1、哈尔滨工程大学硕士学位论文利用光纤电缆传输实现多频率阵列声波测井技术研究姓名：杨志斌申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：王科俊；岳步江2012-03-15利川光纤电缆传输实现多频率阵列声波测井技术研究摘 要目前，声波测井已经成为现代测井不可或缺的一种测井方法，具有电法等其它测井方法不可替代的作用。而传统的声波仪器在油井中的径向探测深度小、分辨率差，收集的声波波列信息不全面，很难准确的评价地层信息，本文通过对多频率阵列声波测井技术的探讨和研究，很大程度的提高了声波仪器的径向探测深度及分辨率，从而得到更精确的诸如孔隙度、岩层等地质信息，更好的为油区的勘探和开发提供依据。但是，随着测井技术的发
2、展，新的声法测井仪器陆续产牛，新的仪器朝着信号数字化、发射和接收探头阵列化的方向发展，凶此测井数据量也迅速增加，这就给电缆测井的数据传输速率提出了更高的要求。基于以上技术信息，本文进行利用光纤电缆传输多频率的声波测井技术研究，一方面通过改变传统的电缆测井所使用的传输电缆，利用传输速率更高，传输量更大的光纤电缆作为传输介质，另一方面利用多频率声波的发射与多探头采集组合将井下各频率的声波信号快速传送到地面，经过反演解释获取井下地层信息。经过模拟井对该系统进行了实验和测试，测试表明该系统突破了电缆测井数据高速传输的技术瓶颈，从而解决了多频率阵列声波测井过程巾信息量大、信号欠真等技术问题，同时获取井下
3、地层中丰富的声波测井信息，从而更好地划分地层岩性。为电缆测井行业开辟了数据传输新的发展方向。通过对信号传输方式、传输载体及多种频率阵列声波测井仪的配合应用研究，推动了声波测井技术的发展。关键词：多频率；声波测井；光纤电缆；传输利用光纤电缆传输实现多频率阵列声波测井技术研究AbstractCurrently，the sonic logging has become an indispensable modem 1099ing methods，withelectncal and other logging methods iHeplaceable r01eThe traditional acous
4、tic instrumentsto detect the radial depth of wells is smaU，the res01ution is poorthe sound waVe out theinfomation collected is not comprehensiVe，is dif!Eicult to accurately assess the foHnation ofinfomation，this paper several行equency array acoustic 1099ing techn0109y to explore andstudM a la略e impro
5、Vement in the 1eVel of the sonic depth and res01ution of the radial probe，resulting in more accurate，such as porosity；rock and other geological inf0mation，the betterfor oil exploration and deVelopment area to proVide a basisHowever，with the 1099ingtecllll0109y，new equipment gradually produce sound 1
6、099ing methods， the new digitalequipment toward the signal，transmitting and receiving probe array in the direction ofdeVelopment，and theref-ore the amount of log data has also increased rapidly；which givescable 1099ing a higher data rate requirementsBased on the aboVe technicalinfonllation，this pape
