過套管瞬變電磁探測中微弱信號傳輸與采集處理方法

王浩 黨博 董俊辰 張文輝 王晨

【摘要】套后儲層探測儀以瞬變電磁原理為基礎，通過電磁感應測量地下介質(zhì)二次場隨時間變化情況，可以判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等。準確了解地下的地層分布情況，為后期的開采提供直接的資料。然而探頭所采集到的二次場信號特別微弱，容易受到外界干擾，影響測井數(shù)據(jù)的準確性，給后期數(shù)據(jù)處理解釋造成困難。本文主要分析由前置放大電路板接收到探頭信號，再對信號進行放大、AD采樣給單片機編碼、耦合上傳以及通信傳輸至井上地面機箱過程中信號噪聲與外部干擾的來源，并提供相應解決方案。本文主要分析在信號傳輸、前置放大等過程中噪聲與外部干擾的來源，并提供相關的解決方案。

【關鍵詞】瞬變電磁;微弱信號;前置放大;噪聲

引言

套后儲層探測儀是以瞬變電磁原理為基礎，測量的基本過程是利用發(fā)射線圈向外發(fā)射一次電磁信號，套管外物質(zhì)激勵起的感應渦流會產(chǎn)生隨時間變化的感應電磁場（通稱二次場）。二次場信號采樣分前中后期，前期信號較強可顯示套管自身特性;中后期信號則更能體現(xiàn)套管外的地層特性，但中后期信號較微弱，這就需要我們采取一些方法來將微弱的電信號進行處理，以獲取其中有用的信息，采樣原理如圖1所示。

接收線圈將接收到的二次場信號送至井下電路，井下電路對微弱的二次場信號進行放大、濾波、分段衰減、統(tǒng)一放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入PIC單片機進行數(shù)據(jù)編碼處理，加在TIP142的基極上使其導通，將數(shù)據(jù)送至井下耦合變壓器再通過電纜上傳至地面機箱進行解碼判別（流程圖如圖2所示）。本系統(tǒng)采用曼徹斯特編碼方式，通過高低脈沖方式進行二進制編碼傳輸，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)載流量高。再將地面機箱解碼出的二進制數(shù)送至上位機進行軟件顯示儲存處理。由于二次場信號比較微弱，各級噪聲干擾對其影響都比較大，這將影響原始測井信號的質(zhì)量，使測井數(shù)據(jù)不準確，因此需要分析信號噪聲來源，研究相應的信號處理方法，來提高測井數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖2 信號傳輸流程圖

1.微弱電信號的采集方法

本系統(tǒng)中選取了具有周期性的雙極性脈沖波，井下單片機分別給兩路MOSFET管加載控制信號，使兩路開關交替導通，從而產(chǎn)生雙極性的矩形脈沖序列，使發(fā)射線圈交替的沖放電。差分的接收線圈接收到微弱的二次場信號，通過兩級放大后將信號送入UAF42芯片進行濾波后得到的二次場信號進行分段衰減。

圖4 編碼方式比較

通過瞬變電磁理論，井下所采集到的信號為二次場信號，通過對二次場信號的提取就可以得到相應的套管與套管外地層信息。二次場瞬變信號的動態(tài)范圍較大，信號在早、中、晚期的衰減速度與幅值差異非常大。早期的信號衰減快且幅值大，而中晚期的信號衰減慢并且幅值小。在整個信號的放大處理過程中若使用統(tǒng)一的放大倍數(shù)，可能會導致早期信號出現(xiàn)飽和失真使信號截至，信號噪聲會對較為微弱的中晚期信號造成較大影響，從而難以獲得準確可靠的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設計中采用分段衰減后再進行統(tǒng)一放大，分四種（）的倍數(shù)將信號衰減，并在硬件設計上采用由數(shù)字信號來控制分段衰減電路，這樣就可以在主控單元的控制下完成對二次場不同時期信號進行有區(qū)別的處理。設計電路如圖3所示。

