CN105019891B - 煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪，该测井仪包括：电源电路模块、发射模块、接收预处理模块和数字信号处理模块；所述电源电路模块分别与发射模块、接收预处理模块和数字信号处理模块连接，所述发射模块、接收预处理模块均与数字信号处理模块连接；本发明还公开了一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的测量方法，通过本发明利用电磁波在介质中的传播效应，测量电磁场的两个特征参数（相位差和幅度比）的相对变化，它不依赖于井液作为传导介质，适用于干孔，分辨率较高，探测深度较大。

Description

煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪及其测量方法

技术领域

本发明属于煤矿井下随钻电磁波电阻率测井技术领域，具体涉及一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪及其测量方法。

背景技术

在煤矿井下，目前的钻孔钻进过程是：首先通过对区域地质、地震、电法等资料的综合研究，结合工程施工的要求设计出钻孔轨迹，然后交由现场施工人员去实施。但是钻前分析使用的资料具有很大的不确定性，往往会导致钻进过程中沿着设计轨迹钻进的钻孔不能满足瓦斯抽采及探放水的需求。而地质导向系统的出现则有效解决了这一不足，地质导向首先应用在石油钻井领域，是指在钻进过程中，根据各种地质资料，随钻测井及测量数据，实时地调整井眼轨迹的测量控制技术。虽然地质导向在石油领域应用较好，但由于煤矿井下的特殊要求，石油地质导向系统并不适用于煤矿井下。

电磁波电阻率测井是地质导向技术中一种非常重要的技术手段，它是利用电磁波在介质中的传播效应，测量电磁场的两个特征参数（相位差和幅度比）的相对变化，来得到地层的电阻率，可以用来划分地层和探查地质异常体。目前，电磁波电阻率测井仪器及其测量方法在石油钻井领域得到了很好的应用，并创造了不错的经济效益，但在煤矿井下钻井领域，电磁波电阻率测井仪器及其测量方法，包括地质导向技术还是个空白。而且，由于煤矿井下的特殊要求，例如：1）煤矿井下钻孔孔径一般较小，多采用φ73mm以下钻杆；2）煤矿井下仪器需要满足MA要求。石油电磁波电阻率测井仪器及其测量方法并不能应用在煤矿井下。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪及其测量方法

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪，该测井仪包括：电源电路模块、发射模块、接收预处理模块和数字信号处理模块；所述电源电路模块分别与发射模块、接收预处理模块和数字信号处理模块连接，所述发射模块、接收预处理模块均与数字信号处理模块连接。

上述方案中，所述电源电路模块包括可充电镍氢电池组、直流电压变换电路，所述可充电镍氢电池组与直流电压变换电路连接；所述可充电镍氢电池组输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经LDO稳压和两级限压限流后供给发射模块、接收预处理模块和数字信号处理模块。

上述方案中，所述发射模块包括DDS电路、功率放大电路、发射选择网络和两个发射线圈；所述DDS电路依次与功率放大电路、发射选择网络和两个发射线圈连接。

上述方案中，所述接收预处理模块包括两路接收线圈、两路低噪声前置放大电路、两路混频电路、DDS电路和两路中频信号滤波放大电路；每路的接收线圈依次与低噪声前置放大电路、混频电路、中频信号滤波放大电路连接，所述DDS电路与两路混频电路连接；所述两路中频信号滤波放大电路包括程控放大电路和带通滤波电路，两路信号在经过程控放大电路和带通滤波电路后送入数字信号处理模块。

上述方案中，所述数字信号处理模块包括FPGA模块、ADC模块、DSP模块、存储模块及通信模块；所述FPGA模块分别与ADC模块、DSP模块连接，所述存储模块及通信模块与DSP模块连接；所述ADC模块接收两路中频信号滤波放大电路送来的信号，同时对两路信号进行AD采样，后送入DSP模块进行数据处理，所述DSP模块完成两通道数据单精度浮点数FFT运算、提取出相位差和幅度比后，将相位差和幅度比数据通过通信模块上传到孔口监视器或者将数据存储在存储模块。

本发明实施例还提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的测量方法，该方法为：电磁波电阻率测井仪收到孔口监视器下达的测量命令后，两路发射线圈交替轮流发射0.3MHz~4MHz范围内2个特定频率的电磁波信号，以它们交替完成一次发射为一个工作周期，每路发射线圈发射过程中，两接收线圈同时接收经地层传播后的电磁波信号，通过两路信号处理通道调理信号，测量幅度比和相位差，当一个工作周期结束后，将测量结果上传到孔口监视器，经过图板反演，确定四组幅度比和相位差电阻率值，完成一次测量工作；重复上述测量过程，获得深浅四条电阻率曲线。

