CN212083694U - 井下时间域电磁多分量远探测仪器及基于其的探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井下时间域电磁多分量远探测仪器及基于其的探测系统，为了解决现有基于频率域电磁感应原理的感应电磁测井仪器只有非常有限的探测距离的问题；本发明的仪器包括：高强度无磁性不锈钢或合金或复合材料外壳，安装于外壳内的三分量时间域电磁发射模块、多级阵列式时间域电磁信号接收模块、多级阵列式时间域磁场信号采集单元、多级阵列式时间域电场信号采集单元、三分量光纤惯导定位定向模块、模数转换模块以及存储器；所述三分量光纤惯导定位定向模块安装于仪器中部，用于采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角；本发明的仪器可以采用较短的时间域仪器长度达到较长频率域电磁感应仪器才能做到的远探测，降低了探测仪器制造成本，简化了井下作业流程。

Description

井下时间域电磁多分量远探测仪器及基于其的探测系统

技术领域

本实用新型属于地球物理勘探技术领域，特别涉及一种井下时间域电磁多分量远探测仪器。

背景技术

井下电磁测井仪器远探测能力将有助于解决油气资源勘探开发上有关油气藏构造和油气水分布的问题。在过去20多年里，各大油公司和服务公司做了许多调研，归纳的应用有数十种，诸如探边、避水、高压地层预警、前探盐丘、过断层走丢后找回目的层等。无论针对哪一种油藏地质情况及其应用，该技术的目的是描述清楚井周围的地质构造和流体的分布，弥补常规测井探测范围与地震分辨率之间的空间尺度间隙。

目前井下商用电磁远探测仪器以10多年前推出的探测深度远达5米类仪器，这里简称“5米”或第一代远探测仪器，和近年里发展的探测深度远达30米类仪器，这里简称“30米”或第二代远探测仪器。服务公司也已经把第二代远探测仪器在理想情况下实现最远达50米至60米探边能力。这些仪器有一个特点，也即为了远探测，他们把仪器做得越来越长了，其长度基本上与探测深度成比例，这在仪器制造、现场应用、数据解释、服务成本等方面带来了众多不便。另外一个特点是这些仪器均为工作在频率域的电磁场方法。

在过去20多年里，就远探测和钻头前视领域各大油公司和服务公司做了许多尝试。这些应用可以是在水平井中，也有在垂直井和定向井中的。

在水平井里，主要有地质导向，保证井眼打入设计层位，保持优化的距离盖层或油水界面距离等。远探测也用于优化井轨迹，便于钻后完井和生产。同样在水平井中，远探测用来寻找盐层中的有空隙的碳酸盐岩储层，发现河道沙透镜体，发现裂缝型空隙储层，避免打入水椎体或远离水层。

远探测在直井或定向井中也有众多的应用，如看见或看穿前方的盐层或石膏层及至这类地层的距离，预测前方的高压地层保证钻井的安全，定义附近盐丘的轮廓等。同样在直井中，人们希望远探测能提供侧向的沉积相的变化，探测到井眼远处的油水边界，描述不联通的储层空间，发现常规方法漏失的油气聚集。

在油田多次采收注水生产中，远探测和前视可以帮助观察水驱或气驱的前沿、油水界面的变化、气椎和水椎的形成等。几种常见的远探测和前视应用，诸如通过前视来省去导眼井，采用前视预知地层的尖灭，远探测帮助打入邻近的河道沙体，以及远视提供较精确的距盖层和距油水界面的距离。

目前市场上的井下商用电磁远探测仪器主要以10多年前推出的第一代电磁远探测或“5米”仪器和最近年里推出的“30米”第二代电磁远探测仪器。尽管服务公司已经把第二代电磁远探测仪器在理想情况下最远可达50米至60米，为方便起见这里统一简称第二代电磁远探测仪器为“30米”。表1和表2列出了国外频率域井中电磁远探测仪器的参数和指标的对比。

表1：“5米”仪器的一些基本参数。

表2：“30米”仪器的一些基本参数

这些仪器有一个特点，也即为了实现电磁远探测，他们把仪器做得越来越长了，其长度基本上与探测深度成比例，这在仪器制造、现场应用、数据解释、服务成本等方面带来了众多不便。例如，30米的远探仪器设置需要发射线圈与接收线圈间的距离在30米或接近30米左右。

为了看清楚远处的地层，一定同时需要看清近处和远近之间的所有地层构造，因此除了较长的发射和接收线圈距之外，上述仪器还需要其它线圈距组合，如短和中等的发射和接收线圈距，这样增加了仪器结构的复杂性和应用成本。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题，提出一种井下时间域电磁多分量远探测仪器及基于其的探测系统，可以使得时间域电磁测量在井下远探测应用中的实现，即本实用新型的仪器可以采用较短的时间域电磁多分量远探测仪器长度达到较长频率域电磁感应仪器才能做到的远探测，降低了探测成本。

本实用新型采用的技术方案之一为：井下时间域电磁多分量远探测仪器，包括：高强度无磁性不锈钢或合金或复合材料外壳，以及安装于外壳内的三分量时间域电磁发射模块、多级阵列式多分量时间域电磁信号接收模块、三分量光纤惯导定位定向模块、模数转换模块以及存储器；所述多级阵列式多分量时间域电磁信号接收模块包括：多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元、多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元；所述三分量光纤惯导定位定向模块安装于仪器中部，用于采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角；

