CN103061754B - 一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置及其测量方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置及其测量方法和应用。一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，所述装置包括接收天线阵列和远程接收单元；所述远程接收单元包括中央处理单元，控制电路，无线收发模块和电源；所述无线收发模块通过控制电路与中央处理单元连接。本发明通过研制一种远程接收电磁波随钻测量信号的装置，用于电磁随钻测量***中远程接收测量信号。采用DSP技术和阵列信号处理技术实现井场噪声抑制，通过布设合理的阵元，配以先进的数字信号处理算法实现微弱电磁信号的远程接收，有效地提高了电磁波随钻测量***对于不同地层的适应能力、提高处理增益和接收灵敏度，增加测量深度。

Description

一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置及其测量方法和应用

技术领域

本发明属于一种用于矿产、石油天然气资源勘探开发中的随钻测量仪器。尤其涉及一种随钻测量***的电磁波信号远程接收及井下信息实时测量领域，属于随钻测量***的地面装置。

背景技术

电磁随钻测量(EM-MWD)***是随着欠平衡钻井、气体钻井等特殊工艺井的不断发展而逐渐发展起来的，该技术的出现有效地解决了传统的泥浆MWD***在这些复杂工艺井中不能很好完成工程测量需求的问题。由于其具有信号传输速度高、无需循环钻井液便可传输数据、测量时间短、成本低等特点，特别是EM-MWD***基本上不受钻井液介质的影响，不仅适用于常规钻井液中的随钻测量，而且还适用于在气体、泡沫、雾化、空气、充气等钻井液中使用，这使得电磁波随钻测量***具有广阔的发展前景。

地面数据接收与处理装置是EM-MWD***的核心装置之一。目前，EM-MWD***，其地面接收机主要是采用检测地面电极与井架间的携有井下信息的电磁信号，电极与井架间距离约100米左右。其工作原理是：耦合变压器来感应携有井下信息的微弱电磁信号，然后通过前置放大器、低通滤波器等对数据进行处理，最后采用数字信号处理技术对携有井下测量信息的电磁信号解码，获取井下信息。然而这种接收方式易于受到井场各种电气设备如钻机、柴油机、发电机、泥浆泵、传动链条、振动筛等设备产生的电磁噪声影响，使得EM-MWD***地面接收机处理低频电磁信号的性能严重退化，接收灵敏度大大降低。

专利申请号200810101407.8中发明了一种使用两幅天线分别接收井下发送的电磁信号和井场噪声信号EM-MWD***，其地面接收机具有处理井下发送上来的携带有测量数据信息的电磁信号功能。专利申请号200410005527.X中发明一种能够处理媒质中的电磁波信号的随钻测量遥测***。专利申请号201020298570.0中发明了一种用解决井上测量***拾取微弱电磁信号困难的问题。以上这些专利都是在井场电磁干扰环境下处理微弱电磁信号，在不同程度上还是易于受井场电磁噪声干扰，影响EM-MWD的电磁波信号的地面接收机性能，直接导致EM-MWD***传输深度低。而本发明提出以阵列信号处理的方法为核心，用接收天线阵列方式接收处理携有井下测量信息的微弱电磁波信号，该装置可有效地降低井场噪声对接收装置的影响，提高地面接收装置的处理增益和灵敏度。

众所周知，地层电阻率是制约EM-MWD***传输深度主要原因之一。而地层电阻率影响传输的深度的直接原因是，电阻率的影响了信号的衰减。这就是EM-MWD***只能在一定地层电阻率条件下传输的原因，地层电阻率太低，信号衰减严重，传输深度降低；地层电阻率太大，电磁信号难以注入地层，同样导致信号很小。从信号分析角度来说，在发射功率不变的条件下，如果能降低井场噪声干扰或者通过阵列信号处理提高处理增益，即可有效地增加传输深度。目前，国外公司针对井场噪声提出了一些自适应方法、井场噪声抵消方法，这些方法均在不同程度上提高了EM-MWD***的性能。然而通过充分利用阵列信号处理的特性，结合井场噪声抵消方法来解决EM-MWD***的微弱电磁信号的探测尚未见有相关文献和专利提及。据此，本发明提供一种远程电磁随钻测量***的地面接收机装置，在距井场大于500m处，采用接收天线阵列接收微弱电磁信号，并采用先进的数字信号处理技术和阵列信号处理的方法实现对电磁波随钻测量***的微弱电磁波信号进行解码，从而增强EM-MWD***对电磁环境的适应能力，提高地面接收机的接收灵敏度，拓展测量深度。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的技术问题，研发了一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置及其测量方法和应用，采用先进的数字信号处理技术和阵列信号处理的方法实现对电磁波随钻测量***的微弱电磁波信号进行解码，从而增强EM-MWD***对电磁环境的适应能力，提高地面接收机的接收灵敏度，拓展测量深度。

