CN105587314A - 低功耗测井遥传系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗测井遥传系统，所述系统包括数字信号处理器；现场可编程门阵列器件；数模转换器和模数转换器；其中，所述数字信号处理器通过第一串行总线与所述现场可编程门阵列器件连接；并且所述现场可编程门阵列器件通过第二串行总线与所述数模转换器和数模转换器连接。

Description

低功耗测井遥传系统

技术领域

本发明总体上涉及测井遥传系统,更具体地涉及一种低功耗测井遥传系统。

背景技术

测井，也叫地球物理测井或石油测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法（包括重、磁、电、震、测井）之一。一般按所探测的岩石物理性质或探测目的可分为电法测井、声波测井、放射性测井、地层倾角测井、气测井、地层测试测井、钻气测井等。把利用电、磁、声、热、核等物理原理制造的各种测井仪器，由测井电缆下入井内，使地面电测仪可沿着井筒连续记录随深度变化的各种参数。通过表示这类参数的曲线，来识别地下的岩层，如油、气、水层、煤层、金属矿床等。

从我国陆地油气资源分布格局来看，东部老区作为国内石油资源主力产区,浅层和中深层的勘探程度较高,深层及超深层探明程度很低,具有很大的石油资源潜力；中部地区是天然气富集区，有超过一半的天然气资源量在深部地层；西部地区是国内石油产量的主要战略接替区，但其近70%油气资源埋藏在深部地层。因此实现新地区、新领域、新层位尤其是深层的油气突破，寻找和扩大油田含油气范围及领域，成为顺利实现我国石油资源接替目标的主要手段。

深井、超深井经常遇到超高温度、超高地层压力等特殊情况，这对测井技术提出了新的挑战。研制新型测井下井仪器应对越来越多的深井、超深井的测井施工，成为测井行业面临的一个棘手问题。

高温仪器测井经常面临高温高压的恶劣环境，为了保证测井仪器的正常工作，需要采用一种隔热装置，这种装置就是测井仪器专用的保温瓶。但是，即使使用了保温瓶，由于保温瓶内容纳的仪器较多且功耗较大，由此产生的发热量还是经常使保温瓶内的温度急剧升高，这同样会造出瓶内测井仪器工作不正常甚至失效。而且，由于保温瓶本身的保温效果，系统仪器所散发的热量不能很快地散发出去，所以导致瓶内温度更易升高并保持较长时间，这对系统性能、器件寿命、测量正确性都具有非常严重的影响。而且，在进行测井时，保温瓶内器件的总功率被限制为5瓦。所以，控制保温瓶内的功耗并且进而控制由功耗产生的热量就成了设计测井遥传系统过程中主要考虑的一个重要内容。

因此，在面对高温测井，尤其是高温小井眼测井的挑战时，亟需一种低功耗、发热量少的测井遥传系统。

发明内容

因此，本发明的目的在于为了满足石油勘探开发对于高温高压及超深井的需要，解决高温高压恶劣环境条件下仪器自身功率耗散而引起的仪器温升，以及因此引起的系统稳定性可靠性问题，本发明提供一种低功耗并且因此发热量小的测井遥传系统。该系统有效地降低系统了的功率耗散，降低了系统自身发热造成的温升，避免系统功率器件局部过热而引起的系统故障，使得在恶劣环境下，进一步提高了系统的稳定性和可靠性，延长器件及整个系统的使用寿命。

在本发明中，提供一种低功耗测井遥传系统，所述系统包括数字信号处理器；现场可编程门阵列器件；数模转换器和模数转换器；其中，所述数字信号处理器通过第一串行总线与所述现场可编程门阵列器件连接；并且所述现场可编程门阵列器件通过第二串行总线与所述数模转换器和数模转换器连接。

