CN111610569A - 一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，包括地井电磁接收仪；所述地井电磁接收仪包括第一电极环短节和第二电极环短节，第一电极环短节与第二电极环短节之间依次连接有采集存储短节以及磁传感器短节，所述采集存储短节与磁传感器短节之间以及所述磁传感器短节与第二电极环短节之间均通过加长电极连接，第一电极环短节和第二电极环短节均用于采集电信号，第二电极环短节与第一电极环短节之间的差值作为地井瞬变电磁组合接收仪输出的电信号，所述磁传感器短节用于采集X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号，本发明在功能上实现了地井电磁井下电信号和磁信号同步采集和井下存储，解决我国矿产资源勘探的高分辨、大深度勘探技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及矿产物探领域，具体涉及一种高温小直径地径瞬变电磁组合接收仪。
背景技术
瞬变电磁法是利用接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用接地电极观测该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。在脉冲作用下,良导地层中产生的瞬变涡流电磁场持续时间较长,所以在沉积岩地层内寻找和确定良导地层空间状态时,本发明可给出较好的地质效果；
瞬变测深法主要用于解决石油天然气、煤系地层以及地热勘探中的地质问题,在寻找良导金属矿方面也得到较为广泛的应用。
瞬变电磁方法用于石油物探和矿产物探领域，分为地井电磁(地面发射和井中接收)、井地电磁(井中发射和地面接收)、井间电磁(井中发射和井中接收)三种；从发射方式来看包括电极式发射(电偶极源发射)和线圈式发射(磁偶极源发射)；同理，接收机也相应的分为电场接收机和磁场接收机，但是由于成本、技术、高温、方法解释等一起制约了一体化电场和磁场接收机；
总的来说，目前瞬变电磁法存在很多缺陷：1、矿探领域现有的地井瞬变仪器只有磁仪器没有电仪器，无法做到电信号和磁信号组合接收；2、石油测井领域电仪器和磁仪器是分开的，目前也没有真正做到组合接收；3、石油领域电仪器和磁仪器组合接收正在攻关和研制，但是仅限于频率域地井电磁组合接收，达不到瞬变电磁的采集要求；4、矿探领域的瞬变磁仪器只是把磁探头引入井中，接收机放置于地面，通过电缆把磁信号引到地面，磁信号会大幅衰减，也迫切需求把接收机做到井下。基于这些缺陷，设计一种满足矿探领域的小直径、地井瞬变、电和磁组合同步接收的仪器。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，解决了我国矿产资源勘探中，地井电磁仪器的电信号、磁信号的同步采集和存储的技术难题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，包括地井电磁接收仪；所述地井电磁接收仪包括第一电极环短节和第二电极环短节，第一电极环短节与第二电极环短节之间依次连接有采集存储短节以及磁传感器短节，所述采集存储短节与磁传感器短节之间以及所述磁传感器短节与第二电极环短节之间均通过加长电极连接，第一电极环短节和第二电极环短节均用于采集电信号，第二电极环短节与第一电极环短节之间的差值作为地井瞬变电磁组合接收仪输出的电信号，所述磁传感器短节用于采集X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号，所述磁传感器短节采集的X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号作为地井瞬变电磁组合接收仪输出的X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号，所述采集存储短节用于实现命令广播、同步采集电信号和X 轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号并对电信号和X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号进行处理以及大数据存储。
进一步的，还包括依次连接马笼头、遥传伽马短节、电源短节；所述电源短节与地井电磁接收仪连接；
所述马笼头用于连接地面测井系统和遥传伽马短节，所述遥传伽马短节用于实现电信号和磁信号与地面数据通信且用于测试地层伽马信号，所述电源短节用于给地井电磁接收仪提供电能；所述地井电磁接收仪用于地井下电信号和磁信号采集存储；
进一步的，所述地井电磁接收仪设置有若干个，每个所述地井电磁接收仪依次连接且当前地井电磁接收仪的第二电极环短节为下个地井电磁接收仪的第一电极环短节。