2.測井信號的傳輸方式

套后儲層探測儀信號的傳輸方式是以曼徹斯特編碼理論為基礎，曼徹斯特編碼發(fā)送的優(yōu)點是自含時鐘脈沖編碼，差分的曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的一種改進，保留了其“自含時鐘脈沖編碼”的優(yōu)點，仍將每比特中的跳變作為同步之用，但是每比特的取值是根據(jù)其開始處是否出現(xiàn)電平的跳變來決定。每一位中間都有一個跳變，每位開始時有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。位中間跳變表示時鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中采用的準曼徹斯特編碼在傳輸“1”時前后均為低電平，而傳輸“0”時前一半為高電平，后一半為低電平。具體由圖4所示。

由于曼徹斯特編碼是一種串行的數(shù)據(jù)通信方式，所以本系統(tǒng)采用將數(shù)據(jù)傳輸與供電傳輸在單芯電纜上同時進行的方式，因此本系統(tǒng)在井下將信號耦合進單芯電纜，而在地面需要將信號從單芯電纜上分離出去。為了使信號傳輸與井下供電互不干擾，我們采用了耦合變壓器的方式進行信號的加載。地面機箱產(chǎn)生的直流電經(jīng)電纜傳輸?shù)骄?，而井下向地面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)是以準曼徹斯特后的脈沖電平，信號經(jīng)過反相器加到三極管的基極，來控制三極管導通，從而通過井下耦合變壓器將數(shù)據(jù)耦合在直流電上，但是在傳輸過程中由于電纜上帶有分布電容，會將原來的方波信號微分成正弦波信號。在地面機箱被耦合變壓器分離出來，后經(jīng)過二階有源低通濾波器與電壓比較器輸出方波。由于電壓比較器輸出為集電極開路，必須加上拉電阻才能輸出波形，其參考電壓由兩串聯(lián)電阻分壓得到。數(shù)據(jù)接收端分別通過一個二極管接到正負兩股電源線上，主要是起到限幅作用，使接收信號的幅度保持在有效范圍之內(nèi)，防止較大的脈沖信號對數(shù)據(jù)處理電路造成損害。整體傳輸方式如圖5所示：

圖5 信號耦合上傳

3.井下電路對信號的影響與處理方法

3.1 DC-DC電源噪聲對信號的影響

套后儲層探測儀是將170V直流電通過多芯電纜傳送到井下，使DC-DC電源模塊工作并為井下儀器電路供電。本系統(tǒng)所采用的是軍工級別FH5系列的DC-DC電源模塊，其是專門為工作于惡劣條件下的電子產(chǎn)品而設計的。

DC-DC電源模塊在滿負載工作時有將近1W的功耗且它的體積較小;由于內(nèi)阻變化在電壓轉(zhuǎn)化過程中存在較為嚴重的開關干擾;輸出電壓的紋波也會影響井下電磁信號的質(zhì)量，造成測井信號的不準。

為了確保測井信號的質(zhì)量，根據(jù)DC-DC模塊自身的特性，應該對其采取相應的去噪處理。其方法如：（1）將電源外殼與儀器貼在一起，并加入良好的導熱介質(zhì)，可保證模塊外殼溫度不會過高;（2）在模塊與電路板、耦合變壓器之間加入合理的屏蔽與隔離措施;（3）因本系統(tǒng)需要將模塊的輸入輸出共地，所以要用最粗最短的線將其短路;（4）為防止DC-DC模塊產(chǎn)生的電磁干擾沿電力線傳導影響其他設備，在其輸入級加濾波器，并在DC-DC的輸出級加如圖6所示的大電容濾波與共模電感線圈用來吸收紋波干擾。

