本發(fā)明涉及一種傳感器推靠裝置及測量工具，屬于地球物理勘探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置及測量工具。

背景技術(shù)：

隨著油氣勘探開發(fā)難度的加大，垂直地震剖面(Vertical Seismic Profiling，VSP)隨鉆測量技術(shù)的應(yīng)用價值日益凸現(xiàn)，尤其是其地層前探功能，探測范圍遠(yuǎn)大于其他隨鉆測井工具。深井超深井碳酸鹽溶洞精確定位和高壓地層的卡層等問題目前仍難以解決。例如，有關(guān)數(shù)據(jù)表明，塔里木地區(qū)塔北地區(qū)溶洞一次鉆井成功率為59.5％，利用隨鉆VSP工具對該地區(qū)失利井進(jìn)行二次定位，可使溶洞的鉆遇率將提高至85％，潛山深度定位誤差小于1％，顯著降低鉆探風(fēng)險，節(jié)約鉆井作業(yè)成本，并提高鉆井時效。

隨鉆VSP是一種井中地震觀測技術(shù)，它以電纜VSP技術(shù)為基礎(chǔ)，將地震波檢測、數(shù)據(jù)采集與存儲等儀器集成到井下鉆具上，在不影響正常鉆井作業(yè)情況下，實時測量并記錄地面震源產(chǎn)生的地震波經(jīng)地層透射、反射后的信號，從而獲取隨鉆VSP數(shù)據(jù)，通過對測量結(jié)果的走時、極性、相位、幅值等分析，得到鉆頭前方地層的界面深度、地層剖面以及巖石屬性等，其探測范圍可達(dá)鉆頭前數(shù)百米。與地面地震相比，由于隨鉆VSP數(shù)據(jù)在井底中獲取，地震波傳播路徑相對較短，高頻信號衰減較少，因此，具有信噪比高、分辨率高，以及運動學(xué)、動力學(xué)特征明顯等優(yōu)勢。與常規(guī)電纜VSP相比，隨鉆VSP是在鉆井作業(yè)接單根期間進(jìn)行測量，不干擾鉆井作業(yè)，占 用鉆機時間少，施工風(fēng)險小，鉆井成本低。此外，隨鉆VSP能同時接收到上行波和下行波，可用來為地面地震數(shù)據(jù)估算反褶積算子；多分量隨鉆VSP還可同時記錄縱波及橫波，實現(xiàn)多波多分量勘探。

隨鉆VSP測量工具的關(guān)鍵技術(shù)是精確測量地震波單程旅行時間，然而井下惡劣環(huán)境中獲得高精度時鐘，是限制隨鉆VSP測量工具能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素，通常要求工作200小時后井下計時累計誤差小于1ms，這對于常規(guī)的晶振而言，難以滿足精確測量地震波旅行時間的需要。在鉆進(jìn)過程中井下傳感器器要承受強振動、沖擊，需要設(shè)計特殊的安裝結(jié)構(gòu)方能滿足隨鉆儀器的要求。震源激發(fā)的地震波經(jīng)地層衰減達(dá)到井底后，VSP測量工具上的傳感器與井壁的耦合效果對信號檢測由決定性影響，此外，現(xiàn)有的地面與井下實時通信技術(shù)因數(shù)據(jù)傳輸速率限制，無法快速有效獲取井下測量數(shù)據(jù)。

總而言之，如何確保VSP地震波傳感器與井壁的耦合效果、傳感器減震結(jié)構(gòu)以及高精度井下時鐘是隨鉆VSP技術(shù)需要克服的主要難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的在鉆進(jìn)過程中井下傳感器承受強振動、沖擊后與井壁的耦合效果變差進(jìn)而導(dǎo)致VSP測量精度變低的技術(shù)問題，提供了一種隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置及測量工具。該隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置及測量工具采用特殊設(shè)計的安裝結(jié)構(gòu)，在測量時通過驅(qū)動機構(gòu)將傳感器推出并與井壁耦合，在鉆進(jìn)時將傳感器收納于測量工具中，從而防止了鉆進(jìn)過程中對傳感器的強振動和沖擊，并且通過密封圈，防止了泥漿浸入推靠塊內(nèi)部型腔中。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種隨鉆VSP測 量傳感器推靠裝置，包括：推靠塊，驅(qū)動機構(gòu)，其中:

所述推靠塊位于VSP測量工具的推靠塊內(nèi)部型腔，其上裝有傳感器；

所述驅(qū)動機構(gòu)設(shè)置于VSP測量工具上，其包括依次連接的推力油缸、單向閥、油泵、無刷電機；所述推力油缸的推力桿與推靠塊相連。

優(yōu)化的，上述的一種隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置，還包括油箱，該油箱通過電磁閥與推力油缸相連。

優(yōu)化的，上述的一種隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置，所述油箱通過溢流閥與推力油缸相連。

優(yōu)化的，上述的一種隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置，所述推靠塊通過一彈簧與推靠塊容納腔相連。

優(yōu)化的，上述的一種隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置，所述推靠塊包括垂直設(shè)置的測量探頭和傳感器安裝體；所述傳感器安裝體未與測量探頭相連的一端設(shè)置有鎖緊環(huán)，傳感器通過該鎖緊環(huán)固定于該傳感器安裝體內(nèi)部的腔體中。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種隨鉆VSP測量工具，包括上述任一隨鉆VSP測量傳感器推靠裝置。

