CN102944898B - 一种三维接收阵列式声系 - Google Patents

Abstract

本发明一种提供一种三维接收阵列式声系，通过串行通信总线与主控电子舱相连接，三维接收阵列式声系包括多个传感器，主控电子舱包括主控电路以及供电电路，主控电路，用于向所述的传感器发送工作参数、控制命令；所述的传感器，用于根据所述的工作参数、控制命令采集井下地层的声波信号，并对所述的声波信号进行处理；所述的主控电路，还用于通过串行通信总线读取处理后的所述的声波信号；所述的供电电路，用于向所述的传感器进行供电。有效利用了仪器的径向空间，缩短仪器的轴向尺寸，解决现有技术阵列式接收声系中信号通道多，并行连线多，仪器需要具有较好的纵向分辨率，系统连线资源有限，轴向尺寸受到限制等因素同时存在时的技术难题。

Description

一种三维接收阵列式声系

技术领域

本发明关于应用地球物理技术领域，特别是关于油气勘探开发领域，具体的讲是一种三维接收阵列式声系。

背景技术

在油气勘探开发领域中，为了能够实现井下地层在径向、周向和轴向上的更准确地描述，新型仪器的接收声系（诸如三维声波测井和方位声波测井等声波仪器的接收声系）均需要采用阵列化的接收传感器。而现有技术中的主流多极子阵列声波测井仪接收声系广泛采用90度正交分布的4换能器八组阵列，其周向分辨能力有限。为了克服该缺点，必须将现有换能器接收阵列改进为45度分布的8换能器多组（如八组甚至更多）阵列。

随着换能器阵列的大幅度增多，接收换能器输出信号线的数量急剧增加，如多极子阵列声波测井仪从接收声系到主电子舱（短节）的声波信号引线为32（4x8）路共40（每组公用1根地线）条，基于三维接收阵列式声系的声波测井仪器中若采用差分连接时引线至少变为128（8x8x2）条。此时，常规声波测井中将接收换能器阵列和测控电子线路分为两个独立短节的方法则难以实现。

同时，多极子阵列声波测井仪在每种工作模式每组换能器输出的信号合成为1道进行处理，即每种模式下同时共有8路信号需要并行化模拟处理和数据采集。基于三维接收阵列的声波仪器中接收传感器输出的信号需要独立进行处理，即至少要用64路（8x8）完全并行的模拟处理和数据采集通道。按照现有声波测井仪的结构，如此多的并行处理通道可使仪器短节长度显著增加，信号线的并行长距离传输可引入较大的干扰，也可造成多个通道之间的互扰。

因此，如何实现一种三维接收阵列式声系，其能够最大限度地利用仪器径向的空间，合理控制仪器轴向的尺寸，保证仪器所需的纵向分辨率，不受制于有限的系统连线资源，有效地防止引入干扰是本领域的技术人员需要解决的关键技术问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种三维接收阵列式声系，其基本部件是传感器，由于传感器与其内的电子线路共用承压密封金属筒，有效利用了仪器的径向空间，缩短仪器的轴向尺寸，解决现有技术三维阵列式接收声系中信号通道多，并行连线多，仪器需要具有较好的纵向分辨率，轴向尺寸受到限制，系统连线资源有限等因素同时存在时的技术难题。

本发明的目的是，提供一种三维接收阵列式声系，所述的三维接收阵列式声系通过串行通信总线与主控电子舱相连接，所述的主控电子舱包括主控电路以及供电电路，所述的三维接收阵列式声系包括多个传感器，所述的主控电路，用于向所述的传感器发送工作参数、控制命令；所述的传感器，用于根据所述的工作参数、控制命令采集井下地层的声波信号，并对所述的声波信号进行处理；所述的主控电路，还用于通过串行通信总线读取经过处理后的所述的声波信号；所述的供电电路，用于向所述的传感器进行供电。

