一種應(yīng)用于核磁共振測(cè)井儀中的發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

張嘉偉 宋公仆 王光偉 薛志波

（中海油田服務(wù)股份有限公司，中國 北京 101149）

0 引言

核磁共振測(cè)井可直接測(cè)量地層孔隙中可動(dòng)流體的信息，可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布，其孔隙測(cè)量不受巖石骨架礦物成分的影響。在過去的近20年里，核磁共振測(cè)井儀器研制和資料應(yīng)用一直是石油測(cè)井領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，受到廣泛關(guān)注[1]。本文針對(duì)核磁共振測(cè)井地層流體的特點(diǎn)，提出了一種可適用于井下核磁共振測(cè)井儀的發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)[2]。首先對(duì)核磁共振發(fā)射序列進(jìn)行簡要的介紹，然后針對(duì)核磁共振測(cè)井儀的特點(diǎn)提出一種發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)，該發(fā)射鏈路包括功率放大板、天線驅(qū)動(dòng)板、高能量泄放板三個(gè)部分。分別對(duì)三個(gè)電路部分進(jìn)行簡要分析說明，最后給出該發(fā)射鏈路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。目前該發(fā)射鏈路已經(jīng)成功應(yīng)用于核磁共振測(cè)井儀器中，取得了很好的應(yīng)用效果。

1 核磁共振發(fā)射序列介紹

核磁共振測(cè)井主要采用圖1方式發(fā)射激勵(lì)信號(hào)并產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號(hào)。如圖1所示的這種典型的核磁共振工作方式稱為CPMG序列。首先需要D0的激化時(shí)間來完成地層的磁激化，使其探測(cè)深度范圍內(nèi)的地層中氫原子的核磁矩能夠朝著靜磁場(chǎng)方向激化，然后發(fā)射90度脈沖信號(hào)使其核磁矩扳倒90度，其后每隔D2時(shí)間發(fā)射180度脈沖使其在同一平面的兩個(gè)速度不同的矢量重合產(chǎn)成回波信號(hào)，這種激勵(lì)接受方式稱為CPMG序列[3]。

圖1 核磁共振CPMG發(fā)射序列

核磁共振測(cè)井主要采用CPMG序列來進(jìn)行工作，采集一系列回波信號(hào)，并計(jì)算回波的幅值與相位，以此來制作相應(yīng)的指數(shù)衰減曲線從而進(jìn)行T2譜反演標(biāo)定底層的孔隙度、滲透率、束縛水等信息。相關(guān)發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)對(duì)地層回波信號(hào)的起振顯得尤為重要[4]。

圖2 核磁共振發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

2.1 核磁共振測(cè)井儀發(fā)射鏈路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核磁共振發(fā)射鏈路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖2所示。將實(shí)驗(yàn)采集板輸出的控制信號(hào)按照?qǐng)D2所示分別與泄放、內(nèi)橋和外橋功率放大板進(jìn)行連接，內(nèi)橋與外橋功放板的輸出信號(hào)連接至天線驅(qū)動(dòng)板，兩個(gè)10歐姆45W的大功率電阻串入TK+/-天線回路中，泄放功放板輸出連接高能量泄放電路，并將高能量泄放板輸出端通過兩個(gè)40歐姆45W的大功率電阻連接至天線回路中以作為發(fā)射信號(hào)殘余能量泄放。通過此發(fā)射鏈路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到以弱信號(hào)控制高壓發(fā)射脈沖，同時(shí)在發(fā)射完高壓激勵(lì)脈沖時(shí)對(duì)天線回路中的殘余能量進(jìn)行有效泄放[5]。

2.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路的設(shè)計(jì)主要由兩部分組成:死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)電路與功率驅(qū)動(dòng)電路兩部分。其中死區(qū)調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3所示。死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)電路主要是為了產(chǎn)生一寬一窄兩路脈沖，確保功率放大電路上下橋臂的兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管不能同時(shí)導(dǎo)通，從而產(chǎn)生一個(gè)高壓控制信號(hào)來控制天線驅(qū)動(dòng)板上的MOSFET管通斷。

圖3 死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)電路的邏輯關(guān)系框圖

功率放大電路的后半部分功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖如下圖4所示，主要完成將上述死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)電路輸出的兩路一寬一窄控制脈沖進(jìn)行升壓驅(qū)動(dòng)，其中窄脈沖經(jīng)過升壓驅(qū)動(dòng)后通過變壓器T1耦合到上部MOSFET管Q3的G、S極兩端控制Q3的D、S極導(dǎo)通，而另外一個(gè)寬脈沖信號(hào)被升壓驅(qū)動(dòng)輸入到下部MOSFET管Q9的G、S極兩端控制Q9的D、S極導(dǎo)通。通過上述兩路脈沖的變換，從而成功將由采集實(shí)驗(yàn)板發(fā)出的弱控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成175V的高壓脈沖控制信號(hào)有效驅(qū)動(dòng)天線驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行發(fā)射脈沖的控制。