因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：(1)在測量時通過驅(qū)動機構(gòu)將傳感器推出并與井壁耦合，在鉆進(jìn)時將傳感器收納于測量工具中，從而防止了鉆進(jìn)過程中對傳感器的強振動和沖擊；(2)在油缸入口與油箱之間接了一個溢流閥，能夠防止推靠過程中遇到較大的反作用力導(dǎo)致油缸憋壓而損壞液壓系統(tǒng)，能有效保護(hù)液壓系統(tǒng)安全。

附圖說明

附圖1是隨鉆VSP測量原理示意圖；

附圖2是隨鉆VSP測量流程示意圖；

附圖3是隨鉆VSP測量工具示意圖；

附圖4是四分量VSP測量的地震波信號波形示意圖；

附圖5是隨鉆VSP測量傳感器安裝設(shè)備示意圖；

附圖6是鉆具振動狀態(tài)波形圖；

附圖7是推靠機構(gòu)控制原理圖；

附圖8是數(shù)據(jù)攜帶器結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖9是數(shù)據(jù)攜帶器的數(shù)字信號控制電路結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖10是數(shù)據(jù)攜帶器工作流程圖；

附圖11是同步裝置連接示意圖；

附圖12是時鐘同步裝置串行數(shù)據(jù)輸出示意圖；

附圖13是時鐘同步裝置原理示意圖；

附圖14是井下信號測量與數(shù)據(jù)存儲原理框圖；

附圖15是數(shù)據(jù)高速回放接口示意圖；

附圖16數(shù)據(jù)高速回放程序流程圖；

附圖17數(shù)據(jù)高速回放程序狀態(tài)圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

圖中，井壁101、數(shù)據(jù)攜帶器102、VSP測量工具103、第一地層界面104、第二地層界面105、震源106、地面時鐘同步裝置107、直達(dá)波108、第一反射波109、第二反射波110、VSP耦合線圈301、信號發(fā)射電路302，第一水聽器303、數(shù)據(jù)通信口304，精密時鐘組件305、井下主控電路306、 Z軸檢波器307、X軸檢波器308、電池筒309，第二水聽器310，座卡機構(gòu)311、信號接收電路312、數(shù)據(jù)存儲電路313、信號采集電路314、Y軸檢波器315、測量探頭501、密封結(jié)構(gòu)502、鎖緊環(huán)503、檢波器504、信號線505、傳感器安裝體506、油箱701、電磁閥702、，推力油缸703、推靠塊704、溢流閥705、單向閥706、油泵707、無刷電機708、VSP測量工具本體801、泥漿通道802、VSP側(cè)耦合線圈803、攜帶側(cè)導(dǎo)向斜面804、VSP側(cè)導(dǎo)向斜面805、浮筒806、控制存儲電路807，攜帶裝置耦合線圈808、，磁體809、霍爾傳感器810、桿狀本體811、對接腔812。

實施例：

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本發(fā)明提出的四分量隨鉆VSP測量系統(tǒng)主要由地面震源、VSP井下測量工具、數(shù)據(jù)攜帶器、地面時鐘同步裝置以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其中井下VSP測量工具由分布在X、Y、Z軸向的三個檢波器陣列、兩個水聽器、信號測量電路、數(shù)據(jù)采集與存儲電路、信號接收與發(fā)射電路、系統(tǒng)電源監(jiān)測電路、數(shù)據(jù)高速下載接口以及電池筒等組成。井下VSP測量系統(tǒng)如圖3所示。

井下VSP測量工具是整個測量系統(tǒng)的重要核心部分，其作用是采集井下接收的地震波信號并自動提取初至波時間(校驗炮時間)，將地震波形數(shù)據(jù)保存于存儲器中以便起鉆后做進(jìn)一步分析處理。隨鉆VSP數(shù)據(jù)是否有效依賴于井下測量工具與地面設(shè)備的精確同步，為此，井下測量系統(tǒng)選用高精度晶振源作為時間記錄的基準(zhǔn)，地面時鐘則以GPS時鐘作為參考時鐘源，每隔1秒校對一次地面時鐘，從而有效保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了及時獲取到井下測量數(shù)據(jù)，鉆進(jìn)過程中利用泵壓將數(shù)據(jù)攜帶器壓入井底，與VSP測量工具進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，快速讀取測量數(shù)據(jù)以及每個炮點提取的初至波 時間，利用該數(shù)據(jù)可得到時深轉(zhuǎn)換關(guān)系，用于將時間域地震剖面轉(zhuǎn)化到深度域，并可將鉆頭位置標(biāo)注于地震剖面上，為鉆井工程師提供決策依據(jù)。由于井下VSP測量工具工作于接單根間隔期間，井下鉆具處于靜止?fàn)顟B(tài)時，地面震源向地層激發(fā)地震波即放炮，三個軸向檢波器同時測量到地震的縱波和橫波，便于以后對數(shù)據(jù)處理做定量分析。而兩個水聽器接收的地震信號無方向性，用于計算出當(dāng)前的震波速度及直達(dá)波與發(fā)射波做波場分離。

