CN109138997A - 一种多极子阵列声波测井仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多极子阵列声波测井仪器，包括：声波发射模块、声波接收模块、声波数据采集模块、数字信号处理模块、数据存储模块和主控模块；主控模块用于发送第一指令至声波发射模块，并发送第二指令至声波数据采集模块；声波接收模块包括至少两组接收单元，每一组接收单元包括由多个传感器组成的传感器阵列以及与传感器阵列电连接的控制单元，每一传感器阵列位于不同的空间位置；声波数据采集模块包括数据采集接口、现场可编程门阵列、数据发送接口，现场可编程门阵列通过一数据采集接口与一接收单元中的控制单元电连接，数据发送接口与数字信号处理模块电连接；数字信号处理模块与数据存储模块电连接。本发明提高了声波测井的测试结果准确度。

Description

一种多极子阵列声波测井仪器

技术领域

本发明涉及石油测井技术领域，尤其涉及一种多极子阵列声波测井仪器。

背景技术

众所周知，声波测井是指利用声波在不同地层介质中传播时，速度、幅度及频率变化等声学特性不同来研究钻井的地质剖面，判断钻井质量的一种测井方法。由于声波测井仪器中需要由多个传感器同时采集声音数据，并发送给处理器进行计算，这使得传感器的数量受到极大的限制，现有技术中通常仅采用三到五个传感器检测数据，并依据测试结果计算地质信息。由于传感器的数量较少，从而测试结果准确度较低。

发明内容

本发明实施例提供一种多极子阵列声波测井仪器，以解决声波测井的测试结果准确度较低的问题。

本发明实施例提供了一种多极子阵列声波测井仪器，包括：声波发射模块、声波接收模块、声波数据采集模块、数字信号处理模块、数据存储模块和主控模块；

所述主控模块用于发送第一指令至所述声波发射模块，并发送第二指令至所述声波数据采集模块；所述第一指令用于控制所述声波发射模块发声，所述第二指令用于控制所述声波数据采集模块在声波发声模块发声后预设时间内采集声音；

所述声波接收模块包括至少两组接收单元，每一组所述接收单元包括由多个传感器组成的传感器阵列以及与所述传感器阵列电连接的控制单元，每一所述传感器阵列位于不同的空间位置；

所述声波数据采集模块包括数据采集接口、现场可编程门阵列、数据发送接口，所述现场可编程门阵列通过一数据采集接口与一组所述接收单元中的控制单元电连接，所述现场可编程门阵列通过所述数据发送接口与所述数字信号处理模块电连接；

所述数字信号处理模块与所述数据存储模块电连接。

可选的，所述传感器阵列的数量为4个，分别是第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列；所述多极子阵列声波测井仪器还包括用于安装固定所述传感器阵列的测井仪器管壳，所述第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列绕所述测井仪器管壳的径向均匀排布。

可选的，所述数据发送接口包括第一子接口和第二子接口，所述数据处理模块包括第一数字信号处理器、第二数字信号处理器和第三数字信号处理器；所述现场可编程门阵列将第N次采集到的第一传感器阵列和第二传感器阵列中传感器的声波数据通过第一子接口发送至第一数字信号处理器，所述第一数字信号处理器对接收到声波数据进行信息计算并提取第一关键信息，所述现场可编程门阵列将第N次采集到的第三传感器阵列和第四传感器阵列中传感器的声波数据打包后通过第二子接口发送至第二数字信号处理器，所述第二数字信号处理器对接收到声波数据计算并提取信息提取第二关键信息；所述第三数字信号处理器根据所述第一关键信息和第二关键信息计算地质信息，并将所述第一关键信息、第二关键信息和地质信息封装后储存至所述数据存储模块；N为正整数。

可选的，所述第一关键信息和第二关键信息均包括频率、能量损耗和速率。

可选的，第一子接口和第二子接口第N次发送的声波数据中每一传感器的数据的排列顺序与所述传感器的位置相对应。

可选的，所述声波数据采集模块向所述声波接收模块发送时钟信号、控制信号以及测试信号，以使所述声波接收模块中每一所述控制单元根据所述时钟信号、控制信号以及测试信号向所述声波数据采集模块发送数据信号；其中，所述控制信号为低电平时，所述传感器阵列工作，所述控制信号为高电平时，所述传感器阵列停止工作；所述测试信号为使能信号或测试波形信号，当所述测试信号为测试波形信号时，用于验证所述声波接收模块的工作状态，当所述测试信号为使能信号时，在所述使能信号为高电平的状态下，所述控制单元工作。

