CN106609669A - 一种随钻测量地面信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随钻测量地面信号处理装置，包括：第一前置放大模块，用于放大接收到的电磁波信号；第二前置放大模块，用于放大接收到的泥浆脉冲信号；信号调理模块，用于将第一前置放大模块和第二前置放大模块输出的信号调理后输出；中央处理模块，用于将信号调理模块输出的信号解码后输出。本发明不仅能够接收井下的电磁波信号和泥浆脉冲压力信号两种信号并处理解码，还能够实现地面向井下发射电磁信号或泥浆脉冲指令，控制井下无线随钻测量系统的工作状态切换。

Description

一种随钻测量地面信号处理装置

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体地说，涉及一种随钻测量地面信号处理装置。

背景技术

随钻测量是定向井、水平井施工中一项必不可少的技术手段。目前，普遍使用的钻井液压力脉冲式MWD(或称常规MWD)可在液相钻井液中稳定、可靠地工作，传输深度超过5000m，然而，在使用气体、泡沫、雾、充气等钻井液的钻井中，常规MWD无法正常工作，应用受到了限制。电磁随钻测量(EM-MWD)系统则使用低频电磁波传输信息，能在使用液相和气相钻井液的钻井工程中正常使用。但是，EM-MWD系统的信息传输本质上是一种特殊的无线通信系统，其特殊性表现在电磁波在有耗介质中传播，传输深度受到地层电阻率的影响，测量深度达不到常规MWD的水平。

无论是常规MWD还是EM-MWD都包括井下信号发射和地面信号接收处理两大重要组成部分。但是，现有技术中的地面信号接收处理装置无法既实现泥浆脉冲信号的处理又实现电磁波信号的处理。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种随钻测量地面信号处理装置，以使得地面信号接收处理装置既实现泥浆脉冲信号的处理又实现电磁波信号的处理。

根据本发明的一个实施例，提供了一种随钻测量地面信号处理装置，包括：

第一前置放大模块，用于放大接收到的电磁波信号；

第二前置放大模块，用于放大接收到的泥浆脉冲信号；

信号调理模块，用于将所述第一前置放大模块和所述第二前置放大模块输出的信号调理后输出；

中央处理模块，用于将所述信号调理模块输出的信号解码后输出。

根据本发明的一个实施例，所述信号调理模块包括与所述第一前置放大模块和所述第二前置放大模块连接的低通滤波器、与所述低通滤波器连接的调零电路及与所述调零电路和所述中央处理模块连接的A/D保护电路，所述信号调理模块将所述第一前置放大模块和所述第二前置放大模块输出的信号滤波及直流偏置调零后经所述A/D保护电路输出给所述中央处理模块。

根据本发明的一个实施例，所述低通滤波器为8阶巴特沃斯有源低通滤波器。

根据本发明的一个实施例，所述中央处理模块包括与所述A/D保护电路连接的A/D转换电路、与所述A/D转换电路连接的数字滤波器、与所述数字滤波器连接的信号处理解码器，所述中央处理模块将所述信号调理模块输出的信号采集、滤波及解码后输出。

根据本发明的一个实施例，所述中央处理模块还包括指令编码器，用于对地面控制指令进行编码并发送给井下仪器以实现对井下仪器的实时控制。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括指令发射模块，所述指令发射模块与所述指令编码器连接，通过天线将编码后的地面控制指令发送出去。

根据本发明的一个实施例，所述指令发射模块包括与所述指令编码器连接的光电隔离电路、与所述光电隔离电路连接的整形电路及与所述整形电路和外置天线连接的功率放大器，所述指令发射模块将编码后的控制指令转换成模拟信号通过外置天线发送给井下仪器。

根据本发明的一个实施例，在所述第一前置放大模块之前还设置有耦合变压器，用于将天线接收到的电磁波信号耦合给所述第一前置放大模块。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括与所述信号处理解码器连接的接口转换模块，用于实现通信信号的接口转换。

根据本发明的一个实施例，所述装置还包括与所述第一前置放大模块、所述第二前置放大模块、所述信号调理模块和所述中央处理模块分别连接的电源模块，用于向所述装置提供所需电源。

本发明的有益效果：

本发明研制的随钻测量地面信号处理装置不仅能够接收井下的电磁波信号和泥浆脉冲压力信号两种信号并处理解码，还能够实现地面向井下发射电磁信号或泥浆脉冲指令，控制井下无线随钻测量系统的工作状态切换，让常规MWD或EM-MWD休眠、启动、模式切换、传输特定参数等，具有很强的灵活性，有效提高了仪器综合稳定性，大大增强了随钻测量地面信号处理能力。该装置功能完善，集成化程度高，实现了两种类型信号处理的优势互补。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明的一个实施例的一种随钻测量地面信号处理装置的结构示意图；