在隨鉆VSP測量系統(tǒng)中，將震源放置地面井口附近，通常距離井口約50m左右。震源通常為可控震源，它是一種連續(xù)掃頻振動的震源，頻率范圍約為10～100Hz，其優(yōu)點是抗干擾能力強、重復(fù)性好。如圖3所示，地面震源產(chǎn)生掃描信號az，該信號az同時被地面檢波器測量并記錄。井下安裝于隨鉆VSP測量工具的檢波器陣列測量到震源經(jīng)過地層傳輸?shù)某踔敛ㄐ盘朾z，從震源產(chǎn)生信號az到井下接收到信號bz，所經(jīng)歷的時間為tz1。震源信號az向下繼續(xù)傳播到地層界面會產(chǎn)生反射波信號cz和dz。反射波信號cz和dz被井下檢波器陣列接收到所用的走時為tz2和tz3。由于波信號bz和反射波信號cz和dz都是被同一檢波器陣列所檢測記錄到，信號bz、cz和dz相互疊加在一起無法進(jìn)行區(qū)分。因此，需要將震源掃描信號az和信號bz、cz和dz進(jìn)行互相關(guān)運算處理得到信號fz。信號fz在時域上得到與時間tz1、tz2和tz3相關(guān)的三個特征信號，分別對應(yīng)初至波信號az、反射波信號bz和cz。

隨鉆VSP工具作業(yè)流程如圖2所示，具體描述如下：

鉆前：井下工具同步地面時鐘，并設(shè)置井下儀器的工作參數(shù)。鉆中：①井下信號采集電路平時處于休眠狀態(tài)，一旦自動檢測到鉆井作業(yè)停止，則開啟井下采樣模式，檢測檢波器接收的信號。②如果鉆具處于靜止?fàn)顟B(tài)，泥漿循環(huán)暫停，則激發(fā)地面震源。為避免井下儀器被鉆具噪聲激活，要對 地震波入射能量的特征進(jìn)行分析，確定是有效放炮信息后，將對下一炮的采集數(shù)據(jù)存儲，并拾取初至波時間。③一旦自動檢測到鉆井作業(yè)開始，則將初至波時間及波形數(shù)據(jù)保存于存儲器中，等待數(shù)據(jù)攜帶器讀取，隨后開啟井下休眠模式。④地面系統(tǒng)利用初至波時間及時修正速度模型以及時深轉(zhuǎn)換關(guān)系，并將鉆頭定位于地表地震剖面上，以便為制定鉆井決策提供依據(jù)。鉆后：起鉆后將井下存儲器中的全場波形采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出，后期做VSP數(shù)據(jù)處理。

2、傳感器安裝結(jié)構(gòu)

與電纜VSP相比，隨鉆VSP測量系統(tǒng)所使用的檢波器和水聽器要耐受井下強烈振動與沖擊，其安裝結(jié)構(gòu)較為特殊。

三個地震檢波器分別安裝于VSP工具本體上不同位置，相互呈X、Y、Z軸向正交關(guān)系?？紤]到檢波器在測量時要從本體上向外推靠至井壁，測量完成后收回到本體，故將三個檢波器分別安裝在三個推靠塊內(nèi)部型腔中。由于采用的檢波器為速度型模擬檢波器，其結(jié)構(gòu)包括圓柱型永磁體、上下兩個磁靴、線圈和線圈支架、對線圈起支撐作用的彈簧片等，整個檢波器為一個單自由度慣性體。線圈支架上有兩組相互反繞的線圈，外界磁場在線圈上產(chǎn)生的噪聲相互抵消。磁鋼兩端的磁靴確保磁場均勻分布，并增強了磁場強度。當(dāng)震源激發(fā)地震波時，檢波器外殼產(chǎn)生運動而使線圈在磁場中產(chǎn)生了相對運動，線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其電壓的大小取決于運動的速度。以X向檢波器的安裝結(jié)構(gòu)舉例說明，如圖5所示，傳感器安裝設(shè)備由測量探頭501、密封結(jié)構(gòu)502、鎖緊環(huán)503、檢波器504、信號線505、傳感器安裝體506等幾部分組成。其中，傳感器安裝設(shè)備安裝在本體上與液壓推力油缸的推力桿連接，兩道密封結(jié)構(gòu)有效阻止了泥漿浸入，檢波器通過鎖緊環(huán)固定在推靠塊內(nèi)部型腔，鎖緊環(huán)與推靠塊采用多個螺釘 固定，檢波器的輸出信號線通過高壓密封插針連接到測量電路。

VSP工具本體上端和下端各有一個水聽器艙體，分別安裝了第一水聽器303和第二水聽器310，兩者相隔一定距離L，用于測量當(dāng)前的層速度，獲取時深轉(zhuǎn)換所需的信息，因其接收VSP工具周圍的震波信號，即環(huán)空泥漿中壓力場的波動，策略結(jié)果是一個標(biāo)量值，為后期進(jìn)行波場分離提供必要的數(shù)據(jù)。水聽器用來測量地震波在環(huán)空泥漿中產(chǎn)生的壓力波動，由于該壓力波動一個標(biāo)量，不論地震波來自哪個方向水聽器均能敏感到泥漿壓力波動，故無需推靠到井壁，便可測量到環(huán)空泥漿耦合來的震波信號，將水聽器安裝到艙體后，采用蓋板進(jìn)行密封，蓋板與本體之間采用多個螺釘固聯(lián)，并且蓋板上設(shè)計了一個圓孔將泥漿引入至水聽器敏感面，用于接收通過環(huán)空泥漿傳播進(jìn)來的地震波信號。

3、鉆具狀態(tài)檢測

隨鉆VSP測量是在接單根間隔期間進(jìn)行，泥漿泵停止工作，鉆具保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時，地面震源向井下激發(fā)地震波，井下VSP工具才能保證測量結(jié)果準(zhǔn)確有效。為此，井下控制電路中安裝了兩軸加速度計，用于實時監(jiān)測鉆具的振動狀態(tài)，測量的鉆具振動信號通過帶通濾波器后，去除信號包含的直流分量和高頻信息，只保留中低頻動態(tài)信息，從而控制電路自動檢測出鉆具狀態(tài)，判斷井下是否啟動采集存儲。由于VSP工具中選用的主控單片機數(shù)學(xué)運算能力較差，進(jìn)行相對復(fù)雜的計算需要占用較多機時，會影響整個系統(tǒng)工作的可靠性，故盡量采用較簡單的算法(比如乘法和除法都采用乘或除2N的方法實現(xiàn))。

