專利名稱：用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用地球物理領(lǐng)域，尤其涉及一種用于石油井下三維聲波信號接收
傳感器陣列的電路。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有技術(shù)中主流的多極子聲波測井技術(shù)僅具有有限的方位和徑向探測能 力，而采用具有任意指向性的相控陣聲波發(fā)射和陣列化的接收傳感器(由數(shù)個環(huán)形陣列組 成)是實現(xiàn)三維探測能力的關(guān)鍵技術(shù)。這時要求將現(xiàn)有多極子接收聲系中廣泛采用的90 度正交分布的4換能器8組陣列提高到45度分布的8換能器12組(甚至更多)陣列，在 這種情況下對井下信號接收和處理電子系統(tǒng)的要求就會發(fā)生如下變化 [OOOS] (1)從接收聲系到主電子艙(短節(jié))的32(4X8)路共40(每組公用1根地線)條引 線變?yōu)?6(8X12)路共108條引線； (2)多極子儀器測量時每組合成為一道信號整個儀器共有8路信號需要并行化模 擬處理和數(shù)據(jù)采集，而三維聲波信號接收傳感器陣列測量時全部為獨立信號因此共有96 路信號需要完全并行的模擬處理和數(shù)據(jù)采集(這是現(xiàn)有的石油測井技術(shù)領(lǐng)域最大規(guī)模的并 行信號處理)。 現(xiàn)有技術(shù)的聲波測井儀器從接收聲系(必須處于與井內(nèi)流體均衡的高壓環(huán)境， 最高可達(dá)140MPa以上)到主電子艙，該主電子艙密封后處于常壓環(huán)境，內(nèi)部用于安裝電 子系統(tǒng)的承壓電氣連接最多允許引線數(shù)小于70(由于儀器串系統(tǒng)和儀器本身其它連線的需 要，留給接收傳感器的連線實際上小于50條)，因此按照常規(guī)方式根本無法完成三維接收 陣列與電子系統(tǒng)的連接。同時，較長距離的大量連線將不可避免的引入干擾，因為井下 儀器電路板的允許最大寬度僅為60mm左右，所以在狹長空間大量的模擬信號并行處理 也會帶來布局上的困難，以上的缺陷都會顯著降低數(shù)據(jù)的信噪比。 因此，如何在三維接收傳感器陣列條件下完成傳感器與電子系統(tǒng)的連接以及電 子系統(tǒng)高質(zhì)量的完成多路信號的并行化模擬處理和數(shù)據(jù)采集就成為急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，解決在井下高溫和狹小空間條件下實現(xiàn) 三維聲波測井接收傳感器陣列與電子系統(tǒng)連接和實現(xiàn)多通道并行信號處理電子系統(tǒng)的問 題。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣 列的電路，所述電路由數(shù)個密封電子單元組成位于接收聲系內(nèi)部，所述數(shù)個密封電子單 元通過串行高速傳輸總線與主控電子單元相連接，并與接收傳感器環(huán)形陣列相連接；所 述密封電子單元具體包括 信號通道，用于接收和處理所述接收傳感器陣列中的對應(yīng)接收傳感器所傳遞的 發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)緩沖存儲器，用于存儲所述信號通道傳遞的發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)采集控制器，用于控制所述信號通道和數(shù)據(jù)緩沖存儲器傳遞和存儲發(fā)射/采
集循環(huán)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)傳輸控制器，用于控制所述數(shù)據(jù)緩沖存儲器和數(shù)據(jù)采集控制器的數(shù)據(jù)傳 輸，并通過所述串行高速傳輸總線與所述主控電子單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。 因此本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路實現(xiàn)了多個密封 電子單元和位于主電子艙的主控電子單元之間的高速、高效和可靠的數(shù)據(jù)通訊。由此解 決了在井下高溫和狹小空間條件下實現(xiàn)三維聲波測井接收傳感器陣列與電子系統(tǒng)連接和 實現(xiàn)多通道并行信號處理電子系統(tǒng)的問題。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例描 述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的 一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。 