所述三分量时间域电磁信号发射模块用于产生三分量激励磁场，所述多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元用于接收三分量时间域磁场信号，所述多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元用于采集单分量时间域电场信号；所述模数转换模块将三分量时间域磁场信号与单分量时间域电场信号转换成数字信号，并存储到存储器中；所述存储器还包括存储三分量光纤惯导定位定向模块采集的仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角数据。

还包括安装于外壳内的光电转换模块，用于将模数转换器输出的数字信号转变为光信号，以便用光电复合缆里面的光纤将井下仪器采集的时间域电磁数据和仪器的实时姿态数据高速传输到井口的仪器车里的计算机里面。

所述三分量时间域电磁信号发射模块为时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域电磁发射线圈。所述时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域电磁发射线圈由6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系。

所述多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元为阵列式时间域电磁多分量远探测仪器的多级三分量磁场接收线圈。所述时间域电磁多分量远探测仪器的每级三分量磁场接收线圈由6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系。

所述多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元为沿仪器延伸方向分量的时间域电场接收不极化电极对，每对不极化电极对安装在每个三分量时间域磁场接收线圈的两端。

所述三分量光纤惯导定位定向模块为干涉型光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪、受激布里渊散射光纤陀螺仪、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺以及微机械陀螺组合的惯导模块中的一种。

所述光三分量纤惯导定位定向模块安装于三分量发射线圈与三分量磁场接收线圈之间。

还包括授时模块，用于为三分量光纤惯导定位定向模块采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角数据进行授时，以及用于给井下随钻时间域电磁多分量远探测仪器采集的多分量时间域电磁数据进行授时。这里的时间域电磁数据包括：多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元接收的三分量时间域磁场信号，与多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元所采集的单分量时间域电场信号。

一种井下时间域电磁多分量远探测系统，包括上述井下时间域电磁多分量远探测仪器以及地面控制和数据采集处理子系统，所述井下时间域电磁多分量远探测仪器与地面控制和数据采集处理子系统通过铠装光电复合缆相连接，以便用光电复合缆里面的光纤将井下仪器采集的时间域电磁数据和仪器的实时姿态数据高速传输到井口的仪器车里的计算机里面。

本实用新型采用的技术方案之二为：井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域电磁信号发射电路，包括：交流/直流电源模块、有源钳位电压源模块、功率逆变模块、数字逻辑控制模块、驱动模块、发射线圈、电流波形高精度检测与记录模块；

所述交流/直流电源模块与功率逆变模块相连，用于将外部输入的交流电源转换为直流电源；

所述功率逆变模块由4个MOSFET功率开关组成，所述发射线圈与4个MOSFET功率开关相连，所述数字逻辑控制模块用于产生时序逻辑信号，通过驱动模块控制MOSFET 功率开关的导通与截止，从而产生脉冲电流波形；

电流波形高精度检测与记录模块与发射线圈相连，用于对实际发射电流进行实时检测，并记录发射电流数值与波形的变化；

所述有源钳位电压源模块用于在大功率电流上升沿和下降沿期间，提供稳定的高电压。

所述直流电源包括AC-DC低压大功率电源和AC/DC高压钳位电源，所述AC-DC低压大功率电源为发射电流提供所需的能量，所述AC/DC高压钳位电源作用于有源钳位电压源模块。

所述有源钳位电压源模块包括：低压直流源电路、上升沿钳位电路、MOSFET全桥逆变电路、下降沿钳位电路、阻尼吸收电路以及发射负载电路；所述低压直流源电路、上升沿钳位电路、MOSFET全桥逆变电路、下降沿钳位电路依次串联；所述MOSFET全桥逆变电路、阻尼吸收电路与发射负载电路并联；

所述低压直流源电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、平顶段低压源E1、电容C1，所述电阻R1第一端与电阻R2第一端相连，电阻R2第二端与电阻R3第一端相连，电阻 R3第二端接地，电阻R1第二端与平顶段低压源E1第一端相连，平顶段低压源E1第二端接地，电阻R1第二端还与电容C1第一端相连，电容C1第二端接地；

所述上升沿钳位电路包括：钳位控制开关Q5、上升沿高压钳位源E2、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、与门、或门、运算放大器CP1、电阻R5、二极管D8、二极管D9；所述钳位控制开关Q5为MOSFET，所述钳位控制开关Q5漏极接上升沿高压钳位源E2第一端，上升沿高压钳位源E2第二端接地，所述钳位控制开关Q5源极接二极管D8负极，二极管D8正极接第一电阻R1第二端，所述钳位控制开关Q5栅极接与门的输出端，所述与门的第一输入端接运算放大器的输出端，所述与门的第二输入端接或门的输出端，所述或门第一输入端接控制信号S1，所述或门第二输入端接控制信号S2；所述运算放大器CP1 正极接第三电阻R3第一端，所述运算放大器CP1负极接AC-DC低压大功率电源，所述运算放大器CP1负极还通过电阻R5接地，所述二极管D9正极接钳位控制开关Q5源极，二极管D9负极接AC-DC低压大功率电源，二极管D10的正极接AC-DC低压大功率电源，所述E2第一端还与电容C2相连，电容C2第二端接电容C4第一端，电容C4第二端接地，电容C2第一端还与电容C3第一端相连，电容C3第二端接电容C5第一端，电容C5第二端接地；

