0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀發(fā)射電路設(shè)計(jì)*

童茂松

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

高分辨率雙側(cè)向測(cè)井儀作為高分辨率測(cè)井系列的關(guān)鍵儀器之一，通過(guò)理論設(shè)計(jì)，得到了縱向分辨率達(dá)到0.2 m、深側(cè)向探測(cè)深度超過(guò)1 m的電極系，深淺電阻率更接近于真值的地層電阻率信息[1-2]，對(duì)于油田薄層、薄互層評(píng)價(jià)具有非常重要的作用[3-4]。

為了達(dá)到理論設(shè)計(jì)的縱向分辨率和探測(cè)深度指標(biāo)，需要采用數(shù)字聚焦的方法實(shí)現(xiàn)高分辨率雙側(cè)向電阻率測(cè)量[2,5-7]。0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀器的實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于如何確保理論條件，否則其測(cè)量結(jié)果將出現(xiàn)不可預(yù)知的誤差。確保理論條件需要兩方面：獨(dú)立、同時(shí)工作的三種工作模式，以及微弱信號(hào)的高保真測(cè)量，前者的關(guān)鍵在于發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，因此需要對(duì)該儀器的發(fā)射電路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本文簡(jiǎn)要介紹了雙側(cè)向數(shù)字聚焦基礎(chǔ)原理，詳細(xì)論述了發(fā)射電路的組成與單元電路的設(shè)計(jì)，最后簡(jiǎn)要介紹了應(yīng)用效果。

1 數(shù)字聚焦雙側(cè)向基本原理[2,6]

0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向的電極系型式與常規(guī)雙側(cè)向的電極系相同，但是具體的尺寸不同。數(shù)字聚焦雙側(cè)向基于圖1所示的三個(gè)獨(dú)立和同時(shí)的工作模式，運(yùn)用電場(chǎng)疊加原理，三個(gè)獨(dú)立的工作模式形成的電場(chǎng)兩兩疊加實(shí)現(xiàn)深淺側(cè)向的聚焦。通過(guò)三個(gè)模式的測(cè)量信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得到高分辨率雙側(cè)向測(cè)量。

圖1 數(shù)字聚焦雙側(cè)向的三種工作模式

模式1的電流由電極A1、A2向電極B發(fā)射，A1與A2等電位；模式2的電流由電極A1向電極A2發(fā)射；模式3的電流由主電極A0向電極A1、A2發(fā)射，A1與A2等電位。通過(guò)模式 1和模式 3疊加實(shí)現(xiàn)深側(cè)向工作，模式 2和模式 3疊加實(shí)現(xiàn)淺側(cè)向工作。測(cè)量三個(gè)模式的主電壓(V1、V2、V3)、三個(gè)模式的監(jiān)督電極電位差(V1、V2、V3)、模式3主電流(I3)，以監(jiān)督電極(M0、M1)等電位為理論條件，得到深淺高分辨率雙側(cè)向電阻率值(RHLLD、RHLLS)，其計(jì)算公式如下：

RHLLD=Kd×(V3-V1×ΔV3/ΔV1)/I3

(1)

RHLLS=Ks×(V3-V2×ΔV3/ΔV2)/I3

(2)

式中，Kd、Ks分別為深、淺雙側(cè)向的電極常數(shù)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字聚焦，發(fā)射電路需要滿(mǎn)足以下要求：

1)三個(gè)模式同時(shí)工作；

2)三個(gè)模式獨(dú)立工作，互不影響；

3)模式1和模式3工作時(shí)，A1與A2等電位；

4)具有自動(dòng)功率控制功能。

2.2 發(fā)射電路組成

針對(duì)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀的發(fā)射電路。

圖2 發(fā)射電路組成框圖

圖2中的發(fā)射電路主要由信號(hào)源與功率控制、模式1發(fā)射、模式2發(fā)射、模式3發(fā)射、輔助監(jiān)督等單元電路構(gòu)成。

為了確保三個(gè)工作模式的同時(shí)、獨(dú)立工作，采用頻分方式，且模式1和模式3發(fā)射電路的輸出采用電流源形式，模式2發(fā)射電路采用電壓源形式。

