TA2022在過(guò)鉆具陣列感應(yīng)測(cè)井儀中的應(yīng)用

吳志剛 朱瑞明 梁小兵 謝昱北

摘 要：本文在闡述過(guò)鉆具式陣列感應(yīng)測(cè)井儀原理的基礎(chǔ)上，介紹了過(guò)鉆具陣列感應(yīng)測(cè)井儀器中電子線路的結(jié)構(gòu)，對(duì)測(cè)井儀中功率放大模塊進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)分析了模擬功率放大器和數(shù)字功率放大器的特點(diǎn)，并提出了一種利用TA2022實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率放大的方法，該方法可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠極大地降低儀器的功耗，并且在其他需要功率放大模塊的領(lǐng)域也可以借鑒。

關(guān)鍵詞：過(guò)鉆具陣列感應(yīng)；功率放大器；TA2022

0 引言

隨著鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，水平井和大斜度井的測(cè)井需求越來(lái)越多，為了滿足這些需求，就產(chǎn)生了一種新的測(cè)井方式，過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井技術(shù)。根據(jù)過(guò)鉆具測(cè)井的特點(diǎn)，便要求過(guò)鉆具存儲(chǔ)式陣列感應(yīng)測(cè)井儀具有較高的集成度，較低的功耗以及較大的輸出功率。目前，常規(guī)的陣列感應(yīng)測(cè)井儀器多采用達(dá)林頓管推挽的方式將發(fā)射信號(hào)送入地層，這種方式功耗大，電路復(fù)雜。本文提出了一種利用T-類功放TA2022的信號(hào)發(fā)射方法，本方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，能夠以較低的復(fù)雜度獲得較高的性能。

1 過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器原理介紹

過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井儀是利用鉆桿下鉆的方式將懸掛在鉆桿水眼內(nèi)的測(cè)井儀器送到井底，下到測(cè)量段時(shí)利用泥漿壓力將儀器泵出水眼后開(kāi)始起鉆測(cè)井，這就要求過(guò)鉆具存儲(chǔ)式測(cè)井儀器只能用電池供電，而且儀器的外徑必須小，一般要小于60 mm，屬于小直徑測(cè)井儀器。過(guò)鉆具式陣列感應(yīng)測(cè)井儀器是過(guò)鉆具式測(cè)井儀器中的一支非常重要的儀器，它是在常規(guī)陣列感應(yīng)測(cè)井儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的，測(cè)井原理與常規(guī)陣列感應(yīng)測(cè)井儀器一樣，通過(guò)發(fā)送多個(gè)不同頻率的信號(hào)，在發(fā)射線圈周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生與介質(zhì)電導(dǎo)率成正比的渦流。感應(yīng)渦流會(huì)激發(fā)二次場(chǎng)，在接收線圈中產(chǎn)生二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由一系列不同線圈距的接收線圈系對(duì)同一地層進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)硬件或軟件聚焦處理獲得不同徑向探測(cè)深度的地層電導(dǎo)率，從而有效的識(shí)別油氣層[1-2]。

過(guò)鉆具式陣列感應(yīng)測(cè)井儀器電子線路框圖如圖1所示：由1個(gè)發(fā)射線圈和6個(gè)接收線圈組成儀器的探頭部分，發(fā)射板將來(lái)自主控板的發(fā)射信號(hào)推挽放大后由發(fā)射線圈將信號(hào)送入地層，發(fā)射信號(hào)是由16 kHz，24 kHz，40 kHz和48 kHz四個(gè)正弦信號(hào)疊加組合而成的4頻復(fù)合信號(hào)。6個(gè)接收線圈將收到的不同源距的接收信號(hào)送入采集板進(jìn)行放大和濾波，主控板負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號(hào)處理，并將處理后的信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，最后由地面系統(tǒng)讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[3-4]。

可見(jiàn)，發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量和功耗直接決定了整支儀器的工作性能。

2 功率放大器的工作原理

隨著微電子技術(shù)及半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展，功率放大器也伴隨著制造工藝和技術(shù)的快速發(fā)展而不斷得到創(chuàng)新。功率放大器主要可以分為模擬功率放大器和數(shù)字功率放大器。

2.1 模擬功率放大器實(shí)現(xiàn)電路

模擬功率放大器又可以分為A類，B類，AB類功率放大器。模擬功放屬于線性功率放大器，可以是單管單端結(jié)構(gòu)，也可以是雙管推挽結(jié)構(gòu)，功放管工作在線性放大區(qū)，通過(guò)調(diào)整外圍器件，便可有效地控制偏置電壓和動(dòng)態(tài)工作范圍，從而使非線性失真達(dá)到最小。模擬功率放大器雖然工作性能可靠，但同時(shí)也有利用率低，發(fā)熱大，體積大，成本高等缺點(diǎn)[5]。目前常規(guī)陣列感應(yīng)儀器多采用達(dá)林頓管推挽的模擬功放方式實(shí)現(xiàn)功率放大，如圖2所示。

