CN112160746B - 一种超深电阻率测井的时域测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超深电阻率测井的时域测量装置，通过加长发射天线与接收天线的距离，使探测深度也得到大大的提高，并将各电路模块分成若干仪器短节然后再进行拼接，与此同时利用井下仪器串内部的单芯电缆在输送32V电源的同时也充当通讯载体，实现仪器串内各电路模块之间通讯互联。并且单芯电缆也传播同步脉冲，实现各接收模块对信号接收与数据处理时序上的同步。测量控制模块的DSP主控制器根据各接收信号的时延与时域特性以及FFT变换结果，算出信号相移与信号幅值，并最终反演出地层电阻率结果，最后将所有测量数据及电阻率结果数据上传至主控存储模块的FLASH芯片中存储，完成周期性的测量。
Description
技术领域
本发明涉及电阻率测井技术领域，具体涉及一种超深电阻率测井的时域测量装置。
背景技术
随钻测井是一种比较常见的技术，与传统的电缆测井相比，随钻测井具有实时性好、测井精度高、节省测井成本等优点，并且，当一些油井不能用电缆测井或者在某些特殊地层条件下操作困难、花费钻井时间过多的时候，就必须用随钻测井代替电缆测井。
近年来随着测井技术的日新月异的发展，各种随钻测井仪也是层出不穷，测量精度与探测深度也不断增强，在此基础上随钻电阻率测量也得到的一定的应用，在随钻电阻率测量的基础上加大探测深度，在钻井的同时能够提前预知油层位置和储存量且又能避免钻破油层，亦可在水平井或大斜度井条件下，实时测量自然伽马、电阻率、近钻头、井斜、井眼等集合参数，地面地质和钻井人员在分析这些数据的基础上，才能高时效且低成本的进行地质导向。常规方位随钻测井仪的探测深度一般为6米左右，很难超过10米，那么在应对比较复杂且特殊的地下油层时，钻探过程中如果出现一些测量误差都可能导致井壁太过于贴近油水层，从而引发塌陷或油水泄露，使得油井作废，钻探功亏一篑，损失惨重；因此超深方位随钻电阻率测井装置的研制便应运而生，但是要实现十几甚至几十米的探测深度，势必要求整个电阻率仪器的长度大大提高，即发射天线与接收天线之间的距离较常规随钻仪器要长的多，最长可达30米。由于发射天线与接收天线距离很远，那么信号接收采集模块电路就只能就近放置在接收线圈的近端，才有利于信号的接收与分析，减少干扰以及其他因为线路传输带来的不利影响。由于接收采集模块电路远离数据测控模块，它 们之间的通讯距离很长，数据传输的实时性要求很高，这时候如果还采用常规的LVDS(低电压差分信号)通讯总线的方式势必满足不了要求，原因在于：首先几十米长的仪器，仪器串短节都是一节一节拼接上去的，每一节要接很长的多股通讯导线是基本不可能的；其次是通讯距离太远也不满足高速通讯的时序要求；因此，本发明提出了一种超深电阻率测井的测量方法及装置，能够解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超深电阻率测井的时域测量装置，大大加长发射天线与接收天线的距离，使探测深度也得到大大的提高。并将各电路模块分成若干仪器短节然后再进行拼接，与此同时利用井下仪器串内部的单芯电缆在输送32V电源的同时也充当通讯载体，实现仪器串内各电路模块之间通讯互联。并且单芯电缆也传播同步脉冲，实现各接收模块对信号接收与数据处理时序上的同步。测量控制模块的DSP主控制器根据各接收信号的时延与时域特性以及 FFT变换结果，算出信号相移与信号幅值，并最终反演出地层电阻率结果，最后将所有测量数据及电阻率结果数据上传至主控存储模块的FLASH芯片中存储，完成周期性的测量；以解决背景技术中提到的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种超深电阻率测井的时域测量装置，包括：
测量控制模块，作为整个测量装置的控制中心，使能发射控制模块输出某一固定频率的方波发射信号，并且对采样后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，得出最终的电阻率数据，并与主控存储模块进行通讯，实时上传数据至主控存储模块FLASH中保存；
发射控制模块，用于接收方波信号，并通过功放芯片或晶体管将方波信号放大并输出至发射天线；
发射天线，在地层激励出周期性大功率的正交变换的电磁波信号；
编码通讯总线，即为单芯电缆，输送32V电源，同时又作为各模块之间的通讯载体并传播与发射信号同频的同步脉冲；
主控存储模块，用于实时监测编码通讯总线上的各项命令并执行相应操作，当收到启动测量命令时，将对应的启动命令发送至测量控制模块；实时接收测量数据并保存在FLASH中。
第一接收模块，用于采集接收天线RX1输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过编码通讯总线以编码脉冲通讯的形式回传至测量控制模块；
