阅读说明：本技术 随钻声波测井仪器接收换能器阵列全数字化装置 (Receiving transducer array full digitalization device of acoustic logging while drilling instrument ) 是由 孙云涛 陈文轩 底青云 郑健 张文秀 于 2020-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种随钻声波接收换能器阵列全数字化装置,属于随钻声波测井技术领域。该随钻声波接收换能器阵列采用全数字化的结构,并采用非充油方式的橡胶灌封布置方式,所述随钻声波接收换能器阵列全数字化装置包括：第一模块,用于对地层的弱接收声波信号进行声电转换；第二模块,用于对所述弱接收声波信号进行放大、滤波、增益控制及数模转换；第三模块,用于所述装置的接口控制及外部输入输出信号转换。本发明提供一种随钻声波接收换能器阵列全数字化的非充油灌封的布置方法,实现随钻过程中的声波接收信号预处理、数字化及采集。(The invention discloses a full digitalization device of an acoustic wave receiving transducer array while drilling, belonging to the technical field of acoustic wave logging while drilling. The while-drilling acoustic wave receiving transducer array adopts a full-digitalization structure and adopts a rubber encapsulation arrangement mode of a non-oil-filling mode, and the full-digitalization device of the while-drilling acoustic wave receiving transducer array comprises: the first module is used for performing sound-electricity conversion on weak received sound wave signals of the stratum; the second module is used for amplifying, filtering, gain control and digital-to-analog conversion of the weak received sound wave signal; and the third module is used for interface control and external input and output signal conversion of the device. The invention provides a full-digital non-oil-filled encapsulation arrangement method for an acoustic wave receiving transducer array while drilling, which realizes the preprocessing, the digitization and the acquisition of acoustic wave receiving signals in the process of while drilling.)

随钻声波测井仪器接收换能器阵列全数字化装置

技术领域

本发明属于随钻声波测井技术领域，具体涉及一种随钻声波测井仪器阵列接收换能器全数字化装置。

背景技术

随钻声波测井作为随钻测井三大技术之一(电阻率、放射性及声波)在石油钻探测井中具有重要的地位，其可实现钻井过程中对地层孔隙度的监测、实现压力预警，从而提高钻井效率，降低钻井作业风险。

随钻声波测井与电缆测井原理相同：1、通过声波在地层中的传播速度不同，获取地层声波时速，从而反映出当前钻遇地层。2、通过声波发射和接收换能器实现由电到声和声到电的转换。不同方面：随钻声波测井是在钻井的同时，实时测量钻遇地层的声波速度信息。而电缆测井是钻井作业完成后通过电缆悬吊的方式实现地层的声速测量。

如图1所示，仪器在井中工作时，发射声系通过高压激励脉冲激发发射声源产生声波信号，射入地层后，通过地层传输后到达接收器阵列，距离发射声源固定距离布置的接收器阵列实现由接收声波信号到电信号的转换。

发射换能器和接收换能器主要由压电陶瓷组成的无源器件，接收换能器收到的声波信号经过压电陶瓷晶片转换成弱电信号，其幅度随钻遇地层的不同差别较大。其幅度在百uv到百mv级，因此信号需要进行信号的自动增益控制和滤波放大操作。

目前测井仪器研制过程中，普遍采用前置放大电路和采集电路(AGC自动增益控制电路+模数转换器ADC)实现信号的数字采样。前置放大电路要尽量靠近接收压电陶瓷晶片，其对弱信号进行放大滤波，后续的自动增益控制和模数转换ADC功能放置于接收声系电路部分。如图1所示，接收换能器采用单个压电陶瓷晶片封装方式。前置放大电路和后续的采集电路放置于接收压电陶瓷晶片外部，前置放大电路距离接收瓷片很近，但是采集电路需要放置于仪器内铤中，距离较远(普遍在30cm到50cm)。这种布置方式具有如下特点：1、瓷片布置结构简单，2、接收弱信号经过前置放大后信号比有一定提高，但是由于还是模拟信号，所以传输到采集电路(30cm到50cm)后，信号极易受外界环境影响，噪声会增加，从而降低了信号的信噪比。