7、r decided to use舶er optic cabletransmission仔equency of the acoustic logging of seVeral technical studies，on the one handby changing the traditional wireline transmission cable used，the use of higher data rates，agreater锄ount of舶er-optic cable transmission As a transmission medium，on the otherhandthe
8、use of seVeral multi一丘equency acoustic emission and probe combination will mine the丘equency of collection of acoustic signals transmitted quickly to the ground，aRer inversionto explain the underground fonIlation to obtain infomationFinallywell aRer the simulation experiments and testing of the syste
9、m，Verify that thesystem reached breaking wireline highspeed data transmission technology bottlenecks tosolVe the multi一仔equency array acoustic 1099ing process large amount of infonllation，technical issues such as signal distortion，while me rich get underground strata sonic 109inf-onnation to better
10、diVision of lith0109y：For the wireline industry has opened up newdirections of data transmissionThrough the signal transmission，the transmission carrier仔equency array and a Variety of acoustic 1099ing t001 with印plied research，promote thedeVelopment of acoustic 1099ing technologyKey words：SeVeral仔equ
11、ency； Acoustic logging； Optical fiber cable； transmission第1章绪论随着石油勘探开采逐步进入后期阶段，这就需要地质学家了解更多、更详细的地层地质参数，以便于合理高效的钻井采油，这就给测井工程提出了大数据量、深径向等要求，本文正是结合该需求，针对测井工程中的现有声波测井技术开展了多频率阵列声波测井结合高速率光纤电缆传输技术的研究与测试，初步试验结果表明该思路可行，并可为其他测井技术的发展提供借鉴。11课题的来源、目的及意义随着光学技术的不断发展，在光学传播领域，光的应用技术发展非常迅速。光纤己从单独作为光物理量的载体，被逐步拓展成为压力、形
12、变、温度、振动、流量等多种物理量的传输的载体。同时光纤本身又成为传输这些物理量的介质。分布式光纤传感器(DTS)技术是国外近几年发展起来的一种用于实施监测温度场变化的高新技术。主要原理依据光纤的光时域反射和光线的背向拉曼散射的温度效应，其在石油工业的应用领域非常广泛。1993年shell公司在Sleen油田安装第一个光纤温度、压力测量系统，到1999年间在世界各地共安装了10套测量系统。2002年初，长城钻探测井公司、物探公司配合美国地球空间公司在辽河油田曙光地潜山构造地区实施井间成像作业项目。在距离1000米以内的两口套管井中，通过两台测井车分别放入发射和接收两串仪器，发射串为一个偏心电动旋