圖4 功率驅(qū)動(dòng)電路部分設(shè)計(jì)圖

2.3 高能量泄放電路設(shè)計(jì)

核磁共振測(cè)井中能量泄放電路是保證核磁共振儀器能夠有效進(jìn)行信號(hào)放大濾波預(yù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)好壞直接影響到后面對(duì)回波信號(hào)的接收信噪比[6]。它主要作用是在儀器進(jìn)行高壓激勵(lì)脈沖發(fā)射完成后能夠快速有效的泄放掉天線探頭上多余的殘留能量，以保證地層回波信號(hào)到來時(shí)候天線探頭上保持一個(gè)低噪聲的狀態(tài)，從而在接收回波信號(hào)時(shí)保證其輸入信噪比[7]。其原理圖見圖5所示。

圖5由兩個(gè)相同的電路組成，它們相應(yīng)地接到天線探頭與前放輸入并聯(lián)的兩端。背靠背的場(chǎng)效應(yīng)管Q9/Q10和Q11/Q12通過RES3、RES4端連接R3和R4兩個(gè)10歐姆功率電阻后與天線探頭與前放輸入的并聯(lián)端相連。這兩個(gè)電阻體積很大，功率在45w，需要安裝在儀器骨架上以盡快散熱。從功率放大(主泄放)電路出來的幅值為175V的脈沖經(jīng)過變壓器T1～T4轉(zhuǎn)變成17.5V，這樣電流增加了10倍提高了電流驅(qū)動(dòng)能力，可以很快使功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。由于這四路并聯(lián)電路原理一樣，因而以其中一路來分析加以說明。當(dāng)DumpOn信號(hào)有效進(jìn)入HI1、LO1與HI2、LO2時(shí)，一路信號(hào)經(jīng)過二極管D1，使場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，給功率場(chǎng)效應(yīng)管Q9的柵極充電并使之導(dǎo)通。當(dāng)DumpOn信號(hào)無效時(shí)，由于二極管D1的存在，Q9將繼續(xù)保持導(dǎo)通。當(dāng)DumpOff信號(hào)有效加載到輸入端時(shí)，晶體管Q5導(dǎo)通，使得Q9的柵極放電而斷開。二極管D2用來防止Q9的柵極重新充電，這樣Q9保持?jǐn)嚅_直到下一個(gè)DumpOn信號(hào)的到來。二極管D9和D10的作用是起到嵌位電平防止電壓幅度超過15V以有效保護(hù)Q9/Q10和Q11/Q12這四個(gè)MOS管，通過此嵌位管作用后17.5V被嵌位到15V的安全范圍內(nèi)。經(jīng)過以上操作后，可以很好的在天線發(fā)射后有效地泄放還殘留在天線上的剩余發(fā)射能量，從而有效地保證儀器正常接收回波信號(hào)的時(shí)候能夠有很好的信噪比。圖6是未加入能量泄放電路與加入能量泄放電路后天線上信號(hào)對(duì)比測(cè)試抓圖。

從圖6中可以清晰地看到當(dāng)加入能量泄放電路后天線上發(fā)射信號(hào)殘余能量快速衰減，有利于后續(xù)天線上微弱核磁共振回波信號(hào)的接收，提高了信號(hào)接收到信噪比。而當(dāng)未加入能量泄放電路時(shí)，天線上殘余發(fā)射信號(hào)能量衰減緩慢，由于殘余能量與接收信號(hào)頻率相同這樣可能導(dǎo)致后續(xù)接收信號(hào)淹沒在殘余的發(fā)射信號(hào)中而不能提取。

2.4 天線驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖5 能量泄放電路原理圖

如下圖7所示為天線驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖，它是由內(nèi)橋驅(qū)動(dòng)和外橋驅(qū)動(dòng)組成的大功率全橋電路，其中Q1、Q2、Q7、Q8四個(gè)MOSFET管作外橋驅(qū)動(dòng)，Q3、Q4、Q5、Q6 作內(nèi)橋驅(qū)動(dòng)，C1、C2 容值為 500nF，R1與R2阻值為5M歐姆，R3與R4阻值為30K歐姆。由功率放大板輸出的175V控制脈沖經(jīng)過10:1的變壓器降壓后輸入到天線驅(qū)動(dòng)板8個(gè)MOSFET的G、S極實(shí)現(xiàn)控制其各自的D、S極通斷的作用。天線驅(qū)動(dòng)電路HV+與HV－端接600V直流電源正負(fù)兩端相接，且將HV+端接地。它通過功率放大電路輸出的射頻控制脈沖將600V的直流高壓斬波生成正負(fù)600V的高壓脈沖，并同時(shí)作用于天線，這樣就相當(dāng)于1200V，因此，天線兩端電壓的峰峰值為2400V。