所述MOSFET全桥逆变电路包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、二极管D10，所述功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4为MOSFET，功率开关Q1漏极接二极管D10正极，二极管D10负极接功率开关Q2漏极，功率开关Q1 栅极接控制信号S1，功率开关Q1源极接功率开关Q3漏极，功率开关Q3栅极接控制信号 S2，功率开关Q3源极接地，所述功率开关Q2栅极接控制信号S2，功率开关Q2源极接功率开关Q3漏极，功率开关Q3栅极接控制信号S1，功率开关Q3源极接地；

所述下降沿钳位电路包括：电阻R4、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、下降沿高压钳位源E3以及二极管D11；所述电阻R4第一端接二极管D10负极，电阻R4第二端接地，地租R4第一端还与电容C6第一端相连，电容C6第二端与电容C8第一端相连，电容C8第二端接地，电容C6第一端还与电容C7第一端相连，电容C7第二端接电容C9 第一端，电容C9第二端接地，电容C7第一端还接二极管D11负极，二极管D11正极接下降沿高压钳位源E3第一端，下降沿高压钳位源E3第二端接地；

所述阻尼吸收电路包括功率开关Q6.功率开关Q7以及电阻R6，所述功率开关Q6漏极接功率开关Q1源极，所述功率开关Q6栅极悬空，所述功率开关Q6源极接电阻R6第一端，电阻R6第二端接功率开关Q7源极，功率开关Q7栅极悬空，功率开关Q7漏极接功率开关Q2源极；

所述发射负载电路包括电感L、电阻R，所述电感L第一端接功率开关Q1源极，所述电感L第二端接电阻R第一端，电阻R第二端接功率开关Q2源极。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的井下时间域电磁多分量远探测仪器及基于其的探测系统，使得时间域电磁测量在井下远探测应用中的实现，从而可以采用较短的时间域电磁多分量远探测仪器长度达到较长频率域电磁感应仪器才能做到的远探测，大大的降低了井下远探测的仪器制造成本，简化了井下作业的流程。

附图说明

图1本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器结构示意图；

图2本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器系统功能示意图；

图3本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器系统整体电路设计框图；

图4本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器采集的三维时间域电磁数据处理方法和流程图；

图5本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器井下时间域电磁脉冲发射机总体设计框图；

图6本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器井下时间域电磁脉冲发射机快边沿恒压双钳位原理图；

图7本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器发射机恒压双钳位发射机电路拓扑图；

图8本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器数据接收子系统数据采集板系统功能框图；

图9本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测系统的电缆测井仪器内三分量时间域电磁发射和三分量磁场接收线圈的结构示意图；

图10本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器和地面控制激发与数据接收系统原理框图。

附图标记说明：1为井下时间域电磁多分量远探测仪器外壳；3为光纤惯导定位定向模块；4为耐高温高精度恒温晶振或原子钟芯片；5为连接井下多分量仪器的铠装光电复合缆；6为连接光纤惯导传感器装置的32位模数转换电路和存储器；12为阵列时间域电磁多分量远探测仪器的三分量电磁发射线圈；14为阵列时间域电磁多分量远探测仪器的多级三分量电磁接收线圈；15为阵列时间域电磁多分量远探测仪器的垂直电场分量接收用不极化电极；16为地面大电流源发射控制激发单元；17为地面多通道控制和数据接收单元；31为光电转换模块；32为多通道32位模数转换电路和存储器；70为随钻测井仪器外壳；71为随钻测井仪器内传感器固定支架；72、随钻测井仪器内部钻井泥浆通道；73为随钻测井仪器的牙轮钻头；74为垂直磁场分量发射线圈；75为水平磁场分量发射线圈； 76为水平磁场分量发射线圈；77为垂直磁场分量接收线圈；78为水平磁场分量接收线圈； 79为水平磁场分量接收线圈。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型的技术内容，下面结合附图1-10对本实用新型内容进一步阐释。

时间域电磁法的原理:将周期性的脉冲电流送入发射线圈，此地下脉冲电流在其周围的空间产生一次场。当地下有良导体(金属矿)或高阻体(石油或天然气)存在时，由于电磁感应原理，良导体内感应了涡流，高阻体会排斥一次场的电流，良导体内感应的涡流或被高阻体排斥的一次场的电流就会在其周围空间产生二次场。当一次场脉冲磁场断掉后，导体内的感应电流或被高阻体排斥的一次场的电流并不立即消失，而是按指数规律逐渐扩散、衰减和消失的过渡过程。因此，在导体周围的空间形成衰减的二次磁场，可用烟圈效应这一名词来描述。这个衰减扩散的二次磁场就是二次磁场的时间特性。研究二次场的时间特性是时间域电磁法的主要任务之一。

在电缆测井应用中，对于电磁远探测和前视，根据时间域电磁方法的理论，时间域电磁方法可用于在距井眼相对较远的距离处对电导率分布进行成像，有助于在油气藏中最佳布井。根据时间域电磁方法的理论，当时间t＝0前(一次场断电前)，时间域电磁仪器的发射源在其周围的地层中建立起直流磁场，并记录由源电流在t＝0时(一次场断电时刻)突然切断后引起的瞬变感应电压。实验证明时间域电磁测量值可用于定义时间相关的电导率，以及时间相关的视倾角和方位角。可以用于在均匀的背景中确定导电或高阻异常体的存在和位置，并且因此可以用于获得井眼周围岩石或储层的导电率分布的图像。

本实施例的井下时间域电磁多分量远探测仪器，包括：高强度无磁性不锈钢或合金或复合材料外壳1，以及安装于外壳内的三分量时间域电磁信号发射模块12、多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元14、多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元15、三分量光纤惯导定位定向模块3、模数转换模块以及存储器6；所述三分量光纤惯导定位定向模块3安装于发射模块12和磁场信号采集单元14之间，用于采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角数据；