第二接收模块，用于采集接收天线RX2输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过编码通讯总线以编码脉冲通讯的形式回传至测量控制模块；
所述测量控制模块通过编码通讯总线接收第一接收模块和第二接收模块的采样数据，根据接收信号的时延以及时域特性对接收数据进行FFT处理与换算，得出各频率接收信号的相移与幅值，并反演出地层电阻率的结果；
所述主控存储模块、测量控制模块、发射控制模块及发射天线顺次连接，所述发射控制模块通过RS485总线与测量控制模块连接，所述测量控制模块通过RS485总线与主控存储模块连接，所述测量控制模块、主控存储模块、第一接收模块、第二接收模块都挂接在编码通讯总线上，每个模块都有一个独立的编码通讯地址；所述接收天线RX1的输出端与所述第一接收模块的输入端连接，所述收天线RX2的输出端与所述第二接收模块的输入端连接。
本发明的单芯电缆在输送电源的同时也充当通讯载体，实现仪器串内各电路模块之间通讯互联，与此同时单芯电缆也传播同步脉冲。测量装置每个发射一个周期的方波信号便输出一个同步脉冲，同步脉冲触发各接收模块对接收信号进行调理滤波与转换采集，然后再将数据经过叠加后通过单芯电缆以编码脉冲通讯的形式传送至测量控制模块。
进一步地，发射控制模块包括：电源转换模块、单片机、外围电路、RS485 通讯模块、电源控制开关、功放电路、信号控制开关、信号比较电路和LC调谐电路；
所述信号控制开关的输入端接发射信号，所述信号控制开关、功放电路及 LC调谐电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与所述单片机连接，所述外围电路的输出端连接于所述单片机的输入端，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述电源控制开关的输入端连接单芯电缆32V电源输入并与单片机的输出端连接，所述电源控制开关的输出端连接于功放电路的输入端，功放电路的输出端连接于LC调谐电路的输入端；
所述LC调谐电路的输出与所述发射天线以及信号比较电路连接，所述RS485 通讯模块通过RS485总线与测量控制模块连接，所述信号比较电路的输出与编码通讯总线即单芯电缆连接。
上述优选方案的有益效果为：发射控制模块接收测量控制模块DDS数字频率合成器输出的某一固定频率的方波发射信号，该信号通过功放芯片或晶体管放大后输出至发射天线，在发射天线上激励起一个周期性的大功率的电磁方波信号，与此同时发射信号经过信号比较电路后输出同步脉冲信号至编码通讯总线(单芯电缆)。
优选地，测量控制模块包括：DSP28377主控制器、FPGA-A3P1000主控制器、外围电路、RS485通讯模块、电源转换模块、编码通讯电路模块、温度传感器、 DAC、SRAM存储电路和DDS数字频率合成器；
所述DDS数字频率合成器的输出端输出方波发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述DSP28377主控制器、DAC及DDS数字频率合成器顺次连接，所述述DSP28377主控制器、外围电路、FPGA主控制器及编码通讯电路模块顺次连接，所述RS485通讯模块通过SCI串口总线与所述 DSP28377主控制器连接，所述编码通讯电路模块与所述编码通讯总线(单芯电缆)连接，所述温度传感器的输出与所述FPGA主控制器的输入连接，所述SRAM 存储电路通过通讯总线与所述DSP28377主控制器连接。
上述优选方案的有益效果为：测量控制模块作为整个测量装置的控制中心，通过RS485通讯总线发送命令使能发射控制模块输出某一固定频率的方波发射信号。并且对RX1、RX2采样并叠加后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，算出信号相移与幅值，反演出地层电阻率结果，并实时上传数据至主控存储模块FLASH中保存。
进一步地，主控存储模块包括DSP28377从控制器、电源转换模块、RS485 通讯模块、编码通讯电路模块、外围电路、温度传感器、RTC时钟电路和FLASH 存储芯片组；
所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述RS485通讯模块通过SCI串口总线与DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器通过编码通讯电路模块与编码通讯总线(单芯电缆)连接，所述FLASH存储芯片组通过内部通讯总线与所述DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器的输入端分别连接于外围电路及温度传感器，所述DSP28377从控制器通过SPI 总线与RTC时钟电路连接。
