交叉偶極聲波組合測(cè)井儀電路分析及故障排除

杜黎君，陳 超

(1.中石化中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司 河南 濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石油測(cè)井公司西南分公司 重慶 401120)

0 引 言

交叉偶極聲波組合測(cè)井儀(XMACⅡ)的橫波測(cè)量能有效評(píng)價(jià)特低孔滲儲(chǔ)層，滿足頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在巖性、物性、巖石力學(xué)和含氣性等方面研究的要求，是頁(yè)巖氣開發(fā)中測(cè)井的必測(cè)項(xiàng)目。隨著西南地區(qū)頁(yè)巖氣勘探力度的不斷增加，XMACⅡ在鉆輸井、水平井(井內(nèi)高H2S含量)等惡劣環(huán)境下的施工量也隨之加大，導(dǎo)致儀器故障不斷發(fā)生。本文對(duì)交叉偶極聲波測(cè)井儀出現(xiàn)的電路故障做出了準(zhǔn)確判斷，為快速維修提供了行之有效的解決方法，緩解了增大的施工量與有限的儀器數(shù)量之間的矛盾,有很強(qiáng)的操作性和實(shí)用性。

1 儀器簡(jiǎn)介

1.1 交叉偶極聲波測(cè)井儀器組合

圖1為交叉偶極聲波測(cè)井儀器組合示意圖，包括8道聲波線路(1677EA)、接收探頭和接收線路(1678MB/MC)、隔聲體(1678PB)、發(fā)射探頭(1678BA)和發(fā)射線路(1678FA)。

圖1 交叉偶極聲波測(cè)井儀器組合

1677EA根據(jù)接收到的經(jīng)M2命令模式下發(fā)的命令，完成對(duì)XMACⅡ的發(fā)射和接收控制、數(shù)據(jù)采集，并將儀器狀態(tài)和獲取的采集數(shù)據(jù)通過(guò)M2及M5上傳；1678MB/MC接收探頭被配置為8個(gè)接收器陣列，每個(gè)接收器由4個(gè)成90°分布的接收晶體組成，接收線路將模擬聲波信號(hào)做不同組合，形成全波波形、同相偶極波形、交叉相偶極波形和聲波時(shí)差信號(hào)；1678PB阻止接收發(fā)射探頭發(fā)出的未經(jīng)地層的聲波信號(hào)；1678BA由變壓器升壓電路和3個(gè)發(fā)射晶體組成；1678FA為1678BA提供發(fā)射脈沖和發(fā)射晶體選擇。

1.2 幾個(gè)概念

在故障分析前，需要了解幾個(gè)概念和地面操作，以利于對(duì)XMACⅡ相關(guān)電路的了解，是排除儀器故障的基礎(chǔ)。

1.2.1 操作控制表(OCT)

操作控制表是定時(shí)自動(dòng)經(jīng)M2命令模式下發(fā)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令和需要操作員介入來(lái)設(shè)置下井儀器狀態(tài)的交互命令，對(duì)于交叉偶極聲波測(cè)井只有測(cè)井狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的地面操作是打開SwACT中所選Subset。OCT用于建立M2和M5下行通訊[1]。

1.2.2 儀器狀態(tài)

儀器狀態(tài)是CPU的自測(cè)結(jié)果和DSP的工作狀態(tài)，是命令執(zhí)行結(jié)果的上返。由1677EA的CPU板經(jīng)M2數(shù)據(jù)模式上傳，用于建立M2上行通訊。M2的命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳構(gòu)成完整的M2通訊，通過(guò)XMACII STATUS窗口中的儀器狀態(tài)可獲知M2通訊是否建立，地面系統(tǒng)和操作員就是依椐這些儀器狀態(tài)判斷下井儀器是否正常。

1.2.3 波形數(shù)據(jù)

波形數(shù)據(jù)是數(shù)字化的波形信號(hào)，只有在M2通訊建立后，波形數(shù)據(jù)才能在點(diǎn)擊SwACT中選定的Subset后經(jīng)M5上傳，建立完整的M5通訊，此時(shí)遙測(cè)窗口T5有綠燈顯示。由于數(shù)據(jù)量巨大，采用高速M(fèi)5數(shù)據(jù)模式上傳。

1.2.4 井下設(shè)置(Subset)