所述三分量时间域电磁信号发射模块12用于产生三分量激励磁场，所述多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元14用于接收三分量时间域磁场信号，所述多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元15用于采集单分量时间域电场信号；所述模数转换模块将三分量时间域磁场信号与单分量时间域电场信号转换成数字信号，并存储到存储器中；所述存储器还包括存储三分量光纤惯导定位定向模块采集的仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角的数据。

还包括安装于外壳内的光电转换模块，用于将模数转换器输出的数字信号转变为光信号，以便用光电复合缆里面的光纤将井下仪器采集的时间域电磁数据和仪器的实时姿态数据高速传输到井口的仪器车里的计算机里面。

本实施例中三分量时间域电磁信号发射模块12为时间域电磁远探测仪器的三分量磁场发射线圈，由6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系，此6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系中心是空心的，便于仪器内部的电源线和信号线从发射线圈系中心穿过，连接到仪器顶端的铠装光电复合缆。

本实施例中的多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元14为阵列式时间域电磁远探测仪器的多级三分量磁场接收线圈，由每级6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系，此6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系中心是空心的，便于仪器内部的电源线和信号线从接收线圈系中心穿过，连接到仪器顶端的铠装光电复合缆。

本实施例中多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元15为测量沿仪器延伸方向分布电场的不极化电极对，每对不极化电极对安装在每个三分量时间域磁场接收线圈的两端。

所述三分量光纤惯导定向定位系统固定于三分量磁场传感器旁，当仪器中的传感器工作时，光纤惯导定向定位系统实时记录三分量磁场传感器的位置、移动速度、方位和姿态等信息。

如图1所示为本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器结构示意图，包括：井下三分量发射多分量阵列接收时间域电磁多分量远探测仪器外壳1，时间域电磁多分量远探测仪器的三分量电磁发射线圈12，三分量光纤惯导定位定向模块3，时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域磁场接收线圈14，时间域电磁多分量远探测仪器的沿仪器延伸方向的单分量时间域电场接收用不极化电极对15，铠装光电复合缆5。三分量光纤惯导定位定向模块3安装在三分量电磁发射线圈12和阵列三分量磁场接收线圈14之间，用于实时测量记录井下该三分量时间域电磁发射多分量时间域电磁阵列接收仪器在作业过程中的所有测点的实际方位和位置坐标信息，并通过铠装光电复合缆5把该三分量发射多分量阵列接收时间域电磁远探测仪器测量到的井下时间域电磁多分量数据一起实时上传到井口的测井仪器车里的计算机里存储起来，便于在后续的数据处理。

针对随钻井下时间域电磁多分量远探测仪器，采用了耐高温高精度恒温晶振或原子钟芯片对实时测量的三分量时间域磁场数据、单分量时间域电场数据和光纤惯导数据进行授时，实现随钻井下时间域电磁多分量远探测仪器的连续数据采集。

本实用新型的井下探测仪器与地面控制和数据采集子系统之间的通信问题，可分为两种情况，一是可以通过铠装光电复合缆5直接与地面控制和数据采集子系统进行实时高速通信；另一种是与地面控制和数据采集子系统无通信，随钻井下仪器里面的数据存储模块把采集到的多分量时间域电磁数据和三分量磁场传感器的实时位置、速度和姿态数据记录存储下来，则待仪器出井后，将其中存储的数据导入地面控制和数据采集子系统；为了确保第二种情况的数据采集实时性问题；本实用新型在仪器中加入授时模块，具体的工作过程为：

井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域可控电磁源发射传感器和四分量时间域电磁接收传感器将实测的三分量时间域电磁发射数据和四分量时间域电磁接收数据经授时器授时后存储在存储器中；三分量光纤惯导定位定向模块将实测的三分量磁场传感器的实时位置、速度和姿态信息经授时器授时后存储在存储器中；当井下的随钻时间域电磁多分量远探测仪器从井下取出后，将存储器中的数据传输至地面控制和数据采集子系统。所述通信连接具体通过铠装光电复合缆连接。

第二种情况还包括：光电转换电路，具体工作过程为：井下时间域电磁多分量远探测仪器的多分量传感器与32位模数转换电路输入端相连，三分量光纤惯导定位定向模块通过光电转换电路与32位模数转换电路输入端相连，32位模数转换电路输出端与存储器相连。

井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域电磁信号发射单元为三分量感应线圈式换能器或三分量电磁发射传感器。其多级阵列式三分量时间域磁场信号传感器为三分量感应线圈式磁场传感器，或三分量磁通门式磁场传感器，或三分量超导磁场传感器，或三分量冷原子磁场传感器，或三分量光纤磁场传感器。

井下时间域电磁多分量远探测仪器的井下多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元15为测量沿仪器延伸方向分布电场的不极化电极对，每对不极化电极对安装在每个三分量时间域磁场接收线圈的两端。

井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量光纤惯导定位定向模块为干涉型光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪、受激布里渊散射光纤陀螺仪、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺以及微机械陀螺组合的惯导模块。

如2图所示的是井下时间域电磁多分量远探测仪器功能示意图，按功能划分，主要包括：电子单元、三分量发射线圈、阵列式三分量接收线圈，所述电子单元包括发射机电路和接收机电路；本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器系统整体电路设计框图如图3所示，具体的发射机电路通过开关控制与三分量发射线圈连接，分时发射。阵列式三分量接收线圈、单分量接收电极与多通道接收机连接，对三分量时间域磁场数据和单分量时间域电场数据实时采集与存储。阵列式接收机同时实时采集三分量发射电流信号并进行存储。