上述优选方案的有益效果为：主控存储模块负责与井下或中控系统之间的各项通讯，接收各项中控指令并执行相关的操作，实时存储测量到的原始数据以及换算后的电阻率数据。
进一步地，第一接收模块和第二接收模块均包括FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器、高精度ADC、电源转换模块、两级低噪声放大器、外围电路、同步脉冲接收电路和编码通讯电路模块；
所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述两级低噪声放大器的输入端连接于接收天线RX1或RX2，所述两级低噪声放大器的输出端连接于混频器的输入端，所述外围电路的输出端连接于所述FPGA从控制器的输入端，所述FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器、高精度ADC顺次连接，所述FPGA从控制器通过SPI通讯总线与所述高精度ADC模数转换电路连接，所述编码通讯电路模块分别与所述FPGA从控制器以及编码通讯总线(单芯电缆)连接，所述同步脉冲接收电路分别与所述FPGA从控制器以及编码通讯总线(单芯电缆)连接。
上述优选方案的有益效果为：同步脉冲实现了各接收模块在信号的接收与采集动作时序上的同步，ADC模数转换后的数据经过采样叠加后通过单芯电缆以编码脉冲通讯的形式传送至测量控制模块。
所述接收模块中信号调理滤波电路采用两级低噪声滤波放大器，然后再将该信号与其频率相近的本振信号进行混频相减后输出一固定频率的中频信号，经过带通滤波器后，通过高精度ADC来进行模数转换。
上述优选方案的有益效果为：由于发射线圈到接收线圈的距离可达20～30 米，那么接收到的信号将十分微弱，可能是纳伏级别的信号，接收电路需要把该信号从噪声中提取出来将变得十分困难。通过将不同频率的接收信号转换成一频率固定的中频信号，有利于接收模块对不同发射频率信号的处理与测量。即便各发射信号频率范围相差比较大的情况下，依然可以使用同一种信号测量采集电路，节约硬件开销，方便测量，此外滤波器通带可以设计得更窄，滤除效果更好，信噪比更高，也间接地提高了测量装置精度与探测深度。
此外，本发明还具有以下有益效果：
1)本发明的整个井下仪器串供电与通讯仅通过单芯电缆进行连接，仪器骨架外壳充当GND层，所述单芯电缆作为编码通讯总线给各电路模块输送电源的同时也能充当通讯的载体，用来收发命令、传送数据以及传送周期性的同步脉冲。只用单芯电缆连接的方式使得整个测量仪器串在电路接线设计上简单了许多，各电路模块短节之间不用再设计多股导线连接的插头与插座，也不再需要考虑导线的走向与接法，在电路布局及布线设计与机械设计上减少了很大的工作量，在机械安装与调试时也非常方便，省去了常规随钻仪器内部大量导线的对接与维护。下井作业时，可以根据不同需要安装不同的仪器短节，各短节之间直接可以互换位置，同时也可以根据需要调节发射天线短节与接收天线短节之间的距离，匹配不同的探测深度，既方便又快捷，不存在不配套的问题。
2)本发明中超深电阻率测量装置只是井下仪器串的其中之一，整个测量仪器串长度可达几十米，特别是发射天线与两接收天线之间的距离比较长，各模块间以单芯电缆为通讯载体，采用编码通讯的方式进行数据传输，使得井下各仪器短节及电路模块之间实现远距离的通讯及数据传输变为可能；并且接收模块通过接收同步脉冲，触发相关信号的采集与数据处理操作，使各接收模块对数据的采集与处理在时序上同步；发射天线采用发射方波信号的方式，有利于数据后期的数据时延特性分析处理以及FFT换算，得到在地层中的相移与幅值数据，最终反演出地层电阻率数据。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的一种超深电阻率测井的时域测量装置结构框图；
图2所示为本发明实施例一提供的信号发射与接收的示意图；
图3所示为本发明实施例一提供的发射控制模块电路原理框图；
图4所示为本发明实施例一提供的测量控制模块电路原理框图；
图5所示为本发明实施例一提供的主控存储模块电路原理框图；
图6所示为本发明实施例一提供的第一接收模块和第二接收模块电路原理框图；
图7所示为本发明实施例一提供的井下各仪器串的短节之间内部连接关系；
图8所示为本发明实施例二提供的编码通讯接收原理示意图；
图9所示为本发明实施例二提供的编码通讯发送原理示意图；
图10所示为本发明实施例二提供的超深电阻率时域的测量方法的流程图；
图中，1-发射天线，2-发射控制模块，3-测量控制模块，4-主控存储模块， 5-编码通讯总线，6-第一接收模块，7-接收天线RX1，8-第二接收模块，9-接收天线RX2。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
