一种电磁随钻测量系统的信号传输中继器的制造方法
【专利摘要】本发明属于油田、矿山测量仪器领域，具体涉及一种电磁随钻测量系统的信号传输中继器，所述中继器安装在井下发射机与地面接收机(1)之间，其接收井底发射机的信号，处理后再发射信号给地面接收机(1)；所述中继器包括信号接收发射天线、信号接收处理器和信号转发处理器。利用本装置使地面接收机能够接收到质量较好的电磁信号，有效提高了电磁随钻测量系统的传输深度和对于不同地层的适应能力。也可以根据钻井地层的信号衰减情况，在钻柱上安装多个中继器，这样会大大提高地面接收的信号强度，使地面接收机能够接收到质量较好的电磁信号，从而增强电磁随钻测量系统对不同地层的适应能力，提高测量深度。
【专利说明】一种电磁随钻测量系统的信号传输中继器
【技术领域】
[0001]本发明属于油田、矿山测量仪器领域，具体涉及一种实现无线随钻测量的电磁随钻测量系统的信号传输中继器。
【背景技术】
[0002]随钻测量是定向井、水平井施工中一项必不可少的技术手段。目前，普遍采用的钻井液脉冲式MWD(或称常规MWD)可在液相钻井液中稳定、可靠地工作，传输深度超过5000m。但在存在气相成份的钻井液中，常规MWD的应用受到了限制。电磁随钻测量(EM-MWD)系统则突破了这一限制，能在液相和气相钻井液中正常使用。然而EM-MWD系统的信息传输本质上是一种特殊的无线通信系统，其特殊性表现在电磁波在有耗介质中传播，传输深度受到地层电阻率的严重影响。目前采用的电磁随钻测量的信号传输过程如图1所示，信号由位于井眼14底部下部钻柱组合15上方的井下仪器总成12产生，经发射机的天线发射，所述发射机的天线从上至下依次包括发射机天线上接头9、发射机天线绝缘接头10和发射机天线下接头11。信号经过地层3，地面接收机I通过接收电极2和与钻柱8连接的井架4接收信号，地面接收机I安装在井架4附近。
[0003]随钻电磁信号传输系统主要由井下发射装置和地面接收装置组成，来自测量系统的测量数据信号经编码调制和放大后，通过发射机发射出去，直接经地层传输到地面，由地面接收机接收信号并进行相关处理。电磁信号在这一传输过程中，传输性能会受到地层电阻率的严重影响，导致信号传输距离短，无法满足深井钻井需要。实践证明，在地层电阻率为2?10 Ω.m的条件下，传输深度在2000m左右，在地层电阻率大于10 Ω.m的条件下，传输深度在3000m左右。
[0004]如图1所示，目前应用的电磁随钻测量系统的信号传输由发射机发射后，直接经地层3传输到地面，由于地层是有耗介质，经研究和试验表明，信号在传输中的衰减规律为，当地层电阻率小于10 Ω.πι时，每IOOm降低5?6dB;当地层电阻率大于10Ω.m时，每IOOm降低2?3dB。因此，随着井深的增加，到达地面的信号的强度会越来越低，直至收不到信号，严重影响了测量深度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其安装在井下发射机的上部，接收井下发射机发出的信号，进行一定的处理放大后再以不同的载波频率发射出去，实现信号“接力”。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种电磁随钻测量系统的信号传输中继器，所述中继器安装在井下发射机与地面接收机I之间，其接收井底发射机的信号，处理后再发射信号给地面接收机1，所述中继器包括信号接收发射天线、信号接收处理器和信号转发处理器。
[0008]所述信号接收发射天线安装在钻柱8上，其接收井下发射机的信号并发射中继器的信号；所述信号接收处理器和信号转发处理器安装在所述信号接收发射天线的内部，且信号接收处理器和信号转发处理器与信号接收发射天线之间具备电气连接结构，作为接收及转发电信号的传输通道，将信号接收发射天线接收的下部发射机信号传输到信号接收处理器，信号转发处理器的输出信号也通过此传输通道耦合到信号接收发送天线。
[0009]所述信号接收发射天线从上至下依次包括上调整接头5、绝缘接头6和下调整接头7 ;所述绝缘接头6将钻柱8分隔成上下电气绝缘的两段，分别为上部钻柱和下部钻柱；所述上调整接头5与上部钻柱匹配连接，下调整接头7与下部钻柱匹配连接，分别作为所述信号接收发射天线的两极。
[0010]所述信号接收处理器对接收到的井下发射机的信号进行处理，其包括模拟输入信号前端处理器、A/D转换器、数字滤波器和嵌入式计算机系统；来自井下发射机的信号经过所述模拟输入信号前端处理器的放大、滤波处理后进入所述A/D转换器被转换成数字信号，然后所述数字信号经过数字滤波器滤波后进入所述嵌入式计算机系统，所述嵌入式计算机系统对数字信号进行处理。
