專利名稱:一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置及其發(fā)射方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于油田、礦山等行業(yè)的測量儀器,尤其涉及一種實現(xiàn)無線隨鉆測 量的信號發(fā)射機。
背景技術(shù):
在鉆井工程中,隨鉆測量(MWD)是井眼軌道監(jiān)測與控制中的一項核心技術(shù)。 目前,國內(nèi)外的隨鉆測量系統(tǒng)普遍采用鉆井液脈沖來傳送測量數(shù)據(jù),這種隨鉆 測量技術(shù)在液體鉆井液中能夠穩(wěn)定、可靠地工作,在鉆井工程中被廣泛應(yīng)用并 發(fā)揮了重要作用。然而,對于氣體及各種充氣鉆井液,由于流體可壓縮性強, 鉆井液脈沖信號很弱甚至不能產(chǎn)生有效的脈沖信號,因此鉆井液脈沖麗D將無 法正常工作。
電磁隨鉆測量(EM-MWD)是20世紀80年代進入工業(yè)化應(yīng)用的一項新技術(shù), 具有信號傳輸速度高、不需要循環(huán)鉆井液便可傳送數(shù)據(jù)、測量時間短、成本低 等特點。特別是,EM-麗D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,可以解決鉆井液脈沖MWD系統(tǒng)難以逾越的隨鉆測量難題。
井下信號發(fā)射裝置是電磁隨鉆測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,目前使用的發(fā)射裝置 由數(shù)據(jù)通信接口電路、調(diào)制器、載波信號發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射線圈組成。 通信接口接收來自測量短節(jié)的隨鉆測量數(shù)據(jù),通過載波信號發(fā)生器和調(diào)制器進
行載波調(diào)制,調(diào)制信號經(jīng)功率放大器放大后送入發(fā)射線圈發(fā)射出去,經(jīng)地層傳輸?shù)降孛?。根?jù)電磁信號在地層中的傳播規(guī)律,要使地面接收機正確地收到信 號,發(fā)射機必須采用極低頻率,因此對于采用線圏發(fā)射方式來說,既使采用高 磁導率磁芯,要形成足夠的信號強度也需要很大的線圏匝數(shù),很難滿足井眼尺 寸的要求。電》茲信號在傳輸過程中,傳輸性能會受到地層電阻率的嚴重影響, 而不同地區(qū)以及同 一地區(qū)不同地層的電阻率是不同的。加之鉆桿之間的接觸電 阻隨著鉆柱的振動也發(fā)生變化。因此,固定的發(fā)射裝置與傳輸介質(zhì)的阻抗匹配 對不同電磁環(huán)境的適應(yīng)性差,從而影響測量深度。此外,調(diào)制器與載波信號發(fā) 生器是由硬件電路實現(xiàn)的,使用單一的編碼、調(diào)制方式和發(fā)射頻率,根據(jù)現(xiàn)場 電磁環(huán)境的要求實現(xiàn)在線維護比較困難。這些因素是影響電磁隨鉆測量系統(tǒng)推 廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
如CN 1657742A專利中存在以下技術(shù)問題1.線圈發(fā)射信號發(fā)射線圏是由 導磁材料做成的環(huán)狀體,在環(huán)狀體上繞有線圏,安裝在井下發(fā)射裝置短節(jié)內(nèi), 在發(fā)射線圈外裝有一個用陶瓷材料或高溫環(huán)氧樹脂做成的絕緣環(huán)。要形成足夠 強度的磁流需要有大量的線圏匝數(shù),而匝數(shù)則受井眼尺寸的限制。同時線圈的 歐姆損耗也將對源電流施以嚴重限制。2.發(fā)射電路由傳感器數(shù)據(jù)接口、載頻發(fā) 生器、FSK調(diào)制器、功率放大器等功能塊電路組成。通過傳感器接口實現(xiàn)與測量 短節(jié)的通信,通過硬件電路實現(xiàn)無線傳輸?shù)母鞣N功能,因此維護、升級不方便, 在線調(diào)整通信功能困難。3.采用FSK調(diào)制方式。4.發(fā)射裝置與傳輸介質(zhì)的阻抗 匹配固定,對不同電石茲環(huán)境的適應(yīng)性差, >(人而影響測量深度。