13、转式声源，向地层发射一定能量的声波；接收串由12个声波接收传感器组成接收系统，接收采集通过两井间地层传播过来的声波信息，经电路处理后，由光缆上传到地面系统记录。作业过程中，发射探头多次出现故障，需更换和维修，由此可见，该技术较新，没有达到尽善尽美的程度，当时分析是井中地温梯度较高，发射电机的温度性能不适应本地区要求，据了解该测量方法是先进的，在世界上多个著名油田应用。基于上面技术信息的影响，我们一直寻求发展国内的光缆和声波测井技术的结合，经多次交流酝酿，经航天科工惯性技术有限公司、长城钻探测井公司以及石油界测井专家的论证，决定进行利用光纤电缆传输多频率的声波测井技术研究。利用地球物理测井测量记
14、录的结果进行储集层地质评价的效果，在很大程度上取决于井下仪器所采集到的储集层的地质信息量，多频率阵列声波测井是目前地球物理测井哈尔浜工程人学硕十学位论文方法中能够提供较多地质信息的测井方法之一。由于多频率声波所携带的数据量较大，常规电缆对信号的传输速率有限，对于速率大于1Mbits的多种频率的阵列声波测井信号无法正常传输，为此，我们创造性的应用传输速率可达10Mbits的光纤电缆作为传输系统，以实现该信号的传输。I司时，也为地球物理的其他测井技术的高传输速率提供了技术储备。12声波测井技术的国内外研究现状121声波测并技术简介测井技术起源于法国，1927年9月，法国人斯仑贝谢兄弟(Conrad
15、 Schlumberger和Marcle Schlumberger)发明了电测井，在法国Pechelhronn油田记录了第一条电测井曲线。中国使用电法测井勘探石油与天然气始于1939年12月。开始是简单的电阻率测井，直到1950年才出现侧向测井(聚焦式电阻率测井)，第一代侧向测井是三侧向，随后发展了七侧向、八侧向、微侧向等，侧向测井出现后，普通电阻率测井被淘汰。测井技术主要包含声学测井、电法测井、放射性测井、磁测井等其他测井方法。在声波测井方面，Mobil石油公司和Shell石油公司于50年代早期各自独立地发展了声速测井。1952年，Su姗er和Broding提出了单发双收声波测井仪。1964
16、年，Schlumber公司把它改进为双发双收的井眼补偿声波测井仪【l】。声波测井原理如下：不同的地层中，声波的传播速度是不同的。声波速度测井仪在井下通过探头发射声波，声波由泥浆向地层传播，其记录的是声波通过单位深度地层所需的时间t(取决于岩性和孔隙度)随深度变化的曲线。岩石越致密，时差越小，岩石越疏松，孔隙度越大，时差就越大。由于声波在水中传播的速度大于在石油中传播的速度，而在石油中传播的速度又大于在天然气中传播的速度，故岩石孔隙中含有不同流体时，可以从声波时差曲线卜反映出，尤其在界面上更为明显1】。声波测井是地球物理测井的重要分支，是测量记录井剖面的岩石声学性质，以评价井壁岩层性质的地球物理
17、测井方法。所测量记录的岩石声学性质包括：岩石纵波和横波以及井筒内波导(管波或斯通利波)的声速、幅度，声波在岩石中传播时能量或幅度衰减规律以及声波信号频率变化的特征等【2】。第1章绪论声波测井的物理基础是：不同种类或成因的岩石由于矿物成分、组织结构、弹性力学性质的差异，致使其声波(纵波和横波)传播速度、衰减规律和频率特征不同。岩性不同的岩石，其声速不同，例如致密的碳酸盐岩(石灰岩和白云岩)的声速高于疏松砂岩的声速；岩性相同时(如矿物成分相同的砂岩)，孔隙度高的砂岩的声速比孔隙度低的砂岩的声速低；即使岩性、孔隙度都相同的岩石(如砂岩)也会由于孔隙内所含流体(石油、：天然气或水)的不同而呈现声速差异
18、。岩性、岩层孔隙度及孔隙结构的特点(如是否有裂缝及其发育程度)、孑L隙在各种相态流体的性质及其所占比例的不同都会引起岩层声速、声衰减规律以及频率特征的变化。因此，根据对井壁上岩层声学性质(声速、声波信号幅度、声波信号频率及其变化)的测量记录，可以按一定模型解释评价井壁岩石的岩性、识别储集层、估算储集层的孔隙度；另外还可以判断井壁附近声学性质不同的介质(例如井下套管和水泥环)的界面和分布特征。声波测井包括井下声波信号的采集、通过电缆将井下测量记录的信号传输到地面的记录设备、在地面的信号处理和按预定的物理一地质模型进行解释评价等技术环节。其中关键技术是在井下建立人工的声场并测量记录该人_T声场经过
