专利名称：井下仪器缆头电压直接测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油测井领域，具体地，本实用新型涉及一种井下仪器的缆头电压直接测量装置。
背景技术：
在石油测井仪器中，井下仪器的功率受环境和使用条件的影响可能在较大范围内变化，再加上较长的测井电缆所具有的较大电阻，所以使得井下仪器的缆头电压可能会有较大范围的变化。为了确保井下仪器能够正常完成测井作业并且为了保护井下仪器不受损害，必须要将井下仪器的缆头电压控制在仪器工作电压所容许的范围内。否则，如果缆头电压超出井下仪器的工作电压范围，则该井下仪器就不能正常工作，有时甚至会损坏该仪器。 由此可见，在测井过程中实时监测井下仪器的缆头电压以确保井下仪器能够正常完成测井作业便成为石油测井仪器井下供电系统的一项重要任务。目前，在石油测井领域对井下仪器的缆头电压测量主要采用间接测量方式。其中的一种间接测量方式是电缆调谐法。其具体实现方式如下当测井电缆的长度被固定后，先将马笼头(即连接井下仪器与电缆的转换接头)处供主电源的两缆芯短路，再启动交流主电源，旋转调压器使电流达到一定的数值，调节面板上的调谐电位器使电压表指示为零，之后去除短路线，调谐过程结束；此后配接测井仪，这时电压表将显示测井仪的端头电压。影响间接测量缆头电压的精度的因素主要有测井电缆的阻值和变压器的变比。随着测井电缆的逐渐下放，井内压力变大，泥浆粘稠度增加，此时测井电缆就会被拉伸，此外由于井内温度会随深度的增大而变大，因此测井电缆的阻值是时刻变化的量。另外，变压器的变比也会随着负载电流及温度的变化而改变。而测井电缆的阻值和变压器的变比的变化毫无疑问将会导致经由间接测量方式所测得的缆头电压的精度不会很高，继而会较大地影响到测井作业的效果。除了前述间接测量方式之外，还存在一种缆头电压的直接测量方式。该直接测量方式主要是将井下仪器缆头电压转换成一个可供测量采集的直流信号，该直流信号通过井下遥传仪器中辅交电源变压器、继而通过测井电缆而被传送到测井地面系统进行数据采集 (例如可通过多周期采集)。测井地面系统中包含有相应的数据处理软件，其用于执行相应的数据处理以得到井下仪器缆头电压的实际值。与前述间接测量方式相比，虽然上述直接测量方式的执行过程中要经过电缆传输及数据处理等诸多环节，这可能会给测量结果带来一定的误差，但是这些误差远小于间接测量方式所带来的误差。然而，虽然上述现有直接测量方式优于间接测量方式，但是对于实际测井工作而言，该现有的直接测量方式的测量精度仍然不够高，仍有待于进行进一步的改善。此外，由于测井仪器在油井内会承受极高的压力和温度，这样防水密封圈就极易老化损坏，从而极有可能引起仪器渗水，继而可能导致辅交变压器的两个绕组上的电压不对称，辅交变压器中心抽头上会产生很高的交流电压。在实际操作过程中，在两个绕组上的电压严重不对称的情况下，中心抽头上的电压可能会高达120伏，这样就使得在地面电源保护系统动作前， 如此高的电压会损坏井下遥传仪器中的相应元器件，进而会导致井下仪器缆头电压测量发生严重错误，从而影响测井作业的顺利进行。
实用新型内容本实用新型的目的在于为了解决现有技术中存在的上述一个或多个不足，提供一种新的、能够精确测量井下仪器缆头电压的井下仪器缆头电压直接测量装置。根据本实用新型的一个方面，提供了一种井下仪器缆头电压直接测量装置，该装置包括测量变压器，其用于获取井下仪器缆头电压信号；模拟测量电路，其用于将所获取的交流形式的井下仪器缆头电压信号转换成处于预定幅值范围内的直流信号；所述模拟测量电路分两路输出所述直流信号；数据通信板，其用于对来自于所述模拟测量电路的第一路直流信号进行数据采集；遥传数据处理模块，其用于对所述数据通信板所采集到的数据进行数字处理，从而得到所述测量变压器的原边输入交流电压值；遥传模块，其用于对所述遥传数据处理模块得到的所述测量变压器的原边输入交流电压值进行调制并经由测井电缆将调制信号传送到地面系统；井下辅交变压器，其原边中心抽头耦合到所述模拟测量电路，以接收所述模拟测量电路所输出的第二路直流信号；所述井下辅交变压器的输出信号通过测井电缆直接传送到地面系统。优选地，经由所述数据通信板、遥传数据处理模块、以及遥传模块所传送的第一路直流信号只有在测井系统加电完成以及遥传模块的通讯建立完成后才能被通过测井电缆传送到地面系统。