CN110658565B - 一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统及其工作方法，包括发射天线、电流传感器、数模转换器、采集控制处理器和谐振电容；采集控制处理器产生继电器控制信号，控制切换电容，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器，采集控制处理器找到模拟电压最大值，然后采集控制处理器产生继电器控制信号，控制与模拟电压最大值对应的电容导通。本发明解决了发射天线由于频率增大而导致的发射电流太小，以至于发射磁矩在地层中所产生的二次长信号不容易被井间电磁接收系统所测量的问题，有效提高了井间电磁成像测井系统的测量精度与井间距离。

Description

一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统及其工作 方法

技术领域

本发明涉及油气勘探技术，特别涉及一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统及其工作方法。

背景技术

随着勘探技术的发展，确定地层砂体连通性、寻找遗漏油层、监测宏观驱替效果、设计加密井、提高油藏模拟精度已经成为油田开发中后期的重点工作，但由于传统的测井方法径向探测范围小，施工过程繁杂，已经不能很好的满足上述需求，必须设计一种新型的测井仪器，即井间电磁测井仪。井间电磁测井仪对井筒之间的电阻率分布进行测量，是当代地球物理应用技术发展的重要前沿。如图1所示，井间电磁测井仪井下部分主要由发射器和接收器两部分组成，测量时，将低频发射器置于发射井中，在一口或多口邻近的接收井中测量磁场的垂直和水平分量，以较高的精度和分辨率直接测量井间地层的电学特性。

但是由于发射频带较宽，当频率较高时，导致发射电流非常小，以至于发射磁矩在地层中所产生的二次长信号不容易被井间电磁接收系统所测量，造成测量精度与井间距离均降低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统及其工作方法，解决了发射天线由于频率增大而导致的发射电流太小，以至于发射磁矩在地层中所产生的二次长信号不容易被井间电磁接收系统所测量的问题，有效提高了井间电磁成像测井系统的测量精度与井间距离。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统，包括发射天线、电流传感器、数模转换器、采集控制处理器和谐振电容；

电流传感器，用于感应发射天线发射的电流并转化为磁场电压，再将磁场电压输出给数模转换器；

数模转换器，用于将接收到的磁场电压转换为模拟量电压并输出给采集控制处理器；

采集控制处理器，用于产生继电器控制信号给谐振电容，控制不同支路中电容的通断，接收各支路中电容分别导通时的模拟量电压，寻找模拟量电压最大值，将与模拟量电压最大值对应的电容导通；

谐振电容包括多个并联支路，每个支路上串联有继电器和电容，继电器的信号输入端与采集控制处理器的信号输出端连接，谐振电容与发射天线串联；继电器根据接收到的继电器控制信号控制各支路中电容的通断。

优选的，电流传感器采用表贴型电流传感器。

优选的，继电器均包括继电器驱动和电磁继电器，继电器驱动的信号输入端与采集控制处理器的信号输出端连接。

优选的，电容均采用无感电容。

优选的，电容均采用电容包。

所述的井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统的工作方法，采集控制处理器产生继电器控制信号，控制切换电容，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器，采集控制处理器找到模拟电压最大值，然后采集控制处理器产生继电器控制信号，控制与模拟电压最大值对应的电容导通。

优选的，具体包括如下步骤：

步骤1，谐振电容中的多个支路按照电容由小到大进行排序；采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容导通，i为自然数，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器；

步骤2，采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容切断且第i+1支路上的电容导通；发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器；

步骤3，若第i+1支路上的电容导通时模拟电压大于第i支路上的电容导通时的模拟电压，则将i更新为i+1并重复步骤2，否则采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容导通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的谐振系统，使用时，将谐振电容中的各支路分别导通，通过电流传感器和数模转换器采集得到各支路电容分别导通时对应的电流信息(与模拟量电压对应)，然后找到最大电流值，即找到了最佳谐振匹配电容，使最佳匹配电容所在支路导通，从而提高谐振电容的匹配程度，使发射天线在频率增大时仍然能够保持较高的发射电流，可以拓宽发射电流的频宽。本发明解决了发射天线由于频率增大而导致的发射电流太小，以至于发射磁矩在地层中所产生的二次信号不容易被井间电磁接收系统所测量的问题，有效提高了井间电磁成像测井系统的测量精度与井间距离，为后续仪器生产化测井提供有力的支持。本发明的可靠性与可实现性在在实验过程中得到了验证。

进一步的，表贴型电流传感器采用小型扁平表面安装座SOIC8封装，该传感器无需使用高电平侧差分放大器或其他昂贵的隔离技术，可实现石油测井井下空间狭小的设计要求，且有效避免常用电流检测点插入监测电阻法中由于负载的参考基不稳定导致的测试精度和高共模输入电压范围限制的问题。

进一步的，采用无感电容作为井间电磁发射天线自适应无级变容单元器件，克服了电容阵列切换过程中引起的井间电磁发射天线电感变化，保证了井间电磁测井系统的稳定性。

本发明的方法，将谐振电容中的各支路分别导通，采集得到各支路分别导通时对应的电流信息，然后找到最佳谐振匹配电容，使最佳匹配电容所在支路导通，从而提高谐振电容的匹配程度，使发射天线在频率增大时仍然能够保持较高的发射电流，解决发射天线由于频率增大而导致的发射电流太小，以至于发射磁矩在地层中所产生的二次信号不容易被井间电磁接收系统所测量的问题，有效提高了井间电磁成像测井系统的测量精度与井间距离。

附图说明

图1井间电磁测井作业示意图；

图2井间电磁测井仪发射器组成示意图；

图3井间电磁测井仪发射天线谐振电容组件示意图；

图4电容等效原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图2所示，本发明所述的井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统，包括发射天线、电流传感器、数模转换器、采集控制处理器和谐振电容。

