方位遠探測聲波測井儀便攜式檢測聲源研究

魏建寶 劉先平 桑強 王強 唐宇霖 韓明明

（1.中國石油集團測井有限公司天津分公司,天津 300280）

（2.中國石油集團測井有限公司測井技術研究院,北京 100200）

（3.中國石油集團測井有限公司物資裝備公司,西安 710200）

引言

電子技術的飛速發(fā)展和制造工藝水平的巨大進步，極大的推動了聲波測井儀器的升級換代進程，成像類聲波測井儀器的規(guī)?；虡I(yè)應用，標志著聲波測井技術進入了新的發(fā)展階段[1,2]。方位遠探測聲波測井儀是中國石油測井公司天津分公司研制的新一代基于井中反射回波測量的聲波成像測井儀器，其探測距離可達到40米，最大周向方位分辨率22.5度[3,4]。為了探測到更豐富的地層信息，其接收聲系采用了聲電一體化的結(jié)構設計，換能器探頭與采集電路封裝于同一短節(jié)中，聲系內(nèi)含10個接收站，每個接收站在周向上均勻分布了8個接收換能器探頭[5]，聲系探頭規(guī)模的大幅度增加給現(xiàn)場技術人員檢查維修時帶來一定挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)人工敲打外殼的檢測方式已不能滿足其現(xiàn)場檢查診斷的需要，所以迫切需要研制一種專用的聲源裝置以檢測方位遠探測聲波測井儀接收聲系的工作狀態(tài)。

1 整體方案設計

檢測方位遠探測聲波測井儀接收聲系時，需要提供多道穩(wěn)定且頻率、幅度均一致的聲源信號，以持續(xù)觀測并判斷各接收通道的采集情況，進而判斷接收聲系是否受損。該裝置由控制箱、貼合結(jié)構以及發(fā)射探頭構成。控制箱和貼合結(jié)構之間通過多股低阻抗雙絞線連接，連接線外部加上保護皮套以應對較惡劣的現(xiàn)場環(huán)境?？刂葡涮峁╇娫床a(chǎn)生用于驅(qū)動聲發(fā)射探頭的電信號，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整信號的頻率和幅度的大??；貼合結(jié)構用于固定聲發