已知影响测井仪探测深度的因数主要由以下3个方面的因素决定：一是，发射线圈到测量点的距离起主要的作用，源距越大，探测深度越大；二是，仪器的工作频率和地层的导电性本身也决定了工具的探测深度，由于高频信号在地层中衰减更多更快，因此高频电磁波更难以穿透导性介质；三是，不同的测量参量具有不同的探测深度，例如衰减电阻率对导电性侵入地层反应不敏感，而对电阻性侵入地层的读数接近地层真电阻率。
因此要提高测井仪的探测深度，那么就必须从这3条决定因数着手，加大发射与接收之间的距离、降低发射信号的频率、利用不同的参量算法，最终反演出地层真实电阻率。此外加大发射与接收之间的距离同时也会带来一些其他的不利因素，比如发射信号传输的时延特性，使得接收信号的相移很可能大于 360度，且接收信号会变得过于微弱，导致信噪比下降，测量精度与准确度不够，因此也不能无限加大发射与接收的距离，一般20～30米左右就足够了。
实施例1
本发明实施例提供了一种超深电阻率的时域测量方法，如图1所示，包括：包括：
测量控制模块3，作为整个测量装置的控制中心，使能发射控制模块2输出某一固定频率的方波发射信号，并且对采样后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，得出最终的电阻率数据，并与主控存储模块4进行通讯，实时上传数据至主控存储模块4的FLASH中保存；
发射控制模块2，用于接收方波信号，并通过功放芯片或晶体管将方波信号放大并输出至发射天线1；
发射天线1，在地层激励出周期性大功率的正交变换的电磁波信号；
编码通讯总线5，即为单芯电缆，输送32V电源，同时又作为各模块之间的通讯载体并传播与发射信号同频的同步脉冲；
主控存储模块4，用于实时监测编码通讯总线5上的各项命令并执行相应操作，当收到启动测量命令时，将对应的启动命令发送至测量控制模块3；实时接收测量数据并保存在FLASH中。
第一接收模块6，用于采集接收天线RX17输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过编码通讯总线5以编码脉冲通讯的形式回传至测量控制模块3；
第二接收模块8，用于采集接收天线RX29输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过编码通讯总线5以编码脉冲通讯的形式回传至测量控制模块3；
如图1所示，所述主控存储模块4、测量控制模块3、发射控制模块2及发射天线1顺次连接，所述发射控制模块2通过RS485总线与测量控制模块3连接，所述测量控制模块3通过RS485总线与主控存储模块4连接，所述测量控制模块3、主控存储模块4、第一接收模块6、第二接收模块8都挂接在编码通讯总线5上，每个模块都有一个独立的编码通讯地址；所述收天线RX1的输出端与所述第一接收模块6的输入端连接，所述收天线RX2的输出端与所述第二接收模块8的输入端连接。
所述主控存储模块4、测量控制模块3、发射控制模块2处于同一仪器短节中，相互之间由RS485总线进行通讯互联，接收模块靠近接收天线侧。
本发明实施例中，利用单芯电缆在输送电源的同时也充当通讯载体，实现各仪器串以及各电路模块之间通讯互联，与此同时单芯电缆也传播同步脉冲，使接收模块对信号的接收与处理进行同步，实现信号接收与数据处理时序上的同步。发射天线1在地层激励起周期性的大功率的方波信号，装置每个发射一个周期的方波信号便输出一个同步脉冲，同步脉冲触发各接收模块对接收天线输出的信号进行信号调理滤波与采集，ADC模数转换后的数据经过叠加后通过单芯电缆以编码脉冲通讯的形式传送至测量控制模块3，测量控制模块3的DSP 主控制器根据各接收信号的时延与时域特性以及FFT变换结果，算出信号相移与信号幅值，并反演出地层电阻率结果，然后将所有原始数据及最终的计算结果上传至主控存储板的FLASH芯片中存储，从而完成一个周期的测量过程，之后接着继续下一周期的测量。
如图2所示，TX为发射天线1，发射控制模块2电路在发射天线1上激励起一个周期性的大功率的方波信号，以电磁波的形式向四周发射，接收天线 RX17、RX2接收该电磁波信号并在线圈回路上产生一个微弱的感应电动势。
如图3所示，发射控制模块2包括：电源转换模块、单片机、外围电路、 RS485通讯模块、电源控制开关、功放电路、信号控制开关、信号比较电路和 LC调谐电路；
所述信号控制开关的输入端接发射信号，所述信号控制开关、功放电路及 LC调谐电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与所述单片机连接，所述外围电路的输出端连接于所述单片机的输入端，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述电源控制开关的输入端连接单芯电缆32V 电源输入并与单片机的输出端连接，所述电源控制开关的输出端连接于功放电路的输入端，功放电路的输出端连接于LC调谐电路的输入端；
