便携式过套管电阻率测井地面系统装置的制作方法

本公开涉及石油勘探及生产测井领域，尤其涉及一种便携式过套管电阻率测井地面系统装置。

背景技术：

过套管电阻率测井技术主要应用于剩余油饱和度评价、水淹层识别、储层监测等，进行套后储层评价。在过套管电阻率测井时，地面提供的大功率低频电流在测量深度点处注入套管，大部分电流通过套管回流到地层表面，同时也泄漏微弱的电流进入地层，通过测量泄漏电流的大小及相关测量参数可反演出地层电阻率的大小。

过套管电阻率测井地面系统主要分为地面系统与井下测井仪，在测井专用车上安装有地面系统、发电及配电、电缆绞盘和深度监控等相关装置，地面系统与井下测井仪之间通过测井仪专用的七芯金属铠装电缆实现供电及数据通信。

目前过套管测井使用地面系统主要以单功能模块测井现场组装形式实现，且其系统设计方法与技术通常为企业核心机密，相关申请的专利很少且实现方法描述模糊。过套管地面系统一般包括：控制计算机、直流供电面板、大功率电流源面板，通讯及接口面板等模块，现有仪器系统中，各功能面板独立存放，均需要在作业现场进行组装，在实际使用中存在很多问题，如：设备功能单一、电路功能不能拓展，地面设备兼容性差及利用效率低，整体系统不能用于其他相似功能测井工具系统中；单个面板存放，电路集成化程度低，面板之间线缆连接复杂等，故障率高，整体检修程序繁琐，延长了作业时间及增加作业成本；当整体系统以机柜形式固定安装在测井工程车时，占用体积巨大，不能随意移动，抗强震能力不能满足现场作业需要。

技术实现要素：

本公开提供了一种便携式过套管电阻率测井地面系统装置，达到测井地面系统体积小、连接简单、检修方便且故障率低的技术目的。

本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种便携式过套管电阻率测井地面系统装置，包括机箱，所述机箱内设有折叠显示器、工控机、电源模块、前端控制及数据处理模块、供电及电缆配置面板、大功率电流源和热敏绘图仪；

所述供电及电缆配置面板上设置有至少一个航空连接器接口，所述航空连接器接口连接有7芯铠装电缆；

所述供电及电缆配置面板和所述大功率电流源均与所述前端控制及数据处理模块连接；

所述工控机与所述折叠显示器、热敏绘图仪和前端控制及数据处理模块连接，所述电源模块与所述折叠显示器、工控机、供电及电缆配置面板均连接；

所述前端控制及数据处理模块包括通讯及数据处理单元、下传指令信号调制及驱动单元、上传数据信号滤波及解码单元、监控单元、通讯驱动电路和换向控制信号驱动电路；所述通讯及数据处理单元与所述下传指令信号调制及驱动单元、上传数据信号滤波及解码单元、监控单元、通讯驱动电路和换向控制信号驱动电路均连接。

进一步地，所述前端控制及数据处理模块还包括信号接收单元和手动控制单元。

进一步地，所述通讯及数据处理单元包括dsp/arm微处理器和fpga，所述dsp/arm微处理器和fpga连接，所述dsp/arm微处理器与所述监控单元和所述通讯驱动电路均连接，所述fpga与所述下传指令信号调制及驱动单元、上传数据信号滤波及解码单元、换向控制信号驱动电路、信号接收单元和手动控制单元均连接。

进一步地，所述监控单元包括ad模数转换电路。

进一步地，所述供电及电缆配置面板包括两路工频交流供电单元、供电/通讯及电缆配置单元和换向驱动单元；所述两路工频交流供电单元与所述供电/通讯及电缆配置单元连接，所述供电/通讯及电缆配置单元与所述换向驱动单元连接。

进一步地，所述供电/通讯及电缆配置单元上设置有至少一个航空连接器接口，所述航空连接器接口连接有7芯铠装电缆。

进一步地，所述航空连接器接口包括深度编码器接口和系统供电输入接口。

进一步地，所述换向驱动单元包括激励电流换向单元、主辅电供电电压电流监控及显示单元、信号接口，所述信号接口连接的信号包括电压/电流监控信号、通讯调制解调信号、转接深度编码器信号和电流换向控制信号。

本公开的有益效果在于：本公开所述的便携式过套管电阻率测井地面系统装置体积小、方便移动，并且实现了过套管测井地面系统的所有功能，如地面运行状态监控、双通道通电、电缆数据通讯、数据处理及保存、深度记录校正、大功率电流源激励及电缆配置等功能。

