CN101691841B

CN101691841B - 用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路

Info

Publication number: CN101691841B
Application number: CN2009102363032A
Authority: CN
Inventors: 鞠晓东; 乔文孝; 卢俊强
Original assignee: China University of Petroleum Beijing; China National Petroleum Corp
Current assignee: China University of Petroleum Beijing; China National Petroleum Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: CN101691841A

Abstract

本发明公开了一种用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路，所述电路由数个密封电子单元组成位于接收声系内部，所述数个密封电子单元通过串行高速传输总线与主控电子单元相连接，并与接收传感器环形阵列相连接；所述密封电子单元具体包括：数个信号通道、数据缓冲存储器、数据采集控制器和数据传输控制器。因此本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路实现了多个密封电子单元和位于主电子舱的主控电子单元之间的高速、高效和可靠的数据通讯。由此解决了在井下高温和狭小空间条件下实现三维声波测井接收传感器阵列与电子系统连接和实现多通道并行信号处理电子系统的问题。

Description

用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路

技术领域

本发明涉及应用地球物理领域，尤其涉及一种用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路。

背景技术

目前现有技术中主流的多极子声波测井技术仅具有有限的方位和径向探测能力，而采用具有任意指向性的相控阵声波发射和阵列化的接收传感器(由数个环形阵列组成)是实现三维探测能力的关键技术。这时要求将现有多极子接收声系中广泛采用的90度正交分布的4换能器8组阵列提高到45度分布的8换能器12组(甚至更多)阵列，在这种情况下对井下信号接收和处理电子系统的要求就会发生如下变化：

(1)从接收声系到主电子舱(短节)的32(4×8)路共40(每组公用1根地线)条引线变为96(8×12)路共108条引线；

(2)多极子仪器测量时每组合成为一道信号整个仪器共有8路信号需要并行化模拟处理和数据采集，而三维声波信号接收传感器阵列测量时全部为独立信号因此共有96路信号需要完全并行的模拟处理和数据采集(这是现有的石油测井技术领域最大规模的并行信号处理)。

现有技术的声波测井仪器从接收声系(必须处于与井内流体均衡的高压环境，最高可达140MPa以上)到主电子舱，该主电子舱密封后处于常压环境，内部用于安装电子系统的承压电气连接最多允许引线数小于70(由于仪器串系统和仪器本身其它连线的需要，留给接收传感器的连线实际上小于50条)，因此按照常规方式根本无法完成三维接收阵列与电子系统的连接。同时，较长距离的大量连线将不可避免的引入干扰，因为井下仪器电路板的允许最大宽度仅为60mm左右，所以在狭长空间大量的模拟信号并行处理也会带来布局上的困难，以上的缺陷都会显著降低数据的信噪比。

因此，如何在三维接收传感器阵列条件下完成传感器与电子系统的连接以及电子系统高质量的完成多路信号的并行化模拟处理和数据采集就成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，解决在井下高温和狭小空间条件下实现三维声波测井接收传感器阵列与电子系统连接和实现多通道并行信号处理电子系统的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路，所述电路由数个密封电子单元组成位于接收声系内部，所述密封电子单元通过分布固定在密封端盖上并被压盘锁紧的多个密封连接器，承载在壳体内部与所述多个密封连接器电连接的至少一个电子线路板实现，所述数个密封电子单元通过串行高速传输总线与主控电子单元相连接，并与接收传感器环形阵列相连接；所述密封电子单元具体包括：

信号通道，用于接收和处理所述接收传感器阵列中的对应接收传感器所传递的发射/采集循环数据，所述信号通道包括前置放大器、有源带通滤波器、程控增益放大器和模数转换器；

数据缓冲存储器，用于存储所述信号通道传递的发射/采集循环数据；

数据采集控制器，用于控制所述信号通道和数据缓冲存储器传递和存储发射/采集循环数据；

数据传输控制器，用于控制所述数据缓冲存储器和数据采集控制器的数据传输，并通过所述串行高速传输总线与所述主控电子单元进行数据通讯。

因此本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路实现了多个密封电子单元和位于主电子舱的主控电子单元之间的高速、高效和可靠的数据通讯。由此解决了在井下高温和狭小空间条件下实现三维声波测井接收传感器阵列与电子系统连接和实现多通道并行信号处理电子系统的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路的系统组成示意图；

图2为本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路中密封电子单元的机械结构示意图；

图3为本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路中密封电子单元的功能电路组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

利用本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路与仪器系统控制和声波发射电路相结合能够进行井下三维声波测井，实现对非均质、各向异性和井旁裂缝等复杂地层的有效探测。为了实现本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路，必须对现有技术进行改进：

(1)为了解决声系和主电子舱之间承压连接引线数量的限制，必须将多通道电子系统分解后安装到声系内部，形成十数个相对独立的承压电子单元，即密封电子单元，每个电子单元与单个环形接收阵列形成近距离较少引线连接；

(2)主电子舱的主控电路即主控电子单元，必须能够与位于接收声系内部的十数个承压电子单元进行高效、高速和可靠的通讯(控制和数据传输)，这就需要设计特殊的硬件接口和通讯协议。