上述方案中，该方法具体通过以下步骤实现：

1）开始；

2）下达工作指令；

3）工作周期开始；

4）发射线圈发射电磁波信号；

5）信号处理，测量幅度比和相位差；

6）判断是否完成一个工作周期，是则进入下一步，否则返回第4）步；

7）将测量值上传到孔口监视器；

8）根据图板反演，生成电磁波电阻率曲线；

9）接收孔口监视器指令，判断是否继续测量，是则返回第2）步，否则进入下一步；

10）测量结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1）本发明通过利用电磁波在介质中的传播效应，测量电磁场的两个特征参数（相位差和幅度比）的相对变化，它不依赖于井液作为传导介质，适用于干孔，分辨率较高，探测深度较大，得到的视电阻率较感应测井、双侧向测井等在地层分界面上最为敏感，

2）本发明采用低功耗设计，满足MA要求，仪器外径为φ73mm，适用于煤矿井下大部分钻孔的测量，可以用来划分煤层和探查地质异常体，并可与其他测井方法配合，共同完成地质参数测量，构成煤矿井下地质导向系统。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的连接框图；

图2为本发明实施例提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

石油行业电磁波电阻率仪器通常外径尺寸较大，在能满足随钻强度要求的前提下可以在钻铤外壁刻槽，用来放置电路板。本发明提出的电磁波电阻率仪器为满足煤矿井下大部分钻孔的测量，设计仪器外径为φ73mm，为满足随钻强度要求，设计了一种测量短节，通过支架固定在钻铤中，测量短节为一密闭结构，能够承受12MPa水压，其内部放置电路板；在电路板设计上，选用小封装芯片，多层板设计以减小电路板尺寸，节省空间。

本发明实施例提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪，

如图1所示，该测井仪包括：电源电路模块1、发射模块2、接收预处理模块3和数字信号处理模块4；所述电源电路模块1分别与发射模块2、接收预处理模块3和数字信号处理模块4连接，所述发射模块2、接收预处理模块3均与数字信号处理模块4连接。

所述电源电路模块1包括可充电镍氢电池组11、直流电压变换电路12，所述可充电镍氢电池组11与直流电压变换电路12连接；所述可充电镍氢电池组11输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经LDO稳压和两级限压限流后供给发射模块2、接收预处理模块3和数字信号处理模块4。

所述发射模块2包括DDS电路21、功率放大电路22、发射选择网络23和两个发射线圈24；所述DDS电路21依次与功率放大电路22、发射选择网络23和两个发射线圈24连接；所述DDS电路21是数字式频率合成器，用来产生发射的基准频率信号，产生信号的频率和相位是通过DSP模块43编程进行控制。所述功率放大电路22采用D类功率放大器，生成调谐所需的交流功率信号，经发射选择网络23选择调谐电容和发射线圈24，最后将电磁波功率信号发射到地层中，所述发射选择网络23由DSP模块43编程进行控制。

所述接收预处理模块3包括两路接收线圈31、两路低噪声前置放大电路32、两路混频电路33、DDS电路34和两路中频信号滤波放大电路35；每路的接收线圈31依次与低噪声前置放大电路32、混频电路33、中频信号滤波放大电路35连接，所述DDS电路34与两路混频电路33连接；所述两路中频信号滤波放大电路35包括程控放大电路和带通滤波电路，两路信号在经过程控放大电路和带通滤波电路后送入数字信号处理模块4；所述两路接收线圈31同时接收发射线圈24发射的含有地层信息的功率信号后，将信号送入两路低噪声前置放大电路32，所述低噪声前置放大电路32由仪表放大器、无源带通滤波器、运算放大器组成，信号在经过仪表放大器放大，再经过一级无源带通滤波器，和两级电压放大后，最后送两路混频电路33实现下变频，在此处混频的目的是降低ADC采样电路的成本，提高采样精度，混频所需的基准频率由DDS电路34产生，混频后信号送入两路中频信号滤波放大电路35，此处所述DDS电路34是由DSP模块43编程进行控制；所述中频信号滤波放大电路35包括程控放大电路和带通滤波电路，两路信号在经过程控放大和带通滤波后，送入ADC模块41进行AD采样。

所述数字信号处理模块4包括FPGA模块42、ADC模块41、DSP模块43、存储模块44及通信模块45；所述FPGA模块42分别与ADC模块41、DSP模块43连接，所述存储模块44及通信模块45与DSP模块43连接；所述ADC模块41接收两路中频信号滤波放大电路35送来的信号，同时对两路信号进行AD采样，后送入DSP模块43进行数据处理，所述DSP模块43完成两通道数据单精度浮点数FFT运算、提取出相位差和幅度比后，将相位差和幅度比数据通过通信模块45上传到孔口监视器或者将数据存储在存储模块44；在数字信号处理模块4中，所述FPGA模块42的作用是用来控制两路AD同时进行采样、缓存AD数据和传输AD数据。