又如CN 1603576A的專利申請中存在1.線圏發(fā)射信號無線發(fā)射元件由螺線 管線圈和套于該線圈內(nèi)的鐵氧體磁芯組成,裝入絕緣殼體內(nèi)。要形成足夠強度 的磁流需要有大量的線圏匝數(shù),而匝數(shù)則受井眼尺寸的限制。同時線圏的歐姆 損耗也將對源電流施以嚴重限制。2.發(fā)射電路由微處理器、DSP處理器、D/A 轉(zhuǎn)換器、功率放大器、諧振電路組成。通過微處理器與各測量傳感器通信,無 線傳輸功能由專用DSP處理器和D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)合軟件編程實現(xiàn),數(shù)據(jù)調(diào)制采用二進制幅移鍵控(ASK)方式,載波頻率為1 ~ 33kHz。 3.通過LC串聯(lián)諧振電路 驅(qū)動螺線管線圏發(fā)射信號,發(fā)射裝置與傳輸介質(zhì)的阻抗匹配固定,對不同電磁 環(huán)境的適應(yīng)性差,從而影響測量深度。
以及CN 2900781Y的專利中,存在1.發(fā)射電路由調(diào)制器、放大器組成。 通過硬件電路實現(xiàn)無線傳輸?shù)母鞣N功能,因此維護、升級不方便,在線調(diào)整通 信功能困難。2.放大處理后的信號直接通過信號發(fā)射極發(fā)射,發(fā)射裝置與傳輸 介質(zhì)的阻抗匹配固定,對不同電磁環(huán)境的適應(yīng)性差,從而影響測量深度。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述存在的技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種井下信號發(fā)射裝置,通過無線 電技術(shù)實現(xiàn)電磁隨鉆測量系統(tǒng)的發(fā)射裝置功能;通過多樣化阻抗變換器或多抽 頭阻抗變換器實現(xiàn)對不同地層的阻抗匹配,保持發(fā)射裝置的最佳效率,從而增 強電磁隨鉆測量系統(tǒng)對不同電磁環(huán)境的適應(yīng)能力,提高測量深度。
本發(fā)明提供了 一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置及其發(fā)射方法, 用于電磁隨鉆測量系統(tǒng)中地質(zhì)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)的實時的信號發(fā)射。
其中實現(xiàn)發(fā)明目的而研制的發(fā)射裝置包括
一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置,包括上部鉆柱和下部鉆柱, 且在所述上部鉆柱和下部鉆柱中間包含有絕緣接頭;所述上部鉆柱和下部鉆柱 用于形成非對稱偶極天線;
所述發(fā)射裝置還包括發(fā)射機部件、電源部件和測量部件;上述三個部件分 別固定設(shè)置在上、下部鉆柱內(nèi)部;所述發(fā)射機部件包括單片機、功率放大器和 阻抗變換器;所述單片機用于對信號進行編碼、調(diào)制,功率放大器用于進行功 率放大,并通過阻抗變換器完成地層阻抗匹配,形成雙極性信號,饋接到所述 上部鉆柱和下部鉆柱,完成發(fā)射。為了實現(xiàn)核心發(fā)射機部件的固定,在所述絕緣接頭和下部鉆柱中間設(shè)置有
