一種隨鑽測量地面信號處理裝置的製作方法

2023-05-04 14:11:36 2

本發明涉及地質勘探技術領域，具體地說，涉及一種隨鑽測量地面信號處理裝置。

背景技術：

隨鑽測量是定向井、水平井施工中一項必不可少的技術手段。目前，普遍使用的鑽井液壓力脈衝式MWD(或稱常規MWD)可在液相鑽井液中穩定、可靠地工作，傳輸深度超過5000m，然而，在使用氣體、泡沫、霧、充氣等鑽井液的鑽井中，常規MWD無法正常工作，應用受到了限制。電磁隨鑽測量(EM-MWD)系統則使用低頻電磁波傳輸信息，能在使用液相和氣相鑽井液的鑽井工程中正常使用。但是，EM-MWD系統的信息傳輸本質上是一種特殊的無線通信系統，其特殊性表現在電磁波在有耗介質中傳播，傳輸深度受到地層電阻率的影響，測量深度達不到常規MWD的水平。

無論是常規MWD還是EM-MWD都包括井下信號發射和地面信號接收處理兩大重要組成部分。但是，現有技術中的地面信號接收處理裝置無法既實現泥漿脈衝信號的處理又實現電磁波信號的處理。

技術實現要素：

為解決以上問題，本發明提供了一種隨鑽測量地面信號處理裝置，以使得地面信號接收處理裝置既實現泥漿脈衝信號的處理又實現電磁波信號的處理。

根據本發明的一個實施例，提供了一種隨鑽測量地面信號處理裝置，包括：

第一前置放大模塊，用於放大接收到的電磁波信號；

第二前置放大模塊，用於放大接收到的泥漿脈衝信號；

信號調理模塊，用於將所述第一前置放大模塊和所述第二前置放大模塊輸出的信號調理後輸出；

中央處理模塊，用於將所述信號調理模塊輸出的信號解碼後輸出。

根據本發明的一個實施例，所述信號調理模塊包括與所述第一前置放大模塊和所述第二前置放大模塊連接的低通濾波器、與所述低通濾波器連接的調零電路及與所述調零電路和所述中央處理模塊連接的A/D保護電路，所述信號調理模塊將所述第一前置放大模塊和所述第二前置放大模塊輸出的信號濾波及直流偏置調零後經所述A/D保護電路輸出給所述中央處理模塊。

根據本發明的一個實施例，所述低通濾波器為8階巴特沃斯有源低通濾波器。

根據本發明的一個實施例，所述中央處理模塊包括與所述A/D保護電路連接的A/D轉換電路、與所述A/D轉換電路連接的數字濾波器、與所述數字濾波器連接的信號處理解碼器，所述中央處理模塊將所述信號調理模塊輸出的信號採集、濾波及解碼後輸出。

根據本發明的一個實施例，所述中央處理模塊還包括指令編碼器，用於對地面控制指令進行編碼並發送給井下儀器以實現對井下儀器的實時控制。

根據本發明的一個實施例，所述裝置還包括指令發射模塊，所述指令發射模塊與所述指令編碼器連接，通過天線將編碼後的地面控制指令發送出去。

根據本發明的一個實施例，所述指令發射模塊包括與所述指令編碼器連接的光電隔離電路、與所述光電隔離電路連接的整形電路及與所述整形電路和外置天線連接的功率放大器，所述指令發射模塊將編碼後的控制指令轉換成模擬信號通過外置天線發送給井下儀器。

根據本發明的一個實施例，在所述第一前置放大模塊之前還設置有耦合變壓器，用於將天線接收到的電磁波信號耦合給所述第一前置放大模塊。

根據本發明的一個實施例，所述裝置還包括與所述信號處理解碼器連接的接口轉換模塊，用於實現通信信號的接口轉換。

根據本發明的一個實施例，所述裝置還包括與所述第一前置放大模塊、所述第二前置放大模塊、所述信號調理模塊和所述中央處理模塊分別連接的電源模塊，用於向所述裝置提供所需電源。

本發明的有益效果：

本發明研製的隨鑽測量地面信號處理裝置不僅能夠接收井下的電磁波信號和泥漿脈衝壓力信號兩種信號並處理解碼，還能夠實現地面向井下發射電磁信號或泥漿脈衝指令，控制井下無線隨鑽測量系統的工作狀態切換，讓常規MWD或EM-MWD休眠、啟動、模式切換、傳輸特定參數等，具有很強的靈活性，有效 提高了儀器綜合穩定性，大大增強了隨鑽測量地面信號處理能力。該裝置功能完善，集成化程度高，實現了兩種類型信號處理的優勢互補。