所述LC调谐电路的输出与所述发射天线1以及信号比较电路连接，所述 RS485通讯模块通过RS485总线与测量控制模块3连接，所述信号比较电路的输出与编码通讯总线5即单芯电缆连接。
本发明实施例中，所述发射控制模块2接收测量控制模块3DDS数字频率合成器输出的某一固定频率的方波发射信号，该信号通过功放芯片或晶体管放大后输出至发射天线1，在发射天线1上激励起一个周期性的大功率的电磁方波信号，与此同时发射信号经过信号比较电路后输出同步脉冲信号至编码通讯总线5(单芯电缆)。
如图4所示，测量控制模块3包括：DSP28377主控制器、FPGA主控制器、外围电路、RS485通讯模块、电源转换模块、编码通讯电路模块、温度传感器、 DAC、SRAM存储电路和DDS数字频率合成器；
所述DDS数字频率合成器的输出端输出方波发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述DSP28377主控制器、DAC及DDS 数字频率合成器顺次连接，所述述DSP28377主控制器、外围电路、FPGA主控制器及编码通讯电路模块顺次连接，所述RS485通讯模块通过SCI串口总线与所述DSP28377主控制器连接，所述编码通讯电路模块与所述编码通讯总线5(单芯电缆)连接，所述温度传感器的输出与所述FPGA主控制器的输入连接，所述SRAM存储电路通过通讯总线与所述DSP28377主控制器连接。
本发明实施例中，测量控制模块3作为整个测量装置的控制中心，通过 RS485通讯总线发送命令使能发射控制模块2输出某一固定频率的方波发射信号。并且对RX1、RX2采样并叠加后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，算出信号相移与幅值，反演出地层电阻率结果，并实时上传数据至主控存储模块4FLASH中保存。
如图5所示，主控存储模块4包括：DSP28377从控制器、电源转换模块、 RS485通讯模块、编码通讯电路模块、外围电路、温度传感器、RTC时钟电路和FLASH存储芯片组；
所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述RS485通讯模块通过SCI串口总线与DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器通过编码通讯电路模块与编码通讯总线5(单芯电缆)连接，所述FLASH存储芯片组通过内部通讯总线与所述DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器的输入端分别连接于外围电路及温度传感器，所述DSP28377从控制器通过SPI 总线与RTC时钟电路连接。
本发明实施例中，所述主控存储模块4负责与井下或中控系统之间的各项通讯，接收各项中控指令并执行相关的操作，实时存储测量到的原始数据以及换算后的电阻率数据。
如图6所示，第一接收模块6和第二接收模块8均包括FPGA从控制器、 DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器、高精度ADC、电源转换模块、两级低噪声放大器、外围电路、同步脉冲接收电路和编码通讯电路模块。
所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述两级低噪声放大器的输入端连接于接收天线RX17或RX2，所述两级低噪声放大器的输出端连接于混频器的输入端，所述外围电路的输出端连接于所述FPGA从控制器的输入端，所述FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器、高精度ADC顺次连接，所述FPGA从控制器通过SPI通讯总线与所述高精度ADC模数转换电路连接，所述编码通讯电路模块分别与所述 FPGA从控制器以及编码通讯总线5(单芯电缆)连接，所述同步脉冲接收电路分别与所述FPGA从控制器以及编码通讯总线5(单芯电缆)连接。
所述第一接收模块6与第二接收模块8对接收天线上产生的感应电动势信号进行信号调理滤波放大后再进行模数转换与采集。其中信号调理滤波电路采用两级前置低噪声放大滤波，滤波完后再将该信号与其频率相近的本振信号进行混频相减后输出一固定频率的中频信号，经过带通滤波器与放大后，通过高精度ADC来进行模数转换。对ADC采样数据进行叠加并通过单芯电缆以编码脉冲通讯的形式传送到测量控制模块3中进行DPSD数据处理，其中同步脉冲由发射控制板经单芯电缆传送至各接收模块。