优选地，经由所述井下辅交变压器传送的第二路直流信号在测井系统的整个加电过程中及加电完成后均存在。优选地，当测井系统的加电完成前，所述地面系统将显示经由第二路直流信号传送的井下缆头电压值；当测井系统的加电完成后，所述地面系统将显示经由第一路直流信号传送的井下缆头电压值。优选地，所述模拟测量电路包括分压单元，所述分压单元用于对所述测量变压器的输出信号进行分压。优选地，所述模拟测量电路还包括与所述分压单元耦合的第一低通滤波单元，所述第一低通滤波单元构成四阶低通滤波单元，用于对经过分压后的信号滤除高次谐波分量。优选地，所述模拟测量电路还包括与所述第一低通滤波单元耦合的滤除直流偏置单元，其用于对经过第一滤波处理之后的信号进行直流偏置滤除操作。优选地，所述模拟测量电路还包括半波整流单元和第二低通滤波单元，所述半波整流单元对直流偏置滤除之后的信号进行半波整流，所述第二低通滤波单元对经半波整流后的信号进行低通滤波从而转变成直流电压信号。[0023]优选地，所述模拟测量电路还包括射随电路和比例放大单元，所述射随电路的输入端耦合到所述第二低通滤波单元，输出端耦合到所述比例放大单元；所述比例放大单元包括高压交流信号保护单元，所述高压交流信号保护单元包括并联耦合的第一高压保护电阻和第二高压保护电阻。优选地，所述第一高压保护电阻和第二高压保护电阻的阻值可以根据与第一和第二高压保护电阻耦合的运算放大器的输出阻抗、输出信号传输电缆缆芯对地绝缘阻抗、地面系统中的地面交流电源控制箱中的信号输入电路的输入阻抗、所述运算放大器输出的极限电压、模拟测量电路输出的直流输出信号的幅值范围、和/或井下仪器渗水时井下辅交变压器的中心抽头上的交流电压幅值范围来加以确定。根据本实用新型的一个目的，通过采用本实用新型的技术方案，可以大大提高井下仪器缆头电压的测量精度，进而可以有效地保证测井作业的顺利进行。根据本实用新型的另一个目的，通过采用本实用新型的优选技术方案，可以解决现有技术存在的、在例如发生井下仪器渗水等意外情况时由于辅交变压器的中心抽头上产生较大的交流电压而损坏井下仪器的元器件的技术问题，从而既可以有效地保证测井作业的顺利进行，又可以保护井下仪器不受损坏。根据本实用新型的又一个目的，本实用新型所提供的井下仪器缆头电压直接测量装置具有低成本和高工作可靠性的优点，因此在石油测井领域具有很强的实用性。
图1是测井系统电源传输及信号通讯示意图。图2是根据本实用新型优选实施例的井下仪器缆头电压直接测量装置的示意性框图。图3是根据本实用新型优选实施例的井下仪器缆头电压直接测量装置中的模拟测量电路的电路原理图。
具体实施方式
某些术语在本申请文件中自始至终用来指示特定系统部件。如本领域的技术人员将认识到的那样，通常可以用不同的名称来指示相同的部件，因而本申请文件不意图区别那些只是在名称上不同而不是在功能方面不同的部件。在本申请文件中，以开放的形式使用术语“包括”、“包含”和“具有”，并且因此应将其解释为意指“包括但不限于…”。下面将结合本实用新型的优选实施例对本实用新型作进一步详细的描述。首先，将结合附图1所示出的测井系统电源传输及信号通讯示意图来简要描述测井系统的大致电信号走向。如图1所示，Tl为地面主交电源变压器，其用于将地面主交流电源耦合到电缆。 T2、T3为井下遥传仪器中的主交电源变压器，其用于将电缆上的主交流电源耦合到井下仪器。T4为地面辅交电源变压器，其用于将地面辅交流电源耦合到电缆。T5为井下遥传仪器中的辅交电源变压器，其用于将电缆上的辅交流电源耦合到井下仪器；优选地，所述T5是带有中芯抽头的变压器，在制作工艺良好的情况下(即为理想情况下)，其两边基本对称，具有很小的偏差；此外，在井下仪器正常工作的情况下，所述中芯抽头对地电压非常小。T6和T8均为地面信号变压器，其用于输出或输入调制信号，以及用于传输上行和/或下行信号。 T7和T9为井下遥传仪器中的信号变压器，其用于输出或输入调制信号，以及用于传输上行和/或下行信号。此外，图1中的# 1一# 7为测井电缆，其用于将地面系统电源输送到井下遥传仪器，然后通过井下遥传仪器向其它井下仪器供电，同时这些电缆也是地面系统与井下仪器进行数据交换的通道。接下来将详细说明本实用新型的井下仪器缆头电压直接测量装置。图2示出了根据本实用新型优选实施例的井下仪器缆头电压直接测量装置的示意性框图。