CN103885090B - 一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置及调节方法，涉及感应测井仪中接收线圈直耦信号对消领域。该装置包括线圈骨架，发射线圈、匝数固定的基线圈和匝数可调的调节线圈。调节线圈基于多层印制电路板（PCB）设计，并从中引出若干抽头，不同的抽头对应不同线圈匝数，各抽头共同接入模拟开关，然后依次连接信号调理、采样电路与主控电路。在自动对消过程中，主控电路控制模拟开关切换不同的调节线圈抽头，计算当前抽头下的直耦信号强度，并通过直耦对消算法使得模拟开关选通在直耦信号最弱的线圈抽头上，最终达到简单易行、精确稳定的自动直耦对消效果。

Description

一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置及调节方法

技术领域

本发明属于感应测井技术领域，特别涉及测井仪中接收线圈直耦信号对消领域。

背景技术

感应测井仪发射线圈的发射信号在导电地层中产生涡流，涡流对接收线圈产生携带地层信息的二次感应信号，通过测量二次感应信号来获取地层信息。但是在实际测量过程中，由于发射线圈和接收线圈的耦合效应，接收线圈还会接收到来自发射线圈的直耦信号。直耦信号不携带地层信息，并且一般会比二次感应信号大一个数量级以上，因此需要对接收线圈的直耦信号进行消除。

由电磁感应的基本原理可知，直耦信号的方向与线圈的绕向有关。在测井仪中通常采用在接收线圈上串接补偿线圈的方式来去除直耦信号，现阶段实际应用中该过程需要手动绕制补偿线圈，通过改变补偿线圈的匝数和面积来去除直耦信号。然而手动绕制的线圈存在精度、稳定度差的缺点，并且一旦组装完成，若仪器在运输和使用中对消效果出现变化，必须通过上述方式重新对消，这样会消耗大量的时间和人力成本。

中国专利《一种感应测井直耦信号调节装置》申请号为201120078668.X提出了一种机械式的感应测井直耦信号调节装置。在该装置中，接收线圈的补偿线圈缠绕在一可以通过螺旋方式沿线圈骨架移动的环状支架上，带动对消线圈与发射线圈之间的距离发生变化，影响线圈的耦合强度，直到调节到最佳距离使得基本消除直耦信号。上述方法使得消除直耦信号的过程中无需直接对线圈进行变化，简化了对消过程，但是仍旧需要手动完成，调试困难，且存在精度低、稳定性差的弊端。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足之处研究设计一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置及调节方法，达到测井仪调试过程简单易操作、精度高、稳定性好的目的。

本发明的解决方案是背景技术中补偿线圈分为匝数固定的基线圈和匝数可调的调节线圈，调节线圈中引出若干抽头，不同的抽头对应不同线圈匝数，各抽头共同接入模拟开关，然后依次连接信号调理、采样电路与主控电路，模拟开关依次接通各抽头，信号经过信号调理、采样电路，传给主控电路，主控电路通过DPSD算法（数字相敏检波算法）计算出信号中各直耦信号强度并记录下来，选择出强度最弱的直耦信号对应的抽头，控制模拟开关一直接通该抽头，由此实现发明目的。因此本发明包括：线圈骨架、绕于线圈骨架头段的发射线圈、绕于线圈骨架尾段的接收线圈和与接收线圈串联、绕向相反的补偿线圈，其特征在于：补偿线圈分为匝数固定的基线圈和与基线圈串联且绕向一致的调节线圈，调节线圈中引出若干抽头，不同抽头对应不同线圈匝数，各抽头共同接入模拟开关，模拟开关分别连接信号调理、采样电路与主控电路，信号调理、采样电路再与主控电路连接。

其中调节线圈的绕线印制于PCB板上，多层PCB板替代多匝线圈，从每层PCB板接出一定数目的抽头，以实现整数匝和分数匝的调节。

设置3层PCB板，每层PCB板线圈接出5个抽头。

信号调理、采样电路包括低噪声放大器、带通滤波器1、可编程增益放大器、带通滤波器2、模数转换器，信号依次经过低噪声放大器、带通滤波器1、可编程增益放大器、带通滤波器2、模数转换器，最后输出。

主控电路包括采样输入接口、DSP（数字信号处理器）、控制输出接口、外部通信接口，其中DSP通过外部通信接口与外部设备进行指令和数据传输、通过采样输入接口获得线圈信号采样数据、通过控制输出接口控制模拟开关切换抽头。

一种用于消除测井直耦信号的自动调节装置的调节方法，该方法包括：

步骤一：初始化系统，包括模拟开关控制信号、自动增益放大器控制信号、模数转换器采样时钟，以及外部通信接口的初始化；

步骤二：DSP从外部通信接口接收到来自外部设备的直耦自动对消命令；

步骤三：DSP在当前抽头下完成DPSD算法，测得当前抽头下线圈直耦对消后的直耦信号强度并记录；

步骤四：DSP控制多选一模拟开关切换至另一相邻抽头，重复步骤三，测得该抽头下直耦信号强度并记录；

步骤五：比较步骤三和步骤四中直耦信号强度大小，若从步骤三中抽头切换至步骤四中抽头，直耦信号强度减弱，则继续沿该方向切换抽头，直至直耦信号强度减至最弱，此时直耦信号自动消除完成；反之，若从步骤三中抽头切换至步骤四中抽头，直耦信号强度增强，则沿相反方向切换抽头，直到找出直耦信号强度最弱抽头；

