一種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀的製作方法

2023-05-14 23:34:06 3

專利名稱：一種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石油、礦山以及地質勘探等隨鑽測量或隨鑽測井領域中應用 的地面信號接收裝置，具體的說，是涉及一種可與電磁隨鑽測量儀配合使用提高信號接收 效率的裝置。
背景技術：
電磁隨鑽測量儀 EM-MWD，SP Electromagnetic Measurement While Drilling，是 近年來石油鑽探領域中的新設備，該設備具有信號傳輸速率高、數據傳輸方便、測量時間短 等特點。特別是，EM-MWD系統基本不受鑽井液介質影響，它不僅適用於常規鑽井液中的隨 鑽測量，還適合於在氣體、泡沫、霧化、空氣、充氣等鑽井液中使用，從而解決了目前國內外 普遍採用的鑽井液脈衝MWD系統無法解決的技術難題。同時，隨著電磁技術和信號處理技 術的不斷進步，EM - MWD系統的測量深度及可靠性不斷提高，EM - MWD技術因其良好的市 場需求和應用前景，已成為國內外各大石油公司和技術服務公司的研究熱點，而且國外很 多公司已經推出了一系列的商業化產品，並進行了推廣應用。EM-MWD技術必將對隨鑽測 量技術的發展起到極大的推動作用。但隨著較長時間的應用後，發現電磁隨鑽測量儀存在 如下技術問題由於EM-MWD的信號載體是無線電磁波，在鑽探過程中，隨著鑽井深度的加 大，井下隨鑽發生器傳到地面的信號可能會更加微弱，而且夾雜在信號中的噪聲幅度也隨 之升高，這就大大提高了地面信號的提取難度。縱觀當前國際EM-MWD技術的發展，美國、 加拿大和俄羅斯等歐美國家都是該技術的先行者，他們都在該技術的研發投入大量的人力 物力，而且已經有 Schlumberger、Halliburton、NL Sperry Sun、Baker-Hughes Inteq、 CaMapcKHe γορηθοητη等公司推出了一系列的em-mwd商業化產品。可 能是出於對該技術的產權保護、或者是該技術還不具備完全成熟的推廣條件，所以，直至目 前，僅有幾家EM-MWD產品在我國的石油礦山鑽探領域採用，而且從對產品使用客戶的調查 中發現，所採用的EM-MWD產品幾乎不能穩定可靠運行，還只是試驗階段的試運行，無法真 正有效地指導用戶的鑽探過程。尤其是地面信號接收系統，在井場複雜噪聲的幹擾下，幾乎 無法滿足高深度隨鑽儀器的地面信號檢測。因此，如果能夠開發出一款具有高增益、高抗幹 擾的地面信號接收裝置與之配套應用是非常必要的。
發明內容為了解決背景技術中所提到的技術問題，本實用新型提供一種用於電磁波隨鑽測 量的地面信號接收儀，該種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀可以有效地拾取電磁隨 鑽測量儀傳至地面的微弱電磁波信號，並且可以及時地將信號放大、解調，轉換為直觀的隨 鑽工具面信息，指導整個鑽探過程順利進行下去。本實用新型的技術方案是該種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀，包括一 個原始信號輸入端和上位機顯示信號輸出端，其特徵在於在所述原始信號輸入端和上位 機顯示信號輸出端之間依次設置有可變增益的高輸入阻抗放大器、濾波模塊、可變增益的程控放大器、信號調理模塊以及數位訊號處理器模塊；其中，所述濾波模塊由低通、帶通和 高通濾波器組合而成；所述信號調理模塊具有隔直流、濾波以及平移功能；所述高輸入阻 抗放大器接收來自於原始信號輸入端的微弱信號，並向所述濾波模塊輸出待濾波信號；所 述濾波模塊向程控放大器輸出濾除噪聲的信號；所述程控放大器將經過兩級放大的信號輸 出至所述信號調理模塊，所述信號調理模塊生成並輸出可供所述數位訊號處理器模塊中的 A/D採樣器接收的待解調信號；所述數位訊號處理器模塊將待解調信號解調後通過內置的 通訊模塊向所述上位機顯示信號輸出端輸出；所述數位訊號處理器模塊通過內置的I/O接 口分別對所述高輸入阻抗放大器和程控放大器進行增益調節。