座鍵接頭,所述發(fā)射機部件固定連接座鍵接頭;所述電源部件和測量部件依次 固定在發(fā)射機部件的下端;所述絕緣接頭和上部鉆柱中間設(shè)置調(diào)整接頭,所述 發(fā)射機部件的上端設(shè)置有上連接桿,所述上連接桿用于將發(fā)射機部件與所述調(diào) 整接頭連接,進而與所述上部鉆柱電連接。
由于發(fā)射裝置在其內(nèi)部阻抗值與傳輸介質(zhì)阻抗一致時發(fā)射效率最高,電池 工作時間也會延長。而不同地區(qū)的地下電石茲環(huán)境是一個變數(shù),單一的阻抗匹配 值應(yīng)用于不同電阻率地層會嚴重影響發(fā)射機效率,從而影響電磁傳輸距離。采 用阻抗匹配技術(shù),利用發(fā)射機阻抗可調(diào)方案使其與傳輸介質(zhì)阻抗匹配,在不同 的地層中保持較高的發(fā)射效率。發(fā)射裝置通過阻抗變換器實現(xiàn)功率放大器與由
線所輸入阻抗隨地層電阻率變化而變化。 所述阻抗變換器包括線圏和負載電阻。
為了對內(nèi)部電路和功率放大器進行隔離,以及實現(xiàn)輔助功能,在所述發(fā)射 機部件中還包括隔離單元和輔助單元;所述隔離單元用于將所述單片機與功率 放大器有效隔離,實現(xiàn)功率放大器浮地設(shè)計,即采用不接地設(shè)計方式。所述隔 離單元為光電隔離器,由光電耦合器或隔離變壓器及輔助電路組成。
所述輔助單元用于給發(fā)射裝置提供加電控制、檢測功率放大器的工作狀態(tài) 以及調(diào)整發(fā)射裝置輸出功率和發(fā)射效率;
所述輔助單元包括過流檢測電路、保險管、繼電器。
輔助單元除對發(fā)射裝置提供加電控制以及過流檢測與電路保護功能外,還 可實現(xiàn)對發(fā)射機輸出功率和發(fā)射效率的調(diào)整控制。輔助單元電路中設(shè)置多個電阻串聯(lián)與功率放大器中調(diào)整電阻等效,通過改 變串聯(lián)階數(shù)改變調(diào)整電阻大小。利用過流檢測電路,當工作電流超過最高額定
工作電流時,產(chǎn)生一跳變信號,此信號送至單片機中斷INTO,通過中斷服務(wù)程
序,發(fā)出控制指令,調(diào)整功率放大器中調(diào)整電阻值的大小,以獲得最大輸出功 率和發(fā)射機效率。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用線圏發(fā)射信號造成的技術(shù)問題,本發(fā)明采用根據(jù)
上部鉆柱和下部鉆柱用于形成非對稱偶極天線;所述的發(fā)射機部件通過所述上 連接桿、調(diào)整接頭與所述上部鉆柱電連接,且通過所述座鍵接頭與下部鉆柱電 連接,即發(fā)射機部件的功率輸出分別饋送到上、下部鉆柱;所述上連接桿具有 絕緣涂層。通過偶極天線發(fā)射信號比用發(fā)射線圏激勵信號更能適應(yīng)鉆井井眼周 圍電磁環(huán)境的需要,信號傳輸效率更高。
所述單片機為DSP單片機,用于與所述測量部件的信號進行交換并對信號 進行編碼和調(diào)制輸出;所述電源部件為高能電池組或渦輪發(fā)電機中的一種。以 適應(yīng)不同鉆井液鉆井。
而根據(jù)發(fā)射裝置而實現(xiàn)的發(fā)射方法包括
1) 地層數(shù)據(jù)輸入步驟所述單片機將所述測量部件中的探測信號進行數(shù)據(jù) 輸入;
2) 數(shù)據(jù)處理步驟將所述輸入的信號進行處理;
3) 隔離步驟將處理后的信號進行有效隔離處理,提高抗干擾能力;
4) 功率放大步驟將來自單片機的兩路信號,通過隔離器后,分別輸入兩 路開關(guān)功率放大器,進行信號放大;
5) 阻抗變換步驟將來自功率放大器的兩路交替信號,通過阻抗變換器形成雙極性信號;用于實現(xiàn)功率放大器與發(fā)射天線輸入的阻抗值進行匹 配,以保持發(fā)射效率; 6)數(shù)據(jù)發(fā)射步驟將通過阻抗變換器后形成的雙極性信號,饋接到非對稱 偶極天線的兩極,進行發(fā)射。