步骤六：DSP返回“直耦对消完成”信号、当前直耦信号强度、调节线圈抽头位置信息至外部设备，等待下一次直耦自动对消命令的到来。

本发明通过控制各抽头的连接，选择处接收信号中直耦信号最弱时对应的抽头，从而消除直耦信号，因此具有在测井仪调试过程简单易操作、精度高、稳定性好的效果。

附图说明

图1为一般测井仪线圈结构示意图；

图2为本发明测井仪线圈系结构示意图；

图3是基于多层PCB设计的单层调节线圈结构示意图；

图4是本发明系统框图；

图5是信号调理、采样电路的结构框图；

图6是主控电路的结构框图。

图中1.线圈骨架，2.发射线圈，3.接收线圈，4.补偿线圈，5.基线圈，6.调节线圈，7.多抽头输出，8.PCB板，9.PCB中央孔洞，10.上层线圈，11.线圈分支，12.下层线圈，13.过孔，14.线圈接入端，15.线圈抽头，Ⅰ.系统线圈部分，Ⅱ.系统电路部分。

具体实施方式

步骤一：设计、安装接收线圈系。如图1所示，一般测井仪采用补偿线圈和接收线圈串接的方式，利用两线圈绕向相反、直耦信号正负相反这一原理，达到对消接收线圈系直耦信号的目的。如前面所述，这种线圈结构具有一致性差，稳定度和精度难以控制，以及对消过程复杂等缺点。为此，本发明提出了一种基于多层PCB的接收线圈系设计方法。

具体地，在接收线圈和补偿线圈的基础上，加入基于多层PCB设计的匝数可调的调节线圈，整个接收线圈系的结构如图2所示。其中，接收线圈和基线圈完成直耦信号粗对消，调节线圈实现精确、自动对消。基线圈与图3中的调节线圈的线圈接入端14连接。调节线圈的抽头输出端15接入多选一模拟开关，如图4所示。

经过粗对消的接收线圈系的直耦信号强度处于较低水平。在具体实现工程中，本发明采用的发射线圈为84匝，接收线圈10匝，基线圈18匝。设计要求调节线圈的调节范围不仅能够满足随后的直耦信号精确自动对消的要求，并且能够满足测井仪在今后运输和使用的过程中由于各种原因导致的线圈对消不准时的重新对消的要求。根据实际工程经验，本发明中采用的调节线圈具有3匝的调节范围，并且具有1/5匝的调节精度，其他调节范围和调节精度的PCB线圈可采用相同的方法设计。

图3中所示为本发明提出的基于多层PCB的调节线圈的单层结构示意图。从图中可以看出，在多层PCB板8中间位置有一圆形孔洞9，该孔洞直径与玻璃钢线圈骨架直径相当，使得线圈骨架能够从中穿过，方便调节线圈的安装。在PCB上层围绕着中央的孔洞9画出上层线圈10，并在线圈不同的位置引出分支11,分支通过过孔13与下一层PCB线圈12相连，在下一层PCB上线圈以更小的半径围绕中央孔洞9完成布线。实际使用的线圈骨架具有磁导率和电导率极低的性质，因而可以近似地认为发射线圈在调节线圈处激励的磁感线均匀地分布在上层线圈10内，线圈的直耦信号强度与线圈面积成正比。在本次具体实现中，图3所示的线圈内径约为32毫米，外径为76毫米，不同抽头对应的线圈具有不同匝数，调节线圈就是通过切换抽头使线圈具有不同匝数，从而达到控制调节线圈直耦信号强度的目的。需注意的是，图3中所画的只有一匝PCB线圈的的示意图，使用了PCB的一、二层，多匝线圈也可采用类似方式完成。具体地，可以在图中标号为13的过孔处与PCB第三层连接，并在PCB第三、四层完成如同图3所示线圈设计，以此类推，即可以实现多匝线圈的设计。

步骤二：搭建测量、控制电路。测量、控制电路由多选一模拟开关，信号调理、采样电路和主控电路等几部分构成，安装于线圈骨架周围。

本发明采用的多选一模拟开关具有16路模拟信号输入通道，从而可以实现3匝、每匝5抽头，共计15个抽头的线圈调节要求。如图4所示，调节线圈抽头接入多选一模拟开关，抽头信号经过模拟开关选择后输入到信号调理、采样电路，信号调理、采样电路对抽头信号进行放大、滤波、模/数采样等处理后输入主控电路，主控电路对模/数采样数据进行DPSD算法处理，得出当前抽头下接收线圈系感应信号强度，并控制多选一模拟开关对线圈抽头进行切换。主控电路同时还为信号调理、采样电路提供采样时钟信号和可编程增益放大器增益控制信号。