本发明的电路采用低功耗设计，满足MA要求，结构采用双发双收对称结构，发射线圈数目为两个，分时发送0.3MHz~4MHz范围内2个特定频率的功率信号，通过两个接收线圈接收所述含有地层信息的功率信号，分别对两路含有地层信息的信号进行低噪声前置放大、混频变换、带通滤波放大及AD采样，后将两路采样后的含有地层信息的信号送入DSP芯片进行幅度比和相位差的计算，根据所述的幅度比和相位差，经过图板反演，最终生成两条相位差电阻率曲线和两条幅度比电阻率曲线。

本发明实施例提供一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的测量方法，如图2所示，该方法为：电磁波电阻率测井仪收到孔口监视器下达的测量命令后，两路发射线圈交替轮流发射0.3MHz~4MHz范围内2个特定频率的电磁波信号，以它们交替完成一次发射为一个工作周期，每路发射线圈发射过程中，两接收线圈同时接收经地层传播后的电磁波信号，通过两路信号处理通道调理信号，测量幅度比和相位差，当一个工作周期结束后，将测量结果上传到孔口监视器，经过图板反演，确定四组幅度比和相位差电阻率值，完成一次测量工作；重复上述测量过程，获得深浅四条电阻率曲线，以此反映地层物理特性。

该方法具体通过以下步骤实现：

1）开始；

2）下达工作指令；

3）工作周期开始；

4）发射线圈发射电磁波信号；

5）信号处理，测量幅度比和相位差；

6）判断是否完成一个工作周期，是则进入下一步，否则返回第4）步；

7）将测量值上传到孔口监视器；

8）根据图板反演，生成电磁波电阻率曲线；

9）接收孔口监视器指令，判断是否继续测量，是则返回第2）步，否则进入下一步；

10）测量结束。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪，其特征在于，该测井仪包括：电源电路模块（1）、发射模块（2）、接收预处理模块（3）和数字信号处理模块（4）；所述电源电路模块（1）分别与发射模块（2）、接收预处理模块（3）和数字信号处理模块（4）连接，所述发射模块（2）、接收预处理模块（3）均与数字信号处理模块（4）连接；

所述电源电路模块（1）包括可充电镍氢电池组（11）、直流电压变换电路（12），所述可充电镍氢电池组（11）与直流电压变换电路（12）连接；所述可充电镍氢电池组（11）输出的直流电压经过隔离升压或降压，产生的电压经LDO稳压和两级限压限流后供给发射模块（2）、接收预处理模块（3）和数字信号处理模块（4）；

所述发射模块（2）包括DDS电路（21）、功率放大电路（22）、发射选择网络（23）和两个发射线圈（24）；所述DDS电路（21）依次与功率放大电路（22）、发射选择网络（23）和两个发射线圈（24）连接；

所述接收预处理模块（3）包括两路接收线圈（31）、两路低噪声前置放大电路（32）、两路混频电路（33）、DDS电路（34）和两路中频信号滤波放大电路（35）；每路的接收线圈（31）依次与低噪声前置放大电路（32）、混频电路（33）、中频信号滤波放大电路（35）连接，所述DDS电路（34）与两路混频电路（33）连接；所述两路中频信号滤波放大电路（35）包括程控放大电路和带通滤波电路，两路信号在经过程控放大电路和带通滤波电路后送入数字信号处理模块（4）；

所述数字信号处理模块（4）包括FPGA模块（42）、ADC模块（41）、DSP模块（43）、存储模块（44）及通信模块（45）；所述FPGA模块（42）分别与ADC模块（41）、DSP模块（43）连接，所述存储模块（44）及通信模块（45）与DSP模块（43）连接；所述ADC模块（41）接收两路中频信号滤波放大电路（35）送来的信号，同时对两路信号进行AD采样，后送入DSP模块（43）进行数据处理，所述DSP模块（43）完成两通道数据单精度浮点数FFT运算、提取出相位差和幅度比后，将相位差和幅度比数据通过通信模块（45）上传到孔口监视器或者将数据存储在存储模块（44）；

上述煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的测量方法为：电磁波电阻率测井仪收到孔口监视器下达的测量命令后，两路发射线圈交替轮流发射0.3MHz~4MHz范围内2个特定频率的电磁波信号，以它们交替完成一次发射为一个工作周期，每路发射线圈发射过程中，两接收线圈同时接收经地层传播后的电磁波信号，通过两路信号处理通道调理信号，测量幅度比和相位差，当一个工作周期结束后，将测量结果上传到孔口监视器，经过图板反演，确定四组幅度比和相位差电阻率值，完成一次测量工作；重复上述测量过程，获得深浅四条电阻率曲线；

所述的煤矿井下随钻电磁波电阻率测井仪的测量方法具体通过以下步骤实现：

1）开始；

2）下达工作指令；

3）工作周期开始；

4）发射线圈发射电磁波信号；

5）信号处理，测量幅度比和相位差；

6）判断是否完成一个工作周期，是则进入下一步，否则返回第4）步；

7）将测量值上传到孔口监视器；

8）根据图板反演，生成电磁波电阻率曲线；

9）接收孔口监视器指令，判断是否继续测量，是则返回第2）步，否则进入下一步；

10）测量结束。