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)單端轉(zhuǎn)差分的放大器，送入達(dá)林頓管電路實(shí)現(xiàn)功率放大。這種方式電路復(fù)雜，功耗大，發(fā)熱也很大，還需要很大的散熱片以保證電路的安全。

2.2 數(shù)字功率放大器實(shí)現(xiàn)電路

伴隨著各種高性能的場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn)，數(shù)字功率放大器即D類功率放大器得以迅速發(fā)展，有別于模擬功放的工作方式，D類功放的工作原理是將輸入信號(hào)變換成PWM信號(hào)，然后利用該信號(hào)來(lái)控制晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷以得到放大后的信號(hào)，D類功放的輸出級(jí)始終在完全導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)下工作，當(dāng)工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，雖然有電流流過(guò)晶體管，但因?yàn)榫w管兩端幾乎沒(méi)有電壓差，所以就幾乎沒(méi)有功率消耗；當(dāng)工作在截至狀態(tài)時(shí)，雖然晶體管兩端有電壓差，但由于管子的內(nèi)阻很大導(dǎo)致流過(guò)的電流很小，所以也幾乎沒(méi)有功率損耗，這種特性使得其工作效率遠(yuǎn)高于其他類的功率放大器[6]。

TA2022是一款由Tripath公司開(kāi)發(fā)的T類功率放大芯片，T類功率放大器的功率輸出電路和采用脈沖寬度調(diào)制的D類功率放大器基本一樣，晶體管也是工作在導(dǎo)通或者截至狀態(tài)，因此工作效率也和D類功率放大器相當(dāng)。但它和D類功率放大器不一樣的地方是，它并沒(méi)有采用脈沖寬度調(diào)制的方法。Tripath公司發(fā)明了一種名為DPP（Digital Power Processing）的數(shù)字功率處理技術(shù)，這種技術(shù)的工作原理是利用了一個(gè)Σ-Δ調(diào)制方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是以12.5 MHz的采樣頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)這種過(guò)采樣方式能夠快速有效地把輸入信號(hào)的處理成一個(gè)1位的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)該模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的1位數(shù)字信號(hào)直接去控制功率晶體管的導(dǎo)通和截至。這種方式使得T類功放具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍，更小的群延遲以及更平坦的頻率響應(yīng)[7]。而且數(shù)字功率處理技術(shù)的介入也減小了熱噪聲的影響，使得信號(hào)的信噪比，總諧波失真等指標(biāo)也得以提高。鑒于TA2022的眾多優(yōu)點(diǎn)，以及作為過(guò)鉆具式測(cè)井儀器，其測(cè)井方式?jīng)Q定了過(guò)鉆具式陣列感應(yīng)儀器的電源只能用電池供電，而且儀器尺寸小，因此本文采用了T類功率放大器TA2022來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大，如圖3所示。

發(fā)射板電路只需要一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分的放大器和一個(gè)TA2022就可以實(shí)現(xiàn)，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，散熱少，方便調(diào)試并且性能可靠。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

本方案采用±15 V為T(mén)A2022供電，每一路電壓的電流消耗基本在200 mA左右，發(fā)射板的輸入信號(hào)峰峰值約為2 V，如圖4所示。

通過(guò)示波器采集到的TA2022輸出信號(hào)的波形如圖5所示。

單通道輸出峰峰值可以達(dá)到24 V，放大增益將近22 dB，而且比較輸入輸出波形，幾乎沒(méi)有非線性失真。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)射板的輸出信號(hào)質(zhì)量可以滿足過(guò)鉆具式陣列感應(yīng)儀器的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)過(guò)鉆具陣列感應(yīng)測(cè)井儀器的工程需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于T類功放TA2022的發(fā)射電路。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該電路可以很好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有集成度高，可靠性強(qiáng)，功耗低等特點(diǎn)，并且對(duì)其他功放模塊的電路設(shè)計(jì)提供了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮啟寧，鞠曉東，柯式鎮(zhèn)，等.測(cè)井儀器原理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[2] 劉春雅，程旭.陣列感應(yīng)測(cè)井技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r綜述[J].甘肅科技， 2009，25（3）：32-34.

[3] 游暢，孫偉，梁大黎，等.過(guò)鉆具存儲(chǔ)式感應(yīng)測(cè)井儀的設(shè)計(jì)與研究[J].石油管材與儀器，2015（1）：12-15.

[4] 黃爭(zhēng)志，余厚全，魏勇，等.完全基于FPGA的過(guò)鉆具陣列聲波測(cè)井主控電路設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，17（1）：32-38.

[5] 李揮，羅勇，鄒傳云.數(shù)字音頻功率放大器遠(yuǎn)離及實(shí)現(xiàn)[J].器件與電路，2003（4）：32-35.

[6] 肖寧.基于DSP的D類功放控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[7] 劉舉平.基于TA2022的T類數(shù)字功率放大器的設(shè)計(jì)[J].音響技術(shù)， 2009（7）：61-63.