优选的，所述的传感器具体包括承压密封金属筒、多个换能器、密封承压盘以及电子线路，其中，所述的电子线路设置在所述的承压密封金属筒的内部；所述的承压密封金属筒两端设置有密封承压盘，用于向所述的电子线路提供常压环境；所述的多个换能器在所述的承压密封金属筒外部的周向上环形排列为一组或多组，用于探测井下地层的声波信号。

优选的，所述的传感器还包括密封连接端子，固定于所述的密封承压盘上，连接所述的电子线路与所述的换能器，用于向所述的传感器提供串行通信接口和工作电源。

优选的，所述的传感器还包括卡簧，嵌入到所述的承压密封金属筒内壁的凹槽中，用于将所述的密封承压盘固定在所述的承压密封金属筒两端。

优选的，所述的传感器还包括密封胶圈，设置于所述密封承压盘和所述承压密封金属筒之间，用于实现所述的密封承压盘和所述的承压密封金属筒的内壁之间的密封。

优选的，所述的电子线路具体包括控制电路、采集电路、放大电路、滤波电路，所述的控制电路，用于接收所述的主控电子舱发送的控制命令，对所述的放大电路和采集电路的工作参数和工作过程进行设置和控制；所述的采集电路，用于根据所述的控制命令采集由所述换能器输出的井下地层的声波信号；所述的放大电路，用于将上述的声波信号放大；所述的滤波电路，用于将所述的声波信号进行滤波处理；

优选的，所述的电子线路还包括存储器、串行总线接口，所述的存储器，用于将采集电路输出的声波信号进行存储；所述的串行总线接口，用于实现所述的传感器与所述的主控电子舱的连接，通过所述的串行总线接口接收所述的主控电子舱发送的控制命令，并将存储器中的声波信号传输到所述的主控电子舱中。

本发明的有益效果在于，提供的三维接收阵列式声系的基本部件是传感器，由于传感器外部周向上的多个换能器与其内部的电子线路共用承压密封金属筒，有效利用了仪器的径向空间，缩短仪器的轴向尺寸，具有较好的纵向分辨率，换能器输出信号线的传输距离短，引入噪声小，可以避免多道信号长距离并行传输产生互扰，仪器中阵列式接收换能器输出的所有信号能够得到并行处理，特别适合于三维声波测井和方位声波测井等需要并行多通道阵列式接收且换能器输出信号较弱的现代成像类声波仪器。

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，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系的连接示意图；

图2为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系中传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系中传感器在AA截面的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系中传感器内部电子线路的电路原理图。

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做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。

图1为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系的连接示意图，由图1可知，所述的三维接收阵列式声系100通过串行通信总线与主控电子舱200相连接，所述的主控电子舱200包括主控电路201以及供电电路202，所述的三维接收阵列式声系100具体包括：多个传感器单元，所述的多个传感器单元通过串行通信总线与主控电子舱200相连接。所述的三维接收阵列式声系100和主控电子舱200都是三维声波仪器的一部分。

其中，所述的主控电子舱200包括主控电路201以及供电电路202，所述的主控电路201，用于向所述的传感器发送工作参数、控制命令，并通过串行通信总线读取经过处理后的声波信号；所述的供电电路202，用于向所述的传感器100进行供电。

所述的传感器，用于根据所述的工作参数、控制命令采集井下地层的声波信号，并对所述的声波信号进行处理。图2为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系中传感器的结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系中传感器在AA截面的示意图，由图2、图3可知，所述的传感器具体包括承压密封金属筒101、多个换能器102、密封承压盘103以及电子线路104，其中，所述的电子线路104设置在所述的承压密封金属筒101的内部，如图2所示；所述的承压密封金属筒101两端设置有密封承压盘103，用于向所述的电子线路提供常压环境；所述的多个换能器102在所述的承压密封金属筒101外部的周向上环形排列为一组或多组，即所述的多个换能器102设置在所述的承压密封金属筒101外部，在承压密封金属筒外围的周向上环形排列，在具体的实施方式中，诸如可为45度分布的8个换能器为一组，一组或多组环形排列的换能器共用一个承压密封金属筒，同时满足纵向分辨率。换能器102用于探测井下地层的声波信号。图2、图3所示的是传感器包括一组换能器的示意图，多组换能器共用承压密封金属筒的结构与此类似，此处不再赘述。

