專利名稱：一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置及其測(cè)量方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種用于礦產(chǎn)、石油天然氣資源勘探開發(fā)中的隨鉆測(cè)量?jī)x器。尤其涉及一種隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的電磁波信號(hào)遠(yuǎn)程接收及井下信息實(shí)時(shí)測(cè)量領(lǐng)域，屬于隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的地面裝置。
背景技術(shù)：
電磁隨鉆測(cè)量(EM-MWD)系統(tǒng)是隨著欠平衡鉆井、氣體鉆井等特殊工藝井的不斷發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的，該技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了傳統(tǒng)的泥漿MWD系統(tǒng)在這些復(fù)雜工藝井中不能很好完成工程測(cè)量需求的問題。由于其具有信號(hào)傳輸速度高、無(wú)需循環(huán)鉆井液便可傳輸數(shù)據(jù)、測(cè)量時(shí)間短、成本低等特點(diǎn)，特別是EM-MWD系統(tǒng)基本上不受鉆井液介質(zhì)的影響，不僅適用于常規(guī)鉆井液中的隨鉆測(cè)量，而且還適用于在氣體、泡沫、霧化、空氣、充氣等鉆井液中使用，這使得電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。地面數(shù)據(jù)接收與處理裝置是EM-MWD系統(tǒng)的核心裝置之一。目前，EM-MWD系統(tǒng)，其地面接收機(jī)主要是采用檢測(cè)地面電極與井架間的攜有井下信息的電磁信號(hào)，電極與井架間距離約100米左右。其工作原理是耦合變壓器來(lái)感應(yīng)攜有井下信息的微弱電磁信號(hào)，然后通過前置放大器、低通濾波器等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)攜有井下測(cè)量信息的電磁信號(hào)解碼，獲取井下信息。然而這種接收方式易于受到井場(chǎng)各種電氣設(shè)備如鉆機(jī)、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、泥漿泵、傳動(dòng)鏈條、振動(dòng)篩等設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲影響，使得EM-MWD系統(tǒng)地面接收機(jī)處理低頻電磁信號(hào)的性能嚴(yán)重退化，接收靈敏度大大降低。專利申請(qǐng)?zhí)?00810101407. 8中發(fā)明了一種使用兩幅天線分別接收井下發(fā)送的電磁信號(hào)和井場(chǎng)噪聲信號(hào)EM-MWD系統(tǒng)，其地面接收機(jī)具有處理井下發(fā)送上來(lái)的攜帶有測(cè)量數(shù)據(jù)信息的電磁信號(hào)功能。專利申請(qǐng)?zhí)?00410005527. X中發(fā)明一種能夠處理媒質(zhì)中的電磁波信號(hào)的隨鉆測(cè)量遙測(cè)系統(tǒng)。專利申請(qǐng)?zhí)?01020298570. 0中發(fā)明了一種用解決井上測(cè)量系統(tǒng)拾取微弱電磁信號(hào)困難的問題。以上這些專利都是在井場(chǎng)電磁干擾環(huán)境下處理微弱電磁信號(hào)，在不同程度上還是易于受井場(chǎng)電磁噪聲干擾，影響EM-MWD的電磁波信號(hào)的地面接收機(jī)性能，直接導(dǎo)致EM-MWD系統(tǒng)傳輸深度低。而本發(fā)明提出以陣列信號(hào)處理的方法為核心，用接收天線陣列方式接收處理攜有井下測(cè)量信息的微弱電磁波信號(hào)，該裝置可有效地降低井場(chǎng)噪聲對(duì)接收裝置的影響，提高地面接收裝置的處理增益和靈敏度。眾所周知，地層電阻率是制約EM-MWD系統(tǒng)傳輸深度主要原因之一。而地層電阻率影響傳輸?shù)纳疃鹊闹苯釉蚴?，電阻率的影響了信?hào)的衰減。這就是EM-MWD系統(tǒng)只能在一定地層電阻率條件下傳輸?shù)脑?，地層電阻率太低，信?hào)衰減嚴(yán)重，傳輸深度降低；地層電阻率太大，電磁信號(hào)難以注入地層，同樣導(dǎo)致信號(hào)很小。從信號(hào)分析角度來(lái)說(shuō)，在發(fā)射功率不變的條件下，如果能降低井場(chǎng)噪聲干擾或者通過陣列信號(hào)處理提高處理增益，即可有效地增加傳輸深度。目前，國(guó)外公司針對(duì)井場(chǎng)噪聲提出了一些自適應(yīng)方法、井場(chǎng)噪聲抵消方法，這些方法均在不同程度上提高了 EM-MWD系統(tǒng)的性能。