井下設(shè)置是對(duì)不同聲波測(cè)量所需發(fā)射晶體、接收晶體、各接收信號(hào)及其組合的自動(dòng)增益的選擇命令，如Subset6要采集3個(gè)循環(huán)(Subcycle)，第一個(gè)循環(huán)是單極子全波，采集8個(gè)接收晶體的330個(gè)字；第二個(gè)循環(huán)是同相偶極子，采集8個(gè)接收晶體的300個(gè)字；第三個(gè)循環(huán)是四極子聲波時(shí)差，采集4個(gè)接收晶體的100個(gè)字。可以看到每個(gè)循環(huán)都會(huì)用到的發(fā)射和接收晶體是不一樣的。對(duì)應(yīng)的地面操作，在采集主菜單TOOL、XMACII: MONOPOLE TOOL CONTROL中選擇Subset6，點(diǎn)擊download，這組由10字節(jié)組成的指令就由地面經(jīng)M2、CPU板送至1678MB/MC接收電路和1678FA發(fā)射電路的寄存器中[1]。

2 電路故障分析與排除

2.1 8道聲波線路1677EA

1677EA由CPU電路和2塊DSP電路組成。根據(jù)接收到的經(jīng)M2命令模式下發(fā)的命令，完成XMACⅡ的發(fā)射和數(shù)據(jù)采集，并將儀器狀態(tài)和獲取的采集數(shù)據(jù)通過(guò)M2及M5上傳。圖2為1677EA電路原理圖(以主DSP板的DSP1數(shù)據(jù)通道為例)。

圖2 1677EA電路原理圖

2.1.1 CPU板電路常見故障

小隊(duì)通常反映的“無(wú)通訊”[2]是指沒有M5通訊。對(duì)此首先要確定M2通訊是否正常，若M2無(wú)通訊，M5通訊也不會(huì)正常。查看狀態(tài)窗口中的儀器狀態(tài)，如果各狀態(tài)欄為空白，就說(shuō)明M2通訊沒建立。CPU板有2個(gè)重要的LED指示燈，DS2指示命令接收，DS3指示數(shù)據(jù)上傳，儀器上電或點(diǎn)擊重新初始化(Tool Re-Init)，這2個(gè)燈都不亮，表明CPU不能初始化，電源、晶振、復(fù)位芯片及周邊器件、EPORM都可能出問(wèn)題。以上故障排除后，若M2仍無(wú)通訊，再檢查M2接收和發(fā)送變壓器、接收器和驅(qū)動(dòng)器及可編程門陣列。

M5通訊針對(duì)CPU和DSP間的接收和發(fā)送串口及M5驅(qū)動(dòng)器及變壓器、可編程門陣列。2個(gè)DSP板也會(huì)影響M5通訊，可通過(guò)查看狀態(tài)窗口中的DSP狀態(tài)確認(rèn)。

2.1.2 DSP板電路常見故障

1)波形信號(hào)無(wú)上傳 檢查時(shí)可在儀器下45芯連接頭的8個(gè)輸入端加1 kHz、3VP-P正弦波。如果所有信號(hào)或從板4道均無(wú)上傳，而DSP狀態(tài)正常(點(diǎn)擊狀態(tài)窗口查看)，則檢查主板的FPGA的A/D觸發(fā)輸出(B_ADTRIG OUT)與該板和從板的A/D觸發(fā)輸入(AD_TRIG_IN)間的連線。如果所有信號(hào)或從板4道均無(wú)上傳，而DSP狀態(tài)有錯(cuò)誤提示，則檢查相應(yīng)DSP是否處于采集模式；對(duì)于所有信號(hào)無(wú)上傳還應(yīng)檢查串行接收的時(shí)鐘、接收同步幀和數(shù)據(jù)接收信號(hào)；檢查串行發(fā)送的發(fā)送同步幀和數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)。

2) M5無(wú)通訊 8個(gè)DSP采集通道都有各自的地址，CPU必須下發(fā)8次數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，才能完成Subset中的一個(gè)子循環(huán)，每個(gè)DSP在上傳數(shù)據(jù)期間，其BUSY為低電平。注意8個(gè)BUSY不會(huì)同時(shí)都為低電平，因?yàn)槊繅K板上的4個(gè)DSP不能被同時(shí)尋址(而2塊板可同時(shí)被尋址，所以2塊板上的數(shù)據(jù)是同時(shí)送到CPU的)[3]。