如图2所示，在具体的实施方式中，所述的传感器还包括密封连接端子105，所述密封连接端子105固定于所述密封承压盘103上，连接所述的电子线路104与所述的换能器102，用于向所述的传感器提供串行通信接口和工作电源，连接传感器与仪器主控电子舱的串行通信总线；所述的传感器100还包括卡簧106，所述卡簧嵌入到所述承压密封金属筒内壁的凹槽中，用于将所述的密封承压盘固定在所述的承压密封金属筒的两端。所述的传感器还包括密封胶圈107，所述密封橡胶圈设置于所述密封承压盘和所述承压密封金属筒之间，用于实现所述的密封承压盘和承压密封金属筒的内壁之间的密封。在具体的实施方式中，密封胶圈可通过密封橡胶圈来实现。

图4为本发明实施例提供的一种三维接收阵列式声系中传感器内部的电子线路的电路原理图，由图4可知，所述的电子线路具体包括放大电路1041、滤波电路1042、采集电路1043、存储器1044、控制器1045、串行总线接口1046、电源滤波1047，所述的采集电路1043，用于根据所述的控制命令采集换能器探测到的来自井下地层的声波信号；所述的放大电路1041，用于将上述的声波信号放大；所述的滤波电路1042，用于将所述的声波信号进行滤波处理。所述的存储器1044，用于将采集电路输出的声波信号进行存储；所述的控制电路1045，用于接收所述的主控电子舱发送的控制命令，对所述的放大电路和采集电路的工作参数和工作过程进行设置和控制；所述的串行总线接口1046，用于实现与仪器的主控电子舱的连接，通过所述串行总线接口接收主控电子舱发送的控制命令，并将存储器中的声波信号传输到仪器的主控电子舱中；所述的电源滤波电路1047，用于滤除供电电源中可能存在的噪声。

传感器中的电子线路104在具体的实施方式中可为多通道并行的方式，可以根据换能器组成的环形组的个数进行组合，每个通道都有独立的放大电路、滤波电路等模拟信号处理电路和采集电路，所有模拟处理和采集通道共享存储器和控制电路。串行总线接口提供输入/输出的串行数据传输接口，能够接收主控电子舱发送的工作参数和控制命令，并能够上传采集到的大批量波形数据到主控电子舱。

由此，每个传感器中换能器输出的多组声波信号都由该传感器内部的电子线路进行放大、滤波、采集等处理，并将采集后的波形数据存储到电子线路中的大容量存储器中。模拟信号的连线短，各个换能器输出的声波信号不存在长距离的并行传输，引入的噪声小，多个通道之间无互扰。由于换能器组、多通道电子线路等部分有效地进行了组合，充分利用了仪器径向的空间，缩短了仪器的轴向尺寸，能够满足仪器对纵向分辨率的要求，在仪器传感器单元增加时不会造成声系总长度的大幅度增加，传感器的增加也不会导致系统连线数量的增加，不受系统连线资源有限的限制，能够满足仪器在现场使用和运输时对长度的要求。

由上述多个传感器（如8个或者更多）在轴向上排列构成三维接收阵列式声系。传感器的数量可以根据仪器测量功能的需要进行选择。声系中的所有传感器共享串行高速通信总线和低压供电电源，通过串行通信总线与仪器主控电子舱中的控制电路连接，每个传感器拥有独立的设备地址，可接收主控电子舱的单独寻址或者广播寻址。因此，可以由主控电路以广播或者分地址访问的形式给所有传感器或者单个传感器发送工作参数和控制命令，各个传感器中存储的波形数据通过串行通信总线分时传送到主控电子舱。

