一种井间电磁测井仪收发时钟同步系统及方法与流程

本发明属于井间电磁测井技术领域，更具体地，涉及一种井间电磁测井仪收发时钟同步系统及方法。

背景技术：

井间电磁成像测井作为一种新型的测井方法，从根本上改善了横向检测能力的薄弱环节，在水平和垂直方向上均可进行检测测量，解决井孔与井间信息的不平衡，从而大大提高了描述油藏特性的能力。

测井时，将井下发射模块置于一口井中，井下接收模块置于另一口井中，发射模块向地层发射电磁波，经过地层传播后被接收系统接收，将发射与接收的数据发送至地面，通过对数据的反演，获得地层电阻率分布的相关信息，从而获得可以反映井间油层的构造和油、气、水分布的二维至三维电阻率成像。

井间电磁测井仪接收信号与发射信号的相位差与地层电导率密切相关，为了准确计算出井间地层电导率分布，需要保证相位差测量的精确，进而必须要保证收发同步。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种井间电磁测井仪收发时钟同步系统及方法，以实现井间电磁测量井下发射模块与井下接收模块的时钟收发同步。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种井间电磁测井仪收发时钟同步系统，包括授时模块、地面系统、井下系统、遥传短节和电缆；

其中，地面系统包括地面收发模块、地面驱动模块和地面整形模块；井下系统包括井下收发模块、井下驱动模块和井下整形模块；

其中，授时模块用于为地面系统提供标准时钟参考信号，电缆用于连接地面系统与井下系统、并对井下系统进行供电；遥传短节用于实现地面系统与井下系统的数据通信，包括地面对井下延时的传输，以及井下发射数据与接收数据的上传；

其中，地面收发模块用于对授时模块提供的标准时钟参考信号进行预处理，对标准时钟参考信号的占空比进行展宽，并用于根据地面整形模块输出的时钟信号与所述标准时钟参考信号对比获取地面信号到井下的传输延时；

地面驱动模块用于对上述预处理后的时钟信号进行驱动放大，获得第一时钟放大信号；地面整形模块用于对井下驱动模块输出的、经过电缆传输的第二时钟放大信号进行整形处理；

井下整形模块用于对经电缆传输后的第一时钟放大信号进行整形；井下驱动模块用于将井下整形模块输出的时钟信号进行驱动放大，获得第二时钟放大信号，并发送到地面整形模块；

井下收发模块用于以井下整形模块输出的时钟信号为基准生成同步时钟。

按照本发明的另一方面，基于上述井间电磁测井仪收发时钟同步系统，提供了一种井间电磁测井仪收发时钟同步方法，包括如下步骤：

(1)控制地面系统接收标准时钟参考信号，以使得地面系统达到与授时模块的时钟同步；其中，标准时钟参考信号由授时模块提供；

(2)由地面系统通过将上述标准时钟参考信号驱动放大后发送给井下系统来对井下系统授时；

(3)由井下系统将收到的时钟信号进行整形，并将整形后的信号分成两路，将其中一路再次驱动放大后反馈到地面系统，将其中另一路作为基准生成井下系统同步时钟；

(4)由地面系统通过比对标准时钟与井下系统反馈的时钟信号获得地面到井下的传输延时；

(5)由井下系统根据上述传输延时校准井下系统同步时钟，实现井下系统的收发同步。

优选地，上述井间电磁测井仪收发时钟同步方法，其步骤(1)包括如下子步骤：

(1.1)通过地面发射模块与地面接收模块接收授时模块提供的标准时钟参考信号；

(1.2)以所述标准时钟参考信号为基准生成地面本地同步时钟，实现地面发射模块与地面接收模块间的时钟同步。

优选地，上述井间电磁测井仪收发时钟同步方法，其步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)通过地面收发模块对授时模块提供的标准时钟参考信号进行占空比展宽；