同时本公开提供的系统供电方式、电缆通讯速率、装置便携性、系统运行稳定性、系统硬件集成度都大幅优于现有的地面系统；机箱内的各元件可根据实际需求确定位置，硬件配置灵活，可应用于功能需求相似的其他测井地面系统。

附图说明

图1为本装置结构框图；

图2为本装置前端控制及数据处理模块结构框图；

图3为本装置供电及电缆配置面板结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。在本公开的描述中，需要理解地是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本装置结构框图，便携式过套管电阻率测井地面系统装置包括机箱，机箱内设有电源模块、折叠显示器、工控机、电源模块、前端控制及数据处理模块、供电及电缆配置面板、大功率电流源、热敏绘图仪和至少一个航空连接器接口。各部件连接方式如图1所示，其中，航空连接器接口与供电及电缆配置面板连接，航空连接器接口连接有7芯铠装电缆；同样，航空连接器接口(即航空插头)还包括深度编码器接口和系统供电输入接口。

深度编码器接口用来连接深度编码器，深度编码器是一种深度信号编码设备，记录电缆下放深度的装置，其输出的信号为a/b数字信号，此信号通过深度编码器接口引入fpga进行深度计数，从而实现井下仪器下井深度记录。

系统供电输入接口可接入外部电源，具有过流及防浪涌保护模块，一般为110/220ac电源，也可根据需求配选ups电源(不间断电源)，当意外断电时ups电源可持续一段时间为测井地面系统供电，以防止测井地面系统意外断电造成数据丢失及井下仪器出现意外情况，并且ups电源在电压过高或过低情况下能对测井地面系统提供可靠保护。

作为具体实施例地，大功率电流源为大功率程控电流源，是3000瓦的大功率直流电流源(或交流电流源，根据需求选配)，为测井系统提供井下仪器注入过套管的激励电流，最大输出电流可达10安培，通过串口或其他通信总线实现程控。另外，热敏绘图仪用于在测井现场实时打印绘制测量的数据曲线图。

工控机为嵌入式工控机，工控机通过视频连接线(如vga)及usb总线连接折叠显示器和热敏绘图仪，通过485串口总线或局域网网络总线与前端控制及数据处理模块进行通讯并交互数据。

作为具体实施例地，笔记本电脑可以代替工控机和折叠显示器，通过笔记本电脑的usb接口、网口与前端控制及数据处理模块、热敏绘图仪进行通讯。

电源模块为工控机、折叠显示器和供电及电缆配置面板提供所需的直流电源，并提供过压及过流短路保护，设计的标准电源输出有：+24v、+5v、+15v、-15v，可根据系统实际配置需求定制。

图2为本装置前端控制及数据处理模块结构框图，前端控制及数据处理模块作为地面系统的核心控制单元，与工控机进行数据交互，响应手动控制单元的控制输入，并输出系统基本运行状态、监控数据及报警输出至手动控制单元的led显示屏，通过串口总线或can总线连接大功率电流源，下达控制指令至大功率电流源控制其输出电流的大小和通断。

前端控制及数据处理模块接收来自供电及电缆配置面板的井下数据传输接收解码模拟信号、主辅电幅度监控模拟信号、深度编码器编码的数字差分信号；前端控制及数据处理模块输出至供电及电缆配置面板的信号有：下传至井下仪的指令编码驱动信号、电流换向控制信号。

前端控制及数据处理模块包括通讯及数据处理单元、下传指令信号调制及驱动单元、上传数据信号滤波及解码单元、监控单元、通讯驱动电路、换向控制信号驱动电路、信号接收单元和手动控制单元。其中，通讯及数据处理单元包括dsp/arm微处理器和fpga，信号接收单元接收深度编码器的信号，各部件连接方式如图2所示。

通讯与数据处理单元包括dsp/arm微处理器和fpga，用于指令和数据的解析与相关算法控制处理。采用dsp/arm+fpga协同处理的设计架构，充分有效地利用dsp或arm微处理器的运算能力、丰富的外设接口及fpga的并行处理能力。dsp/arm微处理器主要负责模拟信号采集、状态监控、大功率电流源程控及桥接地面与井下仪器指令/数据交互，fpga主要负责下传指令信号的编码、接收数据信号的解码、深度信号的解码以及大功率电流源输出电流的换向控制。dsp/arm微处理器通过并行总线访问fpga的内部寄存器，fpga的外围电路信号都引入到供电及电缆配置面板。

下传指令信号调制及驱动单元用于电缆通讯下传指令编码信号调制、滤波及驱动，输出具有曼彻斯特编码特征的双极性脉冲信号，这种信号限制了频带宽度，平衡电缆缆芯总电量，减少了信号在电缆上的充放电及对其他通道的交叉干扰，电缆通讯指令下传速率可设置为20kbps。

