一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及石油测井技术领域，尤其涉及一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置及系统。


背景技术：

2.我国石油生产井已进入中后期，由于腐蚀、地层运动以及大型增产技术的原因，使得套管出现不同程度损伤的情况，因此，需要针对油井的套管进行套损检测。井下仪器所获得的套损检测数据可以通过多种方式上传至地面系统，面对复杂的井下环境，通常使用电缆传输套损检测数据。
3.目前，常规的测井数据传输采用单芯电缆电力线直流载波技术，该技术采用单芯电缆对井下仪器直流供电的同时，还使用单芯电缆向地面系统传输井下的测井数据，将测井数据信号耦合至直流电。在常规方案中，地面系统使用大范围手动调节信号，依次对测井数据信号进行钳位保护电路、一级信号放大、滤波、二级放大、比较、软件解码等处理。而二级放大和比较处理需要大范围的可调，因此，通常使用两个精密滑动变阻器分别调节放大增益和比较电平。在实际测井现场进行调节过程中，不仅需要匹配不同规格的单芯电缆，而且测井仪器在井下进行测试时环境变化，会对电力线信号传输存在干扰，因此实际调节效率低，耗时长，且信号的误码率只能通过人工判断操作复杂。从而导致地面系统匹配效率低下，无法实时调节信号，造成信号的高误码率，导致信息的错误和丢失，降低了检测套管的效率，进而在油气井开采中增加了因管柱损伤问题所引发的故障和事故及损伤管柱给生产带来的成本和风险。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本实用新型实施例期望提供一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置及系统；能够快速，准确地匹配系统信号调节，节省套损检测的时间，提高油气井的套损修复的效率，降低更多的风险和经济损失。
5.本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.第一方面，本实用新型实施例提供了一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置，所述装置包括：钳位电路，一级放大电路、滤波电路、二级放大电路、比较电路、解码电路、深度电路以及控制电路；所述钳位电路，用于对井下检测仪器所检测到的原始信号固定在设定的量程范围内；所述一级放大电路，用于按照设定的放大倍数将钳位电路的输出信号进行放大；所述滤波电路用于滤除经由所述一级放大电路放大后的信号中的低频噪声；所述二级放大电路用于藉由对所述二级放大电路中的增益程控电位器按照设定的程序控制，将经由所述滤波电路滤除低频噪声之后的信号在设定的电压范围内进行调节；所述比较电路，用于藉由对所述比较电路中的比较程控电位器按照设定的程序控制，从经由所述二级放大电路调解完毕后的信号中获取与测井数据有关的信号；所述解码电路将所述与测井数据有关的信号进行解码以输出相应的电平信号，并将所述电平信号传输至所述控制电
路；所述深度电路用于通过深度表盘获取井下检测仪器的深度信息，并将所述深度信息传输至所述控制电路；所述控制电路，用于将所述电平信号转换为数字信号后，将所述数字信号以及所述深度信息传输至外部上位机。
7.第二方面，本实用新型实施例提供了一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节系统，所述系统包括第一方面所述的单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置；所述系统还包括：井下检测仪器、单芯电缆、usb传输线和上位机；其中，
8.所述井下检测仪器，用于检测获得原始信号；
9.所述单芯电缆，用于将所述原始信号传输至所述单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置；
10.所述usb传输线，用于将所述单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置获得的与测井数据有关的数字信号以及深度信息传输至所述上位机；
11.所述上位机，用于针对由usb传输线接收到的所述与测井数据有关的数字信号以及深度信息进行处理。
12.本实用新型实施例提供了一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置及系统；通过对二级放大电路与比较电路中的电位器按照设定的程序控制，而并非手动控制，能够快速、准确、实时地匹配系统信号调节，节省套损检测的时间，提高油气井的套损修复的效率，降低更多的风险和经济损失。
附图说明
13.图1为本实用新型实施例提供的一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置的组成示意图；
14.图2为本实用新型实施例提供的另一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置的组成示意图；
15.图3为本实用新型实施例提供的一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节系统的组成示意图；