所述數(shù)據(jù)處理步驟包括
a) 編碼過程進行信源編碼、信道編碼;
b) 調(diào)制過程進行信號調(diào)制;
c) 輸出調(diào)制信號過程輸出兩路互補的調(diào)制信號。
為了完成上述的輔助功能,所述發(fā)射方法中還包括輔助過程步驟,所述輔 助過程用于給發(fā)射裝置提供加電控制、檢測功率放大器的工作狀態(tài)以及調(diào)整發(fā) 射裝置輸出功率和發(fā)射效率。輔助過程由單片機控制,在不超過限流閥值情況 下盡量減小限流電阻,以獲得最大功率和效率
本發(fā)明上述的技術(shù)方案中包含了以下幾個技術(shù) (1)軟件無線電技術(shù)數(shù)字信號處理是軟件無線電技術(shù)的核心。本發(fā)射裝置硬件 電路采用帶有DSP功能的單片機,通過一個模塊化的通用硬件平臺為依托,采 用軟件編程來實現(xiàn)無線傳輸?shù)母鞣N功能,包括工作頻率、信源編碼、信道編碼、 載波調(diào)制,通信協(xié)議等,不但簡化了電路設(shè)計,而且具備如下優(yōu)勢
① 硬件結(jié)構(gòu)通用,可以靈活實現(xiàn)各種功能。不同電磁環(huán)境可由相對一致的硬件 利用不同的軟件來實現(xiàn),發(fā)射機功能的改進和升級4艮方便。
② 由于發(fā)射機的主要功能由軟件來實現(xiàn),因此可很方便地采用新的數(shù)字信號處 理手段提高抗干擾性能,其它如載波頻率、可編程信號波形、信號編碼與調(diào)制 等功能的在線實現(xiàn)成為可能。
③ 軟件維護相對改變硬件電路來說要方便得多,這樣能更快地跟蹤市場變化,滿足新的使用要求,大大降低更新?lián)Q代的成本。
總之,本發(fā)射裝置通過采用軟件無線電技術(shù),提高了電磁隨鉆測量系統(tǒng)對 不同電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。
(2) 阻抗匹配技術(shù)發(fā)射裝置在其內(nèi)部阻抗值與傳輸介質(zhì)阻抗一致時發(fā)射效率最 高,電池工作時間也會延長。而不同地區(qū)的地下電;茲環(huán)境是一個變數(shù),單一的 阻抗匹配值應(yīng)用于不同電阻率地層會嚴重影響發(fā)射機效率,從而影響電磁傳輸 距離。采用阻抗匹配:l支術(shù),利用發(fā)射裝置阻抗可調(diào)方案使其與傳輸介質(zhì)阻抗匹 配,在不同的地層中保持較高的發(fā)射效率。
(3) 偶極天線使用絕緣接頭將鉆柱分隔成上下兩部分,構(gòu)成非對稱偶極天線。 發(fā)射機部件分別與上下部鉆柱連接,發(fā)射裝置機功率輸出分別饋送到上下鉆柱。 通過偶極天線發(fā)射信號比用發(fā)射線圈激勵信號更能適應(yīng)鉆井井眼周圍電磁環(huán)境 的需要,信號傳輸效率更高。
本發(fā)明通過提供一種信號無線傳輸?shù)陌l(fā)射裝置,用于電磁隨鉆測量系統(tǒng)中 實時測量信號的發(fā)射。采用DSP技術(shù)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)信號的編碼與載波調(diào)制,通 過阻抗變換器,如使用輸出變壓器等方式,實現(xiàn)發(fā)射裝置與傳輸介質(zhì)的阻抗匹 配,因此,天線輸入阻抗隨地層電阻率的變化而變化,發(fā)射效率達到50%以上, 有效地提高了對于不同地層的適應(yīng)能力、增加了測量深度。
圖l為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2為本發(fā)明部件原理結(jié)構(gòu)示意圖; 圖3為本發(fā)明發(fā)射方法的流程示意圖。
ii各附圖的具體說明請結(jié)合下述的具體實施方式