19、井壁附近岩层传播后的变化。声波测井方法和原理则主要是讨沦井筒附近声场产生和变化的规律，另外也讨论井下自然声场产生和变化的规律。声波测井作为一种勘测井F岩层或储集层性质及井孔技术状况的地球物理测井方法，从20世纪50年代出现，已经有50多年的发展历程：1952年在套管井中用人工声源激发声振动在沿套管传播时，若套管外有水泥环，则套管中的声振动被抑制测量记录到的声波信号减弱，借此可以判断套管外水泥环的胶结状况。这是最早的声幅水泥胶结测井。1956年出现在裸眼井中测量井剖面岩层声速的声波速度测井。同期根据实验室岩石声学的研究，发现储集层岩石纵波速度Vp的倒数(物理声学中称为慢度，测井专业中习惯称为声波
20、时差，纵波时差记为tp)与孔隙度间存在近似线性关系，此后声速测井结果成为估算储集层孔隙度的重要方法之一。1979年出现将声学发射和接收换能器(压电陶瓷或磁致伸缩器件，俗称“声学探头”或“探头”)加长的长源距声波全波列测井，由于源距(发射和接收探头问的距离)加长，因此能在时间轴上区分速度不同的波，使对井下声波信号的测量记录从井壁上的纵波首波扩展到井壁上作为纵波后续波的横波、瑞利波和井内管波的完整波列。1990年出现多种源距、按线阵方式接收声波信号的的阵列声波测井。上述的各种声波测井方法都是测量记录井下声源在井内液体哈尔滨L：程大学硕士学位论文中激发的纵波入射进入井壁岩层后产生的转换波，由于井下声
21、源是圆管状的，因此产生以井轴为对称轴的声场。1993年出现用偶极子或多极子声源在井下激发出非对称声场，这种非对称声场可在井壁上直接激发近似于横波的弯曲波，相应的声波测井方法叫做偶极子横波测井或多极子横波测井吲。1968年前后，还发展了一种用绕井轴旋转的声学探头向井壁发射高频声脉冲、测量记录井壁反射回波，根据反射波到达时间和幅度判断井壁介质的位置和声学性质，并用处理电视信号的方法获得井壁的直观图象(井壁的平面展开图)，这就是井下声波电视测井。19世纪90年代后期，随测量记录和信号处理技术的进步，将这种方法扩展到井壁附近的三维空问，发展为能给出井壁附近各种声学性质不同的介质的界面位置和分布特征的声
22、波体积扫描测井。1986年前后还发展了一种在井下测量记录自然声场的噪声测井，其物理基础是：储集层中的流体(水、石油、天然气)在从井壁流向井内时，会由于流动过程中的摩擦产生噪声，测量记录井下噪声的幅度(或能量)、频率及产生噪声的位置，可以判断井壁附近流体的流动，以及流向井内的流体的相态(气相、液相或气液混相)及流量。噪声测井还可在天然地震预测和震情监控，预测是否有岩体破裂或提供地震的前兆信息。声波测井的信号处理是将从井下经过电缆传输到地面的信号，用各种信号处理方法分辨纵波、横波、瑞利波和井筒内的管波，并提取各种波的到时间和速度，幅度或能量、频率特征等。根据这些信息，可以在裸眼井中识别井剖面的岩性
23、，估算储集层的孔隙度，估算岩层的弹性力学参数，再根据储集层弹性力学性质上的差异或声衰减的差异识别储集层的含油、气、水性质，评价岩层的各向异性。在套管井中声波测井提供的信息可以评价套管与固井水泥的胶结状况以及水泥环的分布3。声波测井经过近半个世纪的发展，已经形成在理论体系、野外观测系统、信号处理和解释评价方法上日趋完善的技术学科。122几种声波仪器简介1221旋转声波扫描测井仪4第1章绪论图11旋转声波扫描测井仪示意图1、遥测伽马D4TG：(中922mm205m)2、方位仪SDDT： (中922lrrI381m)3、井周声波扫描成像仪(Castv)电路：(中922mm31m)4、方位短节：(中9
24、22rflfn0927m)5、扫描头短节：(中922mm1425m)最大漏测：11m仪器总长：1132m旋转声波扫描仪(CAST)的旋转探头发射高频声波脉冲，声波脉冲发射到井壁并反射，反射脉冲由探头接收，同时测井系统记录反射脉冲幅度和往返时间。通过数据处理就产生了详细的井壁图像。井壁上的裂缝、层面、垮塌和构造特征都清晰可见。许多CAST成像可用打印出来或数据带保存。可以生成二维和三维图象。三维图象就像井眼的表情或要点。图象可以旋转可以为透明的，这样就可看到地层的特征。也可倾斜更现实的显示井的倾斜。同时还可使用特殊加亮技术，更清晰的显示井眼结构特征。CAST与电成像相比有以下几点优点。CAST全
25、圆周覆盖井眼而不是部分覆盖，实时成像可以随时检查并做下一步决定。CAST高分辨率声波井径可以用于显示井眼垮塌和椭圆井眼。由于声波测量不依赖于井眼流体的电阻率，CAST可以在油基泥浆精确测量。在水平井中也更有效，因为CAST不需要贴靠井壁。CAST测量必须在有流体的井眼中，与伽玛测井仪组合。CAST可以在套管井中PET模式测量。哈尔滨工程大学硕士学位论文Sp卸ing-aIong edge0f fractUreN E S W NCASTAMPLlTUD图12 CAST声幅示意图应用 裸眼井 定位裂缝 划分层面 井眼几何图 确定垮塌 研究井壁结构特征套管井 水泥胶结评价 定位通道 确定套管厚度(内径