图4是井下时间域电磁多分量远探测仪器采集的三维时间域电磁数据处理方法和流程图。采用本实用新型所探测到的数据，其数据处理方式为现有技术，比如可以采用如下处理流程，包括：

1、根据井轨迹曲线，先将井下仪器在每个测点位置的测量深度值(MD)换算成从井口到井底的垂直深度值(TD)；

2、根据光纤惯导定位定向模块测量得到的井下时间域电磁多分量远探测仪器的多分量传感器的倾角、方位角和倾向，对多分量时间域电磁数据进行旋转处理；

3、根据步骤2旋转处理后的多分量时间域电磁数据，提取与电磁特性有关的岩石或地层的三分量电阻率数据；

4、根据步骤3提取的三分量电阻率数据进行反演成像，获取测点位置一定距离范围内的岩石或地层电性(电阻率和极化率(激发极化参数))参数的分布规律；

5、采用适应性强的时间域瞬变电磁三维正演算法，模拟各向异性的高精度数值；

6、在迭代算法计算过程中使用无矩阵方法计算矩阵向量乘积，并利用分布式网格分区技术实现算法的并行化，并行算法达到或接近线性加速比；

7、利用快速反演及成像技术，通过并行计算及雅克比矩阵快速求解，加速反演及成像速度，计算出从井眼到远距离处地下介质的电性参数分布特征和规律；

8、根据其它的地质、构造、岩性、储层及其电性参数分布特征和规律，综合解释从井口到远距离范围内的油气或矿产资源的富集程度(含油气饱和度或矿产资源的品位)，实现利用井下时间域电磁多分量远探测仪器探测远离井眼的地质目标的目的。

本领域技术人员可以结合图4所示的处理流程对本实用新型的探测仪器所采集的三维时间域电磁数据进行处理，由于具体的数据处理方法不是本实用新型的重点内容，在此不做详细叙述。

图5是井下时间域电磁多分量远探测仪器发射子系统的井下时间域电磁脉冲发射机整体电路框图所示。主要包括：交流/直流电源模块、有源钳位电压源模块、功率逆变模块、驱动模块、数字逻辑控制模块、阻尼电路，发射线圈、电流波形高精度检测与记录模块。发射系统采用单相交流发电机在地面通过数千米光电复合缆供电，经过交流/直流变换装置获得直流供电电压，同时经过交流/直流变换装置获得直流钳位高压。基于FPGA的发射机控制核心模块，利用PWM调制技术控制三相交流/直流变换电路，对功率变换电路的输出电压、输出电流进行精确控制，并最终实现发射机MOSFET功率开关电路对发射机负载按照预设值恒流输出。

图6是井下时间域电磁多分量远探测仪器井下时间域电磁脉冲发射机快边沿恒压双钳位原理图。多匝小线圈为感性负载，电流脉冲通过多匝小线圈激发电磁信号，负载线圈设计必须与发射机电路相匹配。同时对实际发射电流进行实时检测，并准确记录发射电流波形的变化。安全保护与故障报警电路可以实时监控发射机的工作状态，一旦出现电流过大、电压过高、温度过热等现象，就会立即报警并切断电源，确保发射机系统安全稳定的工作。

井下时间域电磁多分量远探测仪器发射机恒压双钳位发射机电路拓扑图如图7所示。直流电源包括AC-DC低压大功率电源和AC/DC高压钳位电源，这两个电源是独立的，为发射机系统提供能量。有源钳位电压源由功率开关控制的高压直流恒压源组成，作用是在发射电流上升沿和下降沿期间，给发射系统提供稳定的高电压，使发射电流线性快速上升，同时快速线性下降。全桥逆变电路为4个大功率MOSFET功率开关组成，通过控制功率开关的导通与截止实现脉冲电流波形的产生。

数字逻辑控制器FPGA为发射机的控制核心，在同步时钟的作用下，产生时序逻辑信号，从而控制功率开关的导通与截止，发射与接收之间的信号同步，参数检测。

图8是井下时间域电磁多分量远探测仪器数据接收子系统数据采集板系统功能框图。数据采集子系统由模拟信号调理模块、数据采集模块和数据存储与传输模块三部分组成，系统组成结构框图如图8所示。数据采集子系统实现对磁场传感器子系统三轴磁场传感器输出的模拟信号进行调理使其满足ADC输入信号范围，通过24位ADC进行数字量化，量化后的数据存储于板载缓存中并通过CAN总线接口送往上位机。

为了提高系统检测灵敏度，磁场传感器增益较大，其输出信号幅度为+/-12V，而采集电路ADC最大不饱和电压为+/-2.5V，为了避免输入信号过大时ADC饱和，模拟信号调理模块设计前置放大器默认增益为1/5，从而使信号幅度在+/-2.4V之间，满足与ADC输入电压匹配要求。为了抑制共模信号干扰，前置放大器采用差分输入和差分输出方式。模拟信号调理模块主要由运算放大器THS4521-HT和RC构成的低通滤波器组成，THS4521-HT 工作温度可达210℃，每通道工作电流1.4mA，能够满足系统高温和低功耗设计要求。