[0011]所述模拟输入信号前端处理器包括三级，每级均包括电压前置放大器、模拟低通滤波器、可编程增益控制器和SPI (串行外围设备接口)总线；来自井下发射机的信号依次经过各级的电压前置放大器的发大处理、模拟低通滤波器的滤波后得到了经过三级放大、滤波后的模拟信号；
[0012]所述电压前置放大器的放大倍数由可编程增益控制器进行设置，其通过所述SPI总线完成对电压前置放大器的控制；
[0013]所述模拟低通滤波器采用由多个低阶滤波器组成的多级滤波器。
[0014]所述A/D转换器采用16位A/D转换器；所述数字滤波器是采用由多个低阶数字滤波器级联组成的多级滤波器。
[0015]所述信号转发处理器接收所述信号接收处理器发送来的信号并对其进行处理，处理完毕后，由所述信号接收发射天线进行转发；
[0016]所述信号转发处理器包括嵌入式计算机系统和信号发射电路；所述信号转发处理器处理得到的调制信号的是以不同于井下发射机的载波频率进行发射的。
[0017]所述信号接收处理器与信号转发处理器使用同一套嵌入式计算机系统；所述嵌入式计算机系统包括CPU、存储器和接口电路。通过编程实现的功能包括:自动增益控制、数字滤波、信号同步运算、数据帧匹配、状态设置、解码、错误校验、SPI总线控制和数据通信。
[0018]所述信号接收发射天线由高强度合金和复合材料制成。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明通过提供一种井下电磁信号无线传输的中继器，用于电磁随钻测量系统中电磁信号的中继转发。使用自动增益控制实现信号的自动放大处理，采用嵌入式计算机系统，进行数字信号处理和系统控制，以不同于井下发射机的载波频率进行信号发射，使地面接收机能够接收到质量较好的电磁信号，有效提高了电磁随钻测量系统的传输深度和对于不同地层的适应能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0021]图1是现有技术中的电磁信号发射、接收示意图。[0022]图2是带有本发明中继器的电磁信号发射、接收示意图。
[0023]图3是本发明中继器的接收发射天线结构示意图。
[0024]图4是本发明中继器的模拟输入信号前端处理器的功能模块图。
[0025]图5是本发明中继器的电压前置放大器的电路图。
[0026]图6是本发明中继器的模拟低通滤波器的电路图。
[0027]图7是本发明中继器的A/D转换器的电路图。
[0028]图8是本发明中继器的数字滤波器的特性曲线图。
[0029]图9是本发明中继器的数字滤波器的MATLAB仿真程序示意图。
[0030]图10是本发明中继器的数字滤波器的MATLAB仿真结果图。
【具体实施方式】
[0031]如图2所示，本发明提供了一种电磁随钻测量系统的电磁信号中继转发装置，用于电磁随钻测量系统中电磁信号的中继传输，从而提高电磁随钻测量系统的测量深度。
[0032]电磁信号传输中继器既是接收机又是发射机，其接收井底发射机信号，经前置放大、解码、调制后，再以不同于井底发射机的载波频率发射；地面接收机I接收、处理的是中继器转发的信号。
[0033]电磁信号传输中继器包括信号接收发射天线、信号接收处理器、信号转发处理器，其中，
[0034](I)信号接收发射天线
[0035]中继器的天线既完成井下发射机信号的接收，又实现中继器信号的发射。其包括上调整接头5、绝缘接头6和下调整接头7，如图3所示。
[0036]上下调整接头实现与上部和下部钻具的匹配连接，可根据现场使用的不同的钻柱扣型更换。
[0037]绝缘接头将钻柱分隔成上下绝缘的两段，作为天线的两级，实现中继器信号的接收和发射。
[0038](2)信号接收处理器
[0039]信号接收处理器是中继器的核心部分，也是实现信号中继的关键部件，其功能相当于地面接收机，要具备地面接收机中信号采集、放大、A/D转换、数字信号处理等功能，SP完成中继信号发射前的所有信号处理任务，其硬件结构主要由模拟输入信号前端处理器、A/D转换器、数字滤波器、嵌入式计算机系统组成，结合软件编程实现数字信号处理任务。
[0040]其中，模拟输入信号前端处理器是由三级完全相同的电压前置放大器、模拟低通滤波器以及可编程自动增益控制器、SPI总线组成的。如图4所示，来自井下发射机的信号通过电压前置放大器发大处理后进行低通滤波，信号经过三级放大、滤波后进入A/D转换器，其中电压前置放大器的放大倍数由可编程自动增益控制器进行设置，所述自动增益控制器由嵌入式计算机系统通过SPI总线完成对电压前置放大器的控制。
[0041]所述模拟低通滤波器也采用由多个低阶滤波器组成的多级滤波器。
[0042]所述A/D转换器采用16位A/D转换器。
[0043]所述数字滤波器采用由多个低阶数字滤波器组成的多级滤波器。
[0044]嵌入式计算机系统:[0045]中继器的数字信号处理和控制由一片嵌入式计算机CPU芯片、相应的存储器和接口电路等组成的嵌入式计算机系统来完成。