在本发明的一个优选实施例中，在所述低功耗测井遥传系统中，所述第一串行总线是SPORT串行总线。

在本发明的一个优选实施例中，在所述低功耗测井遥传系统中，所述第二串行总线是SPI串行总线。

在本发明的一个优选实施例中，在所述低功耗测井遥传系统中，所述现场可编程门阵列器件是用于接收数据和发射数据的单个现场可编程门阵列器件。

在本发明的一个优选实施例中，在所述低功耗测井遥传系统中，所述现场可编程门阵列器件是用于接收数据和发射数据的单个现场可编程门阵列器件。

在本发明的一个优选实施例中，在所述低功耗测井遥传系统中，所述第一串行总线和所述第二串行总线是相同的串行总线。

根据本发明的以上方面可以看出，根据本发明的低功耗测井遥传系统通过使用串行总线来代替并行总线而显著降低了整体功耗，降低了系统自身发热造成的温升，并且避免了由此引起的系统故障；延长了系统寿命，提高了系统测量准确性。为了高温测井、尤其是高温小井眼测井提供了坚实的基础。

附图说明

下面参考结合附图所进行的下列描述，以便更透彻地理解本公开内容，在附图中：

图1示出了测井系统的示意图；

图2示出了现有技术中测井遥传系统井下部分的电路结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的测井遥传系统井下部分的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，在附图中示出了本发明的实施例。然而，可以以许多不同形式来体现本发明，并且不应将其理解为局限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域的技术人员全面传达本发明的范围。相同的附图标记自始至终指示相同的元素。

应理解的是,虽然术语“第一”、“第二”等在本文中可以用来描述各种元素，但这些元素不应受到这些术语的限制。这些术语仅用来将一个元素与另一个区别开。

本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图限制本发明。除非上下文明确指明，本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”意图也包括复数形式。还应理解的是当在本文中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其群组的存在或添加。

除非另外定义，本文所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员一般理解的相同的意义。还应理解的是应将本文所使用的术语解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的意义一致的意义，并且不应以理想化或过度形式化的意义来进行解释，除非在本文中明确地这样定义。

参考图1，图1示出了一个测井系统的示意图。

从图1中可以看到，测井遥传系统的井下仪器在井眼中处于保温瓶内，其通过电缆与地面连接。由于井深度较大，保温瓶往往深入地下数百米或甚至数千米，环境十分恶劣。而且，从图1中可以直观地看到，保温瓶的体积不能太大，其大小必须适合井眼的直径，这就要求瓶内的仪器布局紧凑。仪器的紧凑布局和深井的高温非常容易导致瓶内温度的急剧升高，进而影响整个系统的性能。因此，能够尽量减少温升的低功耗测井遥传系统对于测井而言是非常重要的。为此，本发明提供一种可以满足测井要求、降低功耗并提高系统性能的低功耗测井遥传系统。下面将结合附图来描述本发明。

参考图2，图2示出了现有技术中测井遥传系统井下部分的电路结构示意图。

在现有测井遥传系统中，如上文所述，为了保证井下仪器的正常工作，图2中所示的电路是置于保温瓶（未示出）内的。但是现有的测井遥传系统的该部分由于之前的技术限制基本上都采用了低密度电子元器件、较大封装的集成电路、功耗较高的模数和数模转换芯片、发热量大的电源模块。这些设计的使用造成现有遥传系统保温瓶内的功耗较大且因此发热量大，十分不利于高温小井眼的测井操作。

参见图2，保温瓶中用于处理测井数据的数字信号（DSP）与负责发射数据和接收数据的现场可编程门阵列（FPGA）器件分别通过并行总线连接。而且，负责发射数据和接收数据的现场可编程门阵列（FPGA）器件也分别通过并行总线与负责数模转换和模数转换的数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）连接。数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）由分别与发射模拟通道和接收模拟通道连接。

通过图2可以看到，在该接收/传输数据的电路结构中，由于分立逻辑器件较多，以及工作频率不高等因素，通常采用并行总线方式。而由于并行总线涉及到多地址线及数据线的信号翻转，从原理上相对于串行总线结构产生更多的功耗。