数据采集模块设计包括模数转换电路、电压参考电路和数据传输接口设计。系统主控选用德州仪器(TI)公司高性能高温DSP处理器SM320F28335-HT，工作频率100MHz时最高工作温度可达210℃，主要功能包括控制ADC进行数据采集，控制数据存储和读取，解析上位机下发的控制命令并通过CAN总线接口将采集数据回传给上位机。ADC采用德州仪器(TI)公司高温同步采样24位模数转换器ADS1278，该芯片最大可支持8通道同步采样，内部集成有多个独立的高阶斩波稳零调制器和FIR数字滤波器，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式；采样率高达128KSPS。其中，3个接收通道用于三轴磁场传感器信号接收，1个通道用于温度信息采集，其余用于状态信息采集。数据输出可选帧同步或SPI串行接口，实现与DSP微控制器的连接。

由于参考电压VREF的精度和稳定性对ADS1278的精度和稳定性有极大的影响，因此数据采集模块选用TI公司的REF5025-HT和OPA2333-HT来构成系统的参考电压源。REF5025-HT是一款高温、低噪声、极低漂移的高精度参考源，能够提供2.5V的参考电压，最高工作温度可达210℃。OPA2333-HT是一款高温微功耗精密运算放大器，最高工作温度可达210℃，内部包含两个运算放大器，其中一个用作电压跟随器，输入为ADS1278 的COM端，输入端接一个0.1uF的电容用于降低噪声。输出连接至基本差分输入信号接口电路的COM端用来提供参考电压，另一个用作给ADS1278提供参考电压。

为提高数据存储速度，数据存储与传输模块将采样得到数字信号以二进制方式直接写入的缓存中，中间不涉及文件系统的转化。CAN总线作为一种有效支持分布式检测和实时控制的工业现场总线技术，具有可靠性高、通讯速率快、传输距离远、易于组网等优点，可以组建很好的数据通信系统。数据存储与传输模块将CAN总线技术应用于地井电磁测量系统数据的传输系统中，在地井仪器采集的参数经电缆传输到地面的基础上，将各数据采集和传输节点挂接到地面CAN网络，完成地面主机命令的发送与采集节点数据的上传，并用于遥测系统与数据采集子系统的命令交互和数据传输。CAN收发器选用TI公司具有待机模式和环回功能的3.3V高温SN65HVD333-HT，符合ISO11898标准的控制器局域网串行通信物理层的应用，信令速度高达1Mbps，具有交叉线保护、高达±36V的过压保护、接地失效保护、过热(热关断)保护以及±100V的共模瞬态保护功能。

图9是井下时间域电磁多分量远探测系统的电缆测井仪器内三分量时间域电磁发射和三分量磁场接收线圈的结构示意图(不含牙轮钻头73)。三分量时间域可控电磁源发射传感器的线圈由6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系，此6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系中心是空心的，便于仪器内部的电源线和信号线从发射线圈系中心穿过，连接到仪器顶端的铠装光电复合缆。每个三分量时间域磁场信号传感器的线圈由6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系，此6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系中心是空心的，便于仪器内部的电源线和信号线从接收线圈系中心穿过，连接到仪器顶端的铠装光电复合缆。

图9是井下时间域电磁多分量远探测系统的随钻测井仪器内三分量时间域电磁发射和三分量磁场接收线圈的结构示意图(含牙轮钻头73)，包括：随钻测井仪器外壳70，随钻测井仪器内传感器固定支架71，随钻测井仪器内部钻井泥浆通道72，随钻测井仪器的牙轮钻头73，光纤惯导定位定向模块3，连接光纤惯导传感器装置的光电转换模块31，连接光电转换模块31的32位模数转换电路和存储器6，耐高温高精度恒温晶振或芯片级原子钟9，垂直磁场分量发射线圈74，第一水平磁场分量发射线圈75，第二水平磁场分量发射线圈76，垂直磁场分量接收线圈77，第一水平磁场分量接收线圈78，第二水平磁场分量接收线圈79。

三分量光纤惯导定位定向模块3安装在三分量随钻感应测井仪器里的三分量磁场分量发射线圈74、75、76和三分量磁场接收线圈77、78、79之间，耐高温高精度恒温晶振或芯片级原子钟4安装在三分量光纤惯导定位定向模块3下方。三分量光纤惯导定位定向模块3用于实时测量记录三分量随钻感应测井仪器在钻井作业过程中的所有测点的实际方位和位置坐标信息，连接三分量光纤惯导传感器装置的32位模数转换电路和存储器6将实测的井下时间域电磁多分量远探测仪器里的多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息通过模数转换电路转换成数字信号后存储在存储器里，高精度的恒温晶振或芯片级原子钟给其记录的多分量时间域电磁数据、多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息进行授时。

井下随钻时间域电磁多分量远探测仪器从井筒里取出来后，把存储在随钻时间域电磁多分量远探测仪器里面的井下实测的多分量时间域电磁数据、多分量传感器的实时位置、速度和姿态信息传输到地面控制和数据采集处理子系统里，便于后续的数据处理。