所述接收模块中信号调理滤波电路采用两级低噪声滤波放大器，然后再将该信号与其频率相近的本振信号进行混频相减后输出一固定频率的中频信号，经过带通滤波器后，通过高精度ADC来进行模数转换。
本发明实施例中，同步脉冲接收电路对与发射信号同频的同步脉冲信号进行精准的捕捉，以此来实现各接收模块对信号的接收处理与采集动作时序上的同步，避免相位测量异常。
如图7所示，井下测量仪器串中有很多种仪器，超深电阻率测量装置只是其中的一个，分别由几个短节拼接起来的，各短节之间的供电与通讯通过一根单芯电缆进行连接，该单芯电缆给各仪器串输送电源的同时也充当通讯的载体，用来收发命令与传送数据以及传送周期性的同步脉冲。仪器骨架外壳充当GND 层，大大方便了仪器短节之间的连线与组装，使得超长仪器串的拼接成为可能。接收模块、测量控制模块3、主控存储模块4内部均设有编码通讯电路，各模块及中控系统都有各自的独立地址。
本发明实施例中，采用接收线圈调谐的方式，使得接收线圈的接收谐振频率与发射信号一致，从而使其对于某一固定频率的信号具有很强的接收能力，剔除掉噪声和其他频率信号的干扰，使得接收电路具有非常好的选频特性，减少了干扰信号，提高了信噪比，也同时提高了装置的测量精度。
本发明实施例中发射与接收天线的个数仅仅是示例性的，发射天线1也可以是2个或4个或其它多个，同理接收天线也是如此。具体可根据系统设计需要进行相应的增减。亦可以采用1组或2组斜向对称补偿的发射与接收天线，以此来提高钻头前探的深度。接收天线的个数与接收模块的个数一致且一一对应，任何时刻只能允许一个发射天线1开启发射，各接收天线与其对应的接收模块在同步脉冲触发的情况下开启接收并启动测量。因此本实施例中仅例举了一发双收的测量模式，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例2
本发明实施例提供了一种超深电阻率的时域测量方法，如图10所示，包括：包括：
A1、仪器上电，测量装置中测量控制模块3、发射控制模块2、主控存储模块4、第一接收模块6及第二接收模块8的模块电路单元上电初始化，系统完成自检后并处于待机状态，编码通讯总线5处于空闲状态，所述编码通讯总线5 为单芯电缆。
A2、测量装置一段时间内都未收到中控命令则进入低功耗模式，主控存储模块4则继续等待接收编码通讯总线5上的中控命令，收到命令后并解析命令，若解析为参数修改或其他非启动测量的命令时则进入步骤A3，若解析为启动测量命令则进入步骤A4。
进一步地，步骤A2中仪器测量装置进入低功耗模式时，测量控制模块3进入低功耗模式与此同时将发射控制模块2、第一接收模块6及第二接收模块8的电源关断。
本发明实施例中，当测量装置主控存储模块4一段时间未收到命令时，测量控制模块3会自动进入低功耗模式，并切断除主控存储模块4之外的其它电路模块的电源，主控存储模块4由于全是数字电路，功耗比较低，且还需要其接收来自中控各项指令，因此该模块不能低功耗。当主控存储模块4收到指令时则执行对应操作，如：参数修改、模式变更、数据读取、FLASH格式化、状态读取等等。测量装置通过低功耗模式可以大大降低仪器在空闲状态下的电流消耗，为整个钻井仪器节约宝贵的电能。
A3、参数修改，编码通讯总线5挂起，主控存储模块4根据中控回传的参数，修改主控存储模块4中FLASH存储的参数并保存，返回步骤A2。
进一步地，步骤A3中修改参数后，通过编码通讯总线5发送回复，发送成功后，编码通讯总线5处于空闲状态。同理，如果收到其他非启动测量的命令时，则如参数修改命令一样执行命令对应的操作即可。
A4、启动测量，仪器进入正常工作模式，测量装置开启发射与测量。
进一步地，步骤A4中测量装置开启发射与测量的具体过程是：
所述主控存储模块4通过RS485内部总线发送命令至测量控制模块3开启测量，测量控制模块3输出某一固定频率的方波发射信号至发射控制模块2，并使能发射控制模块2开启大功率方波发射，每发射一个信号周期便发射一个同步脉冲至单芯电缆，编码通讯总线5处于空闲状态；
A5、启动接收采集数据，利用编码通讯总线5上传数据至测量控制模块3。
进一步地，步骤A5中接收采集和上传数据的过程是：
第一接收模块6及第二接收模块8根据同步脉冲触发接收与采集动作，开启ADC对接收信号的模数转换与采集，将采集接收到的数据叠加后通过编码通讯总线5回传到测量控制模块3。
本实施例中，发射控制模块2输出的发射信号经过信号比较电路输出同步脉冲信号，接收模块对同步脉冲信号进行解析并触发ADC采集，ADC模数转换且采样后的数据经过叠加一定次数后通过单芯电缆以编码通讯的形式传送至测量控制模块3。
A6、测量控制模块3对第一接收模块6和第二接收模块8收集的接收信号的时延特性及接受数据的FFT变换结果，算出相移与信号幅值，最终反演出地层电阻率结果。
A7、测量控制模块3将测量数据结果及最终的电阻率数据上传到主控存储模块4中存储，然后进入步骤A4，执行下一次测量周期。
