CN104481519A - 一种井间电磁测井信号发射电子*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井间电磁测井发射电子***，属于井间电磁测井技术领域。本发明采用功率放大电路对激励信号进行功率放大，其中的功率放大电路采用高压供电，经过阻抗匹配电路后激发线圈产生高能量低频电磁波。发射电子***具有精密定时器模块，记录发射信号的准确时刻，用于计算发射信号与接收井中接收信号的相位。本发明的发射电子***由电源模块、井下CPU、定时器模块、DDS信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、辅助参量测量模块以及主、辅AD转换模块组成。本发明能够产生高能量电磁波，在利用电磁波测井时，结合发射数据与接收数据计算井间地层电阻率，进而反演得到井间油气分布。
Description
技术领域
本发明属于井间电磁测井技术领域，更具体地，涉及一种井间电磁测井信号发射电子***，用于发射高能量电磁波。
背景技术
常规电缆测井虽然分辨率高，但探测深度只能达到几米的范围，而物探探测深度很深，但分辨能力差，不能对储层进行精细评价。同时，开发期油田需要跟踪监测储层注采剖面动态、评价剩余油分布、寻找油气富集区，满足油田二次开发和注采剖面监测需要，进而提高钻探成功率和最终采收率。
井间电磁***是在单井测井技术基础上发展起来的测井新方法：将发射器置于一口井中向地层发射电磁波，将接收器置于另一口井中接收经过地层传播过来的电磁波，通过对接收数据进行反演，得到反映井间油藏构造和油气分布的二维或三维电阻率成像，从而实现对井间地层电特性的直接测量和描述,是探测井间地层信息的最佳的和最直接的测井方式。要想获得精确的井间电阻率分布剖面图，就必须在反演之前获得精确的接收数据，这就对发射电子***提出了要求。而国内现有测井***的发射电子***的发射能量不高，导致测井精度不高，且测井的距离很小。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种井间电磁测井信号发射电子***，为一种可以发射高能量电磁波的发射电子***，使得利用井间电磁能够获得更精确的井间电阻率分布剖面图，获得精确的井间地层信息。
本发明提供一种井间电磁测井信号发射电子***，包括电源模块、井下CPU、定时器模块、DDS信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、辅助参量测量模块以及主、辅AD转换模块，其中：
所述电源模块，用于为所述井下CPU、所述定时器模块、所述DDS信号发生器、所述辅助参量采集模块以及所述主、辅AD转换模块供电；
所述井下CPU，用于控制所述定时器模块定时、所述DDS信号发生器产生激励信号以及采集所述主、辅AD转换模块输出端的数字信号、所述定时器模块的时间信号，并通过通讯接口将采集的信号经过遥传短节传送给地面***；
所述定时器模块，用于在每次发射信号和接收信号经所述主AD转换模块转换成数字信号后，同时分别读取井下发射电子***和井下接收***的实时时刻值，并随转换成数字信号的发射信号和接收信号一起通过所述井下CPU上传到所述地面***，从而确定所述发射信号与所述接收信号的时间差，进而算出所述发射信号和所述接收信号的相位差；
所述DDS信号发生器,用于产生一定频率范围内的波形激励信号；
所述功率放大器，用于将所述DDS信号发生器产生的所述波形激励信号进行功率放大后以激励发射线圈产生高能量电磁波；
所述阻抗匹配电路，用于将所述功率放大器的输出信号进行最大功率化传输至所述发射线圈；
所述辅助参量测量模块，用于在测井过程中对所述发射电子***的温度、磁通量以及供电电压进行实时测量，以判断所述发射电子***是否处于正常工作状态；
所述主AD转换模块，用于将所述DDS信号发生器产生的所述波形激励信号转换为数字信号，并传送至所述井下CPU；
所述辅AD转换模块，用于将所述辅助参量测量模块输出的模拟信号转换为数字信号，并传送至所述井下CPU。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