本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹：

圖1是根據本發明的一個實施例的一種隨鑽測量地面信號處理裝置的結構示意圖；

圖2a是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器的幅頻和相頻曲線示意圖；

圖2b是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器的仿真的幅頻曲線示意圖；

圖2c是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入10Hz方波、輸出10Hz波形圖；

圖2d是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入10Hz方波時的輸入、輸出諧波分析圖；

圖2e是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入5Hz方波時的輸出波形圖；

圖2f是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入5Hz方波時的輸入、輸出諧波分析圖；以及

圖2g是根據本發明的一個實施例的採用8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入50Hz方波時的輸出的波形圖。

具體實施方式

以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的 各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。

如圖1所示為根據本發明的一個實施例的一種隨鑽測量地面信號處理裝置，以下參考圖1來對本發明進行詳細說明。

該隨鑽測量地面信號處理裝置包括與外置天線連接的第一前置放大模塊、與外置壓力傳感器連接的第二前置放大模塊、與第一前置放大模塊和第二前置放大模塊連接的信號調理模塊及與信號調理模塊連接的中央處理模塊。其中，第一前置放大模塊用於放大從外置天線接收到的電磁波信號；第二前置放大模塊用於放大從外置壓力傳感器接收到的泥漿脈衝信號；信號調理模塊用於將第一前置放大模塊和第二前置放大模塊輸出的信號調理後輸出；中央處理模塊，用於將信號調理模塊輸出的信號解碼後輸出。

在本發明中，該裝置包括兩個前置放大模塊，其中，第一前置放大模塊實現電磁信號的處理，具體實現時可設置兩個輸入通道，實現電壓信號的差分輸入及線性放大，以減少由放大通道引入的噪聲；第二前置放大模塊實現接收的壓力傳感器信號的前置放大處理，具體實現時可設置一個輸入通道。

如圖1所示，該裝置集常規MWD和EM-MWD於一體，建立了針對常規MWD(對應第二前置放大模塊所在通道)和EM-MWD(對應第一前置放大模塊所在通道)雙通道無線隨鑽測量系統地面信號處理裝置。該裝置用於具有雙模式的無線隨鑽測量系統中，這種雙通道無線隨鑽測量系統在井深較淺或者是泥漿性能差、氣體或者泡沫鑽井的情況下採用電磁波方式傳輸信號；當井深增加到電磁信號無法接收的情況，可以改變井下傳輸方式，用泥漿脈衝的方式進行隨鑽信號傳輸，實現兩種傳輸方式的優勢互補，最大程度的保障隨鑽測量工程施工。

根據本發明的一個實施例，該信號調理模塊包括與第一前置放大模塊和第二前置放大模塊連接的低通濾波器、與低通濾波器連接的調零電路及與調零電路和中央處理模塊連接的A/D保護電路，該信號調理模塊將第一前置放大模塊和第二前置放大模塊輸出的信號濾波及直流偏置調零後經A/D保護電路輸出給中央處理模塊。

具體的，該低通濾波器採用8階巴特沃斯有源低通濾波器對接收的信號進行調理，濾除工頻幹擾，抗混疊濾波並對接收的噪聲調理，使寬帶噪聲變為窄帶噪聲，滿足後級自適應消噪的要求。巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種，特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑。巴特沃斯低通濾波器可用如下振幅的平方對頻率 的公式表示：

其中，n為濾波器的階數；ωc為濾波器截止頻率，等于振幅下降為-3分貝時的頻率；ωp為通頻帶邊緣頻率；在通頻帶邊緣的數值。

如在本發明的一個具體的例子中，8階巴特沃斯有源低通濾波器的截止頻率設置為fc＝15Hz，增益G＝0db，50Hz信號放大－96db，其實際的幅頻a、相頻曲線b如圖2a所示。

接下來對該濾波器進行仿真測試。輸入信號選用方波(實際信號經地層濾波後波形要平滑許多)，如圖2b所示為8階巴特沃斯有源低通濾波器仿真的幅頻曲線，對比圖2a和圖2b可知，該濾波器的幅頻仿真測試曲線與實際幅頻結果有區別，這是由於器件的非理想特性造成的，但該實際的結果滿足設計要求。並且，濾波器阻帶頻率小於100Hz，使用fs＝8KHz過採樣，即滿足抗混疊要求。

