CN201705342U

CN201705342U - 一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪

Info

Publication number: CN201705342U
Application number: CN2010202985700U
Authority: CN
Inventors: 弓志谦
Original assignee: CNPC Drilling Research Institute Co Ltd
Current assignee: CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2020-08-20

Abstract

一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪。主要解决现有电磁随钻测量仪所发射出的微弱电磁波信号难以被井上测量系统拾取的问题。其特征在于：在信号输入端和上位机信号输出端之间依次设置有可变增益的高输入阻抗放大器、滤波模块、可变增益的程控放大器、信号调理模块以及数字信号处理器模块；程控放大器将经过两级放大的信号输出至信号调理模块，信号调理模块生成并输出待解调信号；数字信号处理器模块将待解调信号进行数字信号解调后向上位机显示信号输出端输出并通过内置的I/O接口分别对高输入阻抗放大器和程控放大器进行增益调节。应用该装置后，可以有效地拾取电磁随钻测量仪传至地面的微弱电磁波信号，指导整个钻探过程顺利进行。

Description

一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪

技术领域

本实用新型涉及一种石油、矿山以及地质勘探等随钻测量或随钻测井领域中应用的地面信号接收装置，具体的说，是涉及一种可与电磁随钻测量仪配合使用提高信号接收效率的装置。

背景技术

电磁随钻测量仪EM-MWD，即Electromagnetic Measurement While Drilling，是近年来石油钻探领域中的新设备，该设备具有信号传输速率高、数据传输方便、测量时间短等特点。特别是，EM-MWD系统基本不受钻井液介质影响，它不仅适用于常规钻井液中的随钻测量，还适合于在气体、泡沫、雾化、空气、充气等钻井液中使用，从而解决了目前国内外普遍采用的钻井液脉冲MWD系统无法解决的技术难题。同时，随着电磁技术和信号处理技术的不断进步，EM－MWD系统的测量深度及可靠性不断提高，EM－MWD技术因其良好的市场需求和应用前景，已成为国内外各大石油公司和技术服务公司的研究热点，而且国外很多公司已经推出了一系列的商业化产品，并进行了推广应用。EM-MWD技术必将对随钻测量技术的发展起到极大的推动作用。但随着较长时间的应用后，发现电磁随钻测量仪存在如下技术问题：由于EM-MWD的信号载体是无线电磁波，在钻探过程中，随着钻井深度的加大，井下随钻发生器传到地面的信号可能会更加微弱，而且夹杂在信号中的噪声幅度也随之升高，这就大大提高了地面信号的提取难度。纵观当前国际EM-MWD技术的发展，美国、加拿大和俄罗斯等欧美国家都是该技术的先行者，他们都在该技术的研发投入大量的人力物力，而且已经有Schlumberger、Halliburton 、NL Sperry Sun、Baker-Hughes Inteq、СаМарские гориэонты等公司推出了一系列的em-mwd商业化产品。可能是出于对该技术的产权保护、或者是该技术还不具备完全成熟的推广条件，所以，直至目前，仅有几家EM-MWD产品在我国的石油矿山钻探领域采用，而且从对产品使用客户的调查中发现，所采用的EM-MWD产品几乎不能稳定可靠运行，还只是试验阶段的试运行，无法真正有效地指导用户的钻探过程。尤其是地面信号接收系统，在井场复杂噪声的干扰下，几乎无法满足高深度随钻仪器的地面信号检测。因此，如果能够开发出一款具有高增益、高抗干扰的地面信号接收装置与之配套应用是非常必要的。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本实用新型提供一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪，该种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪可以有效地拾取电磁随钻测量仪传至地面的微弱电磁波信号，并且可以及时地将信号放大、解调，转换为直观的随钻工具面信息，指导整个钻探过程顺利进行下去。