[0046]通过嵌入式计算机编程实现的功能包括:自动增益控制、数字滤波、信号同步运算、数据帧匹配、状态设置、解码、错误校验、SPI总线控制和数据通信等。
[0047](3)信号转发处理器
[0048]信号转发处理器处理信号接收处理器的信息，进行相应处理后，由信号接收发射天线转发。硬件结构上主要包括嵌入式计算机系统和信号发射电路。为了保证“信号发射电路”安全工作，还设计有辅助电路作为保护电路。
[0049]其中嵌入式计算机系统与信号接收处理器使用同一套CPU系统，编程实现信号编码、调制和发射机控制工作。
[0050]信号转发处理器的调制信号的频率是以不同于井下发射机的载波频率进行发射的。
[0051]实际应用中，可以根据所钻地层的信号衰减情况，在钻柱上安装多个中继器，这样会大大提高地面接收的信号强度，使地面接收机能够接收到质量较好的电磁信号，从而增强电磁随钻测量系统对不同地层的适应能力，提高测量深度。
[0052]本发明的技术特点如下:
[0053](I)自动增益控制
[0054]来自井下发射机的信号在A/D采集前，一般要进行放大处理。在地面上通常通过前置放大器处理，放大倍数可根据信号情况由人工干预即手工设置。但是，在井下的前置放大器无法实现人工设置放大倍数，因此，需要采用自动增益控制。该自动增益控制器由三级放大器组成，通过SPI总线控制，可以根据信号的强弱自动调整井下前置放大器的增益。
[0055](2)嵌入式计算机系统
[0056]为适应不同的钻井工艺要求，井下测量信息需分成多种数据帧进行传输，不同格式的数据帧按一定的次序发送，其中有的数据帧需要连续发送多次。接收处理器按不同格式的数据帧进行接收处理。需要进行以下工作:
[0057]①连续信号采样(不管是噪声信号还是EM信号都需要采样)
[0058]②同步运算，判定当前接收的是EM信号，并确定是哪种类型的数据格式；同时确定数据起始位置；
[0059]其中信号采样由数据采集系统自动控制，只要采样点数满足要求，就会触发事件处理程序，读取采样数据，而不管后续过程是否处理完毕。因此如果信号处理没有在下一组采样数据到来前完成，有可能造成数据丢失而产生错误结果。由于系统存在多种不同的数据帧，因此，每读取一次采样数据，需要同时进行多次同步运算，而在一次同步运算中，包含大量重复的加、减、乘、除、乘方、开方技术，这些运算会耗费大量的机时。为了保证在数据采集系统触发事件前完成数字信号及参数计算处理，确保正确解码，需要一套高速CPU系统，而目前通用的嵌入式单片机在运算速度上不能满足以上要求。本发明应用嵌入式计算机技术与传统的计算机技术结合，实现一种嵌入式计算机系统，然后再配合各种外围功能芯片，实现一个基本环境，将嵌入式实时操作系统移植到这个平台中，完成数字信号的处理运算和系统控制。
[0060]本发明的一个实施例如下:[0061]本发明提供的一种用于电磁随钻测量系统中实现电磁信号传输的中继器，由信号接收发射天线、信号接收处理器和信号转发处理器组成。对各个部件的要求如下:
[0062](I)信号接收发射天线
[0063]如图3所示，信号接收发射天线是中继器信号传输的关键装置，既要保证具有良好的电气特性，又要保证天线短节在井下的绝对安全，即制作的天线短节的机械强度要满足钻井工艺要求。
[0064]信号接收发射天线短节中的关键部分是绝缘接头6，从原理上说，使用非金属材料加工的绝缘接头效果最好，但经过测试，使用单纯的非金属材料制成的绝缘接头不能满足强度要求，为此，需使用高强度合金和复合材料设计、加工绝缘接头。
[0065]信号接收发射天线的机械性能要求如下:[0066]抗拉强度:120T;
[0067]抗压强度:50Τ ；
[0068]抗扭强度:15kN.m。
[0069](2)信号接收处理器
[0070]信号接收处理器是中继器的核心部分，也是实现信号中继的技术难点所在，其功能相当于地面接收机，要具备地面接收机中信号采集、放大、A/D转换、数字信号处理等功能，即完成中继信号发射前的所有信号处理任务，硬件结构上主要由模拟输入信号前端处理器、A/D转换、数字滤波器、嵌入式计算机版CPU组成，通过编程实现数字信号处理任务。具体结构如下:
[0071]①模拟输入信号前端处理器
[0072]如图4所示，由三级完全相同的电压前置放大器、模拟低通滤波器以及可编程增益控制器、SPI总线组成。
[0073]如图5所示，电压前置放大器，由三级SPI可控增益的运算放大器及低通滤波电路组成，其主要技术参数设计为:
[0074]可编程增益:0.2V/V ~157V/V ；
[0075]低功耗关闭模式:13 μ A ;
[0076]温度范围:-40°C~+125°C；
[0077]输入电压:±16V;
[0078]输入电压偏移补偿。
