基于低压脉冲反射法的井深测量装置及其测量方法
【专利摘要】一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，包括有处理器，处理器与显示器、键盘相连；处理器与脉冲信号产生电路相连；脉冲信号产生电路通过脉冲放大电路与脉冲收发网络相连；处理器通过信号采集器与信号放大电路相连；信号放大电路通过信号接收电路与脉冲收发网络相连；脉冲收发网络与钻杆相连；井深测量方法包括以下步骤：1)处理器通过脉冲信号产生电路、脉冲放大电路给脉冲收发网络输出脉冲；2)信号接收电路将接收到的反射脉冲电压给信号放大电路；3)信号放大电路将接收到的反射脉冲电压传递给信号采集器；4)信号采集器将信号输入处理器中进行处理；具有方法新颖、携带方便、操作简单、实时计算、体积小巧，安装方便的优点。
【专利说明】基于低压脉冲反射法的井深测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤矿、石油、天然气及地质勘探钻井工程测量【技术领域】，具体涉及一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002]井深测量在油、气田和煤矿勘探开发过程中起着重要的作用，井深的准确性测量是地层对比、压裂设计等工作顺利进行的前提。目前，在勘探测井过程中测量钻井深度时，采用如下方式:
[0003]I)传统的方法是使用标有长度标记的测量绳进行测量，手动记录测量绳放下的深度，其缺点是效率低、测量误差大，该方法只适用于竖直井测量。
[0004]2)比较先进的井钻井深度测量仪，以光电编码器或霍尔传感器为基础。一种是以安装在绞车滚筒上的光电编码器输出的信号反映钻具的位移量，该方法易受工作现场振动的影响，引起测量误差。为了不使误差太大，一般采用低精度的光电编码器，故测量精度不闻。
[0005]3)另外一种方法是将钢丝绳穿过滑轮，滑轮上安装有测量滑轮旋转的霍尔传感器，其输出信号通过处理器进行计数，并求出深度。因为由霍尔传感器构建传感电路一般分辨率有限，因此，该方法深度测量误差极大。在实际应用中，如果钢丝绳收放的速度过快，深度测量误差比第一种测量方式还要大，并且非常难以控制，该方法同样只适用于竖直井测量。
[0006]4)在煤矿钻探过程中，随钻井深测量常用的方法是声波反射法，该方法是采用一个榔头使力敲打钻杆产生沿钻杆传播的声波，通过敲击时刻与回波之间的时间差，以及声波在金属材料中的传播速度可求出钻井深度。该方法的优点是可测量任意方位的井深，其致命缺点是人工敲击的力度无法掌握，测量深度难以控制，误差较大，一致性差。
[0007]因此，现有井深测量方案存在效率低、测量误差大、适用范围有限、难以实现随钻测量等问题。
【发明内容】
[0008]为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置及其测量方法，具有效率高、测量误差小、精度高、适用范围广和可实现随钻测量的特点。
[0009]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，包括有处理器，处理器与显示器、键盘相连；处理器的I/o输出端与脉冲信号产生电路相连；脉冲信号产生电路通过脉冲放大电路与脉冲收发网络相连；处理器的I/o输入端通过信号采集器与信号放大电路相连；信号放大电路通过信号接收电路与脉冲收发网络相连；脉冲收发网络与钻杆相连；电源给上述部件供电。
[0010]所述的处理器通过RS485与带RS485接口的上位机相连。
[0011]所述的脉冲收发网络由脉冲变压器Tl、脉冲变压器T2和匹配网络组成；输出脉冲直接加在钻杆上，大地与信号地相连。
[0012]所述的脉冲信号产生电路由单稳态触发器U1、电阻RT和电容CT组成，脉冲信号产生电路的输出通过01、02、01、02、03、1?组成的脉冲放大电路进行放大，并通过变压器1'1的初级LI输出；通过控制LI的抽头，调节输出脉冲幅度。
[0013]所述的信号采集电路由高速AD转换器AD9244、滤波电容和端口保护电阻组成。
[0014]所述的信号接收电路和信号放大电路分别由仪表放大器Ul和数控放大器U2组成；U1的增益由具有滤波功能的R20、C18网络组成。
[0015]所述的RS485通信采用带隔离的RS485模块。
[0016]一种基于低压脉冲反射法的井深测量方法，包括以下步骤:
[0017]I)处理器通过脉冲信号产生电路、脉冲放大电路给脉冲收发网络输出脉冲，该脉冲施加到脉冲变压器Tl的原边线圈LI，在Tl的副边L2，L3上产生大小相同极性相反的电压脉冲，分别加到被测线路和内部平衡电路和输出端，若内部平衡电路的阻抗与被测电路的阻抗相近，则在发射脉冲的作用下，在L4、L5上产生一个大小相近、极性相反的电流信号，这时L6收到的信号极弱，达到了压缩发射脉冲的目的。当线路上的反射脉冲到来时，在L3、L4上产生的电压大小相等，回路电压代数和为0，内部平衡电路不起作用，反射脉冲电压通过T2全部变换到L5上，并通过次级线圈L6加到信号接收电路的输入端；
[0018]2)信号接收电路将接收到的反射脉冲电压进行低噪声、高共模抑制比放大，再送信号放大电路；
[0019]3)信号放大电路将接收到的反射脉冲电压进行数控放大，然后传递给信号采集器；
[0020]4)信号采集器将信号放大电路放大后的信号进行AD转换，再将AD转换后的信号输入处理器中经过由软件进行处理。
[0021]本发明的有益效果:
[0022]本发明提供一种使用方便、精度高、可靠性高、测量误差小的便携式随钻井深测量仪，
[0023]根据电磁波传播理论，在钻杆上送入一个脉冲电压，当发射脉冲沿钻杆传播过程中到达钻杆末端时，由于末端阻抗不匹配，而产生向测量点运动的反射脉冲，记录下发射脉冲和反射脉冲，二者的时间差△ t，则对应于脉冲信号在测量点与钻杆末端往返一次所需要的时间，求出钻杆深度为:
[0024]L = V* At/2
[0025]其中V为脉冲传播速度。
[0026]本发明采用内部阻抗平衡技术，解决大信号“阻塞”现象。即采用具有收、发脉冲压缩功能的内部阻抗平衡网络，即脉冲收发网络。
[0027]本发明可实现阻抗匹配。
[0028]本发明的发射波形采用可提高识别率、抗干扰能力、上升沿和下降沿陡峭的矩形脉冲。
[0029]本发明的处理器采用TI公司的TMS320系列DSP。
[0030]本发明的信号采集器的核心是14BIT的高速AD转换器AD9244。[0031 ] 本发明的信号接收电路和信号放大电路采用高速仪表放大器和高速数控运放。
[0032]本发明的电源采用镍氢电池供电，通过DC/DC变换电路和LDO稳压器转换需要电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明的结构原理框图。
[0034]图2为本发明脉冲收发网络与钻杆的电路原理图。
[0035]图3为本发明脉冲信号产生和脉冲功率放大电路图。
[0036]图4为本发明高速AD转换器AD9244外围电路图。
[0037]图5为本发明信号接收和信号放大电路图。
[0038]图6为本发明返回脉冲波形示意图。
[0039]图7为本发明采用曲线拟合来确定反射脉冲起始点的流程图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0041]参见图1，一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，包括有处理器，处理器与显示器、键盘相连；处理器的I/o输出端与脉冲信号产生电路相连；脉冲信号产生电路通过脉冲放大电路与脉冲收发网络相连；处理器的I/o输入端通过信号采集器与信号放大电路相连；信号放大电路通过信号接收电路与脉冲收发网络相连；脉冲收发网络与钻杆相连；电源给上述部件供电。
[0042]所述的处理器通过RS485与带RS485接口的上位机相连。
[0043]所述的脉冲收发网络由脉冲变压器Tl、脉冲变压器T2和匹配网络组成；输出脉冲直接加在钻杆上，大地与信号地相连。
[0044]所述的脉冲信号产生电路由单稳态触发器U1、电阻RT和电容CT组成，脉冲信号产生电路的输出通过01、02、01、02、03、1?组成的脉冲放大电路进行放大，并通过变压器1'1的初级LI输出；通过控制LI的抽头，调节输出脉冲幅度。
[0045]所述的信号采集电路由高速AD转换器AD9244、滤波电容和端口保护电阻组成。滤波电容连接在电源和地之间，端口保护电阻为小容量电阻，接在AD转换数字量输出端和处理器的I/O输入端之间。
[0046]所述的信号接收电路和信号放大电路分别由仪表放大器Ul和数控放大器U2组成；U1的增益由具有滤波功能的R20、C18网络组成。