本實用新型具有如下有益效果本種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀採 用了兩級可調增益的放大器以及DSP控制器，以此確保了該裝置對微弱信號的處理能力， 一方面大大提高了地面信號接收儀的信號放大精度，另一方面則提高了數位訊號的處理速 度。使用該裝置在鑽井過程中，隨鑽儀器跟著鑽頭在持續鑽入地層深處，同時，隨鑽儀器測 得的數據信息通過信號發射器以電磁波的形式向地層擴散。隨著鑽進深度的逐步增加，傳 至地表的信號也在逐漸減小，本種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀的任務就是採集 到這個逐漸減小的信號，並且將該信號放大、濾波，由處理器解調成數據信息送給上位機顯 示。本種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀具有相當高的增益特性和濾波特性，電路 工作穩定可靠，能夠拾取到微伏級，甚至是納伏級的電壓信號，為增大鑽井深度和提高鑽井 效率提供了可靠的保證。


圖1是本實用新型的構成示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步說明由圖1所示，該種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀，是配套電磁隨鑽測量 儀EM-MWD使用的，其主要功能是拾取電磁隨鑽測量儀EM-MWD井下發射器發出的電磁波信 號，並將該電磁波信號放大、濾波和解調，從而指導鑽井過程的順利進行。該種地面信號接 收儀包括一個原始信號輸入端和上位機顯示信號輸出端，在所述原始信號輸入端和上位機 顯示信號輸出端之間依次設置有可變增益的高輸入阻抗放大器、濾波模塊、可變增益的程 控放大器、信號調理模塊以及數位訊號處理器模塊。其中，所述濾波模塊由低通、帶通和高 通濾波器組合而成；所述信號調理模塊具有隔直流、濾波以及平移功能；所述高輸入阻抗 放大器接收來自於原始信號輸入端的微弱信號，並向所述濾波模塊輸出待濾波信號；所述 濾波模塊向程控放大器輸出濾除噪聲的信號；所述程控放大器將經過兩級放大的信號輸出 至所述信號調理模塊，所述信號調理模塊生成並輸出可供所述數位訊號處理器模塊中的A/ D採樣器接收的待解調信號；所述數位訊號處理器模塊將待解調信號解調後通過內置的通 訊模塊向所述上位機顯示信號輸出端輸出；所述數位訊號處理器模塊通過內置的I/O接口 分別對所述高輸入阻抗放大器和程控放大器進行增益調節。具體實施時，所述高輸入阻抗放大器為美國ADI公司的高阻抗運算放大器；所述 濾波模塊為由電阻、電容和運算放大器搭建成的有源濾波器模塊；所述程控放大器為美國 TI公司的可變增益放大器；所述信號調理模塊為電阻、電容和運算放大器搭建成的信號變 換電路模塊；所述數位訊號處理器模塊為美國TI公司的TMS320F2812晶片。[0012]圖1中所列的放大器1即為可變增益的高輸入阻抗放大器，作為前置放大器，它 的主要作用是提高信號放大器的輸入阻抗，壓制輸入信號中的噪聲，同時，再將輸入信號放 大。放大器1裝在接收儀信號通路的前端，主要是為了提高接收儀的輸入阻抗，便於拾取微 弱信號，所以放大器1 一定要選用高輸入阻抗、低噪聲的高精度器件，並且放大器1必須有 一定的增益調節範圍。該地面信號接收儀所採用放大器1，其增益調節需要由具體的儀器操 作人員，根據現場情況，由外置按鈕輸入指令給CPU，由CPU控制放大器1的增益變換。由於濾波模塊是由帶通、低通、高通濾波器構成，針對不同的信號，濾波器的組合 可能不同，完全取決於信號濾波後的效果，具體執行由數位訊號處理器模塊完成。儀器操 作人員觀察顯示器上顯示的信號濾波組合的各個濾波結果，選擇其中最為理想的一組濾波 器，此組濾波器組合就成了信號的濾波通道。假如，儀器運行中碰到信號濾波效果變差，還 可以重新選擇另一組濾波形式。總之，濾波模塊的主要功能就是在保證信號不失真的情況 下最大限度濾掉其中的噪聲，為後續的信號放大和信號解調奠定基礎。圖1中所示的放大器2即是所述的可變增益的程控放大器，其作用是放大信號， 使其在一個適當的範圍內，這種增益的自動變換是通過數位訊號處理器模塊的控制實現 的。