本实用新型的技术方案是：该种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪，包括一个原始信号输入端和上位机显示信号输出端，其特征在于：在所述原始信号输入端和上位机显示信号输出端之间依次设置有可变增益的高输入阻抗放大器、滤波模块、可变增益的程控放大器、信号调理模块以及数字信号处理器模块；其中，所述滤波模块由低通、带通和高通滤波器组合而成；所述信号调理模块具有隔直流、滤波以及平移功能；所述高输入阻抗放大器接收来自于原始信号输入端的微弱信号，并向所述滤波模块输出待滤波信号；所述滤波模块向程控放大器输出滤除噪声的信号；所述程控放大器将经过两级放大的信号输出至所述信号调理模块，所述信号调理模块生成并输出可供所述数字信号处理器模块中的A/D采样器接收的待解调信号；所述数字信号处理器模块将待解调信号解调后通过内置的通讯模块向所述上位机显示信号输出端输出；所述数字信号处理器模块通过内置的I/O接口分别对所述高输入阻抗放大器和程控放大器进行增益调节。

本实用新型具有如下有益效果：本种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪采用了两级可调增益的放大器以及DSP控制器，以此确保了该装置对微弱信号的处理能力，一方面大大提高了地面信号接收仪的信号放大精度，另一方面则提高了数字信号的处理速度。使用该装置在钻井过程中，随钻仪器跟着钻头在持续钻入地层深处，同时，随钻仪器测得的数据信息通过信号发射器以电磁波的形式向地层扩散。随着钻进深度的逐步增加，传至地表的信号也在逐渐减小，本种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪的任务就是采集到这个逐渐减小的信号，并且将该信号放大、滤波，由处理器解调成数据信息送给上位机显示。本种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪具有相当高的增益特性和滤波特性，电路工作稳定可靠，能够拾取到微伏级，甚至是纳伏级的电压信号，为增大钻井深度和提高钻井效率提供了可靠的保证。

附图说明：

图1是本实用新型的构成示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

由图1所示，该种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪，是配套电磁随钻测量仪EM-MWD使用的，其主要功能是拾取电磁随钻测量仪EM-MWD井下发射器发出的电磁波信号，并将该电磁波信号放大、滤波和解调，从而指导钻井过程的顺利进行。该种地面信号接收仪包括一个原始信号输入端和上位机显示信号输出端，在所述原始信号输入端和上位机显示信号输出端之间依次设置有可变增益的高输入阻抗放大器、滤波模块、可变增益的程控放大器、信号调理模块以及数字信号处理器模块。其中，所述滤波模块由低通、带通和高通滤波器组合而成；所述信号调理模块具有隔直流、滤波以及平移功能；所述高输入阻抗放大器接收来自于原始信号输入端的微弱信号，并向所述滤波模块输出待滤波信号；所述滤波模块向程控放大器输出滤除噪声的信号；所述程控放大器将经过两级放大的信号输出至所述信号调理模块，所述信号调理模块生成并输出可供所述数字信号处理器模块中的A/D采样器接收的待解调信号；所述数字信号处理器模块将待解调信号解调后通过内置的通讯模块向所述上位机显示信号输出端输出；所述数字信号处理器模块通过内置的I/O接口分别对所述高输入阻抗放大器和程控放大器进行增益调节。

具体实施时，所述高输入阻抗放大器为美国ADI公司的高阻抗运算放大器；所述滤波模块为由电阻、电容和运算放大器搭建成的有源滤波器模块；所述程控放大器为美国TI公司的可变增益放大器；所述信号调理模块为电阻、电容和运算放大器搭建成的信号变换电路模块；所述数字信号处理器模块为美国TI公司的TMS320F2812芯片。

图1中所列的放大器1即为可变增益的高输入阻抗放大器，作为前置放大器，它的主要作用是提高信号放大器的输入阻抗，压制输入信号中的噪声，同时，再将输入信号放大。放大器1装在接收仪信号通路的前端，主要是为了提高接收仪的输入阻抗，便于拾取微弱信号，所以放大器1一定要选用高输入阻抗、低噪声的高精度器件，并且放大器1必须有一定的增益调节范围。该地面信号接收仪所采用放大器1，其增益调节需要由具体的仪器操作人员，根据现场情况，由外置按钮输入指令给CPU，由CPU控制放大器1的增益变换。