板載加速度計能夠敏感到鉆具縱向的準(zhǔn)周期振動，而泥漿泵、轉(zhuǎn)盤鉆或是它們的復(fù)合作用所引起的準(zhǔn)周期振動頻率不低于1Hz。實現(xiàn)方法如下：

(1)先將加速度計檢測的縱向加速度信號進(jìn)行帶通濾波，去除直流信 號和高頻信號；

(2)將帶通濾波后的加速度值與閾值±Δg(±40mg)進(jìn)行比較，確定該值是否過零；①已知加速度值從正值向負(fù)值方向過零，則隨后的加速度測量值與+Δg進(jìn)行比較，確定是否從負(fù)值向正值方向過零；②當(dāng)已知加速度值從負(fù)值向正值方向過零，則隨后的加速度測量值與－Δg進(jìn)行比較，確定是否從正值向負(fù)值方向過零；

(3)在指定的時間內(nèi)(15秒)統(tǒng)計加速度值過零次數(shù)；

(4)如果統(tǒng)計值≥30，即認(rèn)為存在一個準(zhǔn)周期振動，否則認(rèn)為無準(zhǔn)周期振動產(chǎn)生；

(5)連續(xù)3次統(tǒng)計中，若“統(tǒng)計值≥30”的次數(shù)≥2，則允許VSP工具進(jìn)行采集存儲，否則禁止VSP工具進(jìn)行采集存儲。

(6)閾值選擇。通過對有限的井底軸向加速度存儲數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行比較分析，模擬閾值基本確定為±40mg。根據(jù)

其中，Acc為計算的加速度值(g)，T1為與加速度大小有關(guān)的高脈沖寬度，T2＝12064為與加速度大小無關(guān)的脈沖周期，ΔT＝2T1－T2為井下單片機測量并計算出的中間變量。由上可得

當(dāng)設(shè)置模擬閾值為±40mg時，可得數(shù)字閾值為ΔT≈±38。

實施方案1：

通過分別比較AxRMS和AyRMS與Ath的差自動設(shè)置泥漿泵的工作狀態(tài)STPUMP。

AxRMS－Ath＞0或AyRMS－Ath＞0

則STPUMP＝1(開泵)；否則STPUMP＝0(關(guān)泵)。

其中，AxRMS為X軸振動傳感器均方根值，即

AyRMS為Y軸振動傳感器均方根值，即

Ath為人為設(shè)置的比較閾值(需要通過試驗獲取)，Axi為高通濾波后X軸(通道0)振動傳感器AD采樣值(兩字節(jié)有符號整型數(shù))，Ayi為高通濾波后Y軸(通道1)振動傳感器AD采樣值(兩字節(jié)有符號整型數(shù))。N為平均次數(shù)(初步設(shè)置為256)，需根據(jù)濾波通道數(shù)和N開辟存儲器空間(2×256個字)。

實施方案2：

因Axi(或Ayi)為兩字節(jié)有符號整型數(shù)，而Axi÷256(或Ayi÷256)的結(jié)果實際上就是取Axi(或Ayi)的高字節(jié)(分別記為AxiHGH和AyiHGH)，這樣需要開辟的存儲空間可減少一半(2×256個字節(jié))。

AxRMS為X軸振動傳感器均方根值，即

AyRMS為Y軸振動傳感器均方根值，即

電路板的減振和高通濾波器的衰減導(dǎo)致AxiHGH和AyiHGH常為0(即動態(tài)加速度值總是小于1g)，此時自動判斷可能會失效，需要通過試驗進(jìn)行驗 證。對所述的鉆具狀態(tài)檢測方法進(jìn)行了試驗驗證，實際結(jié)果如圖6所示，其中地面泥漿泵工作頻率約為1.5Hz，計算的泥漿泵工作頻率頻率(去除窄脈沖前)為1.67Hz，計算的泥漿泵工作頻率頻率(去除窄脈沖后)為1.67Hz，可見檢測結(jié)果能夠作為井下鉆具狀態(tài)的有效判據(jù)。

4、推靠機構(gòu)

檢波器與井壁之間的耦合效果對地震波測量數(shù)據(jù)是否有效有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)鉆井作業(yè)暫停(接單根)時，井下電路檢測到鉆具處于靜止?fàn)顟B(tài)，控制電路啟動無刷電機，驅(qū)動油泵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高壓油，經(jīng)單向閥后進(jìn)入推力油缸，從而推動驅(qū)動桿將攜帶檢波器的推靠塊推靠至井壁，電機運行一定時間T后停止工作，由于推力油缸中的高壓油無泄放回路，推靠機構(gòu)處于保壓狀態(tài)。此時井下VSP工具便開始采集地震波信號并存儲測量數(shù)據(jù)，等到采集存儲完成后，發(fā)出控制命令讓電磁閥動作，將高壓油快速泄放至油箱，推靠塊在彈簧作用下迅速收回，結(jié)束本次信號測量。