。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明部件原理結(jié)構(gòu)示意圖; 其中, 一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置,包括上部鉆柱1和下 部鉆柱4,且在所述上部鉆柱1和下部鉆柱4中間包含有調(diào)整接頭9和絕緣接頭 2;所述上部鉆柱1和下部鉆柱4用于形成非對稱偶極天線;
所述發(fā)射裝置還包括發(fā)射機部件5、電源部件6和測量部件7;上述三個部 件分別固定設(shè)置在上、下部鉆柱內(nèi)部;所述發(fā)射機部件5包括單片機、功率放 大器和阻抗變換器;所述發(fā)射機部件5用于對信號進行編碼、調(diào)制后進行功率 放大,并通過阻抗變換器完成地層阻抗匹配,形成雙極性信號,饋接到所述上 部鉆柱1和下部鉆柱4,完成發(fā)射。
為了實現(xiàn)核心發(fā)射機部件的固定,在所述絕緣接頭2和下部鉆柱4中間設(shè) 置有座鍵接頭3,所述發(fā)射機部件5固定連接座鍵接頭3;所述電源部件6和測 量部件7依次固定在發(fā)射機部件5的下端;所述發(fā)射機部件5的上端設(shè)置有上 連接桿8,所述上連接桿8用于將發(fā)射機部件5與所述調(diào)整接頭9連接,進而與 所述上部鉆柱1電連接。
所述發(fā)射機部件5中的阻抗變換器用于通過阻抗變換器實現(xiàn)功率放大器與 發(fā)射天線輸入的阻抗值進行匹配,以保持發(fā)射效率; 所述阻抗變換器包括線圏和負載電阻。
為了對內(nèi)部電路和功率放大器進行隔離,以及實現(xiàn)輔助功能,在所述發(fā)射 機部件5中還包括隔離單元和輔助單元;所述隔離單元用于將所述單片機與功 率放大器有效隔離,實現(xiàn)功率放大器浮地設(shè)計;所述隔離單元為光電隔離器,由光電耦合器或隔離變壓器及輔助電路組成。
所述輔助單元用于給發(fā)射裝置提供加電控制、檢測功率放大器的工作狀態(tài) 以及調(diào)整發(fā)射裝置輸出功率和發(fā)射效率;
所述輔助單元由過流檢測電路、保險管、繼電器等組成。
輔助單元除對發(fā)射裝置提供加電控制以及過流檢測與電路保護功能外,還 可實現(xiàn)對發(fā)射機輸出功率和發(fā)射效率的調(diào)整控制。
輔助單元電路中設(shè)置多個電阻串聯(lián)與功率放大器中調(diào)整電阻等效,通過改 變串聯(lián)階數(shù)改變調(diào)整電阻大小。利用過流檢測電路,當工作電流超過最高額定
工作電流時,產(chǎn)生一跳變信號,此信號送至單片機中斷INTO,通過中斷服務(wù)程 序,發(fā)出控制指令,調(diào)整功率放大器中調(diào)整電阻值的大小,以獲得最大輸出功 率和發(fā)射機效率。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用線圈發(fā)射信號造成的技術(shù)問題,本發(fā)明采用根據(jù) 上部鉆柱和下部鉆柱用于形成非對稱偶極天線;所述的發(fā)射機部件通過所述上 連接桿與所述上部鉆柱電連接,且通過所述座鍵接頭與下部鉆柱電連接,即發(fā) 射機部件的功率輸出分別饋送到上、下部鉆柱;所述上連接桿帶有絕緣涂層。 通過偶極天線發(fā)射信號比用發(fā)射線圏激勵信號更能適應(yīng)鉆井井眼周圍電磁環(huán)境 的需要,信號傳輸效率更高。
所述單片機為DSP單片機,與所述測量部件的信號進行交換并對信號進行 編碼和調(diào)制輸出;所述電源部件為高能電池組或渦輪發(fā)電機中的一種。以適應(yīng) 不同鉆井液鉆井。
圖3為本發(fā)明發(fā)射方法的流程示意圖。 發(fā)射方法包括
1)地層數(shù)據(jù)輸入步驟所述單片機將所述測量部件中的探測信號進行數(shù)據(jù)輸入;