图2a是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器的幅频和相频曲线示意图；

图2b是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器的仿真的幅频曲线示意图；

图2c是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入10Hz方波、输出10Hz波形图；

图2d是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入10Hz方波时的输入、输出谐波分析图；

图2e是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入5Hz方波时的输出波形图；

图2f是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入5Hz方波时的输入、输出谐波分析图；以及

图2g是根据本发明的一个实施例的采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入50Hz方波时的输出的波形图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种随钻测量地面信号处理装置，以下参考图1来对本发明进行详细说明。

该随钻测量地面信号处理装置包括与外置天线连接的第一前置放大模块、与外置压力传感器连接的第二前置放大模块、与第一前置放大模块和第二前置放大模块连接的信号调理模块及与信号调理模块连接的中央处理模块。其中，第一前置放大模块用于放大从外置天线接收到的电磁波信号；第二前置放大模块用于放大从外置压力传感器接收到的泥浆脉冲信号；信号调理模块用于将第一前置放大模块和第二前置放大模块输出的信号调理后输出；中央处理模块，用于将信号调理模块输出的信号解码后输出。

在本发明中，该装置包括两个前置放大模块，其中，第一前置放大模块实现电磁信号的处理，具体实现时可设置两个输入通道，实现电压信号的差分输入及线性放大，以减少由放大通道引入的噪声；第二前置放大模块实现接收的压力传感器信号的前置放大处理，具体实现时可设置一个输入通道。

如图1所示，该装置集常规MWD和EM-MWD于一体，建立了针对常规MWD(对应第二前置放大模块所在通道)和EM-MWD(对应第一前置放大模块所在通道)双通道无线随钻测量系统地面信号处理装置。该装置用于具有双模式的无线随钻测量系统中，这种双通道无线随钻测量系统在井深较浅或者是泥浆性能差、气体或者泡沫钻井的情况下采用电磁波方式传输信号；当井深增加到电磁信号无法接收的情况，可以改变井下传输方式，用泥浆脉冲的方式进行随钻信号传输，实现两种传输方式的优势互补，最大程度的保障随钻测量工程施工。

根据本发明的一个实施例，该信号调理模块包括与第一前置放大模块和第二前置放大模块连接的低通滤波器、与低通滤波器连接的调零电路及与调零电路和中央处理模块连接的A/D保护电路，该信号调理模块将第一前置放大模块和第二前置放大模块输出的信号滤波及直流偏置调零后经A/D保护电路输出给中央处理模块。

具体的，该低通滤波器采用8阶巴特沃斯有源低通滤波器对接收的信号进行调理，滤除工频干扰，抗混叠滤波并对接收的噪声调理，使宽带噪声变为窄带噪声，满足后级自适应消噪的要求。巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种，特点是通频带的频率响应曲线最平滑。巴特沃斯低通滤波器可用如下振幅的平方对频率的公式表示：

其中，n为滤波器的阶数；ω_c为滤波器截止频率，等于振幅下降为-3分贝时的频率；ω_p为通频带边缘频率；在通频带边缘的数值。

如在本发明的一个具体的例子中，8阶巴特沃斯有源低通滤波器的截止频率设置为fc＝15Hz，增益G＝0db，50Hz信号放大－96db，其实际的幅频a、相频曲线b如图2a所示。

接下来对该滤波器进行仿真测试。输入信号选用方波(实际信号经地层滤波后波形要平滑许多)，如图2b所示为8阶巴特沃斯有源低通滤波器仿真的幅频曲线，对比图2a和图2b可知，该滤波器的幅频仿真测试曲线与实际幅频结果有区别，这是由于器件的非理想特性造成的，但该实际的结果满足设计要求。并且，滤波器阻带频率小于100Hz，使用fs＝8KHz过采样，即满足抗混叠要求。

如图2c所示为8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入10Hz方波时的输出波形图，其输出波形的相位延迟约200°，谐波如图2d所示，输出中谐波份量很小。

如图2e所示为8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入5Hz方波时的输出波形图，其输出波形的相位延迟约75°，谐波如图2f所示，有三次谐波分量位于通带内。

如图2g所示为8阶巴特沃斯有源低通滤波器输入的电压信号Vp-p＝1V、50Hz方波时的输出波形图，经过滤波器后的电压输出信号为Vop-p≈0.1mV，50Hz信号衰减80db。滤波器对50Hz信号衰减80db，消除了由于工频干扰引起的输出信号饱和现象。

由于前级输入信号的放大倍数很高，以及各级运放输出都有直流偏置，当采用的A/D转换电路分辨率很高时，必须在输入A/D转换电路前把总的通道直流偏置调为零。在调零电路的输出端设置两个串联的二极管构成A/D保护电路，使得输出的最大信号满足A/D转换电路的输入要求。