[0047]图2是与钻杆相连的脉冲收发网络的电路原理图，脉冲收发网络由两个脉冲变压器T1、T2和匹配网络组成。当功率放大后的输出脉冲施加到脉冲变压器Tl的原边线圈LI时，在Tl的副边L2、L3上产生大小相同极性相反的电压脉冲，分别加到被测线路和内部平衡电路和输出端。若内部平衡电路阻抗与被测电路的阻抗相近，则在发射脉冲的作用下，在原边线圈L4、L5上产生一个大小相近、极性相反的电流信号，这时副边线圈L6收到的信号极弱，达到了压缩发射脉冲的目的。当线路上的反射脉冲到来时，在副边L3、原边线圈L4上产生的电压大小相等，回路电压代数和为0，内部平衡电路不起作用，反射脉冲电压通过脉冲变压器Τ2全部变换到原边线圈L5上，并通过副边线圈L6加到信号接收电路的输入端。
[0048]脉冲收发网络主要特点之一是可实现阻抗匹配，匹配网络由C1、C2和可调电容C3组成。通过调节C3可适应不同使用环境。
[0049]图3所示的脉冲信号产生和脉冲功率放大电路中，发射波形采用可提高识别率、抗干扰能力、上升沿和下降沿陡峭的矩形脉冲。脉冲源可设置脉冲宽度分别为50ns、100ns、200ns、500ns 三档。
[0050]可调脉冲电压源由74F123、电容、电阻和可调电阻组成，74F123的A端与CPU的GP1相连，7F123的B端和CLK端接高电平；当与74F123的A端相连的CPU的GP1产生一个负电压脉冲时，则在74F123的输出端Q就会产生正脉冲信号。实际脉冲电压上升时间小于10ns。脉冲宽度计算近似公式为:
[0051]Tw = 0.45TtCt
[0052]三极管Ql、Q2和外围的二极管、电阻等元件组成幅值可调的窄脉功率放大器，通过选择开关切换脉冲变压器抽头，可将脉冲幅值分别设置为30V、24V和18V。QU Dl和D2组成驱动电路，Q2、D3的作用是增强Ql的驱动电流，使脉冲边沿更陡。
[0053]图4表示高速AD转换器AD9244外围电路。AD9244是一款14位、最高速率达到65MSPS，采用5 V单电源供电。AD9244具有一个片上可编程基准电压源，也可以选用外部基准电压，以满足应用的直流精度与温度漂移要求。AD9244采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在65 MSPS数据速率时可提供14位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。其中模拟电源、模拟地和数字电源、数字地都分别从外部输入。模拟信号输入和时钟信号的输入均采用差分输入形式，以获得最佳的模数转换效果。REFSENSE、VREF和REFGND通过一个1yF的电容和一个0.1yF的小电容相连，可提供内部IV的参考电压。模拟输入信号的峰值被嵌在IV之内，而时钟信号的频率最高可以达到65MHz。REFT和REFB都应通过电容网络接地，而且CML和VR也都应当通过0.1yF的电容接地。DUTY接模拟电源可使AD9244输入时钟信号的占空比调整在50%。OEB脚接地可使输出使能；DFS通过IkQ的电阻接地，可选择输出数据为直接二进制形式。将输出数据管脚通过22Ω的电阻连接到下一级数字电路，可以防止输出电流过大，同时有隔离其它数字电路，减小干扰的作用。模拟电源和模拟地、数字电源和数字地都应通过电容网络去耦，以减小电源输入噪声。
[0054]图5表示信号接收和信号放大电路，Ul为高速仪表放大器MAX4146，其增益由接在
3、5脚的电阻和电容确定。信号放大电路U2为数控增益高速运放AD8250，其程控增益为1、2、5、10 倍。
[0055]电源电路由6节5AH镍氢电池供电，镍氢电池的输出电压通过DC/DC变换电路和LDO稳压器转换为+30V、±5V、+3.3V。
[0056]RS485通信采用带隔离的RS485模块RMS3485。
[0057]处理器单元CPU包括时钟、程序存储器、数据存储器、输入/输出接口电路，CPU单元接收按键输入指令，执行相应的操作，从超高速数据采集单元读取脉冲反射波形并进行处理，把操作提示、测量结果等信息，送到液晶显示器上显示；对整个系统自检、监控。
[0058]图6是返回脉冲波形示意图，反射波的起始点信息由反射脉冲上升沿的一段数据进行曲线拟合来确定反射脉冲起始点:
[0059]F ⑴=aT2+bT+c
[0060]其中T为采样点序号，F(T)为T所对应的采样点电压值。
[0061]图7表示采用曲线拟合来确定反射脉冲起始点的软件流程图。由采用曲线拟合来确定反射脉冲起始点时，首先对采集的信号进行信噪比检测，如果小于给定的信噪比需要进行消噪处理；其次，求出反射波极值点(Fmax, Tmax),同时确定极值区间；然后,利用最小二乘法对经过处理后的数据进行二次曲线拟合，求出a、b、c的值；最后，由方程的aT2+bT+c=O解,得到起始点。
