核磁共振測井儀發(fā)射濾波模塊設(shè)計與應(yīng)用

鐘劍, 李夢春, 師光輝, 李金剛, 王獻軍, 任杰

(1.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077; 2.中國石油天然氣集團公司測井實驗基地, 陜西 西安 710077)

0 引 言

核磁共振測井能為油氣評價提供獨特的孔隙信息,準確識別流體性質(zhì),促進常規(guī)和非常規(guī)石油天然氣勘探開發(fā),核磁共振測井儀器研發(fā)和更新尤顯重要[1-4]。核磁共振測井儀主要由探頭、電子儀和儲能短節(jié)組成,其中電子儀主要負責發(fā)射千伏級高壓脈沖功率信號,同時也接收納伏級回波信號,對儀器整體性能要求高,而發(fā)射濾波模塊效率低,在相同高壓發(fā)射功率條件下,難以滿足儀器工作要求。本文基于串并聯(lián)諧振機理,設(shè)計一種高壓發(fā)射濾波模塊方案,最大程度濾除核磁共振測井儀高壓射頻脈沖諧波信號,提高儀器高壓發(fā)射有效功率。

1 發(fā)射濾波模塊原理

核磁共振測井儀采用多頻工作方式,以探測井眼周圍不同深度地層信息,而核磁共振測井儀發(fā)射濾波模塊負責衰減發(fā)射器模塊輸出的高壓射頻脈沖諧波,使高壓射頻脈沖基波以高能量輸出,經(jīng)天線接口合成,通過探頭的天線發(fā)射到探測地層[5-6]。以居中型多頻核磁共振測井儀為例,有5個工作頻帶,發(fā)射濾波模塊可采用高頻、中頻、低頻3種串聯(lián)諧振和高頻、低頻2種并聯(lián)諧振實現(xiàn),設(shè)計框圖如圖1所示。對于不同的工作頻帶,通過切換開關(guān)控制諧振網(wǎng)絡(luò),調(diào)節(jié)串并聯(lián)諧振點頻率,以濾除高壓射頻脈沖諧波。

2 發(fā)射濾波模塊電路設(shè)計

在包括電容和電感的諧振電路中,若無功功率得到完全補償,電路的功率因素為1,即電流和電壓同相,此時電路處于諧振。在電容和電感串聯(lián)電路中,串聯(lián)諧振時,電路總阻抗最小,電路總電流最大,稱為電壓諧振;在電容和電感并聯(lián)電路中,并聯(lián)諧振時,電路總阻抗最大,電路總電流最小,稱為電流諧振[7-10]。對發(fā)射濾波模塊的串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振電路設(shè)計進行相應(yīng)分析。

(1) 串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振模型如圖2所示,可得到電路串聯(lián)阻抗Zs

(1)

(2)

在發(fā)射濾波模塊中,高頻、中頻、低頻3種串聯(lián)諧振,可通過調(diào)節(jié)電容值,使電路處于3種串聯(lián)諧振頻率狀態(tài)。

圖2 串聯(lián)諧振模型

(2) 并聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振模型如圖3所示,為了便于分析,結(jié)合輸入輸出特性,得到一個等效的模型(見圖4),可得并聯(lián)阻抗Zp

(3)

(4)

在發(fā)射濾波模塊中,高頻和低頻2種并聯(lián)諧振,同樣可根據(jù)儀器工作頻率,調(diào)節(jié)相應(yīng)的電容值,使電路處于2種并聯(lián)諧振頻率狀態(tài)。

圖3 并聯(lián)諧振原始模型

圖4 并聯(lián)諧振等效模型

(3) 綜上述分析,設(shè)計電路如圖5所示,高頻串聯(lián)諧振由J1和J5控制,中頻并聯(lián)諧振由J2和J6控制,低頻串聯(lián)諧振由J3和J7控制,高頻和低頻并聯(lián)諧振由J4控制。

圖5 發(fā)射濾波模塊設(shè)計電路

多頻核磁共振測井儀有5個工作頻帶,對應(yīng)頻帶中心頻率為590、616、640、680、760 kHz;為了最大程度濾除高壓射頻脈沖諧波,通過電路仿真分析,高頻串聯(lián)諧振頻率設(shè)計為760 kHz,中頻串聯(lián)諧振頻率設(shè)計為660 kHz,低頻串聯(lián)諧振頻率設(shè)計為603 kHz,高頻并聯(lián)諧振頻率設(shè)計為745 kHz,低頻并聯(lián)諧振頻率設(shè)計為645 kHz。

3 實際測試與應(yīng)用

根據(jù)發(fā)射濾波模塊理論設(shè)計諧振頻率,用阻抗分析儀進行發(fā)射濾波模塊諧振頻率調(diào)試,結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)諧振模型中諧振頻率與電容關(guān)系,調(diào)節(jié)不同的電容值,使串聯(lián)諧振頻率對應(yīng)的阻抗最小,并聯(lián)諧振頻率對應(yīng)的阻抗最大。

以串并聯(lián)諧振理論設(shè)計頻率調(diào)試的發(fā)射濾波模塊,裝配在儀器上室內(nèi)聯(lián)調(diào),在給定高壓發(fā)射脈沖幅值GA和直流高壓HV條件下,測量的高壓發(fā)射功率B1值偏低(見表1),采用實際調(diào)試過程中的諧振頻率,能提高高壓發(fā)射功率B1值,主要原因是諧振電路對電感和電容敏感,忽略了阻抗分析儀和接線的分布電感和電容等影響,導(dǎo)致真實諧振頻率偏離目標諧振頻率,發(fā)射脈沖能量大部分消耗在電感和電容上,導(dǎo)致有效功率減小;如果儀器工作頻率與實際諧振頻率不匹配,會導(dǎo)致電感和電容不正常發(fā)熱,這樣對儀器整體溫度要求也較高,嚴重時可能燒壞儀器。設(shè)計的發(fā)射濾波模塊,儀器聯(lián)調(diào)測試可行,采用實際調(diào)試串并聯(lián)諧振頻率,可提高儀器高壓發(fā)射有效功率。

表1 濾波模塊測試效果對比

在實際測井應(yīng)用中(見圖6),發(fā)射功率B1值穩(wěn)定,保證儀器工作穩(wěn)定,在 2 077 ～ 2 089 m差譜有顯示,綜合解釋為油層;在2 075～2 077 m試油顯示,產(chǎn)油4.6 t/d,效果明顯。

圖6 濾波模塊實際應(yīng)用效果圖

4 結(jié)論及建議

(1) 結(jié)合多頻核磁共振測井儀多頻工作要求,通過發(fā)射濾波模塊諧振模型理論分析,完成了串并聯(lián)諧振組合模型的濾波模塊設(shè)計,儀器聯(lián)調(diào)測試可行,能為偏心核磁、隨鉆核磁儀器研制提供參考。

(2) 發(fā)射濾波模塊調(diào)試應(yīng)考慮分布電感和電容對實際諧振頻率影響,理論設(shè)計諧振頻率僅作為參考,諧振頻率以實際調(diào)試為準,以提高儀器高壓發(fā)射有效功率,提高儀器整體性能。

(3) 多頻核磁共振測井儀一般采用2個發(fā)射濾波模塊,應(yīng)保證其對稱性;發(fā)射濾波模塊應(yīng)選取精度高和溫度穩(wěn)定性好的高壓電容,以保證串并聯(lián)諧振頻率穩(wěn)定。

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