CN105422087A - 一种多频电磁波电阻率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多频电磁波电阻率测量系统，包括主控单元、设有发射天线的发射单元、设有接收天线的接收单元、地面系统和MWD探管；所述主控单元内包括MCU板、发射和接收控制板；所述MCU板使用一块ARM板搭接而成，通过仪器总线与MWD探管连接实现通信控制，通过内部总线控制发射和接收控制板，所述地面系统对所述MCU板内的数据进行配置和下载；所述发射和接收控制板利用FPGA实现，所述发射和接收控制板控制发射单元发射电磁波、控制接收单元接收信号、处理接收的信号。本发明所采用的硬件执行效率高，分工协作，能够有效、准确地测量井下地质的电阻率；测井的准确度和精度高；且成本相对较低，可靠性好。

Description

一种多频电磁波电阻率测量系统

技术领域

本发明涉及测井领域，特别涉及随钻电阻率测井技术，具体为一种多频电磁波电阻率测量系统。

背景技术

在石油行业地质导向钻井和随钻测井中，通常由随钻电磁波电阻率测量装置获得地层电阻率，用来划分地层剖面、鉴别油气层、确定储层的含油饱和度，是测井解释评价油气储藏的主要依据。

目前，公知的随钻电磁波电阻率测量装置通常采用具有多个发射线圈和接收线圈的线圈系，利用电磁波传播原理，发射线圈以不同的工作频率发射电磁波，电磁波经过地层传播之后被不同间距的接收器接收，得到多组接收信号的相位差和幅度比，经过转换之后，获得不同探测深度的相位差电阻率或幅度衰减电阻率。所以，如何提高电磁波电阻率测量装置的准确度以及测量精度是本领域技术人员一直追求的目标。

发明内容

为了解决以上的技术问题，提供一种准确度和精度都较高的电磁波电阻率测井仪仪器，本发明提供了一种多频电磁波电阻率测量系统。

其具体方案如下：

一种多频电磁波电阻率测量系统，包括主控单元、设有发射天线的发射单元、设有接收天线的接收单元、地面系统和MWD探管；所述主控单元内包括MCU板、发射和接收控制板；所述MCU板使用一块ARM板搭接而成，通过仪器总线与MWD探管连接实现通信控制，通过内部总线控制发射和接收控制板，所述地面系统对所述MCU板内的数据进行配置和下载；所述发射和接收控制板利用FPGA实现，所述发射和接收控制板控制发射单元发射电磁波、控制接收单元接收信号、处理接收的信号。

在较佳的技术方案中，所述发射单元包括信号发射板、调谐板，所述接收单元包括前放板、信号接收板；所述发射和接收控制板依次通过信号发射板、调谐板后通过发射天线将电磁波发出；所述接收天线采集的电磁波依次通过前放板、信号接收板后传送至发射和接收控制板。

在较佳的技术方案中，所述ARM板外接FLASH、EEPROM和AD芯片。

在较佳的技术方案中，所述FPGA通过DAC、DDS和可变增益选择输出电路实现多频率输出；FPGA通过ISB或SPI方式连接通讯数据存储板，FPGA控制发射板电源和接收板电源。

在较佳的技术方案中，所述MCU板由带有电源板的电池供电。

在较佳的技术方案中，所述前放板用于信号放大。

在较佳的技术方案中，所述信号接收板接收的信号包括采集的信号和由发射和接收控制板发出的本振信号。

在较佳的技术方案中，所述发射天线为四个，所述接收天线为二个。

本发明通过MCU板作为中央处理中心控制整个测量系统，发射和接收控制板辅助MCU工作，承担了发射、采集以及算法模型预处理等工作。本发明所采用的硬件执行效率高，分工协作，能够有效、准确地测量井下地质的电阻率。

本发明的方案自带电源，且电量完全满足采集的需要。在测井这种恶劣的环境下，避免了由地面系统供电而造成的不稳定、断电等问题，提高测井的准确度和精度。

本发明发射天线的个数为四个，接收天线的个数为两个，发射频率为400KHz和2MHz。多个发射天线交替发射不同频率的信号，分别对每个频率的信号计算其衰减电阻率和相位电阻率，不同频率计算出的结果既能起到相互补充的作用，又能起到相互检验的作用。