进一步地，步骤A7的数据上传的具体过程是：
测量控制模块3将测量到得原始数据及处理后的数据打包并通过RS485内部总线上传到主控存储模块4的FLASH中存储，完成数据上传后，主控存储模块4继续对测量控制模块3发出的启动测量命令，进入步骤A4，执行下一次测量周期。
本发明实施例中，主控存储模块4负责与井下或中控系统之间的通讯，接收各项中控指令并执行相关的操作、存储来自测量控制模块3上传的原始数据、换算后的相位差与幅度比数据；测量控制模块3主要负责对各接收模块的采集数据进行换算，通过对RX1、RX2接收信号的时延特性以及数据的FFT变换结果，求出该各接收通道的相移与幅值，并将所有原始数据及最终的计算结果上传至主控存储板FLASH中存储。主控存储模块4功能类似通讯中继与数据存储，而测量控制模块3则主要用于数据运算与整体测量的时序控制。
如图8-9所示，编码通讯总线5是一种半双工串行异步总线。总线信号为Manchester II编码脉冲形式，总线通讯采用单芯电缆，仪器串骨架外壳为GND，所有模块电路的GND都最终接到仪器装置骨架上。编码总线的通信协议可以采用自行设计的通信协议，协议采用串口中断结合数据查询的方式，对总线进行监听。总线空闲时，各设备节点模块处于监听状态。
传输层定义了编码通讯总线数据帧的格式，其格式如表1.1所示：
表1.1编码通讯总线通信数据帧
| 目标地址 | 源地址 | 帧长 | 命令字 | 参数N | 总和校验 |
数据帧中，包括六个部分：目标地址-2Byte、源地址-2Byte、数据帧长-2 Byte、命令字-2Byte、参数N-N*2Byte以及总和校验-2Byte。目标地址为接收节点模块的地址编码，源地址为命令发送设备节点模块的地址。总线上的设备持续监听数据链路层的数据字状态，当识别到数据字与其自身地址匹配时，判断源地址是否有效，如有效，开始建立通信，传输参数。
如表1.2所示，编码通讯字判别有同步位与终止位，中间16位为数据位，通讯传输以字为单位进行通讯，每个字都有同步位与终止位。
表1.2编码通讯总线通信字判别:
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种超深电阻率测井的时域测量装置，其特征在于，包括：
测量控制模块（3），作为整个测量装置的控制中心，使能发射控制模块（2）输出某一固定频率的方波发射信号，并且对采样后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，得出最终的电阻率数据，并与主控存储模块（4）进行通讯，实时上传数据至主控存储模块（4）FLASH中保存；
发射控制模块（2），用于接收方波信号，并通过功放芯片或晶体管将方波信号放大并输出至发射天线（1）；
发射天线（1），在地层激励出周期性大功率的正交变换的电磁波信号；
编码通讯总线（5），即为单芯电缆，输送32V电源，同时又作为各模块之间的通讯载体并传播与发射信号同频的同步脉冲；
主控存储模块（4），用于实时监测编码通讯总线（5）上的各项命令并执行相应操作，当收到启动测量命令时，将对应的启动命令发送至测量控制模块（3）；实时接收测量数据并保存在FLASH中；
第一接收模块（6），用于采集接收天线RX1（7）输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过编码通讯总线（5）以编码脉冲通讯的形式回传至测量控制模块（3）；
第二接收模块（8），用于采集接收天线RX2（9）输出的信号，信号经ADC模数转换及采样叠加后通过编码通讯总线（5）以编码脉冲通讯的形式回传至测量控制模块（3）；
所述发射控制模块（2）包括：电源转换模块、单片机、外围电路、RS485通讯模块、电源控制开关、功放电路、信号控制开关、信号比较电路和LC调谐电路；
所述信号控制开关的输入端接发射信号，所述信号控制开关、功放电路及LC调谐电路顺次连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与所述单片机连接，所述外围电路的输出端连接于所述单片机的输入端，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述电源控制开关的输入端连接单芯电缆32V电源输入并与单片机的输出端连接，所述电源控制开关的输出端连接于功放电路的输入端，功放电路的输出端连接于LC调谐电路的输入端；
所述LC调谐电路的输出与所述发射天线（1）以及信号比较电路连接，所述RS485通讯模块通过RS485总线与测量控制模块（3）连接，所述信号比较电路的输出与所述编码通讯总线（5）连接，所述信号比较电路与所述发射信号进行比较，输出与所述发射信号同频的脉冲信号，所述同频的脉冲信号作为同步脉冲信号输出至所述编码通讯总线（5），所述同步脉冲信号通过所述编码通讯总线（5）传输至各接收模块，用于触发各接收模块对发射信号的同步接收与处理；