圖6 DC-DC輸出級濾波電路

3.2 前置放大電路中的噪聲影響

套后儲層探測儀瞬變電磁信號檢測中，接收線圈接收信號的動態(tài)范圍大，早期信號衰減快，幅值大，而在中晚期信號衰減慢，幅值小，只有毫伏甚至微伏級。這就需要對接收信號進行放大處理。為了提高信號的數(shù)據(jù)采集精度，減少系統(tǒng)的噪聲，在信號檢測系統(tǒng)中采用了前置放大電路。同時為了使接受線圈工作在臨界阻尼狀態(tài)而避免其振蕩，應在接受線圈與前置放大電路中間加入匹配電阻，使信號不失真。

圖7中接收線圈接收到的信號通過由R1、R2、C1、C2組成的一階低通濾波器的輸入端，可以濾除接收線圈所接收到信號中的高頻信號。同時，R1、R2作為限流電阻使用，避免因電流過大將電路芯片燒毀;由二極管D1、D2、D3、D4組成的鉗位電路，使輸入信號保持在-12V-+12V的電壓范圍內(nèi)，保護后級的儀表放大器。前置放大電路具有噪聲小、增益穩(wěn)定、精確、抗干擾能力強、穩(wěn)定度高的特點。在設計前置放大電路的時候需要用抗高溫且精度高的元器件;電路需要合理的布線，并采用獨立的電源與合理的屏蔽與接地技術，這樣可以最大限度的降低外部干擾與耦合噪聲，且放大電路的閉環(huán)增益不能太大，可以用負反饋來改善放大器的性能，這樣做可以有效的防止放大器噪聲性能惡化。用以上方法可以改善電路的穩(wěn)定性，可有效的降低噪聲對其的影響。

圖7 接收信號放大電路

3.3 其他干擾帶來的影響

不完善的地線與電源線布置，不當?shù)慕拥胤椒ǎ煌咨频钠帘渭夹g，測井過程中車載電器開關等都對測井曲線有著非常嚴重的影響。因此在設計電路板階段必須將交流電源與直流電源，交流地線與直流地線分開并加粗電源線與地線，減少環(huán)路電阻等都對電路噪聲有著很好的抑制作用。并且還要做好靜電屏蔽、電磁屏蔽、低頻磁屏蔽等屏蔽技術降低干擾，禁止在測井過程中使用車載電器。此外，應該按照儀器規(guī)定的測井速度進行測井作業(yè)，并盡量保持均勻的測井速度，防止因速度的突變造成測井曲線發(fā)生形變，影響測井數(shù)據(jù)的精準性。

4.試驗結(jié)論

對比地面試驗中的DC-DC濾波前與濾波后的波形如下圖所示，試驗井下電路帶電參數(shù)有：

發(fā)射雙極性波時間高為100ms，低為300ms，二次場信號下降時間為100ms。圖8（a）為DC-DC模塊濾波前的信號，圖8（b）為DC-DC模塊濾波后的信號，其毛刺干擾遠小于圖8（a），圖9（a）為經(jīng)過放大濾波后的二次場信號，圖9（b）為未經(jīng)濾波后的二次場信號，信號具有很大的紋波干擾。

圖8（a）DC-DC濾波前信號

圖8（b）DC-DC濾波后信號

圖9（a）經(jīng)濾波二次場信號

圖9（b）濾波前二次場信號

5.結(jié)論

套后儲層探測儀在升井下井的過程中可以按照接收到的電阻率的值的不同來區(qū)分地層介質(zhì)。本文通過對儀器電路信號微弱信號的采集以及噪聲與干擾的分析與探究，提出了一套相關的解決方法，而且能夠經(jīng)過試驗取得較為良好的效果，有效的提高了測井數(shù)據(jù)質(zhì)量與解釋的可靠性。

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基金項目：陜西省自然基金項目（Z13072）。

作者簡介：

王浩，西安石油大學在讀碩士研究生，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)，測井信號處理。

黨博，博士，講師，主要研究方向：雷達信號處理，測井信號處理。