(2.2)将展宽后的时钟信号驱动放大后发送到井下系统。

通过信号占空比展开以及驱动放大，获得高幅值、具有远距离传输能力的驱动放大信号，以克服经电缆远距离传输后对时钟信号的衰减。

优选地，上述井间电磁测井仪收发时钟同步方法，其步骤(3)包括如下子步骤：

(3.1)通过井下整形模块对接收到的时钟信号进行整形；

(3.2)将整形后的时钟信号分为两路，将一路时钟信号通过井下驱动模块再次驱动放大后回传到地面整形模块；

(3.3)将另一路时钟信号发送至井下收发模块，井下收发模块以该时钟信号为基准生成井下本地同步时钟。

优选地，上述井间电磁测井仪收发时钟同步方法，其步骤(4)包括如下子步骤：

(4.1)通过地面整形模块将井下驱动模块驱动放大后的、经电缆传输后的时钟信号进行整形；

(4.2)通过地面收发模块将整形后的时钟与授时模块提供的标准时钟参考信号对比，计算偏差，获得地面到井下的传输延时。

优选地，上述井间电磁测井仪收发时钟同步方法，其步骤(5)包括如下子步骤：

(5.1)地面收发模块将测得的延时信息经电缆通过遥传短节发送至井下收发模块；

(5.2)井下收发模块根据延时校准之前生成的井下本地同步时钟，最终实现井下发射模块与井下接收模块间的时钟同步。

在井间电磁测井仪系列内需要实现的是井下发射模块与井下接收模块的时钟同步；而井下系统通过数千米的电缆与地面系统连接，无法直接参考授时模块提供的时钟；本发明提供的这种系统及方法，通过地面系统对井下系统进行授时，通过回传信号确定地面与井下的延时，依据该延时来对井下收发时钟进行校准，实现收发同步；总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统及方法，通过授时模块提供标准参考时钟以保证地面系统的精确时钟同步；通过地面向井下发送时钟信息实现地面系统对井下系统的同步授时；实现了远距离时钟信号的传输，在没有统一参考时钟的环境条件下，实现了两节点的时钟同步；通过地面系统测量传输延时并将延时信息传递至井下，由井下系统根据延时校准同步时钟，实现了井下收发同步；

(2)本发明提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统及方法，通过对经电缆传输后的时钟信号进行整形处理，使得时钟信号的上升沿信息得以恢复，地面系统和井下系统可以有效识别传输的时钟信号，实现了地面与井下的实时通信；

(3)本发明提供的井间电磁测井仪收发时钟同步及方法，在地面与井下分别对标准时钟信号和井下整形时钟信号进行驱动放大处理，克服了远距离通信导致的衰减。

附图说明

图1是本发明实施例提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统示意图；

图2是本发明实施例提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统的功能框图；

图3是本发明实施例提供的收发同步的时钟信号处理示意图；

图4是本发明实施例提供的井下收发模块的同步时钟对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示为实施例提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统示意图；包括授时模块、地面系统、井下系统、遥传短节以及电缆；

地面系统通过接收授时模块提供的标准时钟参考信号实现地面系统间的时钟同步，并将时钟信号通过电缆发送至井下系统，井下系统输出同步时钟，并将时钟信号回传给地面；其中，授时模块用于为地面系统提供高精度的标准时钟参考信号；地面系统接收授时模块输出的标准时钟参考信号并进行预处理，对标准时钟参考信号进行占空比展宽，并根据井下系统反馈的时钟信号与授时模块提供的标准时钟参考信号的偏差，计算地面到井下的传输延时；井下系统用于接收经电缆传输后的时钟信号，并以此为基准输出同步时钟；电缆用于连接地面系统与井下系统，并对井下系统进行供电；遥传短节用于传输延时信息。

在本实施例中，授时模块采用GPS或北斗系统；实施例提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统还包括天线和接收机，天线用于接收卫星发射的卫星信号；接收机用于解码卫星信号，输出标准时钟参考信号；