为此，减少分立逻辑器件并降低总线的功耗可以降低系统的总体功耗。

为此，本发明提供一种通过串行总线代替并行总线且减少分立逻辑器件来获得低功耗的新测井遥传系统。以下结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

参见图3，图3示出了根据本发明一个实施例的测井遥传系统井下部分的电路结构示意图。从图3中可以看到，该测井遥传系统可以包括数字信号处理器；现场可编程门阵列器件；数模转换器和模数转换器，这些逻辑器件均处于保温瓶（未示出）内。保温瓶中用于处理测井数据的数字信号处理器与负责发射数据和接收数据的现场可编程门阵列器件可以通过串行总线连接。而且，负责发射数据和接收数据的现场可编程门阵列器件也可以通过串行总线与负责数模转换和模数转换的数模转换器和模数转换器连接。

从图3中可以看出，在根据本发明实施例的低功耗测井遥传系统中，数字信号处理器与现场可编程门阵列器件可以通过SPORT串行总线连接，并且SPORT串行总线可以是高速SPORT串行总线。本领域技术人员应该理解，使用高速SPORT串行总线仅是本发明的一个示例，实际上可以使用任何适合串行传输的串行总线。

在大量数据的通信系统中，使用高速SPORT串行总线的系统性能可以由于使用并行总线的性能。虽然一般而言，并行总线由于可以并行传送数据并且因此导致传输数据量大，但是在测井环境中，由于通信系统工作在高温高湿的环境中并且对功耗的要求非常严格，串行总线由于功耗低反倒比功耗高频率低的并行总线具有优势。因此，尤其是对于井下温度更高的小井眼测井遥传系统而言，在测井系统中使用串行总线代替并行中心来连接各个部件是现有技术中从未使用的手段。根据本发明的测井遥传系统看似由于使用串行总线而降低数据传输速率，但实际上由于大幅降低功耗并因此抑制了保温瓶内的温升，导致所有部件工作状态比在使用并行总线时更好并且进而使整个测井系统误码率降低，从而在降低功耗的情况下反而大幅提升了系统性能。

而且，从电路设计方面来看，由于采用了SPORT串行总线，负责处理测井数据的数字信号处理器与现场可编程门阵列器件之间由原先使用并行总线而需要的34根地址、数据和控制线减少到现在使用串行总线而需要的仅8根线。这大大简化了电路结构，并且降低了地址线和数据线所耗费的功率。

从图3中还可以看到，在根据本发明实施例的低功耗测井遥传系统中，现场可编程门阵列器件可以通过SPI串行总线分别与模数转换器和数模转换器连接的。本领域技术人员应该理解，使用SPI串行总线仅是本发明的一个示例，实际上可以使用任何适合串行传输的串行总线。

由于采用了SPI串行总线，负责接收和发射数据的现场可编程门阵列器件与模数转换器和数模转换器的连接由原先使用并行总线而需要的19根和21根数据和控制线减少到现在使用串行总线而需要的仅4根线。这同样大大简化了电路结构，并且降低了地址线和数据线所耗费的功率。

从图3中还可以看到，在图2中分别负责发射数据和接收数据的两个现场可编程门阵列器件在图3中可以由负责发射数据也负责接收数据的单个现场可编程门阵列器件代替。将接收和发射数据的功能合并为单个现场可编程门阵列器件负责的益处在于，减小了电路中现场可编程门阵列器件的占地面积。并且由于现场可编程门阵列器件的数量减少以及因此减少了分别与数字信号处理器以及模数和数模转换器连接所使用的总线，因此大大地降低了功耗。换言之，高度的集成化造就了低功耗。

当然，本领域技术人员应该理解，数字信号处理器与现场可编程门阵列器件连接所使用的串行总线和现场可编程门阵列器件分别与模数和数模转换器连接所使用的串行总线可以是相同的。