如圖7所示，傳感器推靠機構(gòu)由油箱701、電磁閥702、，推力油缸703、推靠塊704、溢流閥705、單向閥706、油泵707、無刷電機708等幾部分組成，其中，油箱701為膠囊油箱。下面對控制原理進(jìn)行詳細(xì)說明：油泵707在電機708驅(qū)動下產(chǎn)生高壓油，輸出至單向閥706連接推力油缸703，考慮到推靠過程中可能遇到較大的反作用力，導(dǎo)致油缸憋壓而損壞液壓系統(tǒng)，在油缸703入口與油箱701之間接了一個溢流閥705，有效保護(hù)液壓系統(tǒng)安全。電磁閥702的作用是在測量結(jié)束后，為推力油缸提供了一條快速泄流通道，確保推力塊能順利收回。無刷電機708采用軟啟動方式進(jìn)行控制，其調(diào)加速過程為先勻加速，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后以恒定速度運行，其好處是電機啟動電流沖擊較小，系可靠性高。

5、數(shù)據(jù)攜帶器

目前比較先進(jìn)泥漿脈沖傳輸速率也只能達(dá)到3～5bps，其他如智能鉆桿傳輸技術(shù)，盡管傳輸速率最高可達(dá)100kbps，但其在深井作業(yè)時的可靠性較低，成本較高，整個系統(tǒng)復(fù)雜龐大，不適用于實時傳輸隨鉆VSP全波場數(shù)據(jù)。由于隨鉆VSP系統(tǒng)測量的全波數(shù)據(jù)暫時保存于井下存儲器中，無法進(jìn)行實時上傳，只能等到起鉆后再將其導(dǎo)出，很大程度上限制了隨鉆VSP系統(tǒng)實時測量的特點。此外，地面時鐘與井下時鐘相互獨立，二者在同步啟動后各自計時，由于井下時鐘收到高溫影響，導(dǎo)致井下時鐘的長期穩(wěn)定性與地面時鐘相比均有所降低，而井下高精度時鐘是整個隨鉆VSP系統(tǒng)的關(guān)鍵，通常要求在200小時后井下VSP工具的與地面時鐘之間的計時誤差要小于1ms，故采用數(shù)據(jù)攜帶器將與地面精確同步的時間信息下傳至VSP工具，可以有效消除井下時鐘產(chǎn)生的計時誤差，從而提高井下地震波測量精度。

為了能夠及時地獲取所需井下VSP數(shù)據(jù)，本發(fā)明提出了一種新型的數(shù)據(jù)分時攜帶裝置。它有兩個主要功能，一是分時讀取井下VSP數(shù)據(jù)，二是攜帶精確的時間信息，用于校對井下VSP時鐘產(chǎn)生的誤差。如圖8所示，該數(shù)據(jù)攜帶器為圓柱狀結(jié)構(gòu)，主要由VSP測量工具本體801、泥漿通道802、VSP側(cè)耦合線圈803、攜帶側(cè)導(dǎo)向斜面804、VSP側(cè)導(dǎo)向斜面805、浮筒806、控制存儲電路807，攜帶裝置耦合線圈808、，磁體809、霍爾傳感器810、桿狀本體811、對接腔812等幾部分組成。其中數(shù)據(jù)攜帶器的控制與存儲電路如圖9所示，主要由數(shù)字信號控制器、信號發(fā)射單元、信號調(diào)制單元、發(fā)射線圈、信號接收單元、接收線圈、信號解調(diào)單元、霍爾信號檢測單元、存儲器單元以及低壓電源組成。耦合線圈繞制在磁芯上，為了提高信號耦合效果及數(shù)據(jù)傳輸速率磁芯選用高磁導(dǎo)率材料，可以實現(xiàn)與VSP工具之間的高速數(shù)據(jù)無線傳輸。考慮到泥漿浸入，線圈表面安裝有保護(hù)套筒。為了保證數(shù)據(jù)傳輸速度與可靠性，兩個耦合線圈之間的間隙控制在1mm以內(nèi)。 控制與存儲電路安裝在數(shù)據(jù)攜帶器本體內(nèi)部，采用電池組作為電源。數(shù)據(jù)攜帶器實時檢測霍爾信號是否為高電平，從而控制是否進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)攜帶器工作在主模式下，控制數(shù)據(jù)傳輸方向，而VSP工具工作在從模式。與數(shù)據(jù)攜帶器對接的VSP工具本體上有相同的斜面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，并在霍爾傳感器正對的位置安裝有永磁體，其目的是在數(shù)據(jù)攜帶器與VSP工具對接成功后，在永磁體的磁場作用下，數(shù)據(jù)攜帶器能夠檢測到一個高電平信號，作為是否對接成功的狀態(tài)信號，該狀態(tài)信號只有為高電平時，數(shù)據(jù)交互才進(jìn)行。若在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對接狀態(tài)信號變低，則保存本次數(shù)據(jù)讀取結(jié)果，等待狀態(tài)信號為高時繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳，從而保證了每次數(shù)據(jù)交互的可靠性。由于VSP工具上的座卡采用斜面導(dǎo)向定位，故在工具上端設(shè)計了6個導(dǎo)流孔，有效保證了泥漿通道有足夠的導(dǎo)流截面，在泥漿壓力作用下確保數(shù)據(jù)攜帶器能可靠地與VSP工具對接。