2) 數(shù)據(jù)處理步驟將所述輸入的信號進行處理;
3) 隔離步驟將處理后的信號進行有效隔離處理,提高抗干擾能力;
4) 功率放大步驟將來自單片機的兩路信號,通過隔離器后,分別輸入兩 路開關(guān)功率放大器,進行信號放大;
5) 阻抗變換步驟將來自功率放大器的兩路交替信號,通過阻抗變換器形 成雙極性信號;用于實現(xiàn)功率放大器與發(fā)射天線輸入的阻抗值進行匹 配,以保持發(fā)射效率;
6) 數(shù)據(jù)發(fā)射步驟將通過阻抗變換器后形成的雙極性信號,饋接到非對稱 偶極天線的兩極,進行發(fā)射。
所述數(shù)據(jù)處理步驟包括
a) 編碼過程進行信源編碼、信道編碼;
b) 調(diào)制過程進行信號調(diào)制;
c) 輸出調(diào)制信號過程輸出兩路互補的調(diào)制信號。
為了完成上述的輔助功能,所述發(fā)射方法中還包括輔助過程步驟,所述輔 助過程用于給發(fā)射裝置提供加電控制、檢測功率放大器的工作狀態(tài)以及調(diào)整發(fā) 射裝置輸出功率和發(fā)射效率。輔助過程由單片機控制,在不超過限流閥值情況 下盡量減小限流電阻,以獲得最大功率和效率
本發(fā)明提供的一種用于電磁隨鉆測量系統(tǒng)中實現(xiàn)實時鉆井參數(shù)測量數(shù)據(jù)信 號的發(fā)射裝置。在實際應(yīng)用時,單片機電路、功率放大器、隔離單元、阻抗變 換器、輔助模塊安裝在承壓管內(nèi)組成發(fā)射機部件,使用絕緣接頭把鉆柱分成上 下絕緣的兩部分,作為天線的兩極,供電電源安裝在承壓管內(nèi)組成電源部件。 發(fā)射機部件、電源部件于絕緣接頭下部,使用帶有絕緣涂層的上連接桿來實現(xiàn)與上部鉆柱的隔離,使用儀器的座鍵接頭固定發(fā)射裝置并實現(xiàn)與下部鉆柱的電 氣連接,通過帶有絕緣涂層的上連接桿實現(xiàn)與上部鉆柱的電氣連接。
由單片機電路、功率放大器電路、阻抗變換器組成通用的模塊化硬件平臺,
通過編程實現(xiàn)發(fā)射^^的相關(guān)功能;通過改變阻抗變換器的變比或采用不同的阻 抗變換器實現(xiàn)發(fā)射機天線與傳輸介質(zhì)的阻抗匹配。 在實際的應(yīng)用中,載波頻率選擇
電磁隨鉆測量系統(tǒng)一種特殊的無線通信系統(tǒng),其特殊性表現(xiàn)在電磁在有 耗介質(zhì)中傳播;由于井下條件的約束,應(yīng)使井下電路盡量簡化。因此在確定載 波頻率時需要考慮如下因素
■根據(jù)對電磁傳輸信道特性分析研究,為了減小電磁的傳播損耗,載波頻 率盡量低;
■為了提高信息傳輸?shù)挠行?,必須增加信息帶寬,從而載波頻率應(yīng)盡可 能提咼;
■根據(jù)信息傳輸速率的要求選擇載波頻率;
■載波頻率應(yīng)遠離干擾頻率。 基于上述考慮,載波頻率的確定原則是在滿足傳輸帶寬的條件下,載波頻率應(yīng) 盡可能的低。即 風 (1) 》〃?!?0% (2) />min /。 (3)
式中Rb為波特率;B為信號帶寬;f。為選定滿足信息傳輸條件下的載波頻率;" 為選定的載波頻率。
根據(jù)電磁隨鉆測量系統(tǒng)指標要求凡> 2 6/^
代入式(l), (2), (3)得/。>10#&因此,載波頻率為
/>min />10&發(fā)射機功率與效率計算
設(shè)阻抗變換器轉(zhuǎn)換效率Tl ,變壓器變比n,初次級電流、電壓分別為I,U、 仏, 輸出功率P。ut,實際功4毛P,變壓器輸入功率P',天線輸入阻抗Rz,輸出功率及 發(fā)射效率調(diào)整電阻Rx,供電電壓v。 已知
<formula>formula see original document page 16</formula>根據(jù)調(diào)整電阻Rx、變壓器變比n、供電電壓v、阻抗變換器轉(zhuǎn)換效率n的設(shè) 定值進行計算。