圖1為本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路的系統(tǒng)組成 示意圖； 圖2為本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路中密封電子 單元的機械結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路中密封電子 單元的功能電路組成示意圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、 完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施 例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得 的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。 利用本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路與儀器系統(tǒng)控制 和聲波發(fā)射電路相結(jié)合能夠進(jìn)行井下三維聲波測井，實現(xiàn)對非均質(zhì)、各向異性和井旁裂 縫等復(fù)雜地層的有效探測。為了實現(xiàn)本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣 列的電路，必須對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn) (l)為了解決聲系和主電子艙之間承壓連接引線數(shù)量的限制，必須將多通道電子
系統(tǒng)分解后安裝到聲系內(nèi)部，形成十?dāng)?shù)個相對獨立的承壓電子單元，即密封電子單元， 每個電子單元與單個環(huán)形接收陣列形成近距離較少引線連接； (2)主電子艙的主控電路即主控電子單元，必須能夠與位于接收聲系內(nèi)部的十?dāng)?shù) 個承壓電子單元進(jìn)行高效、高速和可靠的通訊(控制和數(shù)據(jù)傳輸)，這就需要設(shè)計特殊的 硬件接口和通訊協(xié)議。 圖1為本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路的系統(tǒng)組成 示意圖。如圖1所示，本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路由數(shù)個密封電子單元1組成位于接收聲系內(nèi)部，數(shù)個密封電子單元1通過串行高速傳輸總線20 與主控電子單元2相連接，并與接收傳感器環(huán)形陣列3相連接。 本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路是用于三維聲波測井 的接收傳感器陣列與電子系統(tǒng)即主控電子單元2，連接和實現(xiàn)多通道并行信號采集和數(shù) 據(jù)傳輸，該電路由多個密封電子單元l組成，并位于接收聲系內(nèi)部，可以在高溫(大于 155°C )、高壓(大于100MPa)和狹小空間(內(nèi)直徑70mm左右的圓筒狀)條件下工作。
數(shù)個密封電子單元1與儀器的主控電子單元2通過特殊設(shè)計的串行高速傳輸總線 20互聯(lián)，通過該串行高速傳輸總線20的硬件接口和通訊協(xié)議能夠高效可靠的對每個密封 電子單元1的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和讀取所采集的數(shù)據(jù)，并能夠通過廣播方式使多個密封 電子單元1中的所有信號通道同步工作。 由在聲系內(nèi)部的m(例如，m = 12)個密封電子單元1和位于主電子艙的主控電 子單元2借助于特殊設(shè)計的數(shù)據(jù)通訊鏈路形成多端點間的可靠連接，這種連接方式不僅 極大的減少了傳感器艙(接收聲系)與主電子艙之間的連線(連同地線僅需要6條)，而且 由于遠(yuǎn)距離(數(shù)米)連接是全數(shù)字化信號使測量數(shù)據(jù)的信噪比達(dá)到最佳。
這樣就可以解決在井下高溫和狹小空間條件下實現(xiàn)三維聲波測井接收傳感器陣 列3與電子系統(tǒng)即主控電子單元的連接和實現(xiàn)多通道并行信號處理電子系統(tǒng)的問題。