可选的，所述数据信号中每一传感器的数据的排列顺序与所述传感器的位置相对应。

可选的，每一所述传感器阵列均包含12个所述传感器。

本发明实施例中，通过多极子阵列声波测井仪器包括：声波发射模块、声波接收模块、声波数据采集模块、数字信号处理模块、数据存储模块和主控模块；所述主控模块用于发送第一指令至所述声波发射模块，并发送第二指令至所述声波数据采集模块；所述声波接收模块包括至少两组接收单元，每一组所述接收单元包括由多个传感器组成的传感器阵列以及与所述传感器阵列电连接的控制单元，每一所述传感器阵列位于不同的空间位置；所述声波数据采集模块包括数据采集接口、现场可编程门阵列、数据发送接口，所述现场可编程门阵列通过一数据采集接口与一组所述接收单元中的控制单元电连接，所述现场可编程门阵列通过所述数据发送接口与所述数字信号处理模块电连接；所述数字信号处理模块与所述数据存储模块电连接。由于采用现场可编程门阵列对多路数据的并行采集，并发送到处理模块，相对于现有技术可以实现更多数量的传感器数据的同时采集，因此本发明可以提高声波测井的测试结果准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的多极子阵列声波测井仪器的结构图；

图2是本发明实施例提供的多极子阵列声波测井仪器中声波接收模块的结构图；

图3是本发明实施例提供的多极子阵列声波测井仪器中传感器阵列位置布局示例图；

图4是本发明实施例提供的多极子阵列声波测井仪器中声波数据采集时序图；

图5是本发明实施例提供的多极子阵列声波测井仪器中声波接收模块和声波数据采集模块数据传输格式示例图；

图6是本发明实施例提供的多极子阵列声波测井仪器中声波数据采集模块和数字信号处理模块数据传输格式示例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种多极子阵列声波测井仪器的结构图，该多极子阵列声波测井仪器包括：声波发射模块10、声波接收模块20、声波数据采集模块30、数字信号处理模块40、数据存储模块50和主控模块60；其中，

所述主控模块60用于发送第一指令至所述声波发射模块10，并发送第二指令至所述声波数据采集模块30；

所述声波接收模块20包括至少两组接收单元201，每一组所述接收单元201包括由多个传感器组成的传感器阵列2011以及与所述传感器阵列电连接的控制单元2012，每一所述传感器阵列2011位于不同的空间位置；

所述声波数据采集模块30包括数据采集接口301、现场可编程门阵列302、数据发送接口303，所述现场可编程门阵列302通过一数据采集接口301与一组所述接收单元201中的控制单元2012电连接，所述现场可编程门阵列302通过所述数据发送接口303与所述数字信号处理模块40电连接；

所述数字信号处理模块40与所述数据存储模块50电连接。

本发明实施例中，上述第一指令用于控制所述声波发射模块10发声，所述第二指令用于控制所述声波数据采集模块30在声波发射模块10发声后预设时间内采集声音；该预设时间的时间长度可以根据实际需要进行设置，在本实施例中，该预设时间可以为几个微秒。上述声波数据采集模块30为周期性采集声波接收模块20接收的声波信号，例如，上述第二指令还包括采样间隔和采样点数，其中采样间隔为10us、20us和40us三种情况中的任一项，采样点数可以设置为256或者512，具体的，在每次采样时刻进行数据采集为采样点。为了还可以对发射模式和发射能量进行控制，具体的，在上述第一指令和第二指令中可以包括发射模式和发射能量。其中，该发射模式可以包括单极低频、单极高频、偶极X和偶极Y四种；该发射能量可以包括50％、75％和100％三种能量信息。

进一步的，请一并结合参照图3，上述接收单元201的数量可以根据实际需要进行设置，如图2和图3所示，上述接收单元201可以设置为4个，即上述传感器阵列2011的数量为4个，分别是第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列；所述多极子阵列声波测井仪器还包括用于安装固定所述传感器阵列的测井仪器管壳70，所述第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列绕所述测井仪器管壳70的径向均匀排布。

即在本实施例中，上述第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列分布在测井仪器管壳70的上下左右四个位置。上述每一传感器整列中传感器的数量可以根据实际情况进行设置，例如，在本实施例中，每一所述传感器阵列均包含12个所述传感器。这样可以基于48个传感器采集的声波数据计算地质信息，从而可以提高声波测井的测试结果准确度。