然而通過充分利用陣列信號(hào)處理的特性，結(jié)合井場(chǎng)噪聲抵消方法來(lái)解決EM-MWD系統(tǒng)的微弱電磁信號(hào)的探測(cè)尚未見有相關(guān)文獻(xiàn)和專利提及。據(jù)此，本發(fā)明提供一種遠(yuǎn)程電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的地面接收機(jī)裝置，在距井場(chǎng)大于500m處，采用接收天線陣列接收微弱電磁信號(hào)，并采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和陣列信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的微弱電磁波信號(hào)進(jìn)行解碼，從而增強(qiáng)EM-MWD系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，提高地面接收機(jī)的接收靈敏度，拓展測(cè)量深度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，研發(fā)了一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置及其測(cè)量方法和應(yīng)用，采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和陣列信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的微弱電磁波信號(hào)進(jìn)行解碼，從而增強(qiáng)EM-MWD系統(tǒng)對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，提高地面接收機(jī)的接收靈敏度，拓展測(cè)量深度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，所述裝置包括接收天線陣列和遠(yuǎn)程接收單元；所述接收天線陣列包括一組天線陣元，各個(gè)天線陣元連接后與所述遠(yuǎn)程接收單元連接；每個(gè)天線陣元包括一組傳感器，且所述各個(gè)傳感器之間并聯(lián)；所述遠(yuǎn)程接收單元包括中央處理單元，控制電路，無(wú)線收發(fā)模塊和電源；所述無(wú)線收發(fā)模塊通過控制電路與中央處理單元連接；所述接收天線陣列將接收的測(cè)量信號(hào)傳輸給所述遠(yuǎn)程接收單元中的無(wú)線收發(fā)模塊；所述中央處理單元與所述無(wú)線接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，解碼和數(shù)據(jù)處理，之后再通過所述無(wú)線接收模塊將處理后數(shù)據(jù)發(fā)射。為了對(duì)井下微弱的電磁波信號(hào)進(jìn)行有效采集，所述遠(yuǎn)程接收單元包括抗干擾模塊，用于對(duì)井下的微弱電磁波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理；所述抗干擾模塊包括耦合變壓器，低噪聲前置放大器和低噪聲帶通濾波器；所述耦合變壓器用于降低外界磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；所述前置放大器用于放大井下電磁波信號(hào)；所述帶通濾波器用于濾波，消除噪聲；所述耦合變壓器，前置放大器和帶通濾波器依次電連接，且均與所述中央處理單元連接；所述放大器放大倍數(shù)范圍1-100000、帶通濾波器的頻帶的范圍0. 1-2000HZ。在具體應(yīng)用中，所述接收天線陣列用于接收井下電磁波信號(hào)；所述各個(gè)接收天線陣元之間采用線性排列連接，各個(gè)接收天線陣元并聯(lián)連接后與所述遠(yuǎn)程接收單元連接；且每個(gè)接收天線陣元線性連接，組合形成線性陣列；各個(gè)接收天線陣元的陣元間距與實(shí)際發(fā)射的信號(hào)頻率、井場(chǎng)噪聲強(qiáng)度有關(guān)。實(shí)際發(fā)射的信號(hào)頻率為1-500HZ，所述各個(gè)接收天線陣元之間的設(shè)置的距離范圍1-100米。所述的中央處理單元包括含有12位、14位，甚至更高精度A/D的DSP處理器，或通用DSP與高精度的A/D ;所述的控制電路包括通信數(shù)據(jù)總線接口和控制驅(qū)動(dòng)電路；所述的通信數(shù)據(jù)總線與所述的無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將信號(hào)輸入DSP處理器，所述的DSP處理器對(duì)井下電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解碼和數(shù)據(jù)處理；處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)壓縮加密后，再通過所述的通信數(shù)據(jù)總線傳輸給所述的無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)射。