地面系统将时钟信息驱动放大后发送给井下，井下收到信号后首先进行整形，然后分成两路，一路再次驱动放大发送回给地面，地面再次整形接收，将其与授时模块输出的标准时钟参考信号进行对比测量地面到井下的传输延时；另一路发送给井下系统，井下系统以收到的时钟信号为基准输出同步时钟；地面系统在测得地面到井下的传输延时后经电缆通过遥传短节将延时信息发送给井下系统；井下系统在收到地面系统发送过来的延时信息后，校准输出的同步时钟，最终保证井下系统间的时钟同步。

井下系统在收到时钟信号后，通过锁相环电路(PLL)以其为基准生成高频同步时钟；实施例中，锁相环电路包括鉴相器、低通滤波器、压控振荡器；PLL通过比较外部信号的相位和压控振荡器的相位来实现同步；在比较的过程中，锁相环电路不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。

图2是实施例提供的井间电磁测井仪收发时钟同步系统的功能框图，该系统具体包括授时模块、地面收发模块、地面驱动模块、地面整形模块、井下收发模块、井下驱动模块、井下整形模块、遥传短节和电缆；

其中，地面收发模块、地面驱动模块和地面整形模块构成地面系统；井下收发模块、井下驱动模块和井下整形模块构成井下系统；

地面收发模块对授时模块提供的标准时钟参考信号进行占空比展宽，由地面驱动模块将标准时钟参考信号驱动放大，经电缆传输至井下整形模块，井下整形模块将收到的信号进行整形，并分成两路；一路通过井下驱动模块再次放大经电缆回传至地面整形模块进行整形；地面收发模块根据整形后的时钟信号，对比授时模块提供的标准时钟参考信号测量地面到井下的传输延时；另一路给井下收发模块，井下收发模块以收到的时钟信号为基准输出同步时钟；地面收发模块将测得传输延时的信息经电缆通过遥传短节发送给井下收发模块，井下收发模块根据延时校准输出的同步时钟。

图3所示为实施例提供的井间电磁测井仪收发时钟同步方法的处理流程，具体包括如下步骤：

(1)发射端与接收端地面收发模块均接收卫星接收机输出的标准时钟参考信号，并对该信号进行占空比展宽的预处理；

(2)地面驱动模块对上述预处理后的时钟信号进行驱动放大，获得高幅值、具有远距离传输能力的第一时钟放大信号，通过电缆将该信号传输至井下整形模块；

(3)井下整形模块对经电缆传输后的第一时钟放大信号进行整形，具体包括时钟信号上升沿的恢复和电平转换，随后将整形后的时钟信号分两路；

(4)井下驱动模块将上述两路信号的其中一路进行再次驱动放大，获得第二时钟放大信号，并发送到地面整形模块；

(5)井下收发模块将上述两路信号的另外一路作为基准，生成同步时钟。

(6)地面整形模块对井下驱动模块输出的、经过电缆传输的第二时钟放大信号进行整形处理，地面收发模块根据地面整形模块输出的时钟信号与卫星接收机输出的标准时钟参考信号对比，分别获取发射端与接收端地面到井下的传输延时；

(7)地面收发模块将各自的延时信息经电缆通过遥传短节发送至井下收发模块，井下收发模块根据延时信息校准之前生成的同步时钟，进而实现井下发射模块与井下接收模块之间的时钟同步。

在实施例中，考虑到实际测井时连接地面与井下的电缆长度很长，在时钟信号的传输过程中会对其造成很大程度的衰减，因此采用驱动模块将时钟信号进行驱动放大；在本实施例中，驱动模块的输出为差分信号。

采用整形模块恢复时钟信号经过电缆传输后的上升沿信息；在本实施例中，整形模块包括运放模块，用于从电缆接收时钟信号，调整时钟信号的高低电平；触发器模块，用于恢复时钟信号的上升沿；电平转换模块，用于将时钟信号的电平转换为地面系统与井下系统可接收的电平。

图4所示为实施例提供的井下收发模块的同步时钟对比图，从该图可以看出，通过实施例提供的这种同步系统及方法，实现了井下收发时钟的同步。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。