16.图4为本实用新型实施例提供的一种具体应用场景示意图；
17.图5为本实用新型实施例提供的利用单芯电缆传输数据的原理示意图。
具体实施方式
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
19.参见图1，其示出了本实用新型实施例提供的一种单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1的组成，该装置可以包括：钳位电路11，一级放大电路12、滤波电路13、二级放大电路14、比较电路15、解码电路16、深度电路17以及控制电路18；其中，
20.所述钳位电路11，用于对井下检测仪器所检测到的原始信号固定在设定的量程范围内；所述一级放大电路12，用于按照设定的放大倍数将钳位电路11的输出信号进行放大；
所述滤波电路13用于滤除经由所述一级放大电路12放大后的信号中的低频噪声；所述二级放大电路14用于藉由对所述二级放大电路14中的增益程控电位器141按照设定的程序控制，将经由所述滤波电路13滤除低频噪声之后的信号在设定的电压范围内进行调节；所述比较电路15，用于藉由对所述比较电路15中的比较程控电位器151按照设定的程序控制，从经由所述二级放大电路14调解完毕后的信号中获取与测井数据有关的信号；所述解码电路16将所述与测井数据有关的信号进行解码以输出相应的电平信号，并将所述电平信号传输至所述控制电路18；所述深度电路17用于通过深度表盘获取井下检测仪器的深度信息，并将所述深度信息传输至所述控制电路18；所述控制电路18，用于将所述电平信号转换为数字信号后，将所述数字信号以及所述深度信息传输至外部上位机。
21.通过图1所示的技术方案，可以看出，通过对二级放大电路14与比较电路15中的电位器按照设定的程序控制，而并非手动控制，能够快速、准确、实时地匹配系统信号调节，节省套损检测的时间，提高油气井的套损修复的效率，降低更多的风险和经济损失。
22.对于图1所示的技术方案，需要说明的是，由于不同规格的电缆和复杂的井下环境对信号的衰减作用不一，井下检测过程中使用的耦合变压器的放大和缩小倍数均是固定的，那么就会出现井下检测到的信号通过耦合变压器传输至图1所示的装置1时，会超过装置1所能承受的最高电负载。有鉴于此，在一些示例中，通过钳位电路11将原始信号电压固定在装置1的量程内，以防信号过大将装置1内的后续部分的电路烧坏从而导致装置1的工作异常，也就是说，钳位电路11可以作为装置1的保护电路。
23.对于图1所示的技术方案，需要说明的是，相应于原始信号的能量过小，如果直接利用滤波电路13对过小的原始信号进行滤波处理，容易导致装置1中解码电路16所解码获得的数字信号中丢失有效数据，造成误码率高的现象，因此，在一些示例中，经由所述一级放大电路12对信号进行一级放大操作，并且一级放大操作的放大倍数是固定的，这样可以防止将噪声信号过于放大以避免引进大噪声。此外，在一些示例中，滤波电路13优选为高通滤波，从而能够将经由所述一级放大电路12进行放大后的信号中的低频噪声剔除。
24.对于图1所示的技术方案，在一些示例中，参见图2所示，所述二级放大电路14可以包括增益程控电位器141和放大器142组成；具体在本示例中，增益程控电位器141的芯片优选为ad5291，放大器142为ada4077；由于需要实现信号的大范围可调且精度要求高，因此，增益程控电位器141的芯片ad5291的量程为20k，最小分辨率为78.125ω。增益程控电位器141可以由控制电路18按照设定的程序进行控制，并通过spi通信方式向增益程控电位器141写入电阻值，从而实现对放大器142的放大倍数进行自动调节。
25.对于图1所示的技术方案，在一些示例中，参见图2所示，所述比较电路15可以包括比较程控电位器151和比较器152；具体在本示例中，比较程控电位器151的芯片优选为ad5291，比较器152为双电压比较器lm393；与二级放大电路14相类似的，比较程控电位器151也可以由控制电路18按照设定的程序进行控制，并通过spi通信方式向比较程控电位器151写入电阻值，从而通过改变比较程控电位器151的阻值实现串联电阻分压的功能，并且还能够实现改变比较器152的输入电压，实现自动截取有用信号以便解码电路16能够更准确的进行解码。
26.对于图1所示的技术方案，在一些示例中，解码电路16通过对比较电路15输出的信号进行硬件解码，以输出高低电平信号，然后将高低电平信号输出至主控电路，利用主控电
路内部的ad转换器采集解码电路16输出的高低电平信号，将模拟信号转化成数字信号，并将获得数字信号通过串口上传至装置1外部的上位机，同时也将可以将数字信号存储至sd卡进行备份，以防止上位机工作不正常，遗漏重要的数据信息时进行备份功能。
27.对于图1所示的技术方案，在一些示例中，控制电路18包括第一主控芯片181和第二主控芯片182；其中，第一主控芯片181优选为stm32f407，能够按照设定的程序控制增益程控电位器141以及比较程控电位器151的阻值，并且还能够利用自身内部的ad转换器将所述解码电路16输出的高低电平信号转换为数字信号；所述第二主控芯片182优选为stm32f103，藉由光耦解码器接收深度电路17传输的深度信息，并通过i/o通信接口将所述深度信息传输至所述第一主控芯片stm32f407；所述第一主控芯片stm32f407，还能够将所述数字信号以及所述深度信息通过usb串口传输至装置1外部的上位机。