如图2所示，本实用新型的井下仪器缆头电压直接测量装置优选地包括测量变压器201、模拟测量电路202、数据通信板203、井下辅交变压器204 (优选地为图1中所示的井下遥传仪器中的辅交电源变压器T5)、遥传模块205以及位于数据通信板203与遥传模块205之间的遥传数据处理模块206。所述测量变压器201用于获取井下仪器缆头电压信号；所述模拟测量电路202用于进行分压、滤波、整流、比例放大操作，以将输入到其中的交流电压信号转换成符合井下仪器工作要求的处于预定输出幅值范围内的直流信号。如图2所示，模拟测量电路202分两路输出所述直流信号，其中的一路直流信号Sl (即为第一直流信号Si)被输送到数据通信板203，在数据通信板203上对所输入的直流信号Sl进行数据采集，然后经过遥传数据处理模块206对数据通信板203所采集到的数据进行数字处理(优选地，所述数字处理为对采集到的整流后的直流电压信号进行多项式拟合， 从而得到测量变压器201的原边输入交流电压值)，之后经由遥传模块205对遥传数据处理模块206处理后的数据进行调制并经由测井电缆207传送到地面系统208(为简明起见，图中未示出，优选地为地面系统遥传箱)。地面系统将对从测井电缆207接收到的数据信号进行解调、数据采集、数据拟合，最后得到井下仪器缆头电压。需要说明的是，前述的经由数据通信板203、遥传数据处理模块206、以及遥传模块205所传送的那路数据信号Sl必须在测井系统加电完成、遥传模块205的通讯建立完成后才能被通过测井电缆207传送到地面系统208。如图2所示，模拟测量电路202所输出的另一路直流信号S2被输送到井下辅交变压器204的原边中心抽头，然后通过测井电缆207直接传送到地面系统208的交流电源控制箱进行数据采集、数据拟合，最后得到井下仪器缆头电压，该路信号传输在测井系统的整个加电过程中(即加电完成前)及加电完成后均存在，也就是说，在测井系统的整个加电过程中及加电完成后均可以通过该路信号传输路径来传送缆头电压信号。在此需要说明的是，上述直流信号Si、S2是来源于同一信号源(即模拟测量电路 202)的两路信号，其以如上所述的不同的方式和不同的信号通路进行传输。例如，第二直流信号S2是以模拟信号方式进行传输，其在测井系统的加电完成前(即在加电过程中)被地面系统采用，当测井系统的加电完成后，该信号S2仍然一直在被传输，只是地面系统不再采用及显示该信号的值。而上述第一直流信号Sl是在井下实现数字化与多项式拟合等数据处理，之后在测井系统的整个加电完成后以数字信号的方式加以传输；当测井系统的加电完成后，地面系统与井下遥传仪器之间的通讯建立完成，此时地面系统将显示经由Sl通路传送的井下缆头电压值。[0043]为了更加清楚地阐明本实用新型的技术方案，下面将结合附图3来进一步说明根据本实用新型优选实施例的井下仪器缆头电压直接测量装置中的模拟测量电路202的优选构造。图3示出了根据本实用新型优选实施例的井下仪器缆头电压直接测量装置中的模拟测量电路202的电路原理图。如图3所示，模拟测量电路202优选地包括分压单元2021、第一低通滤波单元 2022、滤除直流偏置单元2023、半波整流单元20M、第二低通滤波单元2025、射随电路 2(^6、比例放大单元2027。其中所述分压单元2021优选地包括第一电阻R23、第二电阻R24以及第三电阻 R49。所述第一低通滤波单元2022优选地为四阶低通滤波单元，其优选地包括第四电阻R52、第五电阻R51，第一运算放大器U2A，第一电容C22、第二电容C23，第六电阻R47、第七电阻R46、第八电阻R48，第三电容C13、第四电容C24，第九电阻R59，以及第二运算放大器 U2D。所述滤除直流偏置单元2023优选地包括第十电阻R5，第三运算放大器U1A，第 i^一电阻R1，第五电容Cl、第六电容C2，第一二极管D1，以及第十二电阻R6、第十三电阻 R7、第十四电阻R8。所述半波整流单元20M优选地由第二二极管D2构成。所述第二低通滤波单元2025优选地包括第十五电阻R4，第七电容C3，第十六电阻 Rll以及第八电容C4。所述射随电路20 优选地包括第十七电阻R2，第四运算放大器U1D，以及第十八电阻R10。所述比例放大单元2027优选地包括第十九电阻R62，第二十电阻R64，第二i^一电阻R66，第五运算放大器U3D，第二十二电阻R58，第二十三电阻R63，第六运算放大器U3A，以及第一高压保护电阻R65和第二高压保护电阻R67。