由于滤波模块是由带通、低通、高通滤波器构成，针对不同的信号，滤波器的组合可能不同，完全取决于信号滤波后的效果，具体执行由数字信号处理器模块完成。仪器操作人员观察显示器上显示的信号滤波组合的各个滤波结果，选择其中最为理想的一组滤波器，此组滤波器组合就成了信号的滤波通道。假如，仪器运行中碰到信号滤波效果变差，还可以重新选择另一组滤波形式。总之，滤波模块的主要功能就是在保证信号不失真的情况下最大限度滤掉其中的噪声，为后续的信号放大和信号解调奠定基础。

图1中所示的放大器2即是所述的可变增益的程控放大器，其作用是放大信号，使其在一个适当的范围内，这种增益的自动变换是通过数字信号处理器模块的控制实现的。信号调理模块的作用是变换放大器输出的信号，因为信号在通过放大器和滤波模块后可能会出现中心偏移的情况，而且数字信号处理器模块的A/D采样器对采样信号的形态也有一定的要求，因此，此处设置了信号调理模块就是希望合理变换信号，满足A/D采样器的要求，保证被放大的信号顺利、如实地送入A/D采样器。具体实施时，放大器2可以是一组可变增益放大器的组合，由几个增益可程控调节的放大器级联，通过数字信号处理器模块，即DSP自动调节其增益。由于DSP中存入了已经编好的软件程序，根据放大器2输出端的信号自行调节各级放大器的增益，使输出信号既不过大，也不过小，始终保持在一个合理范围。

如图1所示，该地面信号接收仪的信号调理模块主要用来调整信号，其中包括部分信号滤波功能。由放大器2输出的信号进入信号调理模块，先对信号进行滤波，滤掉其中的噪声，然后通过隔直、平移、放大或缩小等措施，将信号调理成A/D采样器要求的信号格式，提供给A/D采样器，等待DSP解调。

如图1所示，该地面信号接收仪的数字信号处理器模块是整个信号接收仪运行的中枢，几乎全部执行过程的控制都由它完成，包括：放大器1和放大器2的增益调节，滤波模块中滤波通路的选择，以及信号的整个解调过程和信号通讯。DSP中预置了编写好的软件程序，由程序发出指令来执行各个过程。

本种地面信号接收仪所提供的地面信号接收仪是用来配合EMMWD系统采集信号，所采集的信号都是微弱信号，可能到微伏级，甚至纳伏级，要保证全部芯片都正常工作，必须有一个性能可靠、工作稳定的电源，因此，配合本装置还需要一种专门设计的直流稳压电路模块，给地面接收仪器所有模块电路提供统一的直流电源，并且还需要在各个电路模块中分别进行电源去耦处理。

Claims

1.一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪，包括一个原始信号输入端和上位机显示信号输出端，其特征在于：在所述原始信号输入端和上位机显示信号输出端之间依次设置有可变增益的高输入阻抗放大器、滤波模块、可变增益的程控放大器、信号调理模块以及数字信号处理器模块；其中，所述滤波模块由低通、带通和高通滤波器组合而成；所述信号调理模块具有隔直流、滤波以及平移功能；所述高输入阻抗放大器接收来自于原始信号输入端的微弱信号，并向所述滤波模块输出待滤波信号；所述滤波模块向程控放大器输出滤除噪声后的信号；所述程控放大器将经过两级放大的信号输出至所述信号调理模块，所述信号调理模块生成并输出可供所述数字信号处理器模块中的A/D采样器接收的待解调信号；所述数字信号处理器模块将待解调信号解调后通过内置的通讯模块向所述上位机显示信号输出端输出；所述数字信号处理器模块通过内置的I/O接口分别对所述高输入阻抗放大器和程控放大器进行增益调节。

2.根据权利要求1中所述的一种用于电磁波随钻测量的地面信号接收仪，其特征在于：所述高输入阻抗放大器为美国ADI公司的高阻抗运算放大器；所述滤波模块为由电阻、电容和运算放大器搭建成的有源滤波器模块；所述程控放大器为美国TI公司的可变增益放大器；所述信号调理模块为电阻、电容和运算放大器搭建成的信号变换电路模块；所述数字信号处理器模块为美国TI公司的TMS320F2812芯片。