[0079]通过该电路实现对电磁输入信号的前置放大，放大倍数可编程控制，最大到157倍(即输入IV，输出157V)。
[0080]最大增益计算:
[0081]中继器中若采用三级放大，则可获得的最大增益为:
[0082]增益=157X 157 X 157 = 3869893 = 131dB。
[0083]模拟低通滤波器:
[0084]采用多级滤波器电路，如图6所示，
[0085]电压传递函数为:
E0l/i?,/?,C2C5
[0086]-— -----;:---;-
Ei S- +(s/C-Ml^+VRi+y ^+VRAC2C5[0087]对于该电路，低通网络函数如下:
【权利要求】
1.一种电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述中继器安装在井下发射机与地面接收机(I)之间，其接收井底发射机的信号，处理后再发射信号给地面接收机(I);所述中继器包括信号接收发射天线、信号接收处理器和信号转发处理器。
2.根据权利要求1所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述信号接收发射天线安装在钻柱(8)上，其接收井下发射机的信号并发射中继器的信号；所述信号接收处理器和信号转发处理器安装在所述信号接收发送天线内部，且信号接收处理器和信号转发处理器与信号接收发射天线之间具备电气连接结构，作为接收及转发电信号的传输通道。
3.根据权利要求2所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述信号接收发射天线从上至下依次包括上调整接头(5)、绝缘接头(6)和下调整接头(7);所述绝缘接头(6)将钻柱(8)分隔成上下电气绝缘的两段，分别为上部钻柱和下部钻柱；所述上调整接头(5)与上部钻柱匹配连接，下调整接头(7)与下部钻柱匹配连接，分别作为所述信号接收发射天线的两极。
4.根据权利要求3所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述信号接收处理器对接收到的井下发射机的信号进行处理，其包括模拟输入信号前端处理器、A/D转换器、数字滤波器和嵌入式计算机系统；来自井下发射机的信号经过所述模拟输入信号前端处理器的放大、滤波处理后进入所述A/D转换器被转换成数字信号，然后所述数字信号经过数字滤波器滤波后进入所述嵌入式计算机系统，所述嵌入式计算机系统对数字信号进行处理。
5.根据权利要求4所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述模拟输入信号前端处理器包括三级，每级均包括电压前置放大器、模拟低通滤波器、可编程增益控制器和SPI总线；来自井下发射机的信号依次经过各级的电压前置放大器的发大处理、模拟低通滤波器的低通滤波后得到了经过三级放大、滤波后的模拟信号； 所述电压前置放大器的放大倍数由可编程增益控制器进行设置，其通过所述SPI总线控制完成对电压前置放大器的控制； 所述模拟低通滤波器采用由多个低阶滤波器组成的多级滤波器。
6.根据权利要求5所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述A/D转换器采用16位A/D转换器；所述数字滤波器采用由多个低阶数字滤波器级联组成的多级滤波器。
7.根据权利要求6所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述信号转发处理器接收所述信号接收处理器发送来的信号并对其进行处理，处理完毕后，由所述信号接收发射天线进行转发； 所述信号转发处理器包括嵌入式计算机系统和信号发射电路；所述信号转发处理器处理得到的调制信号的是以不同于井下发射机的载波频率进行发射的。
8.根据权利要求7所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于:所述信号接收处理器与信号转发处理器使用同一套嵌入式计算机系统；所述嵌入式计算机系统包括嵌入式CPU、存储器和接口电路。
9.根据权利要求1所述的电磁随钻测量系统的信号传输中继器，其特征在于，所述信号接收发射天线由高强度合金和复合材料制成。
【文档编号】H04B7/15GK103731191SQ201210385078
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年10月11日 优先权日:2012年10月11日
【发明者】杨春国, 高炳堂, 魏继桐, 刘修善, 宋朝辉, 刘建华, 王立双 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院