在本实施例中，上述声波数据采集模块30向数字信号处理模块40发送数据是，除了发送传感器检测的数据外，还包含了采集时间、发射模式、发射能量和采样率等信息，为了保证数据传输的实时信息，可以采用两个传输通道传输数据给数字信号处理模块40，这样可以避免本实施例中，声波数据量较大，为了避免现场可编程门阵列302内部存储溢出，从而保证在采集好一个时间点的数据后很快完成数据打包并在下个时间点到达之前将数据发送给数字信号处理模块。例如，在本实施例中，上述数据发送接口303包括第一子接口3031和第二子接口3032，所述数据处理模块40包括第一数字信号处理器401、第二数字信号处理器402和第三数字信号处理器403；所述现场可编程门阵列302将第N次采集到的第一传感器阵列和第二传感器阵列中传感器的声波数据通过第一子接口3031发送至第一数字信号处理器401，所述第一数字信号处理器401对接收到声波数据进行信息计算并提取第一关键信息，所述现场可编程门阵列302将第N次采集到的第三传感器阵列和第四传感器阵列中传感器的声波数据打包后通过第二子接口3032发送至第二数字信号处理器402，所述第二数字信号处理器402对接收到声波数据计算并提取信息提取第二关键信息；所述第三数字信号处理器403根据所述第一关键信息和第二关键信息计算地质信息，并将所述第一关键信息、第二关键信息和地质信息封装后储存至所述数据存储模块50；N为正整数。

具体的，上述第一关键信息和第二关键信息均包括频率、能量损耗和速率。

进一步的，上述第一子接口3031和第二子接口3032第N次发送的声波数据中每一传感器的数据的排列顺序与所述传感器的位置相对应。

如图4所示，以和第二子接口发送的声波数据格式为例进行说明。具体的，在图4中，“1数据”表示第一次采样点的数据包第一传感器阵列中12个传感器的数据和第二传感器阵列中12个传感器的数据。A表示第一传感器阵列，A后面的数字为传感器的位置排列顺序，具体的，上述第一传感器阵列中按照传感器位置分别为A1、A2···A11、A12；B表示第二传感器阵列，B后面的数字为传感器的位置排列顺序，具体的，上述第二传感器阵列中按照传感器位置分别为B1、B2···B11、B12。其中每一个传感器经16位AD进行采样，得到对应的数据。在图4中，将子第一传感器阵列和第二传感器阵列的数据按照采样时间点的次序排列，并在数据前增加了识别标志位(8位，用来区别数据和无效信号)、模式信息位(8位，包含单极高频、单极低频、偶极X与偶极Y四种模式以及50％、75％与100％三种能量信息)、时间信息位(8位，采样时刻的时间与时长信息)与采样信息位(8位，包含10us、20us与40us以及256与512采样点等信息)以及在数据后增加了校验位(16位)，这样保证了发送给数字信号处理模块40数据信息的完整性与准确性。

应当说明的是，上述声波数据采集模块30可以通过一个CAN控制接口与主控模块60连接，已接收上述第二指令。

进一步的，上述声波数据采集模块30向所述声波接收模块20发送时钟信号、控制信号以及测试信号，以使所述声波接收模块20中每一所述控制单元根据所述时钟信号、控制信号以及测试信号向所述声波数据采集模块30发送数据信号；其中，所述控制信号为低电平时，所述传感器阵列工作，所述控制信号为高电平时，所述传感器阵列停止工作；所述测试信号为使能信号或测试波形信号，当所述测试信号为测试波形信号时，用于验证所述声波接收模块的工作状态，当所述测试信号为使能信号时，在所述使能信号为高电平的状态下，所述控制单元工作。

具体的，时钟信号CLK、数据信号DATA、控制信号CS以及测试信号TEST的操作方式可以参照图5所示，由于通信线路较少，为了实现采样间隔、采样点数控制以及声波数据传输等功能，所以直接使用CS信号来控制传感器的工作，CS信号为低电平时，一组12个传感器同时工作；当CS信号为高时，这时传感器停止工作。由于传感器在收到CS信号使能后还需要一小段时间来启动，为保证采集模块能够准确识别数据，会将DATA在无效时拉高，并给出“0”作为有效数据的起始位，在采满192(16位×12)位有效数据后将CS信号拉高。这样只要合理控制CS信号的电平就可以有效设置采样点数与采样间隔。而TEST信号是用来设置仪器的工作状态，当TEST一直为高电平时，仪器正常工作，TEST为测试波形信号时，这时数据采集模块采集的就是测试信号的波形，该功能是为了声波接收模块能否正常工作。

具体的，控制单元发送数据信号给采集模块时，数据信号的格式可以根据实际需要进行设置。如图6所示，所述数据信号中每一传感器的数据的排列顺序与所述传感器的位置相对应。在图6中，D0表示第1次采集的数据，传感1表示位于第一个位置的传感器。