28.而对于深度电路17来说，其可以通过深度接口连接测井车上的设置于装置1外部的深度表盘获取深度信息，并以光耦编码器将所述深度信息发送给第二主控芯片stm32f103，随后，第二主控芯片stm32f103就能够通过i/o通信接口将深度信息发送给第一主控芯片stm32f407。
29.对于上述示例来说，增益程控电位器141和比较程控电位器151分别可以作为增益电阻和比较电阻。增益和比较是对信号同步的工作，两者在第一主控芯片stm32f407所设定的程序控制算法(下称程控算法)下协调工作。基于程控算法，第一主控芯片stm32f407能够依据解码数据通过判断信号的标志，实时调节增益程控电位器141和比较程控电位器151的阻值，寻找一组最优的阻值匹配。一旦解码信号出现高误码率，就能够执行程控算法对增益程控电位器141和比较程控电位器151的阻值进行微调，从而降低误码率，提高信号质量，完成高效率的管套检测。
30.具体来说，增益程控电位器141和比较程控电位器151在装置1中实现的功能不同，因此，关于第一主控芯片stm32f407针对增益程控电位器141和比较程控电位器151的阻值执行程序控制算法进行控制的实现，在一些示例中，可以通过自动搜索算法进行实现，从而能够准确快速的进行阻值匹配，比如可以通过第一主控芯片stm32407的两路spi分别控制增益程控电位器141和比较程控电位器151，具体来说，由定时器中断分别扫描增益程控电位器141和比较程控电位器151中由1到1024位的阻值，把匹配的值存入flash中。增益程控电位器141和比较程控电位器151使用的是w、b通道输出电阻r
wb
，其值如下式所示：其中，d表示通过串行外设接口(spi，serial peripheral interface)写入ad5291中rdac寄存器的二进制码的十进制等效值，r
ab
是增益程控电位器141和比较程控电位器151满量程值，在本实施例中设定为20kω，由上式中d的最小十进制有效值为1，可获知最小阻值分辨率是78.125ω。
31.具体来说，第一主控芯片stm32f407针对增益程控电位器141和比较程控电位器151的阻值以执行自动搜索算法以实现控制，具体可以包括：
32.第一主控芯片stm32407通过使用两路串行外设接口(spi，serial peripheral interface)同时对增益程控电位器141和比较程控电位器151写入阻值；举例来说，通过spi1向增益程控电位器141和比较程控电位器151写入的阻值范围为1至1024ω，通过spi2对spi1的每个阻值进行1～1024ω的扫描搜索。第一主控芯片stm32407对每一组数据进行
累计判断，判断依据为写入两个电阻值之后，第一主控芯片stm32407对采集信号进行判断数据帧头、帧尾以及数据位数，对每一组的累计数进行对比以判断选出最大两个值所对应的数组，并将其存入10组数组中。可以理解地，10组数组中的数不是一直不变的，可以分轮次进行，如果在第一轮10组数组中自动搜索寻找不到匹配电阻，会在第二轮的数组中自动搜寻中寻找匹配电阻，一旦搜寻到匹配的数，则将该数数组存到10组数组中，相当于更新一组数，相类似的，下次自动搜寻只要有合适的阻值，再次更新10组数组中的数，具体的更新规则为数据左移。
33.对于同一种规格的单芯电缆，通过存储之前自动搜寻保存的历史数值，可以快速地找到匹配的电阻值，开机扫描优先使用10组数组中的历史数值，如果存在直接匹配的电阻值，则可以直接设定电阻值，从而大大地节省调试时间；对于不同的单芯电缆，相应地，优先在10组数组中寻找匹配电阻，如果没有合适的匹配电阻，则按照下述四步自动搜寻算法进行，一旦存在合适的匹配电阻，系统直接设定电阻值并将这组数存入10组数组中。
34.具体来说，四步自动搜寻算法包括：
35.一级搜寻，分别把增益程控电位器141和比较程控电位器151的阻值范围1024ω的阻值以128开始且以256为步进等分为4份，查找rec_good(rec_good是通过识别井下编码设置的帧头帧尾，并累计其个数)最大的两组数及其对应位置；
36.二级搜寻，以一级rec_good最大的两组数以64为步进等分成4份，查找rec_good最大的两组数及其对应位置；
37.三级搜寻，以二级rec_good最大的两组数以16为步进等分成4份，查找rec_good最大的两组数及其对应位置；
38.四级搜寻，以三级rec_good最大的两组数以4为步进等分成4份，查找rec_good最大的两组数及其对应位置；
39.最终将通过调试所获取的rec_good中的最大两个数，存到flash中的数组中。
40.需要说明的是，在执行四步搜寻算法期间出现匹配的电阻值，就可以直接存入10组数组中并设定；如果在四步搜寻完成之后没有搜寻到合适的电阻值，则将第四级搜寻过程中所获得的最好的两个数返回第三级搜寻，按照第三级规则搜寻，相类似地，如果没有，则继续返回上级。若直到搜寻到第一级仍然没有搜寻到合适的电阻，则提示异常。