需要说明的是，附图3中所标出的各电路元器件的设定值仅是优选的，其仅起到示例性的作用，而不构成对本实用新型保护范围的限制。下面将进一步说明图3所示电路的信号走向。如图3所示，图2中的测量变压器201的输出信号AC1+、AC-被输入到模拟测量电路202中，经上述R23、R24、R49构成的分压单元2021进行分压，之后经上述第一低通滤波单元2022所构成的四阶低通滤波单元对经过分压后的信号滤除高次谐波分量，经过该第一滤波处理之后的信号ADlin被输入到上述滤除直流偏置单元2023中进行直流偏置滤除操作，由D2来对直流偏置滤除之后的信号进行半波整流，半波整流后的信号由上述第二低通滤波单元2025进行低通滤波从而转变成直流电压信号，接下来直流电压信号经过上述射随电路20 形成信号AC-Voltagel，该信号AC-Voltagel —方面直接作为上述输出信号Sl (即第一输出信号Si)输出到图2中所示的数据通信COM板203中；另一方面，该信号 AC-Voltagel经过上述比例放大单元2027形成放大输出信号AC-Vl (即第二输出信号S2)， 该放大输出信号AC-Vl信号被输出到图2中的井下辅交变压器204的中心抽头。由上述优选实施例可知，所述比例放大单元2027优选地包括由第一高压保护电阻R65和第二高压保护电阻R67构成的高压交流信号保护单元20271。如图3所示，所述两个高压保护电阻中的一个电阻R67连接在第六运算放大器U3A 的输出端与地之间，另一个R65连接在该第六运算放大器与输出信号传输电缆CAB之间。上述第一高压保护电阻R65和第二高压保护电阻R67的阻值可以由本领域技术人员根据第六运算放大器U3A的输出阻抗、输出信号传输电缆缆芯对地绝缘阻抗、地面系统 208中的地面交流电源控制箱中的信号输入电路的输入阻抗、第六运算放大器U3A输出的极限电压、和/或模拟测量电路202输出的直流输出信号的幅值范围、井下仪器渗水时井下辅交变压器204的中心抽头上的交流电压幅值范围来加以确定。根据本实用新型的优选实施例，第一高压保护电阻R65的阻值为20K欧姆，而第二高压保护电阻R67的阻值为IK欧姆。然而，该数值只是优选值，其仅起到示例性的作用，本实用新型并不局限与此。在井下仪器正常工作时，这两个高压保护电阻对第六运算放大器输出的直流信号影响非常小，此时直流信号的幅值在0-8. 5伏之间，第六运算放大器的输出电压容许范围在-18 - +18伏之间，因此，正常工作时第六运算放大器U3不会损坏。当井下仪器渗水时，井下辅交变压器204 (即为图1中的T5)中心抽头两边的电压不对称，因此在中心抽头上存在一个较大的交流电压，其叠加在直流信号之上，该交流电压的幅值通常会在6-120伏之间，此时如果没有上述高压交流信号保护单元20271，则第六输出运算放大器U3在地面系统的保护电路动作前就会被交流高压损坏。而在设置了根据本实用新型优选实施例的高压交流信号保护单元20271后，交流高压会被电阻R65和R67分压，根据本实用新型的优选实施例，由于电阻R65的阻值为20K，R67的阻值为1K，因此，交流信号在R67上的电压贡献为0-6伏，再加上直流信号电压，其幅值不超过第六运算放大器的损坏电压18伏，因此第六运算放大器得以被保护。综上所述，通过采用本实用新型的技术方案，可以大大提高井下仪器缆头电压的测量精度，进而可以有效地保证测井作业的顺利进行。此外，通过采用本实用新型的优选技术方案，可以解决现有技术存在的、在例如发生井下仪器渗水等意外情况时由于辅交变压器的中心抽头上产生较大的交流电压而损坏电压测量模块的技术问题，从而既可以有效地保证测井作业的顺利进行，又可以保护井下仪器不受损坏。再者，本实用新型所提供的井下仪器缆头电压直接测量装置具有低成本和高工作可靠性的优点，因此在石油测井领域具有很强的实用性。以上描述的仅仅是本实用新型的优选实施例，以便本领域技术人员能够实现或者使用本实用新型公开的内容。同时对于本领域技术人员来说，对这些公开内容的各种修改都是显而易见的。