由信號(hào)源與功率控制電路產(chǎn)生幅度受控的35 Hz、280 Hz和140 Hz的方波信號(hào)(35 Hz_SIG、140 Hz_SIG、280 Hz_SIG)，分別經(jīng)過(guò)模式1、模式2和模式3發(fā)射電路進(jìn)行濾波和功率放大后進(jìn)入地層。

輔助聚焦實(shí)現(xiàn)：模式1和模式3中A1、A2的電位差信號(hào)通過(guò)輔助聚焦監(jiān)控電路獲取，由模式2發(fā)射電路負(fù)反饋到A1與A2電極，實(shí)現(xiàn)A1、A2等電位。

3 單元電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)源與功率控制電路設(shè)計(jì)

該電路產(chǎn)生幅度受控的35 Hz、140 Hz、280 Hz方波信號(hào)，其原理框圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)源與功率控制電路原理框圖

該電路主要由數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、直流功率放大電路以及斬波調(diào)制電路組成，其中DSP選用ADI公司的ADSP-BF506F，DAC采用德州儀器公司的四路12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5614，DSP和DAC之間采用SPI方式實(shí)現(xiàn)通信。

在高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀的發(fā)射電路中，DSP有兩個(gè)作用：一是產(chǎn)生幅度為3.3 V的35 Hz、140 Hz、280 Hz的方波信號(hào)(35PWM、140PWM、280PWM)，并從數(shù)字IO口輸出；二是根據(jù)當(dāng)前電阻率測(cè)量值，依據(jù)一定算法得到三個(gè)工作模式下一步應(yīng)輸出功率的數(shù)字量，并通過(guò)SPI總線將數(shù)字量傳送給DAC。

DAC對(duì)來(lái)自DSP的三個(gè)數(shù)字量進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)直流緩沖放大、濾除高頻干擾后，得到三個(gè)模式應(yīng)輸出功率的直流電平(圖3中的35 HzDA、280 HzDA、140 HzDA)。

35 HzDA、280 HzDA、140 HzDA等三個(gè)直流電平輸入到各自的斬波調(diào)制電路，分別在35PWM、140PWM、280PWM方波的調(diào)制下，輸出幅度受控的35 Hz、140 Hz、280 Hz方波信號(hào)(35 Hz_SIG、140 Hz_SIG、280 Hz_SIG)，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)產(chǎn)生、自動(dòng)功率控制的目的，使得儀器具有更寬的地層電阻率適用范圍。

3.2 輔助監(jiān)督電路

在0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀中，輔助聚焦指的是模式1和模式3中A1、A2等電位。

輔助監(jiān)督電路的主要作用是拾取A1、A2電位差，差分放大后，經(jīng)過(guò)中心頻率為35 Hz和40 Hz的帶通濾波器處理后，得到模式1和模式2工作時(shí)A1、A2之間的電位差，其原理框圖如圖4所示。

圖4 輔助監(jiān)督電路原理框圖

輔助監(jiān)督電路主要由前放電路、35 Hz高Q值帶通濾波器和140 Hz高Q值帶通濾波器組成。

N1是儀用放大器AD620，可以保證檢測(cè)微弱信號(hào)時(shí)的測(cè)量精度，滿(mǎn)足高分辨率雙側(cè)向儀器要求。

模式1的35 Hz帶通濾波器和模式3的140 Hz帶通濾波器均采用II型多路反饋帶通的Q值倍增電路。35 Hz頻率帶通濾波器(由運(yùn)算放大器N2、N3及其外圍電阻電容組成)的Q值為20，3 dB帶寬為1.75 Hz，中心頻率處的增益為1.83；140 Hz頻率帶通濾波器(由運(yùn)算放大器N4、N5及其外圍電阻電容組成)的Q值為20，3 dB帶寬為7 Hz，中心頻率處的增益為1.83。