26、和外径) 定位套管接箍 套管直径和椭圆 测量井眼流体仪器特征 外径：3375英寸 耐压：20，000psi 耐温：350下1222正交偶极子声波成像测井仪该仪器有两个XY偶极子发射器和一个单极发射器401。共有八组接收器，每组有4个接收器，每组相距6”，可以接收到由单极和偶极发出的声波产生的纵波和横波、斯通利波等波。图13正交偶极子声波仪示意图l、遥测伽马D4TG： (由922砌205m)2、方位仪SDDT：(由922mm381m)3、WAVESONIC上部电路：(由922mm248m)4、wAVESON工C发射探头和隔声体：(由922姗325m)6第l章绪论5、wAVFSONIC接收探头：(
27、巾922 r11l199m)6、WAVESONIC下部电路：(中922mm248m)最大漏测：1576m仪器总长：1606 m1223正交偶极阵列声波测井仪1、测量原理正交偶极阵列声波测井仪将一个单极阵列和一个偶极阵列组合在一起，在测量中，每个阵列是独立工作的。MAC单极接收阵列由8个圆环柱状压电陶瓷器件组成，它们按顺序排列为单轴直线式结构。单极发射器发射的声波能量是全方位的，中心频率为8kHz，均匀分布在仪器周围。偶极接收阵列也由8个传感器组成，传感器由压电材料做成双压电晶片，可以顺序排列或交叉排列，既可排列成单轴直线式结构，也可排列成二轴正交结构。偶极发射器在地层中产生挠曲波，具有1 kH
28、z一3kHz低中心频率。2、仪器组成：下井仪由1667EA声波公用电子线路、1668MA接收声系、1668PA隔声体、1668BA发射声系和1668FA发射电子线路五部分组成。3、MAC(XMAC)应用MAC仪器采集的声波非常适合于各种裸眼井与套管井的应用：地震 绘制合成地震图，并与地面地震和井中地震数据结合。岩石机械特性一预测岩石强度，以便设计压裂增产措施或地层防砂方案。渗透率一从斯通利波幅度衰减导出渗透率。岩性一改善慢速地层中的孔隙度与岩性的测定。地层流体特性一给出声波油气指示参数。各向异性一采集交叉偶极测量值，并评价垂直微裂缝和应力状态。套管井一过套管采集横波和纵波数据。4、测量主要曲线
29、dt24(t)(时差)、MONOPOLE(单极全波列)、DIPOLE(偶极全波列)13传统声波测井技术存在的问题1、使用多个频率的探头，实现对井壁径向深度不同的地层的探测。从而减小实际测井解释中因通常不考虑裸眼井声波测井探测深度的变化而引起的误差。哈尔滨工程人学硕士学位论文2、多频率阵列声波测井将对声波测井分析和记录的重点从时域转移到频域，以声源频率的改变为重点，考察在变频率时反映地层信息的声信号的频谱变化，并据此分析井眼周围岩石参数(如孔隙度)径向上的变化，同时阵列声波测井方法还有可能据此对岩层中的裂缝、渗透率做出判断。3、采用光缆传输信号，使测井仪器的传输速率增加了两个数量级，按光缆的数据
30、传输速率为125Mbits，测井速度至少可达2000mh以上。14论文的主要研究内容本文主要针对传统声波测井仪器在油井中的径向探测深度小、分辨率差，收集的声波波列信息不全面，很难准确的评价地层信息等方面开始了多频率的阵列声波测井技术的研究，同时针对多频率的阵列声波测井井下传输数据量大等特点开展了光纤电缆传输的研究与实验。论文内容安排如下：第1章：绪论，介绍了本研究的背景、现状及研究的主要内容。第2章：测井所用光纤电缆传输系统的设计。主要包括在传统的光纤电缆基础上根据光学损耗等参数经过计算、改进成由光信号的调制和发送部分、井下电一光转换系统、地面光一电转换系统等光纤电缆传输系统，并通过实验调试理
31、论上证明该系统的可行性。第3章：多频率阵列声波测井仪的设计。主要描述了阵列声波测井系统的地面控制系统、信号传输和收发系统、数据采集系统三部分的硬件选型及设计，通过调试使得该系统的声系在井下由两组频率及带宽不同的接收阵列接收声波信号，即实现按一定深度间隔测量记录三种频率的声波波列。第4章：光纤传输频率阵列声波测井仪的试验检验。主要介绍了模拟井的用途及建造，并通过该模拟井完成对利用光纤电缆传输实现多频率阵列声波测井技术的初步验证，并为后续测井技术的高数据量的传输提供借鉴思路。第2章测井所用的光缆传输系统的设计第2章测井所用的光缆传输系统的设计本章通过对现有的光纤传输技术的进行吸收借鉴，在传统的光纤