图10是本实用新型的井下时间域电磁多分量远探测仪器和地面控制激发与数据接收系统原理框图。包括：三分量光纤惯导定位定向模块3，连接井下时间域电磁多分量远探测仪器的铠装光电复合缆5，井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域电磁发射线圈12，井下时间域电磁多分量远探测仪器的阵列式三分量时间域电磁接收线圈14，井下时间域电磁多分量远探测仪器的阵列式沿仪器延伸方向的电场分量接收用不极化电极对15，地面大电流源控制激发单元16，地面多通道控制和数据接收单元17，光电转换模块31和多通道32位模数转换电路和存储器32。其工作原理如下：当井下时间域电磁多分量远探测仪器下到井底可以开始进行发射和采集数据时，安装在仪器中部的三分量光纤惯导定位定向模块3同步开始测量并记录井下仪器此时的实时方位、位置和倾角并实时传输到地面多通道控制和数据接收单元17。地面大电流源控制激发单元16通过光电复合缆5 开始向井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量电磁发射线圈12发送预先设置好的激励电流，使发射线圈产生三分量激励磁场，同时井下时间域电磁多分量远探测仪器的三分量时间域电磁接收线圈14开始同步接收三分量发射线圈发射的激励电流所产生的三分量一次(激励)磁场信号，此时地层在三分量激励磁场信号下产生二次感应电流，二次感应电流在三分量磁场接收线圈里产生二次感应磁场。同时井下时间域电磁多分量远探测仪器的沿仪器延伸方向的电场分量接收用不极化电极对15测量三分量发射线圈发射的激励磁场所产生的一次感应电流场的信号，以及地层在三分量激励磁场信号下产生的二次感应电流场的信号。三分量磁场传感器(线圈)和沿仪器延伸方向的单分量电场传感器(不极化电极对)采集到的时间域电磁信号通过多通道32位模数转换电路和存储器32转换成数字信号并同步存储在存储器里面，同时将转换后的数字信号通过光电转换模块31转变成光信号，然后利用光电复合缆5将转换后的光信号传输到地面的多通道控制和数据接收单元 17进行质量监控(QC)和存储以便于后期的处理。

所述井下时间域电磁多分量远探测仪器采集的数据可以是三分量可控源电场数据、三分量可控源磁场数据。通过数据处理，可以计算出地下地层的三分量电阻率数据和三分量极化率数据等。

所述耐高温高精度三分量光纤惯性导航装置可以是干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)、谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)、受激布里渊散射光纤陀螺仪(B-FOG)、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺与微机械陀螺组合的惯导系统等。

本实用新型的工作原理为：对井下每个测点进行井下时间域电磁多分量数据的采集并在同测量点位置使用高精度三分量光纤惯性导航装置采集惯性导航数据。随后操作人员将井下时间域电磁多分量远探测仪器移动到下一个预先设计好的测点位置进行数据采集作业直至完成井内所有测点的数据采集工作。

用投影旋转处理步骤中的方法对井下采集的所有多分量时间域电磁数据逐一进行旋转处理，使井下多分量时间域电磁数据的垂直分量垂直于水平地面，两个水平分量将变为一个水平分量为南北向，另一个水平分量为东西向。或者通过旋转处理使一个水平分量平行于地质体走向或平行于既定剖面方向，另一个水平分量则垂直于地质体走向或垂直于既定剖面方向且与地面平行。

进一步通过正演模拟和反演计算等步骤处理经过投影和旋转后的井中三分量可控源电场数据、三分量可控源磁场数据、三分量电阻率数据和三分量极化率数据等，可以提取与电磁特性有关的岩石或地层的三分量电阻率数据和三分量极化率数据。

将井下各测点位置的三分量电阻率数据和三分量极化率数据进行反演成像，获取测点位置一定距离范围内的岩石或地层的电性参数(电阻率和极化率)的分布规律。

根据得到的岩石或地层的电阻率值和极化率值的分布规律，实现对测点位置一定范围内地质构造、岩石或地层含油气或高极化率矿物分布特征和规律的解释与评价。

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实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，包括：合金或复合材料外壳，以及安装于外壳内的三分量时间域电磁发射模块、多级阵列式多分量时间域电磁信号接收模块、三分量光纤惯导定位定向模块、模数转换模块以及存储器；所述多级阵列式多分量时间域电磁信号接收模块包括：多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元、多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元；所述三分量光纤惯导定位定向模块安装于仪器中部，用于采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角；

所述三分量时间域电磁信号发射模块用于产生三分量激励磁场，所述多级阵列式三分量时间域磁场信号采集单元用于接收三分量时间域磁场信号，所述多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元用于采集单分量时间域电场信号；所述模数转换模块将三分量时间域磁场信号与单分量时间域电场信号转换成数字信号，并存储到存储器中；所述存储器还包括存储光纤惯导定位定向模块采集的仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角数据；

还包括时间域电磁信号发射电路，所述电路包括：交流/直流电源模块、有源钳位电压源模块、功率逆变模块、数字逻辑控制模块、驱动模块、发射线圈、电流波形高精度检测与记录模块；

所述交流/直流电源模块与功率逆变模块相连，用于将外部输入的交流电源转换为直流电源；

所述功率逆变模块由4个MOSFET功率开关组成，所述发射线圈与4个MOSFET功率开关相连，所述数字逻辑控制模块用于产生时序逻辑信号，通过驱动模块控制MOSFET功率开关的导通与截止，从而产生脉冲电流波形；

电流波形高精度检测与记录模块与发射线圈相连，用于对实际发射电流进行实时检测，并记录发射电流数值与波形的变化；

所述有源钳位电压源模块用于在大功率电流上升沿和下降沿期间，提供稳定的高电压。

2.根据权利要求1所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，还包括安装于外壳内的授时模块与光电转换模块，所述授时模块用于为光纤惯导定位定向模块采集仪器的实时方位、移动速度、位置和倾角数据进行授时，以及用于给三分量时间域磁场信号与时间域电场信号进行授时；所述光电转换模块用于将模数转换器输出的数字信号转变为光信号。