图1为本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路的系统组成示意图。如图1所示，本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路由数个密封电子单元1组成位于接收声系内部，数个密封电子单元1通过串行高速传输总线20与主控电子单元2相连接，并与接收传感器环形阵列3相连接。

本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路是用于三维声波测井的接收传感器阵列与电子系统即主控电子单元2，连接和实现多通道并行信号采集和数据传输，该电路由多个密封电子单元1组成，并位于接收声系内部，可以在高温(大于155℃)、高压(大于100MPa)和狭小空间(内直径70mm左右的圆筒状)条件下工作。

数个密封电子单元1与仪器的主控电子单元2通过特殊设计的串行高速传输总线20互联，通过该串行高速传输总线20的硬件接口和通讯协议能够高效可靠的对每个密封电子单元1的工作参数进行设置和读取所采集的数据，并能够通过广播方式使多个密封电子单元1中的所有信号通道同步工作。

由在声系内部的m(例如，m=12)个密封电子单元1和位于主电子舱的主控电子单元2借助于特殊设计的数据通讯链路形成多端点间的可靠连接，这种连接方式不仅极大的减少了传感器舱(接收声系)与主电子舱之间的连线(连同地线仅需要6条)，而且由于远距离(数米)连接是全数字化信号使测量数据的信噪比达到最佳。

这样就可以解决在井下高温和狭小空间条件下实现三维声波测井接收传感器阵列3与电子系统即主控电子单元的连接和实现多通道并行信号处理电子系统的问题。

图2为本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路中密封电子单元的机械结构示意图。如2图所示，密封电子单元通过分布固定在密封端盖101上并被压盘102锁紧的多个密封连接器103，承载在壳体104内部与多个密封连接器103电连接的至少一个电子线路板105实现。

具体的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路中用到多个如图2所示的位于接收声系内部的密封电子单元，其中每个密封电子单元对应8个为一组的接收传感器环形阵列。图中密封连接器(高压密封塞)103，根据需要而多个分布固定于密封端盖101上并被压盘102锁紧，以及为单元壳体104内部承载一个或多个耐高温电子线路板105。

在处于高压环境的充油的接收声系内部，为每组环形接收传感器环形阵列配有一个小型的密封电子单元模块即密封电子单元(简称从单元，与环形传感器阵列组成一种所谓的“有源探测器”)。承压外壳104、密封端盖101和密封连接器103为密封电子单元内部的耐高温(大于155℃)电子线路板105上的精密电子线路提供了常压工作环境和与外部的电气连接端子。在每个接收传感器环形阵列中具有8个接收传感器元件的情况下，加上数据通讯和供电(来自主电子舱)时的端接总数不大于20条，很容易通过一端或者双端(图1为一端出线，双端出线的另一端的机械原理与该端完全相同)完成。从接收传感器元件接来的引线即短(比现有技术连接短10倍以上)又省去了一个很难良好屏蔽的转接环节(传统连接有承压接头和分解接头两次转接)，非常有利于提高信号的信噪比。

图3为本发明的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路中密封电子单元的功能电路组成示意图。如图3所示，密封电子单元包括有n(例如，n=8)个互相独立的完全并行的信号通道11，所有这些信号通道公用数据缓冲存储器（即数据缓存FIFO）12、数据采集控制器13和数据传输控制器14。再如图3所示，每一个信号通道11由前置放大器111、有源带通滤波器112、程控增益放大器113和模数转换器（ADC）114等部分组成。

信号通道11用于接收和处理接收传感器阵列中的对应接收传感器所传递的声波信号；数据缓冲存储器12用于存储信号通道11传递的发射/采集循环数据；数据采集控制器13用于控制信号通道11和数据缓冲存储器12传递和存储发射/采集循环数据；数据传输控制器14用于控制数据缓冲存储器12和数据采集控制器13的数据传输，并通过串行高速传输总线与主控电子单元进行数据通讯。

密封电子单元由于采用多层布线耐高温双面SMT工艺，通常由两块电路板对置安装。每个通道的主要技术指标是：前置放大器为20dB增益的低噪声放大；有源带通滤波器的通带为0.2--20kHz，高端为80dB/dec，以保证良好的抗混叠滤波特性；程控增益放大器为0--60dB、6dB步进，小闭环增益控制由主控电子单元设置，大闭环由地面系统设置；ADC为16b/1Msps。密封电子单元内的数字电路系统由一块规模不小于30万可用门的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）完成，主要功能是：完成与主控电子单元的数据通讯(接收命令和控制数据，发送所采集的数据帧)，进行放大器增益设定和多通道同步数据采集控制(采样间隔和采样深度)，为数据采集提供顺序编址的FIFO缓存。