圖2為本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路中密封電子 單元的機械結(jié)構(gòu)示意圖。如2圖所示，密封電子單元通過分布固定在密封端蓋101上并 被壓盤102鎖緊的多個密封連接器103，承載在殼體104內(nèi)部與多個密封連接器103電連 接的至少一個電子線路板105實現(xiàn)。 具體的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路中用到多個如圖2所 示的位于接收聲系內(nèi)部的密封電子單元，其中每個密封電子單元對應(yīng)8個為一組的接收 傳感器環(huán)形陣列。圖中密封連接器(高壓密封塞)103，根據(jù)需要而多個分布固定于密封 端蓋101上并被壓盤102鎖緊，以及為單元殼體104內(nèi)部承載一個或多個耐高溫電子線路 板105。 在處于高壓環(huán)境的充油的接收聲系內(nèi)部，為每組環(huán)形接收傳感器環(huán)形陣列配有 一個小型的密封電子單元模塊即密封電子單元(簡稱從單元，與環(huán)形傳感器陣列組成一種 所謂的"有源探測器")。承壓外殼104、密封端蓋101和密封連接器103為密封電子單 元內(nèi)部的耐高溫(大于155°C )電子線路板105上的精密電子線路提供了常壓工作環(huán)境和 與外部的電氣連接端子。在每個接收傳感器環(huán)形陣列中具有8個接收傳感器元件的情況 下，加上數(shù)據(jù)通訊和供電(來自主電子艙)時的端接總數(shù)不大于20條，很容易通過一端或 者雙端(圖l為一端出線，雙端出線的另一端的機械原理與該端完全相同)完成。從接收 傳感器元件接來的引線即短(比現(xiàn)有技術(shù)連接短10倍以上)又省去了一個很難良好屏蔽的 轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)(傳統(tǒng)連接有承壓接頭和分解接頭兩次轉(zhuǎn)接)，非常有利于提高信號的信噪比。
圖3為本發(fā)明的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路中密封電子 單元的功能電路組成示意圖。如圖3所示，密封電子單元包括有n(例如，11 = 8)個互 相獨立的完全并行的信號通道11，所有這些信號通道公用數(shù)據(jù)緩沖存儲器(即數(shù)據(jù)緩存 FIF0)12、數(shù)據(jù)采集控制器13和數(shù)據(jù)傳輸控制器14。再如圖3所示，每一個信號通道11 由前置放大器lll、有源帶通濾波器112、程控增益放大器113和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)114等部分組成。 信號通道11用于接收和處理接收傳感器陣列中的對應(yīng)接收傳感器所傳遞的聲波 信號；數(shù)據(jù)緩沖存儲器12用于存儲信號通道ll傳遞的發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集控 制器13用于控制信號通道11和數(shù)據(jù)緩沖存儲器12傳遞和存儲發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)；數(shù) 據(jù)傳輸控制器14用于控制數(shù)據(jù)緩沖存儲器12和數(shù)據(jù)采集控制器13的數(shù)據(jù)傳輸，并通過 串行高速傳輸總線與主控電子單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。 密封電子單元由于采用多層布線耐高溫雙面SMT工藝，通常由兩塊電路板對置 安裝。每個通道的主要技術(shù)指標(biāo)是前置放大器為20dB增益的低噪聲放大；有源帶通 濾波器的通帶為0.2-20kHz，高端為80dB/dec，以保證良好的抗混疊濾波特性；程控增 益放大器為0-60dB、 6dB步進(jìn)，小閉環(huán)增益控制由主控電子單元設(shè)置，大閉環(huán)由地面系 統(tǒng)設(shè)置；ADC為16b/lMsps。密封電子單元內(nèi)的數(shù)字電路系統(tǒng)由一塊規(guī)模不小于30萬可 用門的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成，主要功能是完 成與主控電子單元的數(shù)據(jù)通訊(接收命令和控制數(shù)據(jù)，發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)幀)，進(jìn)行放大 器增益設(shè)定和多通道同步數(shù)據(jù)采集控制(采樣間隔和采樣深度)，為數(shù)據(jù)采集提供順序編 址的FIFO緩存。 完成多個密封電子單元和位于主電子艙的主控電子單元之間的高速、高效和可 靠的數(shù)據(jù)通訊也是實現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵，該通訊具有以下特點 (1)數(shù)據(jù)傳輸線路必須為所有單元公用(即只能采用總線型拓?fù)涠灰瞬捎眯切?或其它類型的拓?fù)?