通过发射高能量电磁波，能够得到更为精确的反演数据，从而获得更为精确的井间电阻率分布剖面图，大大提高油田最终采收率；通过将激励信号做功率放大后以激励发射线圈，提高了线圈发射电磁波的强度，进而使得测井仪的横向探测深度大大增加；实现阻抗匹配，可使发射电子***的性能达到约定准则下的最优，实现信号的最大功率化传输。
附图说明
图1为本发明发射电子***的结构示意图；
图2为本发明发射电子***的发射模块的示意图；
图3为本发明发射电子***的辅助参量测量模块和辅AD转换模块的示意图；
图4为本发明发射电子***的定时器模块的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示为本发明发射电子***的结构示意图，包括：电源模块、井下CPU、定时器模块、DDS信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、辅助参量测量模块以及主、辅AD转换模块。
地面接收处理***的220V交流电压、600V直流高压分别经交流电压电缆和直流高压电缆分别传送到电源模块、功率放大器模块，并将地面接收处理***发出的定时、发射等控制信号经通讯电缆通过通讯接口传送到井下CPU；电源模块，用于将220V交流电压转换成井下CPU、定时器模块、直接数字频率合成(以下简称DDS)信号发生器、辅助参量采集模块以及主、辅AD转换模块的工作电压，为各模块正常工作供电；井下CPU，用于控制定时器模块定时、DDS信号发生器产生激励信号以及采集主、辅AD转换模块输出端的数字信号、定时器模块的时间信号，并通过通讯接口将采集的信号发送给遥传短节；定时器模块，用于在每次发射信号和接收信号经主AD转换模块转换成数字信号后，同时分别读取井下发射电子***和井下接收***的实时时刻值，并随上述经主AD转换模块转换输出的数字信号一起通过井下CPU上传到地面***，从而确定发射信号与接收信号的时间差，进而算出发射信号和接收信号的相位差；DDS信号发生器,用于产生一定频率范围内的正弦波激励信号；功率放大器，用于将DDS信号发生器产生的正弦波激励信号进行功率放大后以激励发射线圈产生高能量发射电磁波；阻抗匹配电路，用于将功率放大器的输出信号进行最大功率传输至发射线圈，以在信号传输过程中减少信号的损耗；辅助参量测量模块，用于在测井过程中对发射电子***的温度、磁通量以及供电电压进行实时测量，以判断井下仪器是否处于正常工作状态；主AD转换模块，用于将DDS信号发生器输出的正弦波模拟信号转换为数字信号，以便井下CPU对发射电子***进行正弦波激励信号的采集，通过遥传短节传送给地面接收处理***进行控制；辅AD转换模块，用于将辅助参量测量模块输出的模拟信号转换为数字信号，以便井下CPU对发射电子***进行电压、温度、磁通量的采集，通过遥传短节传送给地面接收处理***进行控制。
为了获得高能量发射电磁波，要先产生发射线圈的激励信号。在本发明实施例中，利用DDS技术，可以获得所需要的一定频率范围内的激励信号。DDS是一种基于全数字技术从相位概念出发合成所需波形的频率合成技术。DDS***主要由相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器组成。在输入参考时钟的作用下，相位累加器对频率控制字进行累加，然后把每次累加后的数据作为波形存储器的地址输入，通过查波形存储表得到相应的波形幅值，经过D/A转换器转换为模拟电压或电流，再通过低通滤波器将波形中的高频杂散滤除得到平滑的波形输出。波形输出频率其中，M为频率控制字，n为相位累加器的位数，fMCLK为主时钟频率。通过改变频率控制字M可以合成不同频率的激励信号。
为了获得高能量发射电磁波，还需要高能量的激励信号。在本发明实施例中，功率放大器通过将DDS信号发生器输出的激励信号做功率放大后以激励发射线圈，其性能直接决定了线圈发射电磁波的强弱，进而影响到测井仪的横向探测深度。
在功率放大器和发射线圈之间，必须要有阻抗匹配电路。因为信号或者电能在传输的过程中，为了实现信号的最大功率化传输，要求电路连接实现阻抗匹配。当电路阻抗失配时，不但得不到最大的功率传输，还可能对电路产生损害。阻抗匹配关系着***的性能，电路实现阻抗匹配可使***的性能达到约定准则下的最优。
图2所示为本发明发射电子***的发射模块的示意图，包括：DDS信号发生器、功率放大器以及阻抗匹配电路。