陣列信號(hào)調(diào)理電路是遠(yuǎn)程接收裝置的核心部分之一。所述電路包括高精度、低噪聲具有自動(dòng)增益的前置放大器、高精度、低噪聲具有帶寬可調(diào)的濾波器。所述的電路用來(lái)處理來(lái)自陣元接收的信號(hào)。具體的，井場(chǎng)儀器房?jī)?nèi)放置井場(chǎng)接收機(jī)，用于發(fā)射啟動(dòng)指令，并接收由所述無(wú)線收發(fā)模塊所發(fā)射的測(cè)量信號(hào)；所述遠(yuǎn)程接收裝置設(shè)置在距井場(chǎng)500-3000米處，接收天線陣的陣元間距1-1OOm;遠(yuǎn)程接收裝置采集信號(hào)的頻率范圍0.1 1000Hz，觀測(cè)靈敏度為-120dBu V0本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明點(diǎn)是根據(jù)所述的裝置進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程接收測(cè)量的方法，所述遠(yuǎn)程接收和測(cè)量方法包括如下步驟(I)所述遠(yuǎn)程接收裝置接收井場(chǎng)接收機(jī)的指令，啟動(dòng)遠(yuǎn)程接收裝置；(2)遠(yuǎn)程接收裝置根據(jù)指令，進(jìn)行設(shè)備儀器的配置，然后采集、處理、解碼和加密數(shù)據(jù)；所述的配置參數(shù)包括儀器的放大倍數(shù)、濾波器參數(shù)、采集通道數(shù)、陣元數(shù)和陣元間距
坐寸o(3)解碼后的數(shù)據(jù)通過所述無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送至儀器房?jī)?nèi)的井場(chǎng)接收機(jī)。所述方法包括對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理步驟設(shè)陣元編號(hào)為1#、2#……N#，等間距陣元間距為d，發(fā)射機(jī)載波頻率為《，波長(zhǎng)為入，傳播速度V，則信號(hào)到達(dá)2#陣元較1#陣元的傳播時(shí)間延遲為T，延遲路程為U，則相鄰陣元間延遲為
權(quán)利要求
1.一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，其特征在于，所述裝置包括接收天線陣列和遠(yuǎn)程接收單元； 所述接收天線陣列包括一組天線陣元，各個(gè)天線陣元連接后與所述遠(yuǎn)程接收單元連接；每個(gè)天線陣元包括一組傳感器，且所述各個(gè)傳感器之間并聯(lián)； 所述遠(yuǎn)程接收單元包括中央處理單元，控制電路，無(wú)線收發(fā)模塊和電源；所述無(wú)線收發(fā)模塊通過控制電路與中央處理單元連接； 所述接收天線陣列將接收的測(cè)量信號(hào)傳輸給所述遠(yuǎn)程接收單元中的無(wú)線收發(fā)模塊；所述中央處理單元與所述無(wú)線接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，解碼和數(shù)據(jù)處理，之后再通過所述無(wú)線接收模塊將處理后數(shù)據(jù)發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，其特征在于， 所述遠(yuǎn)程接收單元包括抗干擾模塊，用于對(duì)井下的微弱電磁波信號(hào)進(jìn)行調(diào)理；所述抗干擾模塊包括耦合變壓器，前置放大器和帶通濾波器；所述耦合變壓器用于降低外界磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾；所述前置放大器用于放大井下電磁波信號(hào)；所述帶通濾波器用于濾波，消除噪聲；所述耦合變壓器，前置放大器和帶通濾波器依次電連接，且均與所述中央處理單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，其特征在于， 所述放大器放大倍數(shù)范圍1-100000，帶通濾波器的頻帶的范圍0. 1-2000HZ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，其特征在于， 所述接收天線陣列用于接收井下電磁波信號(hào)；所述各個(gè)天線陣元之間采用線性排列連接，各個(gè)天線陣元并聯(lián)連接后與所述遠(yuǎn)程接收單元連接；且每個(gè)天線陣元線性連接，組合形成線性陣列； 各個(gè)天線陣元發(fā)射的信號(hào)頻率為1-500HZ ;所述各個(gè)接收天線陣元之間的設(shè)置的距離范圍1-100米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，其特征在于， 