； (2)只有主控電子單元與各密封電子單元之間的一對一傳輸而無需各個密封電子 單元之間的通訊； (3)根據(jù)三維聲波測井測速、最小采樣間隔和每次發(fā)射所采集的最大數(shù)據(jù)量，鏈 路的最大連接長度小于5m時可采用5Mbps串行通訊速率，就能保證對井下儀器傳輸總線 和電纜數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求。 為此，設(shè)計的儀器內(nèi)部高速互聯(lián)總線的硬件接口由串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線組 成(參見圖l所示)，全部為差分發(fā)送和接收，串行時鐘線總為主控電子單元驅(qū)動，串行 數(shù)據(jù)線可為主控電子單元或任一從單元驅(qū)動，從單元控制器的系統(tǒng)時鐘頻率采用8倍串 行時鐘頻率(例如，40MHz)以保證控制器內(nèi)部多個有限同步狀態(tài)機邏輯的可靠工作。
由于對從單元的電路規(guī)模、功耗和傳輸效率有嚴(yán)格的限制和要求，必須利用上 述幾個特點避免采用過于復(fù)雜的通訊協(xié)議，為此設(shè)計了儀器內(nèi)部高速互聯(lián)總線的通訊協(xié) 議，主要原則如下 (1)串行時鐘停止4個周期后所有從單元的接收邏輯自動復(fù)位，成監(jiān)聽狀態(tài)(各從 單元的差分收發(fā)器處于接收狀態(tài))； (2) —次有效的主單元(主控電子單元)與某一從單元(密封電子單元)之間點對 點通訊由主控單元發(fā)起，包括帶有標(biāo)識的地址和讀寫命令場(8位，每個從單元定義有不 同的設(shè)備地址)，并后跟24位命令字(增益控制，數(shù)據(jù)采集間隔和深度等)，如果從單元 被有效尋址則建立了主控電子單元與該從單元的一對一互聯(lián)關(guān)系； (3)對于主單元讀取某從單元的操作，在上述尋址完成后主控電子單元暫停兩個 串行時鐘周期，在第一個串行時鐘周期內(nèi)主控電子單元放棄對串行數(shù)據(jù)線路的驅(qū)動而從單元在一個半串行時鐘周期內(nèi)轉(zhuǎn)變收發(fā)器為輸出狀態(tài)；在主控電子單元串行時鐘驅(qū)動下 被尋址的從單元首先發(fā)送自身地址，然后根據(jù)主控電子單元設(shè)定的采集深度按序發(fā)送單 元內(nèi)所有通道的采集數(shù)據(jù)序列，先發(fā)送地址是一種設(shè)備間自動握手的方法，如果主控電 子單元在接收序列中不能得到有效的從單元設(shè)備地址則立即終止串行時鐘以復(fù)位當(dāng)前的 操作，這一握手機制保證了數(shù)據(jù)傳輸通訊的高效進(jìn)行； (4)為了實現(xiàn)對接收傳感器環(huán)形陣列所有信號通道(每個傳感器元件對應(yīng)一個通 道)在同一時刻啟動同步數(shù)據(jù)采集，設(shè)計有一個對所有從單元均有效的特殊地址，當(dāng)主控 單元以該地址對從設(shè)備尋址時，其后跟的啟動采集命令代碼以廣播方式被所有從單元接 收；當(dāng)所有從單元的數(shù)據(jù)采集參數(shù)相同時，也可以這種廣播方式高效的設(shè)置。
實現(xiàn)了以上設(shè)計的三維聲波測井儀器的主要工作流程如下 (1)儀器主控電子單元在地面系統(tǒng)總體控制下，對位于接收聲系內(nèi)的每一個信號 接收和采集的密封電子單元(從單元)進(jìn)行增益和采集參數(shù)設(shè)置； (2)在地面儀器系統(tǒng)深度中斷采集命令驅(qū)動下，儀器主控電子單元對發(fā)射電子單 元進(jìn)行發(fā)射模式選擇并發(fā)出激勵命令； (3)經(jīng)過合適的延遲之后(處于最快地層時縱波首波還沒有到達(dá)最短源距的環(huán)形 接收陣列)主控電子單元以廣播形式同步啟動所有通道的數(shù)據(jù)采集； (4)主控電子單元逐次讀取所有從單元存儲于各自FIFO內(nèi)的上次發(fā)射/采集循環(huán) 的數(shù)據(jù)(這時本次的數(shù)據(jù)采集工作正在進(jìn)行)，并通過井下儀器數(shù)據(jù)總線(井下儀器系統(tǒng)用 于多個不同類型儀器之間的互聯(lián))和電纜數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送到地面設(shè)備被處理和記 錄； 周而復(fù)始，就可以實現(xiàn)三維聲波測井的功能。 本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路是一種用于實現(xiàn)三維 聲波測井的接收傳感器環(huán)形陣列與電子系統(tǒng)(主控電子單元)連接和實現(xiàn)多通道并行信號 采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐贰ｊP(guān)鍵是采用了位于接收聲系內(nèi)部的密封電子單元，解決了陣列 化傳感器與電子系統(tǒng)承壓連接的問題。