如图5所示，信号调理、采样电路由低噪声运算放大器、带通滤波器、可编程增益放大器以及模数转换器构成。它们分别实现对接收线圈系感应信号的放大、滤波、模/数转换等功能，最终将采样得到的数字信号输入到主控电路中。

如图6所示，主控电路由采样输入接口、控制输出接口、外部通信接口以及DSP最小系统组成。DSP芯片通过采样数据接口读取感应电压信号采样值，通过控制输出接口切换模拟开关通道，控制PGA增益，并为ADC提供采样时钟信号，通过外部通信接口与外部设备进行指令与数据通信。系统线圈部分Ⅰ，系统电路部分Ⅱ在实际应用中都安装于井下。

步骤三：直耦信号自动对消算法的实现。本发明通过在DSP芯片对采样信号进行DPSD算法（数字相敏检波算法）来滤除采样信号中的噪声信号，并测得直耦信号强度。当DSP芯片接收到来自外部设备的自动对消指令后，会根据当前直耦信号强度切换模拟开关通道，自动完成直耦信号的对消，其流程可以描述为：

1.初始化系统，包括模拟开关控制信号、自动增益放大器控制信号、模数转换器采样时钟，以及外部通信接口的初始化；

2.DSP从外部通信接口接收到来自外部设备的直耦自动对消命令；

3.DSP在当前抽头下完成DPSD算法，测得当前抽头下线圈直耦对消后的直耦信号强度并记录；

4.DSP控制多选一模拟开关切换至另一相邻抽头，重复第3步，测得该抽头下直耦信号强度并记录；

5.比较第3步和第4步中直耦信号强度大小，若从第3步中抽头切换至第4步中抽头，直耦信号强度减弱，则继续沿该方向切换抽头，直至直耦信号强度减至最弱，此时直耦信号自动消除完成；反之，若从第3步中抽头切换至第4步中抽头，直耦信号强度增强，则沿相反方向切换抽头，直到找出直耦信号强度最弱抽头；

6.DSP返回“直耦对消完成”信号、当前直耦信号强度、调节线圈抽头位置信息至外部设备，等待下一次直耦自动对消命令的到来。

Claims (6)

1.一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置，该装置包括：线圈骨架、绕于线圈骨架头段的发射线圈、绕于线圈骨架尾段的接收线圈和与接收线圈串联、绕向相反的补偿线圈，其特征在于：该自动调节装置中的发射线圈仅有一个，其补偿线圈分为匝数固定的基线圈和与基线圈串联且绕向一致的调节线圈，调节线圈中引出若干抽头，不同抽头对应不同线圈匝数，各抽头共同接入模拟开关，模拟开关分别连接信号调理采样电路与主控电路，信号调理采样电路再与主控电路连接；模拟开关依次接通各抽头，信号经过信号调理采样电路，传给主控电路，主控电路通过数字相敏检波算法计算出信号中各直耦信号强度并记录下来，选择出强度最弱的直耦信号对应的抽头。

2.如权利要求1所述的一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置，其特征在于：调节线圈的绕线印制于PCB板上，多层PCB板替代多匝线圈，从每层PCB板接出一定数目的抽头，以实现整数匝和分数匝的调节。

3.如权利要求1所述的一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置，其特征在于：信号调理采样电路包括低噪声放大器、带通滤波器1、可编程增益放大器、带通滤波器2、模数转换器，信号依次经过低噪声放大器、带通滤波器1、可编程增益放大器、带通滤波器2、模数转换器，最后输出。

4.如权利要求1所述的一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置，其特征在于：主控电路包括采样输入接口、DSP、控制输出接口、外部通信接口，其中DSP通过外部通信接口与外部设备进行指令和数据传输、通过采样输入接口获得线圈信号采样数据、通过控制输出接口控制模拟开关切换抽头。

5.如权利要求2所述的一种消除感应测井直耦信号的自动调节装置，其特征在于：设置3层PCB板，每层PCB板线圈接出5个抽头。

6.一种用于如权利要求1所述的消除感应测井直耦信号自动调节装置的调节方法，该方法包括：

步骤一：初始化主控电路系统，包括模拟开关控制信号、自动增益放大器控制信号、模数转换器采样时钟，以及外部通信接口的初始化；

步骤二：DSP从外部通信接口接收到来自外部设备的直耦自动对消命令；

步骤三：DSP在当前抽头下完成数字相敏检波算法，测得当前抽头下线圈直耦对消后的直耦信号强度并记录；

步骤四：DSP控制多选一模拟开关切换至另一相邻抽头，重复步骤三，测得该抽头下直耦信号强度并记录；

步骤五：比较步骤三和步骤四中直耦信号强度大小，若从步骤三中抽头切换至步骤四中抽头，直耦信号强度减弱，则继续沿该方向切换抽头，直至直耦信号强度减至最弱，此时直耦信号自动消除完成；反之，若从步骤三中抽头切换至步骤四中抽头，直耦信号强度增强，则沿相反方向切换抽头，直到找出直耦信号强度最弱抽头；

步骤六：DSP返回“直耦对消完成”信号、当前直耦信号强度、调节线圈抽头位置信息至外部设备，等待下一次直耦自动对消命令的到来。