圖4中的A1*、A2*、A2*′均為信號(hào)取樣電極，沒(méi)有電流，其中A1*為電極系上的一個(gè)金屬環(huán)，A2*、A2*′為電路芯架上的一個(gè)彈簧片，分別與A2、A2′(即上、下A2)的內(nèi)壁可靠接觸。由于A1的尺寸比A2小得多，因此A1表面的電流密度將比A2大得多任何極化效應(yīng)或接觸電阻對(duì)A1的影響比對(duì)A2大得多，因此以A1*電位替代測(cè)量A1電極金屬表面的電位，以A2*、A2*′的電位分別代替A2、A2′的電位。通過(guò)測(cè)量A1*與A2*、A1*與A2*′電位差的平均值代替A1與A2之間的電位差。

從圖4可以看出，A1*與 A2*、A2*′電位經(jīng)過(guò)AD620差分放大，送入兩個(gè)帶通濾波電路，分別得到模式1和模式3工作時(shí)A1與A2之間的電位差(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)，這兩個(gè)信號(hào)將通過(guò)模式2發(fā)射電路反饋到A1和A2上，實(shí)現(xiàn)模式1和模式3的A1、A2等電位。

3.3 模式1發(fā)射電路設(shè)計(jì)

模式1發(fā)射電路將模式1的35 Hz電流經(jīng)A1和A2發(fā)射入地層，回到遠(yuǎn)回路電極B，圖5為電路原理框圖。

圖5 模式1發(fā)射電路原理框圖

如圖5所示，模式1發(fā)射電路主要由35 Hz高Q值帶通濾波器和功率放大電路組成。圖中的N1、N2、N3為運(yùn)算放大器，N4為高溫功率放大器TD823。

幅度受控的模式1方波信號(hào)(35 Hz_SIG，來(lái)自DSP)經(jīng)過(guò)帶通濾波后，得到正弦波信號(hào)，再進(jìn)行功率放大，接到變壓器T9的初級(jí)，耦合到T9次級(jí)，一部分電流從A2輸出到B，另一部分電流由經(jīng)過(guò)T10次級(jí)，由A1輸出到B，實(shí)現(xiàn)了模式1的信號(hào)發(fā)射。

在設(shè)計(jì)中，35 Hz帶通濾波器采用I型Q值倍增的多路反饋帶通濾波器，由運(yùn)算放大器N1、N2及其外圍電阻、電容組成，其中心頻率35 Hz，Q值為10，3 dB帶寬為3.5 Hz，中心頻率處的增益為2。

在模式1發(fā)射回路中，需要盡量避免模式2和3有漏電流從遠(yuǎn)回路電極B返回。由于模式2和模式3的正常回路很近，距離電極B很遠(yuǎn)，因此只有很少的漏電流從B返回，但是仍然對(duì)測(cè)井結(jié)果有影響，因此在設(shè)計(jì)上需要采取如下措施：1)功率放大電路設(shè)計(jì)為電流源形式；2)變壓器T9的次級(jí)對(duì)于280 Hz和140 Hz正弦信號(hào)屬于高阻抗。

3.4 模式2發(fā)射電路設(shè)計(jì)

模式2發(fā)射電路有兩個(gè)作用，其一是將模式2的280 Hz電流經(jīng)A1發(fā)射入地層，回到A2；其二是輔助監(jiān)督電路測(cè)量的模式1、模式3反饋信號(hào)(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)耦合到A1、A2上，實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)模式的輔助聚焦。

模式2發(fā)射電路原理框圖如圖6所示。

圖6 模式2發(fā)射電路原理框圖

模式2發(fā)射電路由280 Hz帶通濾波器、加法器和功率放大電路組成。

280 Hz帶通濾波器采用I型Q值倍增的多路反饋帶通(MFBP)濾波器，由運(yùn)算放大器N1、N2和外圍電阻電容組成，其中心頻率280 Hz，Q值為10，3 dB帶寬為28 Hz，中心頻率處的增益為2。

加法器由運(yùn)算放大器N3及外圍電阻組成。

由于模式2的變壓器T10是三個(gè)模式電流的共同通道，因此設(shè)計(jì)中將功率放大器(運(yùn)算放大器N4、功率放大器TD823及外圍電阻電容組成)設(shè)計(jì)為電壓源形式輸出，變壓器T10對(duì)三個(gè)頻率都是低阻抗。