所述的中央處理單元包括含有12位或14位高精度A/D的DSP處理器；所述的控制電路包括通信數(shù)據(jù)總線接口和控制驅(qū)動(dòng)電路；所述的通信數(shù)據(jù)總線與所述的無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將信號(hào)輸入DSP處理器，所述的DSP處理器對(duì)井下電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解碼和數(shù)據(jù)處理；處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)壓縮加密后，再通過所述的通信數(shù)據(jù)總線傳輸給所述的無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，其特征在于， 井場(chǎng)儀器房?jī)?nèi)放置井場(chǎng)接收機(jī)，用于發(fā)射啟動(dòng)指令，并接收由所述無(wú)線收發(fā)模塊所發(fā)射的測(cè)量信號(hào)；所述遠(yuǎn)程接收裝置設(shè)置在距井場(chǎng)500-3000米處，天線陣的陣元間距1-1OOm ;遠(yuǎn)程接收裝置采集信號(hào)的頻率范圍0.1 1000Hz，觀測(cè)靈敏度為_120dBii V。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的裝置進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程接收測(cè)量的方法，其特征在于 所述遠(yuǎn)程接收和測(cè)量方法包括如下步驟 (1)所述遠(yuǎn)程接收裝置接收井場(chǎng)接收機(jī)的指令，啟動(dòng)遠(yuǎn)程接收裝置； (2)遠(yuǎn)程接收裝置根據(jù)指令，進(jìn)行設(shè)備儀器的配置，然后采集、處理、解碼和加密數(shù)據(jù)；所述的配置參數(shù)包括儀器的放大倍數(shù)、濾波器參數(shù)、采集通道數(shù)、陣元數(shù)和陣元間距；(3)解碼后的數(shù)據(jù)通過所述無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送至儀器房?jī)?nèi)的井場(chǎng)接收機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)線遠(yuǎn)程接收測(cè)量的方法，其特征在于 所述方法包括對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理步驟 設(shè)陣元編號(hào)為1#、2#……N#，等間距陣元間距為d，發(fā)射機(jī)載波頻率為《，波長(zhǎng)為入，傳播速度V，則信號(hào)到達(dá)2#陣元較1#陣元的傳播時(shí)間延遲為T，延遲路程為U，則相鄰陣元間延遲為
9.應(yīng)用權(quán)利要求1-6所述的無(wú)線遠(yuǎn)程接收測(cè)量裝置的方法，所述裝置應(yīng)用在電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中(EM-MWD)。
全文摘要
本發(fā)明是一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置及其測(cè)量方法和應(yīng)用。一種電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)線遠(yuǎn)程接收裝置，所述裝置包括接收天線陣列和遠(yuǎn)程接收單元；所述遠(yuǎn)程接收單元包括中央處理單元，控制電路，無(wú)線收發(fā)模塊和電源；所述無(wú)線收發(fā)模塊通過控制電路與中央處理單元連接。本發(fā)明通過研制一種遠(yuǎn)程接收電磁波隨鉆測(cè)量信號(hào)的裝置，用于電磁隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中遠(yuǎn)程接收測(cè)量信號(hào)。采用DSP技術(shù)和陣列信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)噪聲抑制，通過布設(shè)合理的陣元，配以先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)微弱電磁信號(hào)的遠(yuǎn)程接收，有效地提高了電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于不同地層的適應(yīng)能力、提高處理增益和接收靈敏度，增加測(cè)量深度。
文檔編號(hào)E21B47/13GK103061754SQ201110319059
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者楊春國(guó), 劉科滿, 高炳堂, 陳曉暉, 宋朝暉, 王立雙 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院