所述测量控制模块（3）通过编码通讯总线（5）接收第一接收模块（6）和第二接收模块（8）的采样数据，根据接收信号的时延以及时域特性对接收数据进行FFT处理与换算，得出各频率接收信号的相移与幅值，并反演出地层电阻率的结果；所述测量控制模块（3）包括：DSP28377主控制器、FPGA-A3P1000主控制器、外围电路、RS485通讯模块、电源转换模块、编码通讯电路模块、温度传感器、DAC、SRAM存储电路和DDS数字频率合成器；所述编码通讯电路模块分别与 所述FPGA从控制器以及编码通讯总线（5）连接，所述同步脉冲接收电路分别与所 述FPGA从控制器以及编码通讯总线（5）连接；
所述测量控制模块的DSP主控制器根据各接收信号的时延与时域特性以及FFT变换结果，算出信号相移与信号幅值，并最终反演出地层电阻率结果；
所述测量装置每个发射一个周期的方波信号便输出一个同步脉冲，同步脉冲触发各接收模块对接收信号进行调理滤波与转换采集，然后再将数据经过叠加后通过单芯电缆以编码脉冲通讯的形式传送至测量控制模块；
所述同步脉冲实现了各接收模块在信号的接收与采集动作时序上的同步；
所述主控存储模块（4）、测量控制模块（3）、发射控制模块（2）及发射天线（1）顺次连接，所述发射控制模块（2）通过RS485总线与测量控制模块（3）连接，所述测量控制模块（3）通过RS485总线与主控存储模块（4）连接，所述测量控制模块（3）、主控存储模块（4）、第一接收模块（6）、第二接收模块（8）都挂接在编码通讯总线（5）上，每个模块都有一个独立的编码通讯地址；所述接收天线RX1（7）的输出端与所述第一接收模块（6）的输入端连接，所述收天线RX2的输出端与所述第二接收模块（8）的输入端连接；
对所述RX1、RX2采样并叠加后的测量数据进行相关的FFT换算以及时延特性分析，算出信号相移与幅值，反演出地层电阻率结果。
2.根据权利要求1所述的超深电阻率测井的时域测量装置，其特征在于，
所述DDS数字频率合成器的输出端输出方波发射信号，所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述DSP28377主控制器、DAC及DDS数字频率合成器顺次连接，所述DSP28377主控制器、外围电路、FPGA主控制器及编码通讯电路模块顺次连接，所述RS485通讯模块通过SCI串口总线与所述DSP28377主控制器连接，所述编码通讯电路模块与所述编码通讯总线（5）连接，所述温度传感器的输出与所述FPGA主控制器的输入连接，所述SRAM存储电路通过通讯总线与所述DSP28377主控制器连接。
3.根据权利要求1所述的超深电阻率测井的时域测量装置，其特征在于，所述主控存储模块（4）包括DSP28377从控制器、电源转换模块、RS485通讯模块、编码通讯电路模块、外围电路、温度传感器、RTC时钟电路和FLASH存储芯片组；
所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述RS485通讯模块通过SCI串口总线与DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器通过编码通讯电路模块与编码通讯总线（5）连接，所述FLASH存储芯片组通过内部通讯总线与所述DSP28377从控制器连接，所述DSP28377从控制器的输入端分别连接于外围电路及温度传感器，所述DSP28377从控制器通过SPI总线与RTC时钟电路连接。
4.根据权利要求1所述的超深电阻率测井的时域测量装置，其特征在于：所述第一接收模块（6）和第二接收模块（8）均包括FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器、高精度ADC、电源转换模块、两级低噪声放大器、外围电路、同步脉冲接收电路和编码通讯电路模块；
所述电源转换模块的输入端接单芯电缆32V电源输入，所述两级低噪声放大器的输入端连接于接收天线RX1（7）或RX2，所述两级低噪声放大器的输出端连接于混频器的输入端，所述外围电路的输出端连接于所述FPGA从控制器的输入端，所述FPGA从控制器、DDS数字频率合成器、混频器、带通滤波器、程控运算放大器、高精度ADC顺次连接，所述FPGA从控制器通过SPI通讯总线与所述高精度ADC模数转换电路连接，所述编码通讯电路模块分别与所述FPGA从控制器以及编码通讯总线（5）连接，所述同步脉冲接收电路分别与所述FPGA从控制器以及编码通讯总线（5）连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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