從圖6可以看出，幅度受控的280 Hz方波(280 Hz_SIG，來(lái)自于DSP)經(jīng)過(guò)帶通濾波后，得到正弦波信號(hào)(280 Hz_SIN)，該信號(hào)與輔助監(jiān)督電路測(cè)量的模式1、模式3反饋信號(hào)(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)疊加后，得到的混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后，采用電壓源的輸出方式驅(qū)動(dòng)模式2變壓器T10，并由A1發(fā)出，回到A2，不僅實(shí)現(xiàn)了模式2信號(hào)的發(fā)射，還實(shí)現(xiàn)了模式1和模式3的輔助聚焦。

3.5 模式3發(fā)射電路設(shè)計(jì)

模式3發(fā)射電路將模式3的140 Hz電流經(jīng)A0發(fā)射入地層，回到電極A1、A2，圖7為電路原理框圖。

圖7 模式3發(fā)射電路原理框圖

如圖7所示，模式3發(fā)射電路主要由140 Hz高Q值帶通濾波器和功率放大電路組成。圖中的N1、N2為運(yùn)算放大器，電流源模塊為高溫大功率集成厚膜VI電路。

幅度受控的模式3方波信號(hào)(140 Hz_SIG，來(lái)自DSP)經(jīng)過(guò)帶通濾波后，得到正弦波信號(hào)，通過(guò)電流源模塊放大后，以電流源方式連接到A0、A1，電流從A0輸出，輸入到地層，一部分電流由A1返回，另一部分由A2途經(jīng)變壓器T10次級(jí)返回，實(shí)現(xiàn)了模式3的信號(hào)發(fā)射。

在設(shè)計(jì)中，140 Hz濾波器采用I型Q值倍增的多路反饋帶通濾波器，由運(yùn)算放大器N1、N2及其外圍電阻、電容組成，其中心頻率35 Hz，Q值為10，3 dB帶寬BW為14 Hz，中心頻率處的增益為2。

模式3的電流輸出回路設(shè)計(jì)是0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀的關(guān)鍵。從圖2中可以看出，由于模式發(fā)射回路距離的原因，模式1和模式2電流極易從模式3泄漏，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常大，為此電流輸出不采用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)的方式，而是采用VI電路直接輸出。VI電路主要部件是一個(gè)壓控電流源，其輸出阻抗非常高，有效避免了模式1和模式2的電流流過(guò)，對(duì)模式工作的獨(dú)立性起到了關(guān)鍵作用。為了提高可靠性與穩(wěn)定性、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，選用商用化的集成厚膜VI模塊。

4 應(yīng)用效果

室內(nèi)對(duì)比分析表明：對(duì)于同一套地層電阻率模擬盒，采用相同的測(cè)量電路，三個(gè)模式同時(shí)工作與三個(gè)模式分別工作時(shí)得到電阻率測(cè)量結(jié)果一致，且與設(shè)計(jì)值之間的相對(duì)誤差滿(mǎn)足資料驗(yàn)收要求。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：泥巖基線穩(wěn)定且與常規(guī)雙側(cè)向泥巖基線一致，厚層與常規(guī)雙側(cè)向測(cè)量值吻合，薄層分辨能力顯著提高。截至目前，該儀器已經(jīng)在大慶油田、吉林油田測(cè)井500余口，為油田薄層識(shí)別、飽和度求取以及水淹層判別提供了準(zhǔn)確可靠的高分辨率電阻率測(cè)井資料，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)為了滿(mǎn)足三種工作模式同時(shí)、獨(dú)立工作，模式1(35 Hz)和模式3(140 Hz)的信號(hào)發(fā)射必須采用電流源輸出方式，模式2(280 Hz)信號(hào)發(fā)射必須采用電壓源輸出方式。

2)輔助監(jiān)督反饋信號(hào)通過(guò)模式2發(fā)射電路與變壓器連接到A1和A2電極上，實(shí)現(xiàn)模式1和模式3的輔助聚焦。

3)DSP根據(jù)當(dāng)前測(cè)量電阻率，依據(jù)一定算法確定三個(gè)模式下一步的需要輸出的功率電平。

4)發(fā)射電路已經(jīng)應(yīng)用于0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測(cè)井儀器，取得了良好的效果。