圖6 加入能量泄放電路對(duì)天線上信號(hào)的測(cè)試抓圖

圖7 天線驅(qū)動(dòng)電路框圖

如上圖 7 所示，當(dāng) Q1～Q8 處于常開狀態(tài)時(shí)，因 R1＞＞R3,R2＞＞R4，因此由HV+與HV－兩端600V直流電壓加載到C1與C2電容上；當(dāng)由功放板輸出的控制信號(hào)控制Q1與Q8導(dǎo)通后，此時(shí)Q3的D極上電壓極為600V；當(dāng)控制信號(hào)控制Q3與Q6導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)TK+為600V，而TK－為－600V，而TK+與TK－直接與天線兩端相連，此時(shí)等同于在天線兩端加載一個(gè)1200V的高壓信號(hào)；此后斷開Q1～Q8后，TK+與TK－所連天線兩端作自由振蕩，當(dāng)天線兩端信號(hào)自由振蕩當(dāng)－1200V時(shí)， 在控制 Q2、Q7、Q4、Q5 閉合時(shí)， 此時(shí) TK+為－600V， 而 TK－為600V，此時(shí)相當(dāng)于天線兩端接了一個(gè)反相1200V的電壓，此后再斷開Q1～Q8后，天線兩端電壓繼續(xù)做自由振蕩從而產(chǎn)生幅值為1200V的高壓發(fā)射脈沖信號(hào)。

3 天線驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)測(cè)試

按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)搭建發(fā)射鏈路測(cè)試環(huán)境，為了便于安全測(cè)試，將HV+與HV－兩端接22V直流電壓模擬真實(shí)工作環(huán)境下的600V直流高壓，由實(shí)驗(yàn)采集板產(chǎn)生控制信號(hào)經(jīng)過功率放大電路后輸出到天線驅(qū)動(dòng)電路從而產(chǎn)生發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)射完后再由實(shí)驗(yàn)采集板產(chǎn)生相應(yīng)的泄放控制信號(hào)經(jīng)由功率放大電路輸出到高能量泄放電路從而完成有效泄放天線上殘余發(fā)射能量的作用。用示波器測(cè)試抓圖如下圖8所示:

圖8 發(fā)射脈沖信號(hào)測(cè)試抓圖

上圖8中CH3與CH4通道分別為實(shí)驗(yàn)采集板輸出的原始發(fā)射脈沖控制信號(hào)，MATH道波形為天線兩端所產(chǎn)生的發(fā)射脈沖波形。從圖8中可以清晰地看到本文所設(shè)計(jì)的發(fā)射鏈路成功完成了發(fā)射脈沖的發(fā)射，并能夠有效地泄放發(fā)射后的殘余能量。

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了一種核磁共振測(cè)井儀發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)，并對(duì)該發(fā)射鏈路的各個(gè)組成部分進(jìn)行了簡要介紹，從實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果來看該發(fā)射鏈路能夠有效產(chǎn)生測(cè)試所需的發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，為下一步地層回波信號(hào)的激勵(lì)提供了必要的激發(fā)條件。核磁共振測(cè)井技術(shù)是目前世界上最先進(jìn)的石油探測(cè)技術(shù)之一[8]。在勘探階段可為流體性質(zhì)、儲(chǔ)層性質(zhì)及可采儲(chǔ)量等地層評(píng)價(jià)問題的解決提供有效信息；在開發(fā)階段，能為油層剩余油、采收率以及增產(chǎn)措施效果等問題的評(píng)價(jià)和分析提供定量數(shù)據(jù)[8]。具備該技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)公司甚至一個(gè)國家測(cè)井技術(shù)水平的一個(gè)標(biāo)志[8]。

［1］George Coates,肖立志，Manfred Prammer.核磁共振測(cè)井原理與應(yīng)用[M].孟繁瑩，譯.北京:石油工業(yè)出版社，2007.

［2］邵維志，莊升，丁娛嬌.一種新型核磁共振測(cè)井儀:MREx[J].石油儀器，2004.

［3］Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments,1966.

［4］華中科技大學(xué).微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)資料[Z].

［5］肖立志.核磁共振成像測(cè)井與巖石核磁共振及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

［6］劉光祜，饒妮妮.模擬電路基礎(chǔ)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，2001.

［7］肖立志.核磁成像測(cè)井[J].測(cè)井技術(shù)，1995,19(4):284－293

［8］肖立志.核磁共振成像測(cè)井與巖石核磁共振及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1998.