本发明采用的ARM板和FPGA都是常用的电路板，容易根据实际需要进行相应的编程，成本相对较低，但可靠性却很好。

前放板的放大电路可将uV甚至nV级小信号放大，有效提高采集信号的质量，极大地提高测量的精度。

附图说明

图1为一种多频电磁波电阻率测量系统的系统组成图；

图2为一种多频电磁波电阻率测量系统的电子线路的布局；

图3为本发明系统电源的变换模型；

图4为MCU板的原理框图；

图5为信号发射和接收板的原理框图；

图6为信号发射板的原理框图；

图7为调谐板的原理框图；

图8为前放板的原理框图；

图9为信号接收板的原理框图；

图10为系统电池在最大发射功率情况下的续航能力估算表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种多频电磁波电阻率测量系统，包括发射天线和接收天线，还包括同时与地面系统和MWD探管连接的MCU板，所述MCU板由带有电源板的电池供电，所述MCU板通过内部总线向发射和接收控制板发送命令；所述发射和接收控制板依次通过信号发射板、调谐板后通过发射天线将电磁波发出；所述接收天线采集的电磁波依次通过前放板、信号接收板后传送至发射和接收控制板。

本实施例中的发射天线为四条，接收天线为两条。MCU板实现相关算法模型的运算，数据的通信、存储以及内部电源的监测功能；发射和接收控制板实现4路信号的发射控制，功率选择控制，以及2路接收信号的采集，以及算法模型的预处理计算；信号发射板主要实现发射信号的放大处理，本实施例中的信号发射板为两块；信号接收板主要负责接收天线感应信号，同时对接收信号进行混频、滤波处理，信号接收板为两块；调谐板使发射信号产生谐振，调谐板为两块；前放板主要将接收天线感应信号在前级进行放大，前放板为两块；电源板用于将电池通过DC/DC产生内部相关电源。上述MCU板和发射和接收控制板作为主控单元，信号发射板一、信号发射板二、调谐板一、调谐板二、发射天线构成发射单元，信号接收板一、信号接收板二、前放板一、前放板二、接收天线构成接收单元。

如图2所示，芯体1由电池组组成，芯体2由电源板、MCU板、发射和接收控制板、信号发射板一和二、信号接收板一和二组成，芯体3包括BAT和GND，电源板电阻率仪器上端转接头与MWD仪器通过单芯连接，单芯信号为通信号线TSB，芯体1与芯体2之间通过3芯高压插针连接，3芯定义为：通信线TSB、电池正极BAT+、电池负极BAT-；芯体2与芯体3同样通过3芯高压插针连接，3芯定义为：通信线TSB、电池正极BAT+、GND，芯体3与仪器下端接头单芯连接，单芯通信号线TSB。

如图3所示本发明的系统电源的变换模型，系统内部自带电池供电，电池的电压范围为20V～24VDC，容量28Ah，地面系统对仪器进行配置和数据下载也采用电池供电。仪器内部电子线路的主电源包括+24V、±9V、+5VD，其中+24V直接由电池提供为信号发射板的天线的发射驱动电源，经过DC/DC后的±9V为信号接收板的供电电源，经过DC/DC的+5VD为数字芯片总电源，进入MCU板、发射和接收控制板和其他数字芯片之前还需通过依次DC/DC，而且模拟电源和数据电源的地分离开。当发射电路以最大电流约200mA发射电磁波信号，而DC/DC电源模块以70％的效率估算，系统最大功耗约为10W，则系统电池在最大发射功率情况下的续航能力估算如图10所示，从该表可以看出，电池的续航能力完全满足需要。

如图4所示的MCU板，由一块ARM板搭建而成，实现存储控制、通信控制、AD采集；本实施例中，ARM通过SPI连接8MbytesFLASH、64KbytesEEPROM和AD芯片，ARM通过ISB连接发射和接收控制板并通过电平变换连接至+15V的TSB总线；ARM板的型号采用AT91SAM7X256；AD芯片的型号采用AD7888，实现采集电源、震动、温度、监测发射电流。

如图5所示的发射和接收控制板，由FPGA板搭建而成，本实施例中FPGA采用的型号是A3P250；FPGA连接发射板电源控制和接收电源控制的电路，从而控制信号发射板和信号接收板的电源；通过ISB或SPI方式连接通信数据存储板，通过SPI方式连接DAC和DDS，FPGA通过片选控制连接可变增益选择输出电路后连接信号发射板一和信号发射板二，并接收信号接收板一和信号接收板二采集到的信号；DAC同时连接DDS，DDS通过可变增益选择输出连接信号发射板。