在本发明实施例中，DDS信号发生器采用DDS芯片和低通滤波器构成。DDS芯片是一种可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。输出频率和相位可以通过软件进行编程，调整简单。DDS芯片通过串行接口写入数据，输出相应频率的波形。DDS芯片的相位累加器以频率控制字M为单位，每隔一个主时钟频率fMCLK累加一次，输出的相位变化范围为0～2π(以数字形式出现)。相位控制寄存器决定了输出信号的初始相位与相位累加器输出的相应位数的相位的高n(n为相位控制寄存器的位数)位相加，其结果(与时间成线性关系)作为波形存储器的地址并将相位信息转换成幅度。再通过D/A转换模块将幅值的数字值转换成模拟信号。其输出频谱包含基波和混叠信号，且混叠信号频率为参考时钟频率和所选输出频率的倍数。使用低通滤波器滤除混叠信号，得到所需频率的激励信号。在本发明实施例中，在井下CPU的控制下对DDS芯片写入相应的控制寄存器的控制字、频率寄存器的频率控制字以及相位寄存器的相位控制字，并输入主时钟信号和串行时钟信号以及相应的工作控制信号即可。这种产生激励信号的方法时序控制简单，可靠性高，开发周期也比较短。
在本发明实施例中，功率放大器采用D类全桥功率放大器。该D类全桥功率放大器由四个模块组成：PWM调制模块，用于将DDS信号发生器输出的激励信号进行PWM调制，输出PWM调制信号；FET驱动模块，用于将PWM调制信号转换为有驱动能力的信号，为全桥电路提供控制信号，以驱动开关器件；全桥电路模块，用于在驱动信号的作用下产生功率信号，以激励发射线圈发射高能量电磁波；低通滤波模块，用于滤除全桥电路模块产生的功率信号中含有的高频载波，得到所需要的高功率激励信号。D类全桥功率放大器的功率管工作在开关状态，即在任意时刻内漏极电压vd和漏极电流id的乘积都很小，甚至趋于零，因此功率管的耗散功率很小，几乎为零。这样就使得D类功率放大器的理想效率为100％，实际效率约为90％。同时，D类全桥功率放大器的结构采用全桥结构，全桥功率放大电路综合半桥以及推挽式电路的优点，使得电流不变，而极间电压为单级结构极间电压的一半。在本发明实施例中，从地面输入过来的600V直流高压为D类全桥功率放大器供电，得到发射所需要的功率。
在本发明实施例中，阻抗匹配电路采用选择调谐电容的方式进行阻抗匹配。通过改变调谐电容的容值，使得负载阻抗即发射线圈的阻抗与功率放大器的输出阻抗达到共轭阻抗匹配，实现最大输出功率匹配。
图3所示为本发明发射电子***的辅助参量测量模块和辅AD转换模块的示意图。在本发明实施例中，辅助参量测量模块由四个模块组成：温度测量模块，将温度信号转换为电压信号，用于对发射电子***的温度进行测量；供电电压测量模块，正电压采用电阻分压，负电压采用反向放大电路的形式，将所有电压转换成辅AD转换模块可以采集的电压，用于对发射电子***的硬件电路的供电电压进行测量；磁通量测量模块，通过在发射线圈螺线管上绕多匝线圈，再根据公式其中，E为线圈中的感应电动势，N为上述绕在发射线圈螺线管上的线圈匝数，为磁通量变化率，最后通过线圈中产生的感应电动势E的大小推算出磁通量变化的大小，从而判断应该增大还是减小电流，避免磁芯线圈进入磁饱和区使得原本谐振的发射线圈偏离谐振状态；多路复用模块，用于从上述温度、电压以及磁通量三路信号中选择一路信号传送至辅AD转换模块，进行数据的传递。辅AD转换模块采用AD转换芯片，可以将辅助参量测量模块输出的模拟信号以及从DDS信号发生器输出的激励信号进行采样并转换成数字信号，从而通过通讯接口传送至地面***进行实时数据处理以及监测。
图4所示为本发明发射电子***的定时器模块的示意图。为了能够准确地测量出发射信号和接收信号之间的相位差，必须要保证发射电子***和接收***的时钟同步。在本发明实施例中，定时器模块采用GPS同步授时，发射端地面***和接收端地面***接收到GPS时钟信号后，通过遥传短节和井下CPU对发射端定时器模块和接收端定时器模块进行同步授时。然后在每次发射信号和接收信号采集完成之后，分别读取发射端定时器模块和接收端定时器模块的实时时刻值，并随采集信号一起通过井下CPU和遥传短节分别上传到发射端地面***和接收端地面***，从而确定发射信号与接收信号的时间差，进而算出发射信号和接收信号的相位差。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种井间电磁测井发射电子***，其特征在于，包括：电源模块、井下CPU、定时器模块、DDS信号发生器、功率放大器、阻抗匹配电路、辅助参量测量模块以及主、辅AD转换模块，其中：