进一步的，所述地面测井系统包括发射车系统、GPS同步系统、电偶极源A/B系统、井口N系统、地面绞车和地面系统，所述地井瞬变电磁组合接收仪安装在井口N系统内；所述地面绞车与马笼头连接，用于控制地井瞬变电磁组合接收仪上提、下放或悬停，且所述地面绞车上安装有地面系统，用于控制地井瞬变电磁组合接收仪的工作状态；所述电偶极源A/B系统布置在井口N系统周围，所述电偶极源A/B系统连接发射车系统，所述发射车系统包括发电机、波形控制器以及发射车，所述发射车系统用于按照瞬变电磁发射要求进行波形和基频设置，并输出电流；所述GPS同步系统用于GPS授时和校时，并同步到发射车和地面系统。
进一步的，所述地面发射车系统发射地井瞬变电磁的波形周期包括正向供电T1+_(f0)、正向断电T2+_(f0)、反向供电T1-_(f0)、反向断电T2-_(f0)，其中f0为基频，T0为基频单周期时长，T0＝T1+_(f0)+T2+_(f0)+T1-_(f0)+T2-_(f0)，f0＝1/T0，其中T1+_(f0) ＝T2+_(f0)＝T1-_(f0)＝T2-_(f0)。
进一步的，所述采集存储短节将地井瞬变电磁组合接收仪采集的电信号、X轴磁信号、Y 轴磁信号、Z轴磁信号；通过滤波电路传输至PGA增益中，所述PGA增益用于接收电信号、 X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号并控制电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号的大小，所述PGA增益将改变大小后的电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号传输至电平转换；所述ADC与FPGA互相通信，所述FPGA控制ADC进行采集电信号和磁信号，所述电平转换用于调整ADC采集信号的极性和电平范围；所述FPGA还与PGA 增益互相通信以及与DSP之间互相通信，所述DSP还分别连接有Flash、第一CAN总线、第二CAN总线以及USB总线，所述DSP用于接收和解析命令，读取FPGA中数据并存储到Flash 中；第一CAN总线用于命令广播总线；第二CAN总线为备用总线；USB总线用于读取Flash 中的数据；Flash用于存储地井电磁接收仪采集的电信号和X轴磁信号、Y轴磁信号、Z轴磁信号数据。
进一步的，所述第一电极环短节4与第二电极环短节8均为金属铅环电极或不极化电极。
进一步的，所述磁传感器短节7的磁信号探头为高温三维磁传感器，且磁信号探头的0.6m 以内没有磁性材料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪器，属于矿探领域的瞬变电磁测井仪，功能上通过第一电极环短节与第二电极环短节采集的电信号以及磁传感器短节采集磁信号，实现了地井电磁井下电信号和磁信号同步采集并且通过采集存储短节实现井下存储电磁数据，结构上第一电极环短节与第二电极环短节采用金属铅环电极或不极化电极组成的电极环，磁传感器短节的磁信号探头为高温三维磁传感器，实现了井下仪器电磁信号的电极系和磁探头的高温高压设计统一，也实现了地井电磁频率域向地井电磁时间域采集转变，从方法技术和仪器研发上解决我国矿产资源勘探中地井电磁井下高分辨、多参数、大深度勘探技术难题。
进一步的，相较于目前矿探测井仪器的高温高压指标为150℃/100MPa，而本发明能达到 175℃/140MPa的高温高压指标，更加耐高温高压，同时满足3000米以浅矿探对仪器的需求，统一了矿探领域地井电磁仪器的三维磁信号和电信号高速、高分辨率采集，实现了大数据量井下高温存储。
进一步的，本发明实现了时间域地井瞬变电磁的采集存储，时间域的地井电磁采样频率高于频率域地井电磁的采样频率，节省了测井施工时间，同时本发明的仪器还能用于频率域地井电磁信号的组合测井。
进一步的，由于地井电磁发射与接收距离较远，发射波形基频很低，实现了时间域地井瞬变电磁发射不同基频的采集存储。
附图说明
图1为地井电磁组合仪现场测井示意图；
图2为井下地井电磁组合仪系统构架图；
图3为井下地井电磁组合仪采集存储短节功能框图；
图4为地面发射车系统发射地井瞬变电磁波形单周期时序图；
图5为地井电磁接收仪井下同步示意图。
附图中：1-马笼头，2-遥传伽马短节，3-电源短节，4-第一电极环短节，5-采集存储短节， 6-加长电极，7-磁传感器短节，8-第二电极环短节。
具体实施方式
对高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪而言，发射车系统的地面发射电极位于井口几公里远处的位置，本系统采用电偶极源发射，实际应用中会把发射车、地面绞车和地面系统均置于井场，采用长电缆引至几公里远处的发射电极，为了测试各个方向的不同信息，发射电极(电偶极源A/B系统)会布置于井场的不同方向和距离。本发明首次用于矿探领域测井，电偶极源发射过程中，井中不同深度的电信号接收仪和磁信号接收仪同时进行采集，既提高了测井现场的时效性，同时提供了瞬变电磁的电信号和磁信号。
如图1所示，地井电磁测井现场地面部分主要包括发射车系统、地面绞车和地面系统、 GPS同步系统、电偶极源A/B系统、井口N系统；井下仪器部分包括马笼头1和遥传伽马短节2、电源短节3和地井电磁接收仪，所述地井电磁接收仪设置有若干个。
其中发射车系统主要包括发电机、波形控制器、发射车三部分，用于按照瞬变电磁发射要求进行波形和基频设置，并输出足够大电流；