如圖2c所示為8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入10Hz方波時的輸出波形圖，其輸出波形的相位延遲約200°，諧波如圖2d所示，輸出中諧波份量很小。

如圖2e所示為8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入5Hz方波時的輸出波形圖，其輸出波形的相位延遲約75°，諧波如圖2f所示，有三次諧波分量位於通帶內。

如圖2g所示為8階巴特沃斯有源低通濾波器輸入的電壓信號Vp-p＝1V、50Hz方波時的輸出波形圖，經過濾波器後的電壓輸出信號為Vop-p≈0.1mV，50Hz信號衰減80db。濾波器對50Hz信號衰減80db，消除了由於工頻幹擾引起的輸出信號飽和現象。

由於前級輸入信號的放大倍數很高，以及各級運放輸出都有直流偏置，當採用的A/D轉換電路解析度很高時，必須在輸入A/D轉換電路前把總的通道直流偏置調為零。在調零電路的輸出端設置兩個串聯的二極體構成A/D保護電路，使得輸出的最大信號滿足A/D轉換電路的輸入要求。

根據本發明的一個實施例，該中央處理模塊包括與A/D保護電路連接的A/D轉換電路、與A/D轉換電路連接的數字濾波器、與數字濾波器連接的信號處理解碼器，該中央處理模塊將信號調理模塊輸出的信號採集、濾波及解碼後輸出。

根據本發明的一個實施例，該中央處理模塊還包括指令編碼器，用於對地面控制指令進行編碼並發送給井下儀器以實現對井下儀器的實時控制。

根據本發明的一個實施例，該裝置還包括指令發射模塊，該指令發射模塊與指令編碼器連接，通過天線將編碼後的地面控制指令發送出去。具體的，該指令發射模塊包括與指令編碼器連接的光電隔離電路、與光電隔離電路連接的整形電路及與整形電路和外置天線連接的功率放大器，其中，光電隔離電路將編碼指令信號轉換為光信號，並將指令發射模塊內部的控制電路與其他外部電路進行隔離，以提高系統的可靠性，增強抗幹擾能力。整形電路用於將數位訊號轉換為模擬信號並經功率放大器放大後經外置天線發送給井下儀器。

根據本發明的一個實施例，在第一前置放大模塊之前還設置有耦合變壓器，用於將天線接收到的電磁波信號耦合給第一前置放大模塊。變壓器把接收天線接收的信號耦合給下級電路，並實現信號放大、疊加，阻抗變換。由於天線的輸出阻抗較低，為了得到較好的噪聲性能，常用的辦法是使用低噪聲耦合變壓器。

根據本發明的一個實施例，該裝置還包括與信號處理解碼器連接的接口轉換模塊，用於實現通信信號的接口轉換，從而實現與計算機軟體通信，實時顯示接收到的井下數據，或者與司鑽顯示器連接，指導定向鑽井施工，或者與印表機等其他設備連接，完成相應通信。

根據本發明的一個實施例，該裝置還包括與第一前置放大模塊、第二前置放大模塊、信號調理模塊和中央處理模塊分別連接的電源模塊，用於向該裝置提供所需電源。電源模塊為整個隨鑽測量地面信號處理裝置提供所需電源。由於鑽井現場電磁環境惡劣，井場發電機頻率不穩定，還有大功率設備對電網的衝擊，這會對微弱信號的測量產生嚴重幹擾，因此，在工程樣機中，採用淨化隔離電源。

由以上分析可知，本發明研製的地面信號處理裝置不僅能夠接收井下的電磁波信號和泥漿脈衝壓力信號兩種信號並處理解碼，還能夠實現地面向井下發射電磁信號或泥漿脈衝指令(可通過現場操作完成)，控制井下無線隨鑽測量系統的工作狀態切換，讓常規MWD或EM-MWD休眠、啟動、模式切換、傳輸特定參數等，具有很強的靈活性，有效提高了儀器綜合穩定性，大大增強了隨鑽測量地面信號處理能力。該裝置功能完善，集成化程度高，實現了兩種類型信號處理的優勢互補。

雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本發明所公開的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節 上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。