如图6所示的信号发射板的工作原理图，其作用是实现功率放大，本实施例中的拟选器件如下：

功放：LM7171AM，24V供电，输出电流100mA，温度等级85°；

功放：EL2008CT，24V供电，输出电流1A，温度等级0～70°，结温175°。

如图7调谐板的原理图所示：信号通过功放以后进入调谐板电路的变压器T1，变压器输出的一端通过电容C1、C2、电感L1三者并联的电路后，通过电容C3、C4的并联电路后输出，变压器的另一端直接输出，输出后信号连接发射天线。

如图8所示的前放板电路原理图，接收天线信号通过变压器后一端经去噪放大处理后送入信号接入板，另一端接入并联的两个电阻后分别接入电源和地。所述去噪放大所使用的电路为本领域技术人员的常规选择。该放大电路用于将uV甚至nV级小信号放大，并进行了抗造处理，使得信号满足后序处理的要求。本实施例中实现去噪放大功能的是低噪高带宽放大器CLC425AJE，温度等级为85°。

如图9所示的信号接收板的原理图，经低噪放大处理后的信号再次经放大，并与发射和接收控制板发送的本振信号一起经混频处理，处理后滤波、AD转换，然后进入发射和接收控制板。本实施例中滤波器采用巴特沃斯2阶带通滤波器，A/D转换器为16位。

MCU实现的功能包括：将获取的两路电磁波信号的AD采集值，通过数字相关法算法模型计算出两路信号的相位差以及幅度比，同时提供系统状态的监测功能，包括系统电源、温度、震动、以及发射电流的监控，此外实现了与地面或MWD探管的通信和数据交换。

发射和接收控制板实现的功能包括：FPGA控制发射天线以配置的采集间隔时间交替输出F＝2MHz或者400kHz的电磁波信号，并且发射功率可控制，同时控制接收端以4倍频通过高速AD实时采集频率约为17KHz的两路电磁波信号，取样7000个点，其中将前1000个点数据丢弃，抽样后面6000个点，通过相关算法处理得到计算采集信号的相位差和幅度比中间参数。然后通过中断方式通知AP1板的MCU，MCU获取数据后做后续处理，从而得计算出到信号相位差和幅度比。

整个系统有两种工作模式，通信模式和工作模式，而工作模式中又分为低功耗模式和正常发射模式。系统上电后自动进入工作模式的低功耗模式，只有地面系统或MWD探管发送命令退出低功耗模式后，系统进入发射模式，此时MCU板根据配置的采集时间循环从发射和接收控制板获取电阻率数据，做相关校正处理后进行存储。如接收到MWD探管的获取数据命令后，将当前数据的组装、上传给MWD探管。

通过专门的模式转换方法可以使系统进入通信模式下，此时地面系统可对仪器进行配置、AD测试、诊断、以及数据下载操作。只有在“退出通信”完成后，才能退出通信模式，回到工作模式，默认先进入工作模式的低功耗模式，只有地面系统在通信模式中配置成发射模式时，系统直接进入工作模式的发射模式。

上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是发明并不限于上述的实施方式，在本领域普遍技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，变化后的内容仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：包括主控单元、设有发射天线的发射单元、设有接收天线的接收单元、地面系统和MWD探管；所述主控单元内包括MCU板、发射和接收控制板；所述MCU板使用一块ARM板搭接而成，通过仪器总线与MWD探管连接实现通信控制，通过内部总线控制发射和接收控制板，所述地面系统对所述MCU板内的数据进行配置和下载；所述发射和接收控制板利用FPGA实现，所述发射和接收控制板控制发射单元发射电磁波、控制接收单元接收信号、处理接收的信号。

2.如权利要求1所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述发射单元包括信号发射板、调谐板，所述接收单元包括前放板、信号接收板；所述发射和接收控制板依次通过信号发射板、调谐板后通过发射天线将电磁波发出；所述接收天线采集的电磁波依次通过前放板、信号接收板后传送至发射和接收控制板。

3.如权利要求1或2所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述ARM板外接FLASH、EEPROM和AD芯片。

4.如权利要求3所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述FPGA通过DAC、DDS和可变增益选择输出电路实现多频率输出；FPGA通过ISB或SPI方式连接通讯数据存储板，FPGA控制发射板电源和接收板电源。

5.如权利要求4所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述MCU板由带有电源板的电池供电。

6.如权利要求5所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述前放板用于信号放大。

7.如权利要求2所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述信号接收板接收的信号包括采集的信号和由发射和接收控制板发出的本振信号。

8.如权利要求1所述的一种多频电磁波电阻率测量系统，其特征在于：所述发射天线为四个，所述接收天线为二个。