根据本发明的一个实施例，该中央处理模块包括与A/D保护电路连接的A/D转换电路、与A/D转换电路连接的数字滤波器、与数字滤波器连接的信号处理解码器，该中央处理模块将信号调理模块输出的信号采集、滤波及解码后输出。

根据本发明的一个实施例，该中央处理模块还包括指令编码器，用于对地面控制指令进行编码并发送给井下仪器以实现对井下仪器的实时控制。

根据本发明的一个实施例，该装置还包括指令发射模块，该指令发射模块与指令编码器连接，通过天线将编码后的地面控制指令发送出去。具体的，该指令发射模块包括与指令编码器连接的光电隔离电路、与光电隔离电路连接的整形电路及与整形电路和外置天线连接的功率放大器，其中，光电隔离电路将编码指令信号转换为光信号，并将指令发射模块内部的控制电路与其他外部电路进行隔离，以提高系统的可靠性，增强抗干扰能力。整形电路用于将数字信号转换为模拟信号并经功率放大器放大后经外置天线发送给井下仪器。

根据本发明的一个实施例，在第一前置放大模块之前还设置有耦合变压器，用于将天线接收到的电磁波信号耦合给第一前置放大模块。变压器把接收天线接收的信号耦合给下级电路，并实现信号放大、叠加，阻抗变换。由于天线的输出阻抗较低，为了得到较好的噪声性能，常用的办法是使用低噪声耦合变压器。

根据本发明的一个实施例，该装置还包括与信号处理解码器连接的接口转换模块，用于实现通信信号的接口转换，从而实现与计算机软件通信，实时显示接收到的井下数据，或者与司钻显示器连接，指导定向钻井施工，或者与打印机等其他设备连接，完成相应通信。

根据本发明的一个实施例，该装置还包括与第一前置放大模块、第二前置放大模块、信号调理模块和中央处理模块分别连接的电源模块，用于向该装置提供所需电源。电源模块为整个随钻测量地面信号处理装置提供所需电源。由于钻井现场电磁环境恶劣，井场发电机频率不稳定，还有大功率设备对电网的冲击，这会对微弱信号的测量产生严重干扰，因此，在工程样机中，采用净化隔离电源。

由以上分析可知，本发明研制的地面信号处理装置不仅能够接收井下的电磁波信号和泥浆脉冲压力信号两种信号并处理解码，还能够实现地面向井下发射电磁信号或泥浆脉冲指令(可通过现场操作完成)，控制井下无线随钻测量系统的工作状态切换，让常规MWD或EM-MWD休眠、启动、模式切换、传输特定参数等，具有很强的灵活性，有效提高了仪器综合稳定性，大大增强了随钻测量地面信号处理能力。该装置功能完善，集成化程度高，实现了两种类型信号处理的优势互补。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种随钻测量地面信号处理装置，包括：

第一前置放大模块，用于放大接收到的电磁波信号；

第二前置放大模块，用于放大接收到的泥浆脉冲信号；

信号调理模块，用于将所述第一前置放大模块和所述第二前置放大模块输出的信号调理后输出；

中央处理模块，用于将所述信号调理模块输出的信号解码后输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号调理模块包括与所述第一前置放大模块和所述第二前置放大模块连接的低通滤波器、与所述低通滤波器连接的调零电路及与所述调零电路和所述中央处理模块连接的A/D保护电路，所述信号调理模块将所述第一前置放大模块和所述第二前置放大模块输出的信号滤波及直流偏置调零后经所述A/D保护电路输出给所述中央处理模块。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述低通滤波器为8阶巴特沃斯有源低通滤波器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中央处理模块包括与所述A/D保护电路连接的A/D转换电路、与所述A/D转换电路连接的数字滤波器、与所述数字滤波器连接的信号处理解码器，所述中央处理模块将所述信号调理模块输出的信号采集、滤波及解码后输出。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述中央处理模块还包括指令编码器，用于对地面控制指令进行编码并发送给井下仪器以实现对井下仪器的实时控制。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括指令发射模块，所述指令发射模块与所述指令编码器连接，通过天线将编码后的地面控制指令发送出去。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述指令发射模块包括与所述指令编码器连接的光电隔离电路、与所述光电隔离电路连接的整形电路及与所述整形电路和外置天线连接的功率放大器，所述指令发射模块将编码后的控制指令转换成模拟信号通过外置天线发送给井下仪器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述第一前置放大模块之前还设置有耦合变压器，用于将天线接收到的电磁波信号耦合给所述第一前置放大模块。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述信号处理解码器连接的接口转换模块，用于实现通信信号的接口转换。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述第一前置放大模块、所述第二前置放大模块、所述信号调理模块和所述中央处理模块分别连接的电源模块，用于向所述装置提供所需电源。