在不偏离本实用新型的精神和范围的前提下，本领域技术人员可以得到其他经修改、变换、替换的等价内容，所有这些修改、变换、替换均落入本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，该装置包括测量变压器(201)，其用于获取井下仪器缆头电压信号；模拟测量电路(202)，其用于将所获取的交流形式的井下仪器缆头电压信号转换成处于预定幅值范围内的直流信号；所述模拟测量电路(202)分两路输出所述直流信号；数据通信板(203)，其用于对来自于所述模拟测量电路(202)的第一路直流信号(Si) 进行数据采集；遥传数据处理模块(206)，其用于对所述数据通信板(203)所采集到的数据进行数字处理，从而得到所述测量变压器(201)的原边输入交流电压值；遥传模块(205)，其用于对所述遥传数据处理模块(206)得到的所述测量变压器 (201)的原边输入交流电压值进行调制并经由测井电缆(207)将调制信号传送到地面系统 (208)；井下辅交变压器(204)，其原边中心抽头耦合到所述模拟测量电路(202)，以接收所述模拟测量电路(202)所输出的第二路直流信号(S2)；所述井下辅交变压器(204)的输出信号通过测井电缆(207)直接传送到地面系统(208)。
2.如权利要求1所述的井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，所述模拟测量电路(202 )包括分压单元(2021)，所述分压单元(2021)用于对所述测量变压器(201)的输出信号(AC1+，AC-)进行分压。
3.如权利要求1或2所述的井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，所述模拟测量电路(202 )还包括与所述分压单元(2021)耦合的第一低通滤波单元(2022 )，所述第一低通滤波单元(2022)构成四阶低通滤波单元，用于对经过分压后的信号滤除高次谐波分量。
4.如权利要求3所述的井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，所述模拟测量电路(202 )还包括与所述第一低通滤波单元(2022 )耦合的滤除直流偏置单元(2023 )，其用于对经过第一滤波处理之后的信号(ADlin)进行直流偏置滤除操作。
5.如权利要求4所述的井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，所述模拟测量电路(202 )还包括半波整流单元(2024 )和第二低通滤波单元(2025 )，所述半波整流单元对直流偏置滤除之后的信号进行半波整流，所述第二低通滤波单元(2025 )对经半波整流后的信号进行低通滤波从而转变成直流电压信号。
6.如权利要求5所述的井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，所述模拟测量电路(202)还包括射随电路(2026)和比例放大单元(2027)，所述射随电路(2026)的输入端耦合到所述第二低通滤波单元(2025)，输出端耦合到所述比例放大单元(2027)；所述比例放大单元(2027)包括高压交流信号保护单元(20271)，所述高压交流信号保护单元 (20271)包括并联耦合的第一高压保护电阻(R65)和第二高压保护电阻(R67)。
7.如权利要求6所述的井下仪器缆头电压直接测量装置，其特征在于，所述第一高压保护电阻(R65)的阻值是20K欧姆，而第二高压保护电阻(R67)的阻值是IK欧姆。
专利摘要本实用新型公开了一种井下仪器缆头电压直接测量装置，该装置包括测量变压器，其用于获取井下仪器缆头电压信号；模拟测量电路，其用于将获取的交流电压信号转换成处于预定幅值范围内的直流信号；模拟测量电路分两路输出所述直流信号；数据通信板，其用于对第一路直流信号进行数据采集；遥传数据处理模块，其用于对所采集到的数据进行数字处理，从而得到测量变压器的原边输入交流电压值；遥传模块，其用于对原边输入交流电压值进行调制并经测井电缆将调制信号传到地面系统；井下辅交变压器，其原边中心抽头耦合到模拟测量电路，以接收模拟测量电路所输出的第二路直流信号；所述井下辅交变压器的输出信号通过测井电缆直接传送到地面系统。
文档编号G01R19/00GK202093083SQ20112011364
公开日2011年12月28日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者朱新楷, 汪新国, 裴彬彬, 陈仕学, 陈文轩 申请人:中国石油集团长城钻探工程有限公司