模數轉換器採樣時鐘，以及外部通信接口的初始化；
[0036]2.DSP從外部通信接口接收到來自外部設備的直耦自動對消命令；
[0037]3.DSP在當前抽頭下完成DPSD算法，測得當前抽頭下線圈直耦對消後的直耦信號強度並記錄；
[0038]4.DSP控制多選一模擬開關切換至另一相鄰抽頭，重複第3步，測得該抽頭下直耦信號強度並記錄；
[0039]5.比較第3步和第4步中直耦信號強度大小，若從第3步中抽頭切換至第4步中抽頭，直耦信號強度減弱，則繼續沿該方向切換抽頭，直至直耦信號強度減至最弱，此時直耦信號自動消除完成；反之，若從第3步中抽頭切換至第4步中抽頭，直耦信號強度增強，則沿相反方向切換抽頭，直到找出直耦信號強度最弱抽頭；
[0040]6.DSP返回「直耦對消完成」信號、當前直耦信號強度、調節線圈抽頭位置信息至外部設備，等待下一次直耦自動對消命令的到來。
【權利要求】
1.一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法，該裝置包括:線圈骨架、繞於線圈骨架頭段的發射線圈、繞於線圈骨架尾段的接收線圈和與接收線圈串聯、繞向相反的補償線圈，其特徵在於:補償線圈分為匝數固定的基線圈和與基線圈串聯且繞向一致的調節線圈，調節線圈中引出若干抽頭，不同抽頭對應不同線圈匝數，各抽頭共同接入模擬開關，模擬開關分別連接信號調理、採樣電路與主控電路，信號調理、採樣電路再與主控電路連接。
2.如權利要求1所述的一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法，其特徵在於:調節線圈的繞線印製於PCB板上，多層PCB板替代多匝線圈，從每層PCB板接出一定數目的抽頭，以實現整數匝和分數匝的調節。
3.如權利要求1所述的一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法，其特徵在於:信號調理、採樣電路包括低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數轉換器，信號依次經過低噪聲放大器、帶通濾波器1、可編程增益放大器、帶通濾波器2、模數轉換器,最後輸出。
4.如權利要求1所述的一種消除測井直耦信號的自動調節裝置及測量方法，其特徵在於:主控電路包括採樣輸入接口、DSP (數位訊號處理器)、控制輸出接口、外部通信接口，其中DSP通過外部通信接口與外部設備進行指令和數據傳輸、通過採樣輸入接口獲得線圈信號採樣數據、通過控制輸出接口控制模擬開關切換抽頭。
5.如權利要求2所述的一種消除感應測井直耦信號的自動調節裝置及調節方法，其特徵在於:設置3層PCB板，每層PCB板線圈接出5個抽頭。
6.一種用於消除感應測井直耦信號的自動調節裝置的調節方法，該方法包括: 步驟一:初始化主控電路系統，包括模擬開關控制信號、自動增益放大器控制信號、模數轉換器採樣時鐘，以及外部通信接口的初始化； 步驟二:DSP從外部通信接口接收到來自外部設備的直耦自動對消命令； 步驟三:DSP在當前抽頭下完成DPSD算法，測得當前抽頭下線圈直耦對消後的直耦信號強度並記錄； 步驟四:DSP控制多選一模擬開關切換至另一相鄰抽頭，重複步驟三，測得該抽頭下直耦信號強度並記錄； 步驟五:比較步驟三和步驟四中直耦信號強度大小，若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭，直耦信號強度減弱，則繼續沿該方向切換抽頭，直至直耦信號強度減至最弱，此時直耦信號自動消除完成；反之，若從步驟三中抽頭切換至步驟四中抽頭，直耦信號強度增強，則沿相反方向切換抽頭，直到找出直耦信號強度最弱抽頭； 步驟六:DSP返回「直耦對消完成」信號、當前直耦信號強度、調節線圈抽頭位置信息至外部設備，等待下一次直耦自動對消命令的到來。
【文檔編號】G01V3/28GK103885090SQ201410122834
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】管國雲, 汪浩, 聶在平, 孫向陽, 邱玉傑 申請人:電子科技大學