完成多个密封电子单元和位于主电子舱的主控电子单元之间的高速、高效和可靠的数据通讯也是实现本发明的关键，该通讯具有以下特点：

(1)数据传输线路必须为所有单元公用(即只能采用总线型拓扑而不宜采用星形或其它类型的拓扑)；

(2)只有主控电子单元与各密封电子单元之间的一对一传输而无需各个密封电子单元之间的通讯；

(3)根据三维声波测井测速、最小采样间隔和每次发射所采集的最大数据量，链路的最大连接长度小于5m时可采用5Mbps串行通讯速率，就能保证对井下仪器传输总线和电缆数据传输的实时性要求。

为此，设计的仪器内部高速互联总线的硬件接口由串行时钟线和串行数据线组成（参见图1所示），全部为差分发送和接收，串行时钟线总为主控电子单元驱动，串行数据线可为主控电子单元或任一从单元驱动，从单元控制器的系统时钟频率采用8倍串行时钟频率(例如，40MHz)以保证控制器内部多个有限同步状态机逻辑的可靠工作。

由于对从单元的电路规模、功耗和传输效率有严格的限制和要求，必须利用上述几个特点避免采用过于复杂的通讯协议，为此设计了仪器内部高速互联总线的通讯协议，主要原则如下：

(1)串行时钟停止4个周期后所有从单元的接收逻辑自动复位，成监听状态(各从单元的差分收发器处于接收状态)；

(2)一次有效的主单元（主控电子单元）与某一从单元（密封电子单元）之间点对点通讯由主控单元发起，包括带有标识的地址和读写命令场(8位，每个从单元定义有不同的设备地址)，并后跟24位命令字(增益控制，数据采集间隔和深度等)，如果从单元被有效寻址则建立了主控电子单元与该从单元的一对一互联关系；

(3)对于主单元读取某从单元的操作，在上述寻址完成后主控电子单元暂停两个串行时钟周期，在第一个串行时钟周期内主控电子单元放弃对串行数据线路的驱动而从单元在一个半串行时钟周期内转变收发器为输出状态；在主控电子单元串行时钟驱动下被寻址的从单元首先发送自身地址，然后根据主控电子单元设定的采集深度按序发送单元内所有通道的采集数据序列，先发送地址是一种设备间自动握手的方法，如果主控电子单元在接收序列中不能得到有效的从单元设备地址则立即终止串行时钟以复位当前的操作，这一握手机制保证了数据传输通讯的高效进行；

(4)为了实现对接收传感器环形阵列所有信号通道(每个传感器元件对应一个通道)在同一时刻启动同步数据采集，设计有一个对所有从单元均有效的特殊地址，当主控单元以该地址对从设备寻址时，其后跟的启动采集命令代码以广播方式被所有从单元接收；当所有从单元的数据采集参数相同时，也可以这种广播方式高效的设置。

实现了以上设计的三维声波测井仪器的主要工作流程如下：

(1)仪器主控电子单元在地面系统总体控制下，对位于接收声系内的每一个信号接收和采集的密封电子单元(从单元)进行增益和采集参数设置；

(2)在地面仪器系统深度中断采集命令驱动下，仪器主控电子单元对发射电子单元进行发射模式选择并发出激励命令；

(3)经过合适的延迟之后(处于最快地层时纵波首波还没有到达最短源距的环形接收阵列)主控电子单元以广播形式同步启动所有通道的数据采集；

(4)主控电子单元逐次读取所有从单元存储于各自FIFO内的上次发射/采集循环的数据(这时本次的数据采集工作正在进行)，并通过井下仪器数据总线(井下仪器系统用于多个不同类型仪器之间的互联)和电缆数据传输子系统将数据送到地面设备被处理和记录；

周而复始，就可以实现三维声波测井的功能。

本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路是一种用于实现三维声波测井的接收传感器环形阵列与电子系统（主控电子单元）连接和实现多通道并行信号采集和数据传输的电路。关键是采用了位于接收声系内部的密封电子单元，解决了阵列化传感器与电子系统承压连接的问题。描述了所发明的密封电子单元功能模块的实现方式和主要参数，并为实现主控电子单元与多个密封电子单元间的可靠互联设计了一种高速数据传输硬件接口和通讯协议。本发明的主要思想也同样适用于以各种地球物理方法为基础的现代三维扫描阵列化测井仪器的设计和实现。

因此本发明用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路实现了多个密封电子单元和位于主电子舱的主控电子单元之间的高速、高效和可靠的数据通讯。这样，就可以解决在井下高温和狭小空间条件下实现三维声波测井接收传感器阵列与电子系统连接和实现多通道并行信号处理电子系统的难题，本发明同时也为今后所有类型的传感器阵列化的三维测井仪器的设计和实现提供了十分重要的思路。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路，其特征在于，所述电路由数个密封电子单元组成位于接收声系内部，所述密封电子单元通过分布固定在密封端盖上并被压盘锁紧的多个密封连接器，承载在壳体内部与所述多个密封连接器电连接的至少一个电子线路板实现，所述数个密封电子单元通过串行高速传输总线与主控电子单元相连接，并与接收传感器阵列相连接；所述密封电子单元具体包括：

2.根据权利要求1所述的用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路，其特征在于，所述串行高速传输总线的硬件接口由串行时钟线和串行数据线组成。