如圖3所示，8個(gè)DSP在接到來(lái)自CPU的命令時(shí)，各自的BUSY都為1，BUSY-OUT為1，在執(zhí)行命令即數(shù)據(jù)上傳期間，BUSY1為0時(shí)，BUSY-OUT依然為1，只有等到最后的BUSY8為0時(shí)，BUSY-OUT才為0。主板的與門用于監(jiān)測(cè)從板，只有等到BUSY8為0時(shí)，與門才輸出1。這8道中任一個(gè)出錯(cuò)， BUSY-OUT自始至終都為1，可以看出BUSY-OUT是對(duì)8個(gè)通道的數(shù)據(jù)上傳時(shí)間的監(jiān)測(cè)，這段時(shí)間一結(jié)束BUSY-OUT表現(xiàn)為低電平，如果這段時(shí)間結(jié)束后BUSY-OUT依然保持高電平，就會(huì)在狀態(tài)窗口中的DSP BUSY TIMEOUT出現(xiàn)BUSY超時(shí)的錯(cuò)誤指示。一個(gè)模擬采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號(hào)要在8μs內(nèi)2次觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，每次8位，一個(gè)模擬信號(hào)有3125個(gè)采樣點(diǎn)，共耗時(shí)25ms，在該時(shí)間段，地面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)BUSY-OUT若一直為高電平，就會(huì)停止數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令的下發(fā)，造成M5通訊中斷。這就是為什么2塊DSP都會(huì)影響M5通訊的原因。遇到此故障，將主板的BUSY-OUT/(J1-15)與數(shù)字地(J1-18)相連，在保證通訊暢通的條件下，檢查BUSY1～BUSY8，故障在高電平通道。

圖3 DSP道BUSY邏輯

2.2 發(fā)射探頭1678BA、發(fā)射線路1678FA常見故障

2.2.1 發(fā)射探頭不發(fā)射

發(fā)射探頭1678BA中的發(fā)射晶體破裂、變壓器短路都會(huì)造成不發(fā)射。1678BA變壓器電路中的電阻阻值變大或斷開會(huì)造成偶極子晶體發(fā)射聲音小或不發(fā)射。若是1678FA引起的不發(fā)射，可先檢查升壓電源的410VDC，再檢查發(fā)射控制電路的的發(fā)射選擇控制和點(diǎn)火脈沖。

2.2.2 電流大

1678BA與1678FA的故障都會(huì)讓電流變大。1678BA中的晶體絕緣不好、變壓器對(duì)地短路都會(huì)造成電流過(guò)大。通過(guò)檢查1678BA下連接頭19#對(duì)地絕緣能快速判斷各晶體變壓器初級(jí)是否正常，而對(duì)各晶體的判斷只能在確定1678BA電流大后拆開皮囊，斷開與各變壓器次級(jí)連線做檢查，同時(shí)檢查變壓器次級(jí)、電阻和二極管。

有3種檢查晶體的方法：測(cè)量電容值，單極子68 nF左右、四極子31 nF左右、偶極子106 nF左右，如果容值過(guò)大，絕緣有問(wèn)題；測(cè)量對(duì)地電阻，無(wú)窮大為正常；測(cè)量導(dǎo)納，測(cè)量時(shí)單極子和四極子的頻率在12～16 kHz，偶極子在1～10 kHz，如果無(wú)導(dǎo)納圓或無(wú)規(guī)則、缺口大，該晶體不能使用。

1678FA的工作電源有1#、4#提供的180VAC交流，用于升壓電路，正常電流80 mA左右；還有5#和7#提供的15VDC直流，用于2個(gè)發(fā)射電路，正常電流1.4 mA左右?？梢杂媒涣髅姘搴椭绷麟娫捶謩e檢查升壓電路和發(fā)射電路，判斷故障所在。1678FA升壓電路如圖4所示。

圖4 1678FA升壓電路

若升壓電路電流大，根據(jù)圖4，焊開D5正端，將電路分為兩部分，一部分為整流、濾波，一部分為Q1、D6、比較器和PWM組成的閉環(huán)。再次供180 VAC，如果電流大，故障就在整流、濾波部分。如果電流不大，故障在閉環(huán)電路。負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)移的L2電感有5 Ω阻值，如果電阻減小，會(huì)引起電流增大；Q1若源極與漏極導(dǎo)通，也會(huì)引起電流增大。

2.2.3 發(fā)射晶體只發(fā)射一次

曾遇到一個(gè)故障，儀器供電正常，但Subset1下載后，單極子、偶極子、四極子只能各響一聲，隨之纜頭電壓下降50 VAC，電流滿偏、M5無(wú)通訊。遇到此種情況，下載其他Subset，如Subset9(單極子、四極子工作，偶極子不工作)，儀器工作正常，纜頭電壓只有10 VAC左右擺動(dòng)，那么故障在偶極子發(fā)射電路。能對(duì)纜頭電壓造成影響的是在點(diǎn)火脈沖控制下，410 VDC電源的充放電，而偶極子發(fā)射電路與單極子、四極子發(fā)射電路的最大不同是點(diǎn)火時(shí)間，該時(shí)間由各自單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R×C值決定，如圖5所示。檢查發(fā)現(xiàn)，偶極單穩(wěn)的C不對(duì)，因此造成點(diǎn)火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，410 VDC放電過(guò)多，將纜頭電壓拉下，致使儀器串不能正常工作，M5掉通訊；由于放電過(guò)多，在下一次循環(huán)中不能及時(shí)充電，所以只進(jìn)行了一次采集循環(huán)。更換電容后，在Subset1下儀器工作正常。