地面绞车和地面系统用于井下仪器控制和操作，控制井下仪器按照一定速度上提、下放或短时间悬停测井，并操作井下仪器的工作状态；
GPS同步系统用于GPS授时和校时，自动同步发射车和地面系统；
电偶极源A/B系统布置于距离井口N几公里远处，按照相对于井口N不同的方位和角度进行布置，布置过程应该保持良好的接地状态；
井口N是指地井仪器下放测井的井口位置，排除井斜影响，图中以直井为例；
马笼头1及其配件用于把4芯电缆和测井仪器相连；
遥传伽马短节2既用于井下各短节和地面数据通信和传输，又用于测试地层伽马信号；
电源短节3用于给n个地井电磁接收仪提供电源，电源短节3位置和数量根据负载能力进行配置；
地井电磁接收仪用于地井电磁电信号、磁信号采集存储，其中每个地井电磁接收仪结构一致，包括相邻两个电极环短节，即第一电极环短节4和第二电极环短节8，采集存储短节1、加长电极6、其中两个相邻的加长电极6的长度需要保证第一电极环短节4与第二电极环短节 8之间的距离为固定长度L，同时保证相邻磁传感器7之间的距离也为固定长度L，L的长度根据需要进行设置，在本发明的某一实施例中，L为10米；第一电极环短节4与第二电极环短节8均为为电信号接收探头，材料既包括金属铅环电极，也包括不极化电极组成的电极环；磁传感器短节7，采用高温三维磁传感器作为磁信号探头，探头附近部位外壳和零部件全部采用无磁材料，以免影响测量磁信号精度，优选的，在磁信号探头的0.6m以内的外壳和零部件均为无磁材料。
如图2所示，所述地井电磁接收仪设置有若干个，每个所述地井电磁接收仪依次连接且当前地井电磁接收仪的第二电极环短节8为下个地井电磁接收仪的第一电极环短节4；其中若干个电磁信号采集存储短节5结构一致，第二电极环短节8采集的电信号与第一电极环短节4 采集的电信号的差值为电信号E，磁传感器短节7采集磁信号B，电信号E取自相邻电极环的压差信号，磁信号B取自本磁传感器短节的三维磁探头测量信号，B1_xyz为当前磁传感器短节7的X、Y、Z轴磁信号，当前地井瞬变电磁接收仪的采集存储短节采集、处理并存储电信号和X、Y、Z轴磁信号。
如图3所示，地井电磁接收仪的采集存储短节5电路框图，En、Bn_x、Bn_y、Bn_z分别为地井电磁接收仪的电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号、Z轴磁信号；滤波电路根据电信号和磁信号带宽不同，采用不同截止频率的低通滤波电路；PGA增益用于控制信号大小，PGA受FPGA控制，用于提高仪器动态测量精度；电平转换用于调整ADC采集信号的极性和电平范围；ADC用于高精度采集电信号和磁信号；FPGA用于所有逻辑控制和控制ADC进行采集信号；DSP用于接收和解析命令，读取FPGA中数据并存储到高温Flash中，即FPGA控制ADC 进行采集电信号和磁信号，然后通过DSP写入Flash中；第一CAN总线用于命令广播总线；第二CAN总线用于正常CAN总线，可以作为备用总线；USB总线用于读取Flash中的大容量数据；大容量高温Flash用于井下存储电磁数据，即存储地井电磁接收仪采集的电信号和X轴磁信号、Y轴磁信号、Z轴磁信号数据，优选的，所述大容量高温Flash为国内高温FLASH 行业单片集成最大是4G定制；
如图4所示，地井瞬变电磁发射波形单周期时序图，每个周期包括正向供电T1+_(f0)、正向断电T2+_(f0)、反向供电T1-_(f0)、反向断电T2-_(f0)，其中f0为基频，T0为基频单周期时长，T0＝T1+_(f0)+T2+_(f0)+T1-_(f0)+T2-_(f0)，f0＝1/T0。其中T1+_(f0) ＝T2+_(f0)＝T1-_(f0)＝T2-_(f0)，实际设置T0＝4s或者8s，即f0＝0.25Hz或0.125Hz。
如图5所示，地井电磁接收仪井下同步示意图，从上向下4个图分别为：地面系统接受到 GPS启动信号后，马笼头1与地面系统之间通过电缆连接，将脉冲信号向井下传输作为同步启动信号；井下的遥传伽马短节2判断电路把接收脉冲信号转换为方波，触发DSP，启动井下授时信号度脉冲；DSP产生井下授时芯片读脉冲，用于启动井下各短节中授时芯片的读芯片授时；井下仪器接收到地面GPS启动信号时的GPS授时时刻。各短节把地面GPS授时时刻和井下授时芯片时刻统一保存，并对井下授时芯片进行校时，保证井下各短节授时统一准确。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，包括地井电磁接收仪；所述地井电磁接收仪包括第一电极环短节(4)和第二电极环短节(8)，第一电极环短节(4)与第二电极环短节(8)之间依次连接有采集存储短节(5)以及磁传感器短节(7)，所述采集存储短节(5)与磁传感器短节(7)之间以及所述磁传感器短节(7)与第二电极环短节(8)之间均通过加长电极(6)连接，第一电极环短节(4)和第二电极环短节(8)均用于采集电信号，第二电极环短节(8)与第一电极环短节(4)之间的差值作为地井瞬变电磁组合接收仪输出的电信号，所述磁传感器短节(7)用于采集X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号，所述磁传感器短节(7)采集的X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号作为地井瞬变电磁组合接收仪输出的X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号，所述采集存储短节(5)用于实现命令广播、同步采集电信号和X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号并对电信号和X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号进行处理以及大数据存储。