本发明的技术方案如下：

一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，所述装置包括接收天线阵列和远程接收单元；

所述接收天线阵列包括一组天线阵元，各个天线阵元连接后与所述远程接收单元连接；每个天线阵元包括一组传感器，且所述各个传感器之间并联；

所述远程接收单元包括中央处理单元，控制电路，无线收发模块和电源；所述无线收发模块通过控制电路与中央处理单元连接；

所述接收天线阵列将接收的测量信号传输给所述远程接收单元中的无线收发模块；所述中央处理单元与所述无线接收模块进行数据交互，并对测量信号进行检测，解码和数据处理，之后再通过所述无线接收模块将处理后数据发射。

为了对井下微弱的电磁波信号进行有效采集，所述远程接收单元包括抗干扰模块，用于对井下的微弱电磁波信号进行调理；所述抗干扰模块包括：耦合变压器，低噪声前置放大器和低噪声带通滤波器；所述耦合变压器用于降低外界磁场对信号的干扰；所述前置放大器用于放大井下电磁波信号；所述带通滤波器用于滤波，消除噪声；所述耦合变压器，前置放大器和带通滤波器依次电连接，且均与所述中央处理单元连接；

所述放大器放大倍数范围1-100000、带通滤波器的频带的范围0.1-2000Hz。

在具体应用中，所述接收天线阵列用于接收井下电磁波信号；所述各个接收天线阵元之间采用线性排列连接，各个接收天线阵元并联连接后与所述远程接收单元连接；且每个接收天线阵元线性连接，组合形成线性阵列；

各个接收天线阵元的阵元间距与实际发射的信号频率、井场噪声强度有关。实际发射的信号频率为1-500Hz，所述各个接收天线阵元之间的设置的距离范围1-100米。

所述的中央处理单元包括含有12位、14位，甚至更高精度A/D的DSP处理器，或通用DSP与高精度的A/D；所述的控制电路包括通信数据总线接口和控制驱动电路；所述的通信数据总线与所述的无线收发模块进行数据交互，并将信号输入DSP处理器，所述的DSP处理器对井下电磁波信号进行数据处理，解码和数据处理；处理后的数据信号经压缩加密后，再通过所述的通信数据总线传输给所述的无线收发模块进行发射。

阵列信号调理电路是远程接收装置的核心部分之一。所述电路包括高精度、低噪声具有自动增益的前置放大器、高精度、低噪声具有带宽可调的滤波器。所述的电路用来处理来自阵元接收的信号。

具体的，井场仪器房内放置井场接收机，用于发射启动指令，并接收由所述无线收发模块所发射的测量信号；所述远程接收装置设置在距井场500-3000米处，接收天线阵的阵元间距1-100m；远程接收装置采集信号的频率范围0.1～1000Hz，观测灵敏度为-120dBμV。

本发明的另一个发明点是根据所述的装置进行无线远程接收测量的方法，所述远程接收和测量方法包括如下步骤：

(1)所述远程接收装置接收井场接收机的指令，启动远程接收装置；

(2)远程接收装置根据指令，进行设备仪器的配置，然后采集、处理、解码和加密数据；所述的配置参数包括：仪器的放大倍数、滤波器参数、采集通道数、阵元数和阵元间距等。

(3)解码后的数据通过所述无线收发模块发送至仪器房内的井场接收机。

所述方法包括对测量信号进行处理步骤：

设阵元编号为1#、2#.....N#，等间距阵元间距为d，发射机载波频率为ω，波长为λ，传播速度v，则信号到达2#阵元较1#阵元的传播时间延迟为τ，延迟路程为u，则相邻阵元间延迟为

假设所接收信号为X(t)，有用电磁信号s(t)，噪声n(t)，则有

X(t)＝S(t)+n(t) (9)

其中：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_N\left(t\right)\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(10\right)$

$S\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)\\ s_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ s_N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}s(t-\mathrm{\τ})\\ s(t-2\mathrm{\τ})\\ \·\\ \·\\ \·\\ s(t-(N-1)\mathrm{\τ})\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(11\right)$

$n\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_N\left(t\right)\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(12\right)$

则观测到的信号的总响应为

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s\left(t\right)e^{j(i-1)\mathrm{\ψ}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\left(t\right)---\left(13\right)$

阵的响应方向图为：

$A\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j(i-1)\mathrm{\ψ}}---\left(14\right)$