設(shè)Rx-10Q,n-6, v=36V, ri=0. 8,計算如下 當Rz=0. 2D,計算得到
U=13V, 1=2. 3A, P。ut=23. 5w, I產(chǎn)IO. 8A, P=82. 8w,總效率^=0. 28 當Rz=0. 4Q時
U-19.27V, I=1.67A, P。ut=25. 8w, 1產(chǎn)8. 3A, P=60. 12w,總效率?=0. 43 當Rz=0. 8Q時
U=25V, 1=1. 1A, P。ut=21.7w, I產(chǎn)5. 2A, P=39. 6w,總效率g =0. 55 當Rz=l. 6Q時
U=29.6V, 1=0. 56A, P。ut=15. 2w, 1^3. 1A, P=20. 16w,總效率g =0. 75
因此,在固定變比11=6、調(diào)整電阻Rx^On時,在0. 2~1. 6阻抗范圍內(nèi), 輸出功率在15 25w之間。當最大輸出電流為2.3A時,發(fā)射裝置總效率很低,理論計算為28%;當電源輸出電流為0. 56A時,發(fā)射機效率達到75%。發(fā)射裝置 不能保證寬范圍高效率工作,但功率在一定阻抗范圍內(nèi)基本維持平穩(wěn)輸出,滿 足電磁隨鉆測量系統(tǒng)要求。
上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實施方式,對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言, 在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上,很容易做出各種類型的改進或變形, 而不僅限于本發(fā)明上述具體實施方式
所描述的方法,因此前面描述的方式只是 優(yōu)選地,而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置,其特征在于所述發(fā)射裝置包括上部鉆柱和下部鉆柱,且在所述上部鉆柱和下部鉆柱中間包含有絕緣接頭;所述上部鉆柱和下部鉆柱用于形成非對稱偶極天線;所述發(fā)射裝置還包括發(fā)射機部件、電源部件和測量部件;上述三個部件分別固定設(shè)置在所述上、下部鉆柱內(nèi)部;所述發(fā)射機部件包括單片機、功率放大器和阻抗變換器;所述單片機用于對信號進行編碼、調(diào)制;功率放大器用于對信號進行功率放大,并通過阻抗變換器完成地層阻抗匹配,形成雙極性信號,饋接到所述上部鉆柱和下部鉆柱,完成發(fā)射。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置,其特 征在于在所述絕緣接頭和下部鉆柱中間設(shè)置有座鍵接頭,所述發(fā)射機部件固定連 接座鍵接頭,所述電源部件和測量部件依次固定在發(fā)射機部件的下端;所述絕 緣接頭和上部鉆柱中間設(shè)置調(diào)整接頭,所述發(fā)射機部件的上端設(shè)置有上連接桿, 所述上連接桿用于將發(fā)射機部件與所述調(diào)整接頭連接,進而與所述上部鉆柱電 連接。
3 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置, 其特征在于所述發(fā)射機部件中還包括隔離單元和輔助單元;所述隔離單元用于將所 述單片機與功率放大器隔離,為功率放大器浮地設(shè)計;所述隔離單元為光電隔離器,包括光電耦合器或隔離變壓器及輔助電路;所述輔助單元用于給發(fā)射裝置提供加電控制、檢測功率放大器的工作狀態(tài)以及調(diào)整發(fā)射裝置輸出功率和發(fā)射效率;所述輔助單元包括過流檢測電路、保險管和繼電器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置,其特 