所述电源模块，用于为所述井下CPU、所述定时器模块、所述DDS信号发生器、所述辅助参量采集模块以及所述主、辅AD转换模块供电；
所述井下CPU，用于控制所述定时器模块定时、所述DDS信号发生器产生激励信号以及采集所述主、辅AD转换模块输出端的数字信号、所述定时器模块的时间信号，并通过通讯接口将采集的信号经过遥传短节传送给地面***；
所述定时器模块，用于在每次发射信号和接收信号经所述主AD转换模块转换成数字信号后，同时分别读取井下发射电子***和井下接收***的实时时刻值，并随转换成数字信号的发射信号和接收信号一起通过所述井下CPU上传到所述地面***，从而确定所述发射信号与所述接收信号的时间差，进而算出所述发射信号和所述接收信号的相位差；
所述DDS信号发生器,用于产生一定频率范围内的波形激励信号；
所述功率放大器，用于将所述DDS信号发生器产生的所述波形激励信号进行功率放大后以激励发射线圈产生高能量电磁波；
所述阻抗匹配电路，用于将所述功率放大器的输出信号进行最大功率化传输至所述发射线圈；
所述辅助参量测量模块，用于在测井过程中对所述发射电子***的温度、磁通量以及供电电压进行实时测量，以判断所述发射电子***是否处于正常工作状态；
所述主AD转换模块，用于将所述DDS信号发生器产生的所述波形激励信号转换为数字信号，并传送至所述井下CPU；
所述辅AD转换模块，用于将所述辅助参量测量模块输出的模拟信号转换为数字信号，并传送至所述井下CPU。
2.如权利要求1所述的一种井间电磁测井信号发射电子***，其特征在于，所述DDS信号发生器包括：
DDS芯片，通过串行接口写入数据，输出相应频率的信号；以及
低通滤波器，滤除所述DDS芯片输出信号中的混叠信号，得到所需频率的所述波形激励信号。
3.如权利要求1或2所述的一种井间电磁测井信号发射电子***，其特征在于，所述功率放大器采用D类全桥功率放大器，由四个模块组成：
PWM调制模块，用于将所述DDS信号发生器输出的激励信号进行PWM调制，输出PWM调制信号；
FET驱动模块，用于将所述PWM调制信号转换为有驱动能力的信号，为全桥电路提供控制信号以驱动开关器件；
全桥电路模块，用于在所述驱动信号的作用下产生功率信号，以激励所述发射线圈发射高能量电磁波；以及
低通滤波模块，用于滤除所述全桥电路模块产生的所述功率信号中含有的高频载波，得到所需频率的所述波形激励信号。
4.如权利要求3所述的一种井间电磁测井信号发射电子***，其特征在于，所述阻抗匹配电路采用选择调谐电容的方式进行阻抗匹配。
5.如权利要求1所述的一种井间电磁测井信号发射电子***，其特征在于，所述辅助参量测量模块由四个模块组成：
温度测量模块，将温度信号转换为电压信号，用于对所述发射电子***的温度进行测量；
供电电压测量模块，对正电压采用电阻分压，负电压采用反向放大电路的形式，将所有电压转换成所述辅AD转换模块可以采集的电压，用于对所述发射电子***的硬件电路的供电电压进行测量；
磁通量检测模块，通过在所述发射线圈的螺线管上绕多匝线圈，根据线圈中产生的感应电动势推算出磁通量变化的大小，用于测量所述发射电子***的磁通量变化的大小，以避免所述发射线圈偏离谐振状态；以及
多路复用模块，用于从所述温度信号、所述供电电压以及所述磁通量三路信号中选择一路信号传送至所述辅AD转换模块。
6.如权利要求1所述的一种井间电磁测井信号发射电子***，其特征在于，所述主AD转换模块与所述辅AD转换模块均采用AD转换芯片，分别将所述DDS信号发生器产生的所述波形激励信号与所述辅助参量测量模块输出的所述模拟信号进行采样并转换成数字信号，通过所述通讯接口传送至所述地面***进行实时数据处理以及监测。
7.如权利要求1所述的一种井间电磁测井信号发射电子***，其特征在于，所述定时器模块采用GPS同步授时，发射端地面***和接收端地面***接收到GPS时钟信号后，对井下发射端定时器模块和接收端定时器模块进行同步授时，然后在每次发射信号和接收信号采集完成之后，分别读取所述发射端定时器模块和所述接收端定时器模块的实时时刻值，并随采集信号一起通过所述井下CPU和所述遥传短节分别上传到所述发射端地面***和所述接收端地面***。
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