其中， λ₀是x(t)的中心频率对应的波长；

本发明所研发的装置应用在电磁随钻测量***中(EM-MWD)。

本发明中的微弱数字信号处理技术，数字信号处理是随钻测量电磁波***远程接收的核心。本装置硬件电路采用具有数字信号处理功能的DSP处理器，选用通用硬件平台为依托，将先进的数字信号处理算法用软件编程来实现微弱电磁信号的检测、接收、解码、加密和通讯等功能，简化了电路设计，而且具备如下优势：

①硬件平台通用，可以灵活实现各种功能。可开发不同的软件来适应不同电磁环境，可方便地实现接收装置功能的改进和升级。

②由于远程地面接收装置接收的主要是微弱电磁信号，微弱信号的检测、处理、解码算法是通过软件来实现的，可以便捷地、在线修改算法的参数，提高***的抗干扰能力。

③***改进和升级主要是通过软件维护来实现，这样能更快地跟踪市场变化，满足新的使用要求，节约成本。

总之，本远程接收机装置采用微弱信号处理技术，有效地提高了电磁随钻测量***对不同电磁环境的适应能力

本发明中的自适应阵列信号处理技术，根据发射机发射频率、阵元间距、延迟等参数，可布设合适的接收天线阵列。从信号分析的观点来说，接收到的含有井下信息的电磁信号和干扰波之间存在以下不同：(1)载波信号的谱与噪声谱不同；(2)统计规律不同。因此可采用数字信号处理技术如信号叠加法、时频滤波法等从而有效地降低噪声干扰，提高处理增益和接收灵敏度。

本发明中的无线收发模块，主要是按照规定的协议接收控制指令和发送测量数据。

附图说明

图1是本发明电磁波随钻测量***远程无线接收装置图

图2是本发明中无线接收单元的模块图

图3是本发明中接收天线阵的结构示意图；

图4是本发明中接收天线阵列的布置图；

图5是本发明中测量信号走向图；

1-井场接收机；2-远程接收单元；3-接收天线阵；4-井下发射机；

5-耦合变压器；6-前置放大器；7-低通滤波器；8-DSP处理器。

A-1号阵元；B-2号阵元；N-N号阵元。

具体实施方式

本发明提供一种电磁随钻测量***的远程地面接收机装置和相应的处理方法，用于电磁随钻测量***中实时接收携有井下测量数据。

EM-MWD***远程无线接收装置由DSP电路、前置放大器、带通滤波器、耦合变压器、无线收发模块、辅助模块、接收天线阵、供电电源组成。

(1)接收天线阵列

接收携有井下信息的电磁信号。阵列设计的目的是为了最大限度地提高接收数据的信噪比。在实际实施过程中，需合适地安排和选择接收点及其相互位置。采用线列阵而不是面阵，避免了调试的复杂性，降低了成本。如图1所示。

(2)DSP电路

为远程接收机装置的控制核心，由DSP、通信总线接口、控制驱动电路组成，完成以下工作：

①通过通信总线与无线收发模块进行数据交换，接收控制指令；

②通过算法编程实现对微弱电磁信号的预处理和检测，采用先进的数字信号处理方法实现对信号的检测、解码和数据处理；

③利用DSP编程实现信号的压缩、加密，通过无线收发装置发射信号。

(3)耦合变压器

主要是通过地面隔离和耦合来自井下的电磁波信号，目的是有效地降低外界磁场对信号的干扰，提高CMRR，提高电磁波随钻测量***的抗干扰能力；

(4)前置放大器

对来自井下的微弱电磁波信号进行预处理；

(5)带通滤波器

对来自前置放大器的信号，进行滤波处理，消除工频50Hz噪声，同时对井场噪声进行处理；

(6)无线收发模块

接收控制指令，发送加密的测量数据；

(7)供电电源

为远程接收机装置供电，采用高能蓄电池组。

图4所示，假设接收装置的接收天线阵列由N个阵元的天线阵，如图1所示。

阵元编号为1#、2#.....N#，等间距阵元间距为d，发射机载波频率为ω，波长为λ，传播速度v，则信号到达2#阵元较1#阵元的传播时间延迟为τ，延迟路程为u，则相邻阵元间延迟为

假设所接收信号为X(t)，有用电磁信号s(t)，噪声n(t)，则有

X(t)＝S(t)+n(t) (16)

其中：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ x_N\left(t\right)\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(17\right)$

$S\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)\\ s_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ s_N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}s(t-\mathrm{\τ})\\ s(t-2\mathrm{\τ})\\ \·\\ \·\\ \·\\ s(t-(N-1)\mathrm{\τ})\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(18\right)$

$n\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ n_N\left(t\right)\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(19\right)$

则观测到的信号的总响应为

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s\left(t\right)e^{j(i-1)\mathrm{\ψ}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\left(t\right)---\left(20\right)$