32、电缆基础上根据光学损耗等参数经过计算、改进制成由光信号的调制和发送部分、井下电一光转换系统、地面光一电转换系统等构成可为井下测井仪器提供信号稳定、大数据量的传输的光纤传输系统，并完成了实验室的联调测试。21光纤传输技术简介光纤传输技术主要是指光信号通信，下面我们主要简单介绍一下光纤传输技术。211光纤传输系统概述光纤作为现代通信主要传输通道之一【14，起着重要的作用。光导纤维简称光纤。基于光载波频率，以光纤作为通信传输介质的光纤通信。光纤与以前的铜线相比，具有低损耗，宽频带，无电磁感应等传输特性。因此，光纤作为灵活性强和经济性高的传输介质，广泛应用于数字图像传输和通信，未来光纤将被作为最主要的
33、传输介质之一来使用。以往的铜线和光纤相比，有本质的区别，因此，在传输理论，制造技术，连接方法，测试方法等方面，基本上是不能使用的铜电缆的理论和方法。212光纤传输的特点光纤传输和传统传输手段有两个主要区别】：一是利用光波作为载波传输信号，第二种方法是使用光纤作为传输线路，。因此，在光纤传输系统中其主要作用的是发出光波的激光器和传输的光波的光纤。半导体激光器发光面积小，输出稳定，产生的激光具有极强的稳定性，可以运载大量的信息。光纤是一种介质光波导，具有把光封闭在其中并且沿轴向进行传播的导波结构。它是直径只有O1咖左右。光纤传输的优点：频带宽，通信容量大，损耗低，不受电磁干扰，直径小，重量轻，拥有
34、丰富的自然资源，良好的柔韧性，不怕湿度，耐高压，耐腐蚀，安全，可靠等。哈尔滨工利大学硕士学位论文213光纤传输系统的基本组成光纤传输以光波作为载波，光缆作为传输线路的通信系统。目前实用光纤传输系统中，常用数字编码，强度调制，直接检测光波。它由常规电端机，光端机，光中继器和光缆线路组成。该系统可分为二个部分：光发射，光传输和光接收。光发送负责电光转换，光传输负责把光信号从发射器传送到接收器，光接收负责电光转换。强度(光的强度，即单位面积的光功率)调制信号是用来直接调制光的强度，使信号电流与其成线性变化，在接收器的光频率直接电信号的检测。光发射是将电信号转换成光信号的光发射机，使用的光源是一种半导
35、体激光器(LD)或发光二极管(LED)。光发射机单元将调制光波送入光纤，经光纤传输到光接收单元。光接收单元是将光信号转换成电信号的光接收器。光信号通过光纤到达后的第一个光电二极管(PIN)或成电脉冲雪崩光电二极管(APD)的探测器，在接收端，然后放大、均衡、判断和其他适当的处理，恢复为电信号送给接收电端机。以上是光纤传输的全过程。22频率阵列声波测井仪的光纤传输系统的总体设计221频率阵列声波测井仪的光纤电缆传输系统的基本组成2211光纤电缆铠装光缆安装在测井绞车上，电缆外径113毫米、长约为4250米，双层钢丝铠装，有四个安装在直径为11毫米不锈钢管内的石英单一模纤维(直径约为01mm)；另
36、有6根通常用来传输电能或电信号的铜线一钢丝芯，可在150，80Mpa条件下工作，能承受80KN的拉力。光纤电缆指标如下：上传的模拟信号带宽：10MHz；上传数字信号速率：5Mbits； 下送数字信号速率：1Mbits；传输损耗：03dBkm或更少； 电缆芯电阻：15 Qkm或30 Qkm。第2章测井所，L日的光缆传输系统的设计光纤电缆横截面示意图如下：2212井下电一光转换系统图21光纤电缆横截面示意图井下电光转换系统由光端和光电的马笼头组成，马笼头用于光缆与井下仪器连接。光端机直径16咖(不含保温瓶)，长度700mm，有保温瓶时，外径32mm，长度1000姗，耐温度200，4小时；可将几十m
37、V至1V的电信号转换为光信号(动态范围30dB)，波长为1550 nm，1310舢的光波。2213地面绞车的光电滑环光学滑环组件是外径为50mm，长150m的圆柱体，包含光学透镜系统，它可以同时传输4根光纤的信号，首先检测出光纤电缆中的光信号，再传送给地面的光电转换系统转换成电信号。2214地面光一电转换设备地面光电转换装置将地下传输的光信号还原成电信号后上传给计算机，已进行相应的处理，同时还可以将电信号转变为光信号发送到地下。222光信号发射和接收模块设计光信号发射及接收模块原理框图如图22所示，由传感器模拟信号经过AD模块处理后进入光发射模块将数字电信号转化为光信号，经过长距离光纤后，由光