由于采用了根据本发明实施例的串行总线方式来连接电路的几个部分，数字信号处理器和现场可编程门阵列器件外围的bank逻辑的动态功耗得以减少，这进一步降低了系统的功耗。

同时由于显著减少了PCB的外围布线，也进一步优化了电路板的结构，减少了电路板的叠层及布线密度，显著提高了板级的信噪比。也提高了电路板的结构强度，达到了一举多得的效果。

在采用了根据本发明实施例的测井遥传系统的低功耗技术之后，经实际测试，系统在使用保温瓶的情况下在235摄氏度下工作两个小时，连接速率稳定，无误码，符合对测井遥传系统的设计指标要求；超低的功耗，系统整体功耗在常温环境下仅1.5瓦，保温瓶内温升较小，确保器件工作稳定可靠，提高了系统寿命；系统电路设计简单，接口采用SPORT串行总线接口，这提高了系统的可靠性，进一步降低系统功耗。

为了降低测井遥传系统的功耗，还可以在系统设计和实施的各个阶段使用很多其他手段或称为辅助手段来实现功耗的降低。例如，在系统电路架构设计中可以使用高集成度的集成电路替换低密度电子元器件,例如使用超大规模可编程门阵列器件替换板级逻辑实现和RAM等芯片。在系统器件选型设计中，在充分考虑系统性能及可靠性的基础上，整体选用最新型结构的低功耗器件。降低整体系统工作电压，从而减低系统整体功耗。在电路优化设计中，可以使用更小封装的集成电路，替换老旧的芯片，随着集成电路制造技术的飞跃发展，现有的集成电路在封装小型化，降低功耗等方面都有了长足的发展。例如现有的一些模数转换、数模转换芯片的功耗在毫瓦的量级上。在仪器总体结构设计中，可以根据仪器各功能模块的工作特点，将发热量大的器件放到保温瓶外部，例如AC-DC模块，交流变压器模块等，这样在不影响系统性能的基础上，可以保证保温瓶内的温升很小，从而降低功耗并且提高了系统的高温性能。在新型集成模块的研发应用中，可以针对小井眼遥传电路的特点，研发高可靠性的高温电源模块AC-DC，其采用厚膜电路结构，稳定可靠，结构紧凑，便于安装调试，可在240摄氏度下连续工作10个小时。以上这些手段在降低系统功耗的同时，还使系统具有高可靠性、长寿命、工作稳定、结构简单的优势。

通过以上对本发明的描述，本领域技术人员应该清楚，根据本方面的测井遥传系统的功耗大大降低，并且因此不但确保了满足保温瓶内的总功率要求，并且也满足了对温升的设计要求。这将大大提高测井系统的准确性和寿命。

虽然上述已经结合附图描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。

Claims (6)

1.一种低功耗测井遥传系统，所述系统包括：

数字信号处理器；

现场可编程门阵列器件；

数模转换器和模数转换器；

其中，所述数字信号处理器通过第一串行总线与所述现场可编程门阵列器件连接；并且

所述现场可编程门阵列器件通过第二串行总线与所述数模转换器和数模转换器连接。

2.根据权利要求1所述的低功耗测井遥传系统，其中所述第一串行总线是SPORT串行总线。

3.根据权利要求1或2所述低功耗测井遥传系统，其中所述第二串行总线是SPI串行总线。

4.根据权利要求1或2所述低功耗测井遥传系统，其中所述现场可编程门阵列器件是用于接收数据和发射数据的单个现场可编程门阵列器件。

5.根据权利要求3所述的低功耗测井遥传系统，其中所述现场可编程门阵列器件是用于接收数据和发射数据的单个现场可编程门阵列器件。

6.根据权利要求1所述的低功耗测井遥传系统，其中所述第一串行总线和所述第二串行总线是相同的串行总线。