阵的响应方向图为：

$A\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{j(i-1)\mathrm{\ψ}}---\left(21\right)$

其中， λ₀是x(t)的中心频率对应的波长。

Claims (8)

1.一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，其特征在于，所述装置包括接收天线阵列和远程接收单元；

所述接收天线阵列包括一组天线阵元，各个天线阵元连接后与所述远程接收单元连接；每个天线阵元包括一组传感器，且所述各个传感器之间并联；

所述远程接收单元包括中央处理单元，控制电路，无线收发模块和电源；所述无线收发模块通过控制电路与中央处理单元连接；

所述接收天线阵列将接收的测量信号传输给所述远程接收单元中的无线收发模块；所述中央处理单元与所述无线收发模块进行数据交互，并对测量信号进行检测，解码和数据处理，之后再通过所述无线收发模块将处理后数据发射，

其中，对测量信号进行检测，解码和数据处理包括：

设阵元编号为1#、2#.....N#，等间距阵元间距为d，发射机载波频率为ω，波长为λ，传播速度ν，则信号到达2#阵元较1#阵元的传播时间延迟为τ，延迟路程为u，则相邻阵元间延迟为

假设所接收信号为X(t)，有用电磁信号s(t)，噪声n(t)，则有

X(t)＝S(t)+n(t) (2)

其中：

$X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ x_N\left(t\right)\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(3\right)$

$S\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)\\ s_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ s_N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}s(t-\mathrm{\τ})\\ s(t-2\mathrm{\τ})\\ .\\ .\\ .\\ s(t-\left(N-1\right)\mathrm{\τ})\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(4\right)$

$n\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ n_N\left(t\right)\end{array}\right],0\≤t\≤T---\left(5\right)$

则观测到的信号的总响应为

$X\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}s\left(t\right)e^{j(i-1)\mathrm{\ψ}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{n}_i\left(t\right)---\left(6\right)$

阵的响应方向图为：

$A\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{e}^{j(i-1)\mathrm{\ψ}}---\left(7\right)$

其中，λ₀是x(t)的中心频率对应的波长。

2.根据权利要求1所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，其特征在于，

所述远程接收单元包括抗干扰模块，用于对井下的微弱电磁波信号进行调理；所述抗干扰模块包括：耦合变压器，前置放大器和带通滤波器；所述耦合变压器用于降低外界磁场对信号的干扰；所述前置放大器用于放大井下电磁波信号；所述带通滤波器用于滤波，消除噪声；所述耦合变压器，前置放大器和带通滤波器依次电连接，且均与所述中央处理单元连接。

3.根据权利要求2所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，其特征在于，

所述放大器放大倍数范围1-100000,带通滤波器的频带的范围0.1-2000Hz。

4.根据权利要求1所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，其特征在于，

所述接收天线阵列用于接收井下电磁波信号；所述各个天线阵元之间采用线性排列连接，各个天线阵元并联连接后与所述远程接收单元连接；且每个天线阵元线性连接，组合形成线性阵列；

各个天线阵元发射的信号频率为1-500Hz；所述各个接收天线阵元之间的设置的距离范围1-100米。

5.根据权利要求1所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，其特征在于，

所述的中央处理单元包括含有12位或14位高精度A/D的DSP处理器；所述的控制电路包括通信数据总线接口和控制驱动电路；所述的通信数据总线与所述的无线收发模块进行数据交互，并将信号输入DSP处理器，所述的DSP处理器对井下电磁波信号进行数据处理，解码和数据处理；处理后的数据信号经压缩加密后，再通过所述的通信数据总线传输给所述的无线收发模块进行发射。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置，其特征在于，

井场仪器房内放置井场接收机，用于发射启动指令，并接收由所述无线收发模块所发射的测量信号；所述远程接收装置设置在距井场500-3000米处，天线阵的阵元间距1-100m；远程接收装置采集信号的频率范围0.1～1000Hz，观测灵敏度为-120dBμV。

7.应用权利要求1-6之一所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置进行无线远程接收和测量的方法，其特征在于：

所述远程接收和测量的方法包括如下步骤：

(1)所述远程接收装置接收井场接收机的指令，启动远程接收装置；

(2)远程接收装置根据指令，进行设备仪器的配置，然后采集、处理、解码和加密数据；配置的参数包括：仪器的放大倍数、滤波器参数、采集通道数、阵元数和阵元间距；

(3)解码后的数据通过所述无线收发模块发送至仪器房内的井场接收机。

8.应用权利要求1-6之一所述的一种电磁波随钻测量***无线远程接收装置进行无线远程接收和测量的方法，所述装置应用在电磁随钻测量***中。