描述了所發(fā)明的密封電子單元功能模塊的實現(xiàn)方 式和主要參數(shù)，并為實現(xiàn)主控電子單元與多個密封電子單元間的可靠互聯(lián)設(shè)計了一種高 速數(shù)據(jù)傳輸硬件接口和通訊協(xié)議。本發(fā)明的主要思想也同樣適用于以各種地球物理方法 為基礎(chǔ)的現(xiàn)代三維掃描陣列化測井儀器的設(shè)計和實現(xiàn)。 因此本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路實現(xiàn)了多個密封 電子單元和位于主電子艙的主控電子單元之間的高速、高效和可靠的數(shù)據(jù)通訊。這樣， 就可以解決在井下高溫和狹小空間條件下實現(xiàn)三維聲波測井接收傳感器陣列與電子系統(tǒng) 連接和實現(xiàn)多通道并行信號處理電子系統(tǒng)的難題，本發(fā)明同時也為今后所有類型的傳感 器陣列化的三維測井儀器的設(shè)計和實現(xiàn)提供了十分重要的思路。 以上所述的具體實施方式
，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一 步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式
而已，并不用于限定 本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn) 等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路，其特征在于，所述電路由數(shù)個密封電子單元組成位于接收聲系內(nèi)部，所述數(shù)個密封電子單元通過串行高速傳輸總線與主控電子單元相連接，并與接收傳感器陣列相連接；所述密封電子單元具體包括信號通道，用于接收和處理所述接收傳感器陣列中的對應(yīng)接收傳感器所傳遞的發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)緩沖存儲器，用于存儲所述信號通道傳遞的發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集控制器，用于控制所述信號通道和數(shù)據(jù)緩沖存儲器傳遞和存儲發(fā)射/采集循環(huán)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸控制器，用于控制所述數(shù)據(jù)緩沖存儲器和數(shù)據(jù)采集控制器的數(shù)據(jù)傳輸，并通過所述串行高速傳輸總線與所述主控電子單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路，其特征 在于，所述串行高速傳輸總線的硬件接口由串行時鐘線和串行數(shù)據(jù)線組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路，其特 征在于，所述信號通道包括前置放大器、有源帶通濾波器、程控增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換 器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路，其特征 在于，所述密封電子單元通過分布固定在密封端蓋上并被壓盤鎖緊的多個密封連接器， 承載在殼體內(nèi)部與所述多個密封連接器電連接的至少一個電子線路板實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路，所述電路由數(shù)個密封電子單元組成位于接收聲系內(nèi)部，所述數(shù)個密封電子單元通過串行高速傳輸總線與主控電子單元相連接，并與接收傳感器環(huán)形陣列相連接；所述密封電子單元具體包括數(shù)個信號通道、數(shù)據(jù)緩沖存儲器、數(shù)據(jù)采集控制器和數(shù)據(jù)傳輸控制器。因此本發(fā)明用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路實現(xiàn)了多個密封電子單元和位于主電子艙的主控電子單元之間的高速、高效和可靠的數(shù)據(jù)通訊。由此解決了在井下高溫和狹小空間條件下實現(xiàn)三維聲波測井接收傳感器陣列與電子系統(tǒng)連接和實現(xiàn)多通道并行信號處理電子系統(tǒng)的問題。
文檔編號G01V1/40GK101691841SQ20091023630
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者喬文孝, 盧俊強, 鞠曉東 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司;中國石油大學(xué)(北京)