數(shù)據(jù)攜帶器具體的工作流程如圖10所示?，F(xiàn)對該數(shù)據(jù)攜帶器工作原理做如下詳細(xì)說明：當(dāng)需要獲取井下VSP數(shù)據(jù)時，啟動數(shù)據(jù)攜帶器工作，與地面時鐘進(jìn)行同步對時，并設(shè)置好工作參數(shù)，投入鉆具中心水眼，在地面泥漿泵壓作用下，將其壓入井底，由于VSP工具與數(shù)據(jù)攜帶器上均有導(dǎo)向斜面，故攜帶器可以自動定位到VSP工具座卡，VSP工具本體上的永磁體產(chǎn)生的磁場作用下，數(shù)據(jù)攜帶器上的霍爾傳感器輸出一個高電平信號，控制與存儲電路一旦檢測該電平為高，表示數(shù)據(jù)攜帶器與VSP工具對接成功，開始通過各自的耦合線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，若控制與存儲電路檢測該電平為低，則表示對接失敗，不與VSP工具進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)攜帶器成功對接后，數(shù)據(jù)攜帶器將此刻的精確時間發(fā)送給VSP工具，以便消除VSP時鐘在井下高溫環(huán)境下因其長時穩(wěn)定性差而產(chǎn)生的計時誤差，每一次讀取數(shù)據(jù)按照預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)長度和波特率進(jìn)行，待數(shù)據(jù)讀取完成后，數(shù)據(jù)攜帶器則停 止讀取，并將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。當(dāng)?shù)孛婺酀{泵停止工作，數(shù)據(jù)攜帶器將自動浮出至井口，再將其拿到儀器房，下載所讀取的數(shù)據(jù)。

6、時鐘同步裝置

隨鉆VSP測量系統(tǒng)由井下數(shù)據(jù)采集單元和地面輔助信號采集單元兩部分組成，兩個單元的時鐘同步精度要求很高(<1ms)，而地面同步裝置采用GPS作為參考時鐘源，其計時精度可達(dá)1us級。地面同步裝置一方面要與井下測量單元進(jìn)行時鐘同步，另一方面則要實時記錄震源放炮時刻，以便獲取每一炮對應(yīng)的井下測量數(shù)據(jù)。此外，針對可控震源需要采集掃描信號波形，用于數(shù)據(jù)相關(guān)處理。通常要求地面同步裝置與震源系統(tǒng)同步計時精度非常高，達(dá)幾十us級。

如圖11所示，可控震源同步控制系統(tǒng)包括兩部分，即編碼單元和解碼單元，通常地面同步裝置和震源編碼單元位于儀器房，而解碼單元則在井場放炮點，二者之間采用有線或無線方式連接。地面GPS同步裝置與震源控制器為4線制連接，其中觸發(fā)脈沖信號為和GND一組，掃描信號和GND為一組，每組信號是一對雙絞線，長度約2m左右，兩組信號線均為裸線，需要自行配接連接器。震源觸發(fā)信號為幅度2～5V的正脈沖，滿足TTL電平規(guī)范，其驅(qū)動能力是可達(dá)20mA。掃描信號頻率為6～125Hz，信號幅度為0～12V,0.5s后達(dá)到最大值，之后為等幅正弦波掃頻信號。掃描信號是連續(xù)信號，震源每觸發(fā)一次則發(fā)出一串掃頻波，常用頻率范圍約8～96Hz，掃描時間約8～20s，根據(jù)具體的地質(zhì)條件選定。地面同步裝置以GPS時鐘作為參考，與井下測量系統(tǒng)精確同步計時，實時記錄地面震源放炮時刻，精確到0.01ms，采集存儲掃描信號波形做后互相關(guān)處理，采樣間隔1ms，數(shù)據(jù)長度為24Bits。

GPS衛(wèi)星可在全球范圍內(nèi)提供精確的UTC(universal time coordinated) 時間信息。利用GPS授時模塊接收衛(wèi)星的UTC時間信息，通過其接口與同步裝置內(nèi)數(shù)字信號處理器的通信串口相連接，并將接收的GPS時間信息傳至數(shù)字信號處理器，然后通過軟件對接收的UTC時間信息進(jìn)行處理，用以校正同步裝置的精確時間。如圖13所示，地面GPS同步裝置主要包括：數(shù)字信號處理器、GPS授時模塊、非易失存儲單元、液晶顯示模塊、同步脈沖輸出、觸發(fā)信號檢測單元、按鍵檢測單元、通信接口以及電源電路等。該裝置以GPS授時模塊為核心，通過串口從GPS授時模塊獲取到準(zhǔn)確的絕對時間信息(年/月/日/時/分/秒)，并且每隔1s(PPS)校準(zhǔn)一次計時值，有效保證了地面同步裝置的計時精度。

為了保證井下與地面計時精確同步，當(dāng)井下儀器上電配置好參數(shù)后，地面同步裝置在整秒時刻，發(fā)出同步啟動信號至井下儀器，使其開始工作；當(dāng)儀器起鉆后，地面裝置再次在整秒時刻，發(fā)出同步結(jié)束信號至井下儀器，使其停止工作。將井下記錄的時間以地面計時為參考，可得到計時誤差，數(shù)據(jù)處理階段將其消除。VSP儀器入井后，在接單根時使鉆具處于靜止?fàn)顟B(tài)，地面震源開始激發(fā)放炮，同時震源控制器產(chǎn)生觸發(fā)信號，GPS同步裝置實時記錄觸發(fā)信號脈沖上升沿時刻，用于精確查找到該炮地震波信號對應(yīng)的井下測量數(shù)據(jù)，并將記錄的觸發(fā)時刻按照放炮順序保存成帶有時間標(biāo)識的文件。針對可控震源掃頻激發(fā)的特點，同步裝置需要采集存儲掃描信號波形，用于后期數(shù)據(jù)相關(guān)處理，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件確定掃描信號參數(shù)后，在觸發(fā)信號產(chǎn)生時刻(上升沿)采集掃描信號，并存儲成帶有時間標(biāo)識的數(shù)字波形文件。GPS同步裝置記錄的文件通過RS-485總線上傳至計算機，為后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析決策提供必要的數(shù)據(jù)。