为提高接收弱信号的信噪比，最直接的方法就是就近数字化，然后通过数字信号将采集的波形传输到接收声系进行后续的数据处理。

现有技术国内：使用模拟信号进行传输，没有进行就近的信号数字化，抗噪声能力较差。参考美国专利US20050150713A1，其采用的全数字化方式，将各模块放置于充油的环境中，从而实现就近数字化采样，提高了信号的信噪比。但是其采用的充油方式的安装工艺和模块的数字化较复杂，国内还无法实现。

发明内容

为了实现以上目的，本发明涉及的是接收换能器的数字化封装技术及为数字化进行的合理布局及信号提取技术。本发明提供一种随钻声波接收换能器阵列全数字化装置，实现随钻过程中的声波接收信号预处理及采集。结构简单，易于实现，适用于随钻过程中的强振动、冲击及高温等恶劣环境，易于实现，便于市场推广和应用。

根据本发明的一个方面，提供一种随钻声波接收换能器阵列全数字化装置，所述随钻声波接收换能器阵列经过数字化处理后，采用全数字化的结构，并采用非充油方式的橡胶灌封布置方式，所述随钻声波接收换能器阵列全数字化装置包括：

第一模块，用于对地层的弱接收声波信号进行声电转换；

第二模块，用于对所述弱接收声波信号进行放大、滤波、增益控制及数模转换；

第三模块，用于所述装置的接口控制及外部输入输出信号转换。

进一步的，所述随钻声波接收换能器全数字化装置包括偶数个第一模块，每个第一模块独立封装。

进一步的，所述第一模块为接收型压电陶瓷晶片。

进一步的，所述接收压电陶瓷晶片尺寸为长40mm，宽25.4mm。

进一步的，所述接收压电陶瓷晶片橡胶灌封后间隔152.4m放置。

进一步的，所述第二模块为内部封装电路。

进一步的，所述内部封装电路包括：

前置放大电路，用于对所述弱接收声波信号进行放大；

带通滤波电路，用于实现带通滤波；

自动增益控制电路，用于实现所述弱接收声波信号的自动增益控制；

模数转换电路，用于实现所述弱接收声波信号的数字化模数转换操作。

进一步的，所述第三模块为接口MUX电路。

进一步的，所述接口MUX电路的外部输出输入采用SPI串行通信接口。

进一步的，所述接口MUX电路集成有AGC自动增益控制逻辑，用于对第二模块进行增益控制调节操作。

进一步的，所述随钻声波接收换能器全数字化装置采用差分方式进行通讯。

本发明的有益效果：

通过全数字化的结构，实现了随钻声波接收阵列的低噪声信号采集，并采用非充油方式的橡胶管封方式，简化了仪器的安装调试和维修操作。提高了接收信号的信噪比和一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出随钻声波测井仪器工作状态图；

图2示出根据本发明实施例的随钻声波测井仪器接收换能器阵列全数字化装置的结构图；

图3示出根据本发明实施例的随钻声波测井仪器接收换能器阵列全数字化方法及装置第二模块结构图；

图4示出根据本发明实施例所实现的4条带接收换成器阵列装置结构图；

图5示出根据本发明实施例的接口MUX电路模块；

图6示出根据本发明实施例的封装电路模块；

图7示出根据本发明实施例的一种布置结构示意图；

图8示出根据本发明实施例的经过数字化后获取的接收弱信号示意图；

图9示出根据本发明实施例的接收换能器阵列灌封前的结构布局尺寸示意图；

图10示出根据本发明实施例的、在3Khz激励源下接收的信号示意图；

图11示出根据本发明实施例的、在12Khz激励源下接收的信号示意图；

图12示出根据本发明实施例的全数字化接收换能器8阵列(8个接收瓷片)灌封后获得的信号示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本发明提供一种随钻声波接收换能器阵列全数字化装置，实现随钻过程中的声波接收信号预处理及采集。该装置采用全数字化的结构，对接收信号的就近采样及整个装置的布置结构。与现有技术比较，结构简单，易于实现。同时，采用非充油方式的橡胶灌封布置方式，与现有技术不同。

整个装置1由三个不同类型的子模块组成，包括：子模块2(压电陶瓷晶片，0---7，共8个)，子模块3(封装电路，0—7，共8个)，子模块4(接口MUX，1个)。结构如图2所示。

该装置全长1300mm，子模块2间隔152.4mm放置，两个子模块2之间的间隔放置封装电路。

本装置包括8个接收陶瓷片，每个接收陶瓷片独立封装，橡胶灌封后间隔152.4m放置。陶瓷片尺寸为长40mm，宽25.4mm的压电陶瓷片，此种瓷片被电缆测井及随钻测井仪器的研制普遍采用。