传统的声波测井仪器中换能器数量的增减必然导致仪器短节之间连线的变化，由于仪器短节之间的连线都通过承压电气连接装置实现，高温高压环境下承压电气连接最多允许的引线数受到很大限制，尤其在换能器数量大幅度增加时这种连接很难实现。本发明提出的三维接收阵列式声系中的传感器是一种机电一体化形式的探测器，声系中使用传感器的数量可以根据测量需要进行选择，从声系传感器的连线示意图可以看出，传感器数量的增加不会引起仪器短节间连线数量的增多，也不会导致换能器输出声波信号传输连线的加长。本发明提出的三维接收阵列式声系能够解决现代声波测井仪器中探测器元件的大规模阵列化所面临的声系设计的关键技术难题，据此设计的三维接收阵列式声系有效利用了仪器的径向空间，能够满足对仪器纵向分辨率的要求，减少了接收声系短节承压连接的引线数量，并能够并行处理阵列式换能器输出的多通道声波信号，得到的声波波形数据具有良好的信噪比。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种三维接收阵列式声系，其特征是，所述的三维接收阵列式声系通过串行通信总线与主控电子舱相连接，所述的主控电子舱包括主控电路以及供电电路，所述的三维接收阵列式声系包括多个传感器，

其中，所述的主控电路，用于向所述的传感器发送工作参数、控制命令；

所述的传感器，用于根据所述的工作参数、控制命令采集井下地层的声波信号，并对所述的声波信号进行处理；

所述的主控电路，还用于通过串行通信总线读取经过处理后的所述的声波信号；

所述的供电电路，用于向所述的传感器进行供电；

所述的传感器具体包括承压密封金属筒、多个换能器、密封承压盘以及电子线路，其中，所述的电子线路设置在所述的承压密封金属筒的内部；所述的承压密封金属筒两端设置有密封承压盘，用于向所述的电子线路提供常压环境；所述的多个换能器在所述的承压密封金属筒外部的周向上环形排列为一组或多组，用于探测井下地层的声波信号。

2.根据权利要求1所述的三维接收阵列式声系，其特征是，所述的传感器还包括密封连接端子，固定于所述的密封承压盘上，连接所述的电子线路与所述的换能器，用于向所述的传感器提供串行通信接口和工作电源。

3.根据权利要求2所述的三维接收阵列式声系，其特征是，所述的传感器还包括卡簧，嵌入到所述的承压密封金属筒内壁的凹槽中，用于将所述的密封承压盘固定在所述的承压密封金属筒两端。

4.根据权利要求3所述的三维接收阵列式声系，其特征是，所述的传感器还包括密封胶圈，设置于所述密封承压盘和所述承压密封金属筒之间，用于实现所述的密封承压盘和所述的承压密封金属筒的内壁之间的密封。

5.根据权利要求1所述的三维接收阵列式声系，其特征是，所述的电子线路具体包括控制电路、采集电路、放大电路、滤波电路，

所述的控制电路，用于接收所述的主控电子舱发送的控制命令，对所述的放大电路和采集电路的工作参数和工作过程进行设置和控制；

所述的采集电路，用于根据所述的控制命令采集由所述换能器输出的井下地层的声波信号；

所述的放大电路，用于将所述的声波信号放大；

所述的滤波电路，用于将所述的声波信号进行滤波处理。

6.根据权利要求5所述的三维接收阵列式声系，其特征是，所述的电子线路还包括存储器、串行总线接口，

所述的存储器，用于将采集电路输出的声波信号进行存储；

所述的串行总线接口，用于实现所述的传感器与所述的主控电子舱的连接，通过所述的串行总线接口接收所述的主控电子舱发送的控制命令，并将存储器中的声波信号传输到所述的主控电子舱中。

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