7、信號采集與數(shù)據(jù)存儲

如圖11所示，本發(fā)明提出的信號采集電路控制井下5通道24位ADC對 X、Y、Z軸檢波器信號以及兩個水聽器信號進(jìn)行實時測量，并將其采集結(jié)果存入串行SRAM芯片陣列中進(jìn)行緩存。電路中高精度24位ADC為TI公司高可靠性產(chǎn)品ADS1278HT，其最高采樣率可達(dá)144KSPS，70KHZ帶寬足以滿足地面可控震源產(chǎn)生的10～100HZ掃頻信號采集要求，當(dāng)它工作在高分辨率模式時，其信噪比可達(dá)到111db。檢波器和水聽器檢測到地震波信號后，分別經(jīng)過前置調(diào)理電路將其放大，以便滿足ADS1278HT進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。前置放大器采用低功耗、軌至軌、程控增益差動放大器THS4521。數(shù)字信號控制器采用Microchip公司的dsPIC33FJ128MC710A作為主控芯片控制ADS1278HT工作在同步采集方式，通過SPI端口讀取采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)通過SPI總線寫入SRAM芯片陣列中進(jìn)行緩存。SRAM芯片陣列采用8片1Mbit高溫SRAM芯片級聯(lián)，存儲容量可達(dá)128KB，滿足對地震波初至?xí)r間自動提取與實時數(shù)據(jù)處理所需緩存容量要求。

如圖14所示，數(shù)據(jù)存儲電路用于存儲井下傳感器(檢波器和水聽器)檢測到的地震信號波形，起鉆后在井場進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，以便做進(jìn)一步VSP數(shù)據(jù)處理與分析。由于地震波信號的采樣間隔為1ms，數(shù)據(jù)長度為24Bit，5個通道采集一次的數(shù)據(jù)量為15個字節(jié)，因此，隨鉆VSP測量系統(tǒng)井下數(shù)據(jù)存儲容量需要達(dá)到2GB以上。主控芯片dsPIC33FJ128MC710A用于對存儲芯片陣列進(jìn)行讀寫控制，并接收由信號采集電路主控芯片發(fā)送的緩存數(shù)據(jù)。存儲陣列的擦除、讀寫地址設(shè)置等指令均由地面計算機通過RS485總線發(fā)送到主控芯片后，再由主控芯片控制對應(yīng)的NORFLASH存儲芯片。數(shù)據(jù)存儲電路由用一片高溫CPLD芯片進(jìn)行存儲器芯片陣列管理，該芯片采用VERILOG語言對其進(jìn)行編程，實現(xiàn)5輸入32輸出控制功能，用于對32片高溫NORFLASH存儲芯片進(jìn)行片選管理。主控芯片通過SPI總線負(fù)責(zé)協(xié)同CPLD與NORFLASH芯片工作，完成對每一片NORFLASH芯片的SPI讀寫控制。存儲芯片陣列采 用了鎂光公司的64MB高溫NORFLASH存儲芯片，整個存儲單元由32片64MB存儲芯片級聯(lián)組成，總存儲容量可達(dá)2GB。隨鉆VSP測量系統(tǒng)要求每通道信號采集滿足采樣間隔為1ms，數(shù)據(jù)長度為24Bit的要求。按照5通道采集計算，2GB存儲容量可滿足四分量隨鉆VSP測量工具連續(xù)工作200小時所需的存儲空間。

8、數(shù)據(jù)高速回放

隨鉆VSP測量系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用時，要求起鉆后快速下載井下工具存儲的數(shù)據(jù)，及時進(jìn)行速度模型修正以及數(shù)據(jù)處理，將鉆頭位置標(biāo)注于地震剖面上，為鉆井工程師提供決策依據(jù)。由于井下采集的VSP數(shù)據(jù)容量較大，因此，數(shù)據(jù)回放速度尤為重要，常規(guī)隨鉆儀器的數(shù)據(jù)下載接口通常采用RS485總線，其數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，獲取數(shù)據(jù)需要的時間較長，從而影響鉆井作業(yè)進(jìn)度。而USB2.0接口是一種應(yīng)用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，具有傳輸速度更快，理論傳輸速度為12Mbps，支持熱插拔以及連接多個設(shè)備的特點，目前已經(jīng)在各類外部設(shè)備中廣泛的被采用。為了最大限度地提高數(shù)據(jù)下載速度，本發(fā)明利用USB轉(zhuǎn)SPI接口電路通過SPI總線直接讀取存儲器數(shù)據(jù)，而不經(jīng)過數(shù)字信號控制器中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了大容量VSP數(shù)據(jù)的高速下載。

如圖15所示，本發(fā)明設(shè)計的數(shù)據(jù)回放電路主要包括：FPGA控制器、兩片512KB的SRAM、USB2.0控制器CY7C68013A、SPI接口、48MHz晶振以及計算機等。數(shù)據(jù)回放速度可達(dá)到每秒32MB，F(xiàn)PGA控制器用于讀取大容量數(shù)據(jù)存儲電路的數(shù)據(jù)，并緩存到512KB的SRAM中，兩片SRAM作為數(shù)據(jù)FIFO，即當(dāng)一片SRAM存儲滿后由USB2.0芯片CY7C68013A發(fā)送到地面計算機，而FPGA芯片則繼續(xù)讀取存儲器并緩存到另外一片SRAM存儲器，當(dāng)存儲滿后同樣由USB2.0芯片CY7C68013A發(fā)送到地面計算機。兩片SRAM以“乒乓”操 作模式工作，大幅提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。