41.第一主控芯片识别数据，可以通过对解码信号进行ad采集，转换成数字信号，每采集一次的信号均可以划分为为有用信号和噪声，为了减少扫描的时间，本实施例中，将有用信号区域设为s
a
，噪声区域设为s
b
，一次采集信号长度设为l，增益程控电位器的阻值设为x，比较程控电位器的阻值设为y，则有：l＝1024
×
[1
×
pmatch 1024
×
(1
‑
pmatch)]；其中，pmatch为匹配概率，x∈(0,1024)，y∈(0,1024)。在信号长度为l主控对信号采样，在最优的有限区域分别对有用信号和噪声出现的概率划分区域，具体如下式所示：
[0042][0043][0044]
在有用信号最高的区域寻找最优的区域，噪声最小的区域不一定信号最好，在相对的信噪比高的区域可以更好地寻找pmatch最大值，如下式所示：
[0045]
min(s
a
，sb)≤s
i
≤max(s
a
，s
b
)
[0046]
在上式中，最优区域寻找为s
i
，i∈c，c为统计区域。当最大时，此时的pmatch为最大，可得出当前的(x,y)为最优的匹配值。确定最优区域，在最优区域查找最优的pmatch得出最优的一组(x，y)值。
[0047]
基于上述技术方案所阐述的单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1，本实用新型实施例还提供了应用该装置1的单芯电缆测井数据传输的自动增益调节系统2，如图3所示，该系统2可以包括：前述技术方案中所阐述的自动增益调节装置1；此外，所述系统2还包括：井下检测仪器3、单芯电缆4、usb传输线5和上位机6；其中，
[0048]
所述井下检测仪器3，用于检测获得原始信号；
[0049]
所述单芯电缆4，用于将所述原始信号传输至所述单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1；
[0050]
所述usb传输线5，用于将所述单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置获得的与测井数据有关的数字信号以及深度信息传输至所述上位机；
[0051]
所述上位机6，用于针对由usb传输线5接收到的所述与测井数据有关的数字信号以及深度信息进行处理。
[0052]
对于上述系统2，其具体的应用场景如图4所示，在图4中，井下检测仪器3设置于井下的井套42中，通过单芯电缆4与单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1相连，其中，单芯电缆4由铠皮401以及缆芯402组成，其中，铠皮401为地线，缆芯402为电线。具体来说，利用单芯电缆4传输数据的原理如图5所示，其中，井下检测仪器3所检测到的井下原始信号通过井下耦合变压器耦合至190v直流电上具体可以为地线，直流电通过单芯电缆载波至井上，通过井上耦合变压器将信号传输至位于地面的自动增益调节装置1。
[0053]
对于位于地面的单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1来说，除前述技术方案中所阐述的组成部分以外，其还包括若干以进行实际应用的外围部件，包括以下部件：
[0054]
可以手动调节电压和电流的直流供电电源418；用于启动所述直流供电电源418的启动开关415；用于显示工作电压和电流的显示屏417，一旦电压和电流工作不正常，可以通过电压或者电流简单判断系统工作不正常的原因，便于检查和调试整套系统；为单芯电缆4的铠皮401以及缆芯402提供地线与电线的第一接口411；模拟和缆测切换开关416，在地面使用时可以切换为模拟电缆开关，在实际测井使用切换为缆测档；另外，由于该系统具有手动、半自动、自动功能，则可以用程控和手动切换开关410来对上述三者进行切换；用于启动或关闭单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1的开关413；用于表征单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1处于供电工作状态的指示灯49；指示系统其他状态的系统指示灯412。此外，还可以包括sd卡存储模块414，自动增益调节装置1可以将信息分别上传至上位机以及存储至sd卡，为了防止上位机工作不正常，遗漏重要的数据信息，所以可以将原始数据备份至sd卡；用于连接深度表盘的第二接口48；为外接部件提供电源的电源线47、在具体应用过程中，井下检测仪器3通过单芯电缆4的铠皮401以及缆芯402分别连接到第一接口411的电、地线。实测时，将模拟和缆测切换开关416切换到缆测档，程控和手动切换开关410切换到自动档。深度表盘连接至第二接口48并且连接电源线47；按下启动所述直流供电电源418的启动开关415以点亮显示屏17显示电压和电流，按下启动或关闭单芯电缆测井数据传输的自动增益调节装置1的开关413。从而指示灯49红灯亮。系统指示灯412红灯闪烁则
代表未查找到sd卡，系统指示灯12颜色保持不变表示已插入sd卡。系统开始自动增益搜索，一旦搜索到信号，系统指示灯12以红灯闪烁，系统搜索完成，系统指示灯12以绿色闪烁。
[0055]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。