38、接收模块将光信号转化为电信号，最后进入地而计算机进行数据显示、存储等。哈尔滨：程人学硕士!学位论文H A。模块 卜模拟信号 叫竺竺竺卜 信号发送光发 光纤 光接 信号接收计算机(传感器) 处理单元 卜射模 弋弋 收模叫D模块卜 块 块 处理单元 (数据显示)叫AD模块 卜图22光信号发射及接收模块原理框图2221发送和接收信号处理对于每一路模拟信号数据，经AD模块处理后，变成数字信号，经过信号发送处理单元的DSP处理器，将其按照规定编码方式，编制12位数据连同桢l司步码和CRC校验码，组成桢序列数据，通过FPGA进行脉冲发送，进入光发射模块。光发射模块和数字光接收放大器模块的功能分别是将电脉冲
39、信号变换成光脉冲信号和将接收到的衰减变形的微弱光脉冲信号通过光一电转换成电脉冲信号。光发射模块把符合数字光纤通信系统传输性能要求的光脉冲信号从光源组件的尾纤发射出去。光接收放大器模块由PIN十FET和放大电路组成，它将微弱光脉冲信号经0E转换，并给予足够的放大，还原成原来的数字脉冲信号后，即可经过与发送相反的过程解出各支路信号。信号发送和接收流程分别如图23和图24所示。图23信号发送流程图宝毫 游路 笈螽暑码 阁皇乏 蜓强理LJ图24信号接收流程图2222信号传输质量检测为了了解光线路工作状况， 本设计在信号帧结构中加入了CRC校验码。CRC校验检错方法的工作原理是将要发送的数据比特序列当做
40、一个多项式的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后(称为)发送到接收端。在接收端用同样的生成多项式去除接收到的数据多项式如果除得尽表明无差错，如果除不尽表明有差错。余数将指明出错位所在位置，CRC是一种线性分组码，具有较强的纠错能力并有许多特殊的代数性质。前k位为信息码元，后r位为校验码元。CRC除了具有线性分组码的封闭性之外，还具有循环性，其编码和译码电路在本设计中是通过FPGA用移位寄存器来实现的。本设计中用的是r=16位的cRC一16校验码，其生成多项式为，在发送端，正文的二进制码序列左移16位，再除以，得到的余数即为cRc1
41、6校验码，将校验码放于帧尾，同正文一起发送到对端，如图25所示。在接收端，将接收到的正文和CRC校验码除以，如果余数为0，则传输正常无误码，否则为传输中出现了误码，通过统计CRC校验的错误情况，便可知道光纤线路的工作情况，通过试验检测，该系统传输误码率小于lO巧。图25数据桢格式信号检测另一种方法也可以使用数字示波器观察光发射模块的发送端和光接收模块的输出端的波形，如在图26、图27所示。 经波型对比后波型整齐一致，从而表明，光纤传输系统的是可靠的，可用于频率阵列声波测井仪的井下信息传输。图26发送信号波形哈尔滨工程大学硕士学位论文图27接收信号波形2223系统的程序设计本传输系统采用vHDL
42、语言进行程序设计；适合该系统的线路码有CMI码、HDB3码、曼彻斯特码等，以CMI编解码为例说明操作过程，CMI码是将输入的二进制符号0编码为线路码的一对比特0l，将二进制信号1编码为交替地用11或00表示的线路码。它是CCITT建议PCM时分多路4次群139264Mbits数字复接设备的接口线路码型，在光纤通信系统中有着广泛的应用。2224编程用VHDL语言编写程序。可用CMI码、HDB3码作为光纤传输系统的线路码，以CMI为编解码为例，CMI码是输入二进制符号0编码为线路码的一对比特01，将二进制编码1轮流使用11或00表示。它是在ccITT推荐的PCM时分次用四次139Mbits的数字复
43、接设备接口线路码，在光纤通信系统中应用范围很广，CMI编码和解码过程如图28所示。图28 CMI编码流程图14第2章测井所用的光缆传输系统的设计首先，CMI编码使用状态机方式，设置三个标志位00，11，01和标志F1ag，当接收到的数据是l，以确定Flag是否为1，如果为l，读取状态00，并设置Flag为0；如果为0，那么读状态ll，并设置F1ag为1，当接收数据为0时，则读取读状态01，F1ag不变。 CMI编码从而完成，而第二，设置16位计数器，完成16位cMI代码的并窜转换和串并转换，在接收端，时钟提取，以I司样的方式来完成CMI解码。23本章小结本章研究的多频率阵列声波测井仪器的井下信