圖5 1678BA高壓脈沖變壓器電路與發(fā)射晶體、1678FA發(fā)射電路

2.2.4 細(xì)節(jié)注意

1678BA中的發(fā)射晶體和變壓器升壓電路、1678MB/MC的接收晶體及電阻被包裹在皮囊中，皮囊內(nèi)充滿硅油，儀器在測(cè)井過(guò)程中，井中H2S很容易侵入皮囊，而皮囊中晶體的陶瓷和金屬片之間的黏合劑、變壓器線圈的絕緣漆、電阻及皮囊本身都是不耐硫的，長(zhǎng)時(shí)間浸泡在含有H2S的硅油里會(huì)影響晶體和變壓器的絕緣，電阻阻值增加或斷開，所以儀器完成高含硫井施工后，應(yīng)及時(shí)更換硅油，沒有條件時(shí)要打開儀器上下的注油塞，盡量排除H2S氣體。

2.3 1678MB/MC接收電路常見故障

如圖6所示，以R1為例，1678MB接收電路利用多個(gè)放大器將4個(gè)晶體的獨(dú)立接收信號(hào)做4種組合[4]：

X偶極信號(hào)：R1X=(X2-X1)

Y偶極信號(hào)：R1Y=(Y2-Y1)

單極信號(hào)：M1=(X1+X2)+(Y1+Y2)

四極信號(hào)：Q1=(X1+X2)-(Y1+Y2)

由此可形成8道單極子全波波形、16道同相偶極子波形(8道X發(fā)射X接收和8道Y發(fā)射Y接收)、16道交叉偶極子波形(8道X發(fā)射Y接收和8道Y發(fā)射X接收)以及4道四極子聲波時(shí)差。測(cè)試信號(hào)是在點(diǎn)火脈沖控制下，由單穩(wěn)態(tài)和精密電源產(chǎn)生的用于診斷的接收信號(hào)。接地信號(hào)用于剔除信號(hào)偏置，提高測(cè)量精度。

1678MB/MC 有2個(gè)相同的接收電路板，每塊板接收4道信號(hào)。每塊接收板都有4個(gè)移位寄存器，這8個(gè)寄存器用于接收Subset的10個(gè)字節(jié)中的8個(gè)，分別對(duì)8個(gè)接收陣列和自動(dòng)增益進(jìn)行選通和控制。上述10種信號(hào)進(jìn)入多路器，在Subset字節(jié)控制下上傳到1677EA做模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1678MC的接收電路是1678MB的升級(jí)。圖7是以一個(gè)接收器為例的接收電路。對(duì)X偶極、Y偶極、單極和四極聲波信號(hào)的組合是通過(guò)3個(gè)模擬開關(guān)和1個(gè)加法器實(shí)現(xiàn)的，這是相比于1678MB電路的巧妙之處，盡可能精簡(jiǎn)了硬件，同時(shí)新增了對(duì)這4種聲波信號(hào)的7 kHz和14 kHz測(cè)量，Subset也相應(yīng)增加了頻率選擇。就是意味著在選擇服務(wù)表做儀器配置時(shí)，一定要注意與儀器串中接收探頭型號(hào)相匹配。該電路可獲取64種信號(hào)，比1678MB增加了一倍。

圖6 1678MB接收電路

常見故障是一道或幾道無(wú)信號(hào)或增益過(guò)大。每個(gè)接收晶體的電容值約為2.8 μF，電阻值10 MΩ。對(duì)于接收探頭，檢查對(duì)應(yīng)道的電阻、電容。如果接收電路有問(wèn)題，可在線路輸入端加正弦信號(hào)：若是全波波形不對(duì)，加2 kHz、1VP-P正弦信號(hào)；若偶極子波形不對(duì)，加5 kHz、1VP-P正弦信號(hào)，沿對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通道逐一排查。

圖7 1678MC接收電路

3 結(jié)束語(yǔ)

地面系統(tǒng)與聲波線路1677EA的CPU之間的通訊是根據(jù)OCT命令下發(fā)和儀器狀態(tài)、波形數(shù)據(jù)上傳，以M2命令模式、M2數(shù)據(jù)模式、M5數(shù)據(jù)模式完成的。CPU與不同外設(shè)(1677EA的DSP板、1678MB/MC的接收電路和1678FA的發(fā)射電路)間的通訊是通過(guò)CPU與各DSP板、接收電路、發(fā)射電路的串行接口實(shí)現(xiàn)的。本文將地面操作與電路實(shí)現(xiàn)相結(jié)合，對(duì)遇到的一些復(fù)雜的、典型的故障做詳盡分析，以幫助維修人員快速排除儀器故障。