征在于所述發(fā)射機部件中的阻抗變換器用于實現(xiàn)功率放大器與由上部鉆柱和下部 鉆柱形成的非對稱偶極天線所輸入的阻抗值進行匹配,以保持發(fā)射效率; 所述阻抗變換器包括線圏和負載電阻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置, 其特征在于所述的發(fā)射機部件通過所述上連接桿與所述調(diào)整接頭連接,進而與所述上 部鉆柱電連接,且通過所述座鍵接頭與下部鉆柱電連接,即發(fā)射機部件的功率 輸出分別饋送到上、下部鉆柱;所述上連接桿具有絕緣涂層;所述單片機為DSP單片機,用于與所述測量部件的信號進行交換并對信號 進行編碼和調(diào)制輸出;所述電源部件為高能電池組或渦輪發(fā)電機中的一種。
6. 應(yīng)用如權(quán)利要求1-5所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置而 采用的一種井下信號發(fā)射方法,所述發(fā)射方法中應(yīng)用到非對稱偶極天線、發(fā)射 機部件、電源部件和測量部件,所述非對稱偶極天線由上部鉆柱和下部鉆柱形 成;其特征在于所述發(fā)射方法包括1) 地層數(shù)據(jù)輸入步驟所述單片機將所述測量部件中的探測信號進行數(shù)據(jù) 輸入;2) 數(shù)據(jù)處理步驟將所述輸入的信號進行數(shù)據(jù)處理;3) 隔離步驟將處理后的信號進行有效隔離處理,提高抗干擾能力;4) 功率放大步驟將來自單片機的兩路信號,通過隔離器后,分別輸入兩 路開關(guān)功率放大器,進行信號放大;5) 阻抗變換步驟將來自功率放大器的兩路交替信號,通過阻抗變換器形 成雙極性信號;用于實現(xiàn)功率放大器與非對稱偶極天線輸入的阻抗值進 行匹配,以保持發(fā)射效率;6) 數(shù)據(jù)發(fā)射步驟將通過阻抗變換器后形成的雙極性信號,饋接到非對稱 偶極天線的兩極,進行發(fā)射。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射方法,其特 征在于所述發(fā)射方法中還包括輔助過程步驟,所述輔助過程用于給發(fā)射裝置提供 加電控制、檢測功率放大器的工作狀態(tài)以及調(diào)整發(fā)射裝置輸出功率和發(fā)射效率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射方法,其特 征在于所述數(shù)據(jù)處理步驟包括a) 編碼過程進行信源編碼、信道編碼;b) 調(diào)制過程進行信號調(diào)制;c) 輸出調(diào)制信號過程輸出兩路互補的調(diào)制信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)無線隨鉆測量的信號發(fā)射裝置。一種電磁隨鉆測量系統(tǒng)的井下信號發(fā)射裝置,包括上部鉆柱和下部鉆柱,且在所述上部鉆柱和下部鉆柱中間包含有絕緣接頭;所述上部鉆柱和下部鉆柱用于形成非對稱偶極天線。本發(fā)射裝置采用軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸?shù)母鞣N功能;通過阻抗變換器實現(xiàn)發(fā)射機天線與傳輸介質(zhì)的阻抗匹配;采用偶極天線發(fā)射隨鉆測量數(shù)據(jù)信號。提高了電磁隨鉆測量系統(tǒng)對于不同地層的適應(yīng)能力和測量深度。
文檔編號E21B47/12GK101525997SQ20081010140
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者侯緒田, 劉修善, 楊春國, 高炳堂 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院