本发明实施例中，通过多极子阵列声波测井仪器包括：声波发射模块10、声波接收模块20、声波数据采集模块30、数字信号处理模块40、数据存储模块50和主控模块60；所述主控模块60用于发送第一指令至所述声波发射模块10，并发送第二指令至所述声波数据采集模块30；所述声波接收模块20包括至少两组接收单元201，每一组所述接收单元201包括由多个传感器组成的传感器阵列2011以及与所述传感器阵列电连接的控制单元2012，每一所述传感器阵列2011位于不同的空间位置；所述声波数据采集模块30包括数据采集接口301、现场可编程门阵列302、数据发送接口303，所述现场可编程门阵列302通过一数据采集接口301与一组所述接收单元201中的控制单元2012电连接，所述现场可编程门阵列302通过所述数据发送接口303与所述数字信号处理模块40电连接；所述数字信号处理模块40与所述数据存储模块50电连接。由于采用现场可编程门阵列302对多路数据的并行采集，并发送到处理模块，相对于现有技术可以实现更多数量的传感器数据的同时采集，因此本发明可以提高声波测井的测试结果准确度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，包括：声波发射模块、声波接收模块、声波数据采集模块、数字信号处理模块、数据存储模块和主控模块；

所述主控模块用于发送第一指令至所述声波发射模块，并发送第二指令至所述声波数据采集模块；所述第一指令用于控制所述声波发射模块发声，所述第二指令用于控制所述声波数据采集模块在声波发声模块发声后预设时间内采集声音；

所述声波接收模块包括至少两组接收单元，每一组所述接收单元包括由多个传感器组成的传感器阵列以及与所述传感器阵列电连接的控制单元，每一所述传感器阵列位于不同的空间位置；

所述声波数据采集模块包括数据采集接口、现场可编程门阵列、数据发送接口，所述现场可编程门阵列通过一数据采集接口与一组所述接收单元中的控制单元电连接，所述现场可编程门阵列通过所述数据发送接口与所述数字信号处理模块电连接；

所述数字信号处理模块与所述数据存储模块电连接。

2.根据权利要求1所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，所述传感器阵列的数量为4个，分别是第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列；所述多极子阵列声波测井仪器还包括用于安装固定所述传感器阵列的测井仪器管壳，所述第一传感器阵列、第二传感器阵列、第三传感器阵列和第四传感器阵列绕所述测井仪器管壳的径向均匀排布。

3.根据权利要求2所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，所述数据发送接口包括第一子接口和第二子接口，所述数据处理模块包括第一数字信号处理器、第二数字信号处理器和第三数字信号处理器；所述现场可编程门阵列将第N次采集到的第一传感器阵列和第二传感器阵列中传感器的声波数据通过第一子接口发送至第一数字信号处理器，所述第一数字信号处理器对接收到声波数据进行信息计算并提取第一关键信息，所述现场可编程门阵列将第N次采集到的第三传感器阵列和第四传感器阵列中传感器的声波数据打包后通过第二子接口发送至第二数字信号处理器，所述第二数字信号处理器对接收到声波数据计算并提取信息提取第二关键信息；所述第三数字信号处理器根据所述第一关键信息和第二关键信息计算地质信息，并将所述第一关键信息、第二关键信息和地质信息封装后储存至所述数据存储模块；N为正整数。

4.根据权利要求3所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，所述第一关键信息和第二关键信息均包括频率、能量损耗和速率。

5.根据权利要求3所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，第一子接口和第二子接口第N次发送的声波数据中每一传感器的数据的排列顺序与所述传感器的位置相对应。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，所述声波数据采集模块向所述声波接收模块发送时钟信号、控制信号以及测试信号，以使所述声波接收模块中每一所述控制单元根据所述时钟信号、控制信号以及测试信号向所述声波数据采集模块发送数据信号；其中，所述控制信号为低电平时，所述传感器阵列工作，所述控制信号为高电平时，所述传感器阵列停止工作；所述测试信号为使能信号或测试波形信号，当所述测试信号为测试波形信号时，用于验证所述声波接收模块的工作状态，当所述测试信号为使能信号时，在所述使能信号为高电平的状态下，所述控制单元工作。

7.根据权利要求6所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，所述数据信号中每一传感器的数据的排列顺序与所述传感器的位置相对应。

8.根据权利要求1所述的多极子阵列声波测井仪器，其特征在于，每一所述传感器阵列均包含12个所述传感器。