44、号传输的光纤传输系统，通过光纤选型和系统部组件选型对光纤传输系统进行了简易设计，并对光信号发射和接收模块设计进行了详细描述，给出了信号质量检测方法，实验表明使用光纤传输的数字电信号无论在距离还是在抗电磁干扰性上都具有电缆传输不可比拟的优势。通过实验调试理论上证明该光纤传输系统可为井下测井仪器提供信号稳定、大数据量的传输。哈尔滨工程大学硕士!学位论文第3章多频率阵列声波测井系统的设计针对前面的论述，本章就本次研究的核心多频率阵列声波测井系统的设计进行了详细的描述，主要描包括地面控制系统、信号传输和收发系统、数据采集系统三部分的硬件选型及设计，通过调试使得该系统的声系在井下由两组频率及带宽不同的接
45、收阵列接收声波信号，即实现按一定深度间隔测量记录三种频率的声波波列。31阵列声波测井技术简介声波测井是近些年以来得到较快发展的一种测井方法。它已经由最早的声波时差测井、声幅测井发展到目前的声波全波列测井、偶极声波洲井、声波成像测井、井问声波测井及随钻声波测井等。早期的声波测井仪器通常使用两个接收换能器，其间的距离已知。因此，通过测量两个换能器接收到的信号之间的到时差可以计算介质中P波(又称压缩波或纵波)的慢度(即波速的倒数)。后来人们发现井径的变化会影响声波的到时的测量，从而发明的一种井径补偿声波测井仪。这种仪器从原来的单发双收改进成双发双收型，将组发射一接收装置记录到时间差求和再平均，那么由
46、于井壁直径变化造的测量误差就会得到一定程度的补偿。然而这种井径补偿测井仪有一些。很严重的缺陷。例如，当井壁表面很粗糙或存在裂隙带时，声波信号将衰减严重，初动很难识别，结果使得很多早期声波测井资料存在所谓的“周期跳跃”现象。这种现象便是由于初动标识不准造成的。为了克服这种双发双收型仪器的弱点，人们发明了阵列声波测井仪。阵列声波测井的基本原理是利用阵列的大量重复的信息来弥补由于各种可能的测量误差造成的信息损失。由于要从有大量重复信息的阵列数据中提取有用的信息，阵列声波必须经过数字化处理，从而要求声波波形资料必须数字化地记录下来。将记录到的波形模拟数据进行数字化转换以后，声波信号的复杂性逐渐显露出来
47、。阵列声波测井仪有一很大的优势，那就是不同的振型到达接收换能器的时间不同，如图所示，各种振型到时偏振也不同。声波测井数据处理时，这些不同的到时偏移可用来分析各种的传播特性，从而进一步得到井壁周围的介质特性。阵列声波测井的另一个优势体现在井径补偿可由阵列数据的不同组合及处理而实现。采集数据时，可以将声波16数据分为声源阵列和接收器阵列，再将二阵列的结果求平均，这样就可以有效的补偿由井径变化带来的误差。撞譬瓣藩叫图31 阵列声波到时偏移此外，传统的声波测井仪器使用的声源通常是一个井中的压力脉冲源。声源的辐射一般足各向同性的，至少在井的横截面内时如此。这种声波源称为单极子源。当单极声源向井眼四周发射
48、的声脉冲由井内流体折射进入地层时，一部分能量以滑行纵波模式传播，一部分能量转换为滑行横波模式传播，因此在硬地层条件下可以得到纵波和横波，并计算出纵波和横波时差。但是在疏软地层中，横波速度小于井内流体声速，不能产生临界折射的滑行横波，井内接收器无法探测。为了确定慢速地层中的横波速度，人们发明了偶极了声波声波测井仪。它采用的偶极声波源，可看作是两个距离很近、强度相同、相位相反的点声源的组合。把偶极子声源置于井眼中央并让偶极子轴和井壁垂直时，不论在硬地层或软地层井孔中，如果偶极声源振动，那么井壁的一侧压力增大而另一侧压力减小，形成轻微的弯曲，于是在井壁附近产生弯曲振型波(挠曲波)并传播，如图所示。散
49、面波，具有频散特性，所谓频散特性即波的传播速度随频率的变化而变化。这种挠曲波的振动方向与井轴垂直，但传播方向与井轴平行，频率越低速度越快，在低频段(频率趋于截止频率)，挠曲波速度等于地层横波速度，这是挠曲波速度的上限；在高频时，挠曲波以低于横波的速度传播。因此，在低频时，以横波速度传播的挠曲波，将以首波被接收。哈尔滨工程大学硕士学位论文是阿姨燕射器 挠臼窍_q；!#倥毒y图32弯曲振型波示意图为了有效的进行声波测量，人们通常把偶极子换能器与单极子声波结合起来形成多极子阵列声波测井仪，仪器利用具有不同频谱的声波发射(接收)探头，在地层中有目的地激发和接收纵波、横波和斯通利波，而这几种波分在不同地层中具有不同的传播特性，分别与地层的孔隙、渗透和应力特征有关。除了可以检测声波的初至波，还可以测量和记录全波列