电流传感器，用于感应发射天线发射的电流并转化为磁场电压，再将磁场电压输出给数模转换器。

数模转换器，用于将接收到的磁场电压转换为模拟量电压并输出给采集控制处理器。

采集控制处理器，用于产生继电器控制信号给谐振电容，控制不同支路中电容的通断，接收各支路中电容分别导通时的模拟量电压，寻找模拟量电压最大值，将与模拟量电压最大值对应的电容导通。寻找模拟量电压最大值具体是利用逐次逼近法，也就是说在电流传感器连续采集发射天线的电流，不断的与前一次采集到的电流值进行比较，如果比前一次的电流值大，说明井下发射部分未谐振，继续按照一定步进调整谐振电容阵列，直至电流传感器采集到的电流值比前一次小，说明此前的电流已经达到最大值，那么这个时候就是需要的实际谐振电容，认为这个时候发射部分完全处于谐振状态，也就是本发明想要的状态，达到了发射天线输出电流最大。

如图3所示，谐振电容包括多个并联支路，每个支路上串联有继电器和电容，继电器的信号输入端与采集控制处理器的信号输出端连接，谐振电容与发射天线串联。继电器根据接收到的继电器控制信号控制各支路的通断，从而切换电容通道，实现不同电容容值的切换。

电流传感器采用表贴型精密电流传感器，表贴型精密电流传感器采用小型扁平表面安装座SOIC8封装，该传感器无需使用高电平侧差分放大器或其他昂贵的隔离技术，可实现石油测井井下空间狭小的设计要求。

采集控制处理器采用DSP+FPGA+DDS架构。完成井下与地面系统的通讯、发射井与接收井时钟同步以及按照一定的时序产生其他各个模块的控制信号。

其中DSP负责接收地面指令和上传井下采集的线圈电流、井下温度等数据，而FPGA根据接收到的指令产生相应的控制时序，这些所有的控制时序是在设计电路的时候的控制逻辑，比方说要控制开关的导通以实现谐振电容的导通，要产生控制DDS的逻辑控制信号，产生不同的发射频率等。

继电器均包括继电器驱动和电磁继电器，继电器驱动的信号输入端与采集控制处理器的信号输出端连接。

电容均采用无感电容，以避免在电容切换过程中引起井间电磁发射天线电感变化。电容优选采用电容包，如图4所示。

本发明所述的井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统的工作过程为：采集控制处理器产生继电器控制信号，控制切换电容，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器，采集控制处理器利用数字处理器通过逐次逼近法找到模拟电压最大值，然后采集控制处理器产生继电器控制信号，控制与模拟电压最大值对应的电容导通。即利用实时监测判断电流传感器电压最大值，在电压最大处(即发射天线电流最大处)的地方即为发射天线谐振电容最优化设计点。

具体实施方式为：

步骤1，谐振电容中的多个支路按照电容由小到大进行排序；采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容导通，i为自然数，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器；

步骤2，采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容切断且第i+1支路上的电容导通；发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器；

步骤3，若第i+1支路上的电容导通时模拟电压值大于第i支路上的电容导通时的模拟电压值，则将i更新为i+1并重复步骤2，否则采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容导通。

该实施方式中，实际在切换电容的时候就是按照由小到大的顺序，按照1nF的步进不断调整，直至发射天线谐振为止，如何判断是否谐振，就是通过前面的逐次逼近法，获得最大模拟电压值(即相当于发射天线电流值最大)的时候就是谐振时所要选择的电容。

Claims (4)

1.一种井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统，其特征在于，包括发射天线、电流传感器、数模转换器、采集控制处理器和谐振电容；

电流传感器，用于感应发射天线发射的电流并转化为磁场电压，再将磁场电压输出给数模转换器；

数模转换器，用于将接收到的磁场电压转换为模拟量电压并输出给采集控制处理器；

采集控制处理器，用于产生继电器控制信号给谐振电容，控制不同支路中电容的通断，接收各支路中电容分别导通时的模拟量电压，寻找模拟量电压最大值，将与模拟量电压最大值对应的电容导通；

谐振电容包括多个并联支路，每个支路上串联有继电器和电容，继电器的信号输入端与采集控制处理器的信号输出端连接，谐振电容与发射天线串联；继电器根据接收到的继电器控制信号控制各支路中电容的通断；

电容均采用无感电容；电容均采用电容包。

2.根据权利要求1所述的井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统，其特征在于，电流传感器采用表贴型电流传感器。

3.根据权利要求1所述的井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统，其特征在于，继电器均包括继电器驱动和电磁继电器，继电器驱动的信号输入端与采集控制处理器的信号输出端连接。

4.权利要求1-3任一项所述的井间电磁发射天线自适应无级变容谐振系统的工作方法，其特征在于，采集控制处理器产生继电器控制信号，控制切换电容，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器，采集控制处理器找到模拟电压最大值，然后采集控制处理器产生继电器控制信号，控制与模拟电压最大值对应的电容导通；

具体包括如下步骤：

步骤1，谐振电容中的多个支路按照电容由小到大进行排序；采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容导通，i为自然数，发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器；

步骤2，采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容切断且第i+1支路上的电容导通；发射天线中传输的电流经电流传感器转化为成比例的磁场电压，磁场电压通过数模转换器转换为模拟电压信号并传输给采集控制处理器；

步骤3，若第i+1支路上的电容导通时模拟电压大于第i支路上的电容导通时的模拟电压，则将i更新为i+1并重复步骤2，否则采集控制处理器产生继电器控制信号，使第i支路上的电容导通。

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