[0062]一种基于低压脉冲反射法的井深测量方法，包括以下步骤:
[0063]I)处理器通过脉冲信号产生电路、脉冲放大电路给脉冲收发网络输出脉冲，该脉冲施加到脉冲变压器Tl的原边线圈LI，在Tl的副边L2，L3上产生大小相同极性相反的电压脉冲，分别加到被测线路和内部平衡电路和输出端，若内部平衡电路阻抗与被测电路的阻抗相近，则在发射脉冲的作用下，在L4、L5上产生一个大小相近、极性相反的电流信号，这时L6收到的信号极弱，达到了压缩发射脉冲的目的。当线路上的反射脉冲到来时，在L3、L4上产生的电压大小相等，回路电压代数和为0，内部平衡电路不起作用，反射脉冲电压通过T2全部变换到L5上，并通过次级线圈L6加到信号接收电路的输入端；
[0064]2)信号接收电路将接收到的反射脉冲电压进行低噪声、高共模抑制比放大，再送信号放大电路；
[0065]3)信号放大电路将接收到的反射脉冲电压进行数控放大，然后传递给信号采集器；
[0066]4)信号采集器将信号放大电路放大后的信号进行AD转换，再将AD转换后的信号输入处理器中经过由软件进行处理。
【权利要求】
1.一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，包括有处理器，处理器与显示器、键盘相连；处理器的I/o输出端与脉冲信号产生电路相连；脉冲信号产生电路通过脉冲放大电路与脉冲收发网络相连；处理器的I/o输入端通过信号采集器与信号放大电路相连；信号放大电路通过信号接收电路与脉冲收发网络相连；脉冲收发网络与钻杆相连；电源给上述部件供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，所述的处理器通过RS485与带RS485接口的上位机相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，所述的脉冲收发网络由脉冲变压器Tl、脉冲变压器T2和匹配网络组成；输出脉冲直接加在钻杆上，大地与信号地相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，所述的脉冲信号产生电路由单稳态触发器Ul、电阻RT和电容CT组成,脉冲信号产生电路的输出通过Ql、Q2、Dl、D2、D3、R组成的脉冲放大电路进行放大，并通过变压器Tl的初级LI输出；通过控制LI的抽头，调节输出脉冲幅度。
5.根据权利要求1所述的一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，所述的信号采集电路由高速AD转换器AD9244、滤波电容和端口保护电阻组成。
6.根据权利要求1所述的一种基于低压脉冲反射法的井深测量装置，其特征在于，所述的信号接收电路和信号放大电路分别由仪表放大器Ul和数控放大器U2组成；U1的增益由具有滤波功能的R20、C18网络组成。
7.一种基于低压脉冲反射法的井深测量方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)处理器通过脉冲信号产生电路、脉冲放大电路给脉冲收发网络输出脉冲，该脉冲施加到脉冲变压器Tl的原边线圈LI，在Tl的副边L2，L3上产生大小相同极性相反的电压脉冲，分别加到被测线路和内部平衡电路和输出端，若内部平衡电路阻抗与被测电路的阻抗相近，则在发射脉冲的作用下，在L4、L5上产生一个大小相近、极性相反的电流信号，这时L6收到的信号极弱，达到了压缩发射脉冲的目的；当线路上的反射脉冲到来时，在L3、L4上产生的电压大小相等，回路电压代数和为O，内部平衡电路不起作用，反射脉冲电压通过T2全部变换到L5上，并通过次级线圈L6加到信号接收电路的输入端； 2)信号接收电路将接收到的反射脉冲电压进行低噪声、高共模抑制比放大，再送信号放大电路； 3)信号放大电路将接收到的反射脉冲电压再进行数控放大，然后传递给信号采集器； 4)信号采集器将信号放大电路放大后的信号进行AD转换，再将AD转换后的信号输入处理器中由软件进行处理。
【文档编号】E21B47/04GK104389585SQ201410667273
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】彭腊梅 申请人:陕西太合科技有限公司