子模块2：接收压电陶瓷片：对地层的声波信号进行声到电的转换。

子模块3：内部封装电路。实现对弱接收信号的放大、滤波、增益控制及模数转换，包括：前置放大电路5：对弱电信号进行放大，滤波。滤波6：实现带通滤波。自动增益控制AGC电路7：实现弱信号的自动增益控制。模数转换ADC电路8：实现信号的数字化模数转换操作。

子模块4：接口MUX电路，实现整个装置的接口控制及外部输入输出信号转换。外部输出输入采用SPI串行通信接口，为提高传输效率和可靠型，本装置采用差分方式进行通讯。子模块4内部还集成了AGC自动增益控制逻辑，装置外部控制电路可通过SPI接口对各子模块3进行增益控制调节操作。

下面结合图3对子模块3内部封装电路的5、6、7、8进行详细介绍。

子模块5：前置放大电路。接收瓷片的弱信号，进行放大和滤波。其具体功能结构如下图所示。实现差分信号的2倍放大和2阶低通滤波，滤波3dB衰减点为30kHz。

子模块6：带通滤波，滤波频带(3dB点)为200Hz到30kHz

子模块7：AGC自动增益控制，可实现4至128倍可调增益控制。

子模块8：ADC模数转换器，实现信号的模拟到数据转换，采样频率为10kHz，采样位宽16bit，采样动态范围为0-3.3v。

整个装置首先将子模块3进行橡胶灌封，待完成后，与子模块2进行整体橡胶灌封。

使用实例：本装置集成封装后，如图4所示，实现B1-B4的4个条带接收换能器阵列装置。通过外部供电±3.3V和连接12根信号线后，模拟采集电路可以通过SPI接口实时读取接收换能器阵列的接收信号。速率达到100kHz的采样率。同时本装置在实现8个接收瓷片的数字化封装后功耗常温下控制在1W以内，175℃环境下在1.6W以内。同时橡胶封装后可承受172Mpa的外部环压。本装置可简单应用于随钻测井及电缆测井仪器研制中。

本发明能够实现声波接收信号的数字化操作。采样频率为100kHz，位宽为16bit。可调动态增益范围为4至128倍。采样电压动态范围为0至3.3v。

技术效果验证过程如下：

(1)接收换能器阵列数字化后提高了信号的信噪比，针对弱信号接收，在接口MUX电路模块和封装电路模块上进行各项处理包括：弱信号的采集、匹配、滤波、放大、再滤波等模拟信号处理，然后经过ADC实现模拟到数字的转换。

按照图7的布置结构和方法，将6组瓷片、接口MUX电路模块(如图5所示)、封装电路模块(如图6所示)进行整体电装和测试(按照这个布局方法，进行电装，但未灌封)，实现6个接收瓷片的全数字化，经过数字化后获取的接收弱信号如图8所示。信号的一致性、信噪比和抗干扰能力获得提高。

(2)全数字化接收换能器阵列(2瓷片)灌封后获得的信号质量进一步提高。

接收换能器阵列灌封前的结构布局尺寸图如图9所示，按照这个布局尺寸，实现2个阵列全数字化接收换能器的非充油灌封，让后将其放置与硅油中进行声系性能测试，在3Khz(如图10所示)和12KHz(如图11所示)激励源下，接收的信号质量提高。

获得整个灌封后条带性能如下：

常温功耗：1.14W

180℃功耗：小于1.5W

噪声：[email protected]

采样率：100kHz

采样精度：16bit

采样电压：0v至3.3v

增益：4至128倍可调

耐压：125Mpa(实测围压)

(3)全数字化接收换能器8阵列(8个接收瓷片)灌封后获得的信号如图12所示。

灌封后接收条带的性能如下：

时差：330m/s

激励频率：5kHz，单周期正弦

接收信号实际幅度(与水听器一致)：110uv

CH1-CH8幅度递减

采样率：100kHz

采样精度：16bit

最小分辨率：50nv(有效采样10bit)

采样动态范围：0v至3.3v

增益：6.5万倍，64阶可调

常温功耗：1.14W

180℃功耗：小于1.5W

尺寸：1300*50*15mm

接口：SPI*2，10Mbps

供电：±3.3v

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。