2.根据权利要求1所述的是一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，还包括依次连接马笼头(1)、遥传伽马短节(2)、电源短节(3)；所述电源短节(3)与地井电磁接收仪连接；
所述马笼头(1)用于连接地面测井系统和遥传伽马短节(2)，所述遥传伽马短节(2)用于实现电信号和磁信号与地面数据通信且用于测试地层伽马信号，所述电源短节(3)用于给地井电磁接收仪提供电能；所述地井电磁接收仪用于地井下电信号和磁信号采集存储。
3.根据权利要求1所述的一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，所述地井电磁接收仪设置有若干个，每个所述地井电磁接收仪依次连接且当前地井电磁接收仪的第二电极环短节(8)为下个地井电磁接收仪的第一电极环短节(4)。
4.根据权利要求1所述的一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，所述地面测井系统包括发射车系统、GPS同步系统、电偶极源A/B系统、井口N系统、地面绞车和地面系统，所述地井瞬变电磁组合接收仪安装在井口N系统内；所述地面绞车与马笼头(1)连接，用于控制地井瞬变电磁组合接收仪上提、下放或悬停，且所述地面绞车上安装有地面系统，用于控制地井瞬变电磁组合接收仪的工作状态；所述电偶极源A/B系统布置在井口N系统周围，所述电偶极源A/B系统连接发射车系统，所述发射车系统包括发电机、波形控制器以及发射车，所述发射车系统用于按照瞬变电磁发射要求进行波形和基频设置，并输出电流；所述GPS同步系统用于GPS授时和校时，并同步到发射车和地面系统。
5.根据权利要求4所述的一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，所述地面发射车系统发射地井瞬变电磁的波形周期包括正向供电T1+_(f0)、正向断电T2+_(f0)、反向供电T1-_(f0)、反向断电T2-_(f0)，其中f0为基频，T0为基频单周期时长，T0＝T1+_(f0)+T2+_(f0)+T1-_(f0)+T2-_(f0)，f0＝1/T0，其中T1+_(f0)＝T2+_(f0)＝T1-_(f0)＝T2-_(f0)。
6.根据权利要求1所述的一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，所述采集存储短节(5)将地井瞬变电磁组合接收仪采集的电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号、Z轴磁信号；通过滤波电路传输至PGA增益中，所述PGA增益用于接收电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号并控制电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号的大小，所述PGA增益将改变大小后的电信号、X轴磁信号、Y轴磁信号以及Z轴磁信号传输至电平转换；所述ADC与FPGA互相通信，所述FPGA控制ADC进行采集电信号和磁信号，所述电平转换用于调整ADC采集信号的极性和电平范围；所述FPGA还与PGA增益互相通信以及与DSP之间互相通信，所述DSP还分别连接有Flash、第一CAN总线、第二CAN总线以及USB总线，所述DSP用于接收和解析命令，读取FPGA中数据并存储到Flash中；第一CAN总线用于命令广播总线；第二CAN总线为备用总线；USB总线用于读取Flash中的数据；Flash用于存储地井电磁接收仪采集的电信号和X轴磁信号、Y轴磁信号、Z轴磁信号数据。
7.根据权利要求1所述的一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，所述第一电极环短节(4)与第二电极环短节(8)均为金属铅环电极或不极化电极。
8.根据权利要求1所述的一种高温小直径地井瞬变电磁组合接收仪，其特征在于，所述磁传感器短节(7)的磁信号探头为高温三维磁传感器，且磁信号探头的0.6m以内没有磁性材料。
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Citations (8)
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