3.根据权利要求1或2所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，所述时间域电磁信号发射模块为时间域电磁远探测仪器的时间域电磁三分量发射线圈；所述时间域电磁远探测仪器的时间域电磁三分量发射线圈由6个线圈两两相对构成相互正交的发射线圈系。

4.根据权利要求3所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，所述阵列式三分量时间域磁场信号采集单元为多级三分量磁场接收线圈；每级三分量磁场接收线圈由6个线圈两两相对构成相互正交的接收线圈系。

5.根据权利要求1或2所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，所述多级阵列式单分量时间域电场信号采集单元为沿仪器延伸方向分量的时间域电场接收不极化电极对，每对不极化电极对安装在每个三分量时间域磁场接收线圈的两端。

6.根据权利要求1或2所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，所述光纤惯导定位定向模块安装于三分量发射线圈与三分量磁场接收线圈之间；所述光纤惯导定位定向模块为干涉型光纤陀螺仪、谐振式光纤陀螺仪、受激布里渊散射光纤陀螺仪、光纤陀螺捷联惯导系统、光纤光栅捷联惯导系统、光纤陀螺以及微机械陀螺组合的惯导模块中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，直流电源包括AC-DC低压大功率电源和AC/DC高压钳位电源，所述AC-DC低压大功率电源为发射电流提供所需的能量，所述AC/DC高压钳位电源作用于有源钳位电压源模块。

8.根据权利要求7所述的所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，其特征在于，所述有源钳位电压源模块包括：低压直流源电路、上升沿钳位电路、MOSFET全桥逆变电路、下降沿钳位电路、阻尼吸收电路以及发射负载电路；所述低压直流源电路、上升沿钳位电路、MOSFET全桥逆变电路、下降沿钳位电路依次串联；所述MOSFET全桥逆变电路、阻尼吸收电路与发射负载电路并联；

所述低压直流源电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、平顶段低压源E1、电容C1，所述电阻R1第一端与电阻R2第一端相连，电阻R2第二端与电阻R3第一端相连，电阻R3第二端接地，电阻R1第二端与平顶段低压源E1第一端相连，平顶段低压源E1第二端接地，电阻R1第二端还与电容C1第一端相连，电容C1第二端接地；

所述上升沿钳位电路包括：钳位控制开关Q5、上升沿高压钳位源E2、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、与门、或门、运算放大器CP1、电阻R5、二极管D8、二极管D9；所述钳位控制开关Q5为MOSFET，所述钳位控制开关Q5漏极接上升沿高压钳位源E2第一端，上升沿高压钳位源E2第二端接地，所述钳位控制开关Q5源极接二极管D8负极，二极管D8正极接第一电阻R1第二端，所述钳位控制开关Q5栅极接与门的输出端，所述与门的第一输入端接运算放大器的输出端，所述与门的第二输入端接或门的输出端，所述或门第一输入端接控制信号S1，所述或门第二输入端接控制信号S2；所述运算放大器CP1正极接第三电阻R3第一端，所述运算放大器CP1负极接AC-DC低压大功率电源，所述运算放大器CP1负极还通过电阻R5接地，所述二极管D9正极接钳位控制开关Q5源极，二极管D9负极接AC-DC低压大功率电源，二极管D10的正极接AC-DC低压大功率电源，所述E2第一端还与电容C2相连，电容C2第二端接电容C4第一端，电容C4第二端接地，电容C2第一端还与电容C3第一端相连，电容C3第二端接电容C5第一端，电容C5第二端接地；

所述MOSFET全桥逆变电路包括功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4、二极管D10，所述功率开关Q1、功率开关Q2、功率开关Q3、功率开关Q4为MOSFET，功率开关Q1漏极接二极管D10正极，二极管D10负极接功率开关Q2漏极，功率开关Q1栅极接控制信号S1，功率开关Q1源极接功率开关Q3漏极，功率开关Q3栅极接控制信号S2，功率开关Q3源极接地，所述功率开关Q2栅极接控制信号S2，功率开关Q2源极接功率开关Q3漏极，功率开关Q3栅极接控制信号S1，功率开关Q3源极接地；

所述下降沿钳位电路包括：电阻R4、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、下降沿高压钳位源E3以及二极管D11；所述电阻R4第一端接二极管D10负极，电阻R4第二端接地，地租R4第一端还与电容C6第一端相连，电容C6第二端与电容C8第一端相连，电容C8第二端接地，电容C6第一端还与电容C7第一端相连，电容C7第二端接电容C9第一端，电容C9第二端接地，电容C7第一端还接二极管D11负极，二极管D11正极接下降沿高压钳位源E3第一端，下降沿高压钳位源E3第二端接地；

所述阻尼吸收电路包括功率开关Q6功率开关Q7以及电阻R6，所述功率开关Q6漏极接功率开关Q1源极，所述功率开关Q6栅极悬空，所述功率开关Q6源极接电阻R6第一端，电阻R6第二端接功率开关Q7源极，功率开关Q7栅极悬空，功率开关Q7漏极接功率开关Q2源极；

所述发射负载电路包括电感L、电阻R，所述电感L第一端接功率开关Q1源极，所述电感L第二端接电阻R第一端，电阻R第二端接功率开关Q2源极。

9.一种井下时间域电磁多分量远探测系统，其特征在于，包括权利要求8所述的井下时间域电磁多分量远探测仪器，所述井下时间域电磁多分量远探测仪器与地面控制和数据采集处理子系统通过铠装光电复合缆相连接。

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