信號調理模塊的作用是變換放大器輸出的信號，因為信號在通過放大器和濾波模塊後 可能會出現中心偏移的情況，而且數位訊號處理器模塊的A/D採樣器對採樣信號的形態也 有一定的要求，因此，此處設置了信號調理模塊就是希望合理變換信號，滿足A/D採樣器的 要求，保證被放大的信號順利、如實地送入A/D採樣器。具體實施時，放大器2可以是一組 可變增益放大器的組合，由幾個增益可程控調節的放大器級聯，通過數位訊號處理器模塊， 即DSP自動調節其增益。由於DSP中存入了已經編好的軟體程序，根據放大器2輸出端的 信號自行調節各級放大器的增益，使輸出信號既不過大，也不過小，始終保持在一個合理範 圍。如圖1所示，該地面信號接收儀的信號調理模塊主要用來調整信號，其中包括部 分信號濾波功能。由放大器2輸出的信號進入信號調理模塊，先對信號進行濾波，濾掉其中 的噪聲，然後通過隔直、平移、放大或縮小等措施，將信號調理成A/D採樣器要求的信號格 式，提供給A/D採樣器，等待DSP解調。如圖1所示，該地面信號接收儀的數位訊號處理器模塊是整個信號接收儀運行的 中樞，幾乎全部執行過程的控制都由它完成，包括放大器1和放大器2的增益調節，濾波模 塊中濾波通路的選擇，以及信號的整個解調過程和信號通訊。DSP中預置了編寫好的軟體程 序，由程序發出指令來執行各個過程。本種地面信號接收儀所提供的地面信號接收儀是用來配合EMMWD系統採集信號， 所採集的信號都是微弱信號，可能到微伏級，甚至納伏級，要保證全部晶片都正常工作，必 須有一個性能可靠、工作穩定的電源，因此，配合本裝置還需要一種專門設計的直流穩壓電 路模塊，給地面接收儀器所有模塊電路提供統一的直流電源，並且還需要在各個電路模塊 中分別進行電源去耦處理。
權利要求一種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀，包括一個原始信號輸入端和上位機顯示信號輸出端，其特徵在於在所述原始信號輸入端和上位機顯示信號輸出端之間依次設置有可變增益的高輸入阻抗放大器、濾波模塊、可變增益的程控放大器、信號調理模塊以及數位訊號處理器模塊；其中，所述濾波模塊由低通、帶通和高通濾波器組合而成；所述信號調理模塊具有隔直流、濾波以及平移功能；所述高輸入阻抗放大器接收來自於原始信號輸入端的微弱信號，並向所述濾波模塊輸出待濾波信號；所述濾波模塊向程控放大器輸出濾除噪聲後的信號；所述程控放大器將經過兩級放大的信號輸出至所述信號調理模塊，所述信號調理模塊生成並輸出可供所述數位訊號處理器模塊中的A/D採樣器接收的待解調信號；所述數位訊號處理器模塊將待解調信號解調後通過內置的通訊模塊向所述上位機顯示信號輸出端輸出；所述數位訊號處理器模塊通過內置的I/O接口分別對所述高輸入阻抗放大器和程控放大器進行增益調節。
2.根據權利要求1中所述的一種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀，其特徵在 於所述高輸入阻抗放大器為美國ADI公司的高阻抗運算放大器；所述濾波模塊為由電阻、 電容和運算放大器搭建成的有源濾波器模塊；所述程控放大器為美國TI公司的可變增益 放大器；所述信號調理模塊為電阻、電容和運算放大器搭建成的信號變換電路模塊；所述 數位訊號處理器模塊為美國TI公司的TMS320F2812晶片。
專利摘要一種用於電磁波隨鑽測量的地面信號接收儀。主要解決現有電磁隨鑽測量儀所發射出的微弱電磁波信號難以被井上測量系統拾取的問題。其特徵在於在信號輸入端和上位機信號輸出端之間依次設置有可變增益的高輸入阻抗放大器、濾波模塊、可變增益的程控放大器、信號調理模塊以及數位訊號處理器模塊；程控放大器將經過兩級放大的信號輸出至信號調理模塊，信號調理模塊生成並輸出待解調信號；數位訊號處理器模塊將待解調信號進行數位訊號解調後向上位機顯示信號輸出端輸出並通過內置的I/O接口分別對高輸入阻抗放大器和程控放大器進行增益調節。應用該裝置後，可以有效地拾取電磁隨鑽測量儀傳至地面的微弱電磁波信號，指導整個鑽探過程順利進行。
文檔編號E21B47/12GK201705342SQ201020298570
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月20日 優先權日2010年8月20日
發明者弓志謙 申請人:中國石油集團鑽井工程技術研究院