下面結(jié)合圖16對數(shù)據(jù)高速下載的具體的程序流程進(jìn)行詳細(xì)地說明。上電后FPGA固件架構(gòu)首先設(shè)置所有內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init()。待返回后，固件架構(gòu)就會初始化USB接口成為未配置的狀態(tài)，并使能中斷。此時，緊接著在1s的間內(nèi)固件開始重枚舉(ReNumerate)，并啟動任務(wù)分配器，這個任務(wù)分配器就會按順序重復(fù)地執(zhí)行下列工作。

1)調(diào)用輪詢函數(shù)TD Poll()。

2)檢測是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求，是否收到SETUP包。如果有，它將會解析所收到的命令請求并加以響應(yīng)，如果是傳輸數(shù)據(jù)命令，F(xiàn)PGA控制器將對SRAM進(jìn)行FIFO讀寫操作。

3)決定是否報告USB掛起事件。如果要報告USB掛起事件，則調(diào)用函數(shù)TD_Suspend，若成功返回，則測試喚醒事件。如果未檢測到喚醒事件，它將會把FPGA控制器放入中止模式中。當(dāng)回復(fù)事件被檢測到時，將調(diào)用函數(shù)TD_Resume()，并跳回步驟1)。

下面對數(shù)據(jù)高速下載的具體的程序狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)地說明。FPGA控制器讀寫SRAM的程序狀態(tài)圖如圖17所示，分別對應(yīng)了FIFO接口數(shù)據(jù)輸出控制和FIFO接口數(shù)據(jù)輸入控制。

1)FIFO接口數(shù)據(jù)輸出程序流程

IDLE：讀事件產(chǎn)生，進(jìn)入STATE1；STATE1:使能SLCS，確定從FIFO讀地址，若FIFO非空，在保證從FIFO地址至少穩(wěn)定出現(xiàn)25ns后，進(jìn)入STATE2，否則停留在STATE1；STATE2：延時一個時鐘周期后，使能SLOE，把內(nèi)部FIFO中的數(shù)據(jù)驅(qū)動到數(shù)據(jù)總線上，進(jìn)入STATE3；STATE3：延時一個時鐘周期后，使能WRREQ，把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入乒乓FIFO中，進(jìn)入STATE4；STATE4：延時一個時鐘周期后，使能SLRD，同時SLRD信 號要保證建立時間和保持時間要求，在經(jīng)過tXFD時延后下一個地址的FIFO數(shù)據(jù)驅(qū)動到數(shù)據(jù)總線上，進(jìn)入STATE5；STATE5：如果仍有數(shù)據(jù)要讀，進(jìn)入STATE2，否則進(jìn)入IDLE。

2)FIFO接口數(shù)據(jù)輸入程序流程

IDLE:寫事件產(chǎn)生，進(jìn)入STATE1；STATE1：使能SLCS，確定從FIFO地址，若FIFO非滿，在保證EZ-USB FIFO地址至少穩(wěn)定出現(xiàn)25ns后，進(jìn)入STATE2，否則停留在STATE1；STATE2：延時一個時鐘周期后，使能RDREQ，驅(qū)動乒乓FIFO中的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上，并保證tSFD的最小要求，進(jìn)入STATE3；STATE3：延時2個時鐘周期后，使能SLWR，同時保證SLWR信號的建立時間和保持時間要求，在IFCLK的上升沿，數(shù)據(jù)被寫入從FIFO中，F(xiàn)IFO的標(biāo)志位在經(jīng)過tXFLG時延后被更新，進(jìn)入STATE4；STATE4：如果提交給從FIFO的數(shù)據(jù)為乒乓FIFO的最后一組數(shù)據(jù)，則使能PKTEND，同時在滿足其建立、保持時間的條件下，在IFCLK的上升沿提交最后一組數(shù)據(jù)，進(jìn)入STATE5；STATE5：如果仍有數(shù)據(jù)要讀，進(jìn)入STATE2，否則進(jìn)入IDLE。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了井壁101、數(shù)據(jù)攜帶器102、VSP測量工具103、第一地層界面104、第二地層界面105、震源106、地面時鐘同步裝置107、直達(dá)波108、第一反射波109、第二反射波110、VSP耦合線圈301、信號發(fā)射電路302，第一水聽器303、數(shù)據(jù)通信口304，精密時鐘組件305、井下主控電路306、Z軸檢波器307、X軸檢波器308、電池筒309，第二水聽器 310，座卡機構(gòu)311、信號接收電路312、數(shù)據(jù)存儲電路313、信號采集電路314、Y軸檢波器315、測量探頭501、密封結(jié)構(gòu)502、鎖緊環(huán)503、檢波器504、信號線505、傳感器安裝體506、油箱701、電磁閥702、，推力油缸703、推靠塊704、溢流閥705、單向閥706、油泵707、無刷電機708、VSP測量工具本體801、泥漿通道802、VSP側(cè)耦合線圈803、攜帶側(cè)導(dǎo)向斜面804、VSP側(cè)導(dǎo)向斜面805、浮筒806、控制存儲電路807，攜帶裝置耦合線圈808、，磁體809、霍爾傳感器810、桿狀本體811、對接腔812等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。