上传数据信号滤波及解码单元用于接收数据信号的滤波、比较整形，串联的rc滤波电路和运算放大器组成均衡滤波电路，对由于远距离电缆传输而耦合到信号中的噪声、谐波变形等干扰信号进行消除，输出标准的曼彻斯特数字电平信号至fpga解码，电缆通讯数据上传速率设置范围为20-100kbps，可根据测井仪通讯速率需求实时配置。

信号接收单元用于深度编码器输出的编码信号接收，对输入的深度编码数字信号进行信号限幅保护，经总线缓冲器缓冲后引入fpga，在fpga中进行编码脉冲计数。

监控单元包括ad模数转换电路，用于系统供电及工作状态监测，其ad模数转换电路需要采集的模拟信号有：主辅电幅度监测模拟信号、电源模块供电各路的幅度监测模拟信号、大功率电流源输出监控信号(即输出的电流/电压监测模拟信号)和环境温度监测信号等，其中，主辅电幅度监测模拟信号和大功率电流源输出监控信号需要隔离及低通滤波。

通讯驱动电路用于工控机和大功率电流源的通讯驱动。dsp/arm微处理器通过网络驱动芯片或485串口驱动芯片建立与数据交互通讯，这两种通讯方式传输的差分信号可减小数据传输误码率，且数据传输速率配置在2m～100kbps，满足测井数据传输速度要求。

手动控制单元具有手动控制、显示及报警功能，具有矩阵式按钮(例如4x4矩阵式按钮)及led显示屏，用于在非工控机控制环境下收到控制操作及数据显示，在系统运行状态异常情况下通过报警指示灯及蜂鸣器提示操作人员处理。

换向控制信号驱动电路用于大功率电流源输出至电缆的激励电流换向控制，输出电流换向控制信号，对fpga输出的电流换向控制信号进行电平隔离及增加驱动能力，由单稳态驱动器输出。

图3为本装置供电及电缆配置面板结构框图，供电及电缆配置面板包括两路工频交流供电单元、供电/通讯及电缆配置单元和换向驱动单元，其电路结构和连接方式如图3所示。

供电及电缆配置面板的工作原理如下：

两路工频交流供电单元用于井下仪器两路主/辅供电，主要实现方式为：在前面板配置主辅电调压旋钮、两独立通道的交流电压&电流led显示表及相关的缆芯连接孔。主电调压过程如下：输入电源(此例为220vac)通过按钮开关连接至到主电调压器，其输出的电压与主电调压器旋钮触头位置相关，当旋钮触头旋转至最小时，主电调压器输出的电源电压约为0，当旋钮触头旋转至最大时，主电调压器输出的电源电压约为220vac，主电调压器的输出再引入升压变压器(变比为1：3)，最终，升压变压器输出电源的电压范围为：0～660vac，输出电源的电流最大值限制在2a，超过最大值则触发过流报警。辅电调压器的调压过程与主电调压器类似。

供电/通讯及电缆配置单元用于供电与通讯信号在7芯铠装电缆的各缆芯上的功能复用。主电电源通过电源耦合变压器(变比为1：1)与大功率电流源输出的电流共用2、3、5、6缆芯。2、5、3、6缆芯上具有与电源耦合变压器输入电压的幅度大致相同的交流电，2、3、5、6缆芯通过电源耦合变压器共同连接至经过换向的低频大功率电流源正极，大功率电流源的负极连接至相邻井口或大地电极，第7芯连接至测量井的井口。辅电电源通过电缆通讯变压器与通讯驱动电路共用1、4缆芯。电缆通讯变压器初级发射线圈由通讯调制电路提供驱动脉冲信号，次级线圈耦合此驱动信号，则在电缆1芯～4芯上体现出曼彻斯特双极性脉冲差分信号，电缆通讯变压器的初级接收线圈同时从次级线圈耦合感应到脉冲差分信号，接收该信号输送至解调电路。1、4缆芯通过电缆通讯变压器共同连接至辅电的升压变压器输出的正极抽头，其负极抽头连接至电缆10芯。

换向驱动单元包括激励电流换向单元、主辅电供电电压电流监控及显示单元、信号接口，该信号接口连接的信号包括电压/电流监控信号、通讯调制解调信号、转接深度编码器信号和电流换向控制信号。换向驱动单元用于前端控制及数据处理模块的信号连接、大功率电流源的激励电流输入及7芯电缆连接。

供电及电缆配置面板与前端控制及数据处理模块连接的信号包含：主辅电电压/电流监控信号、通讯调制解调信号、转接深度编码器信号、电流换向控制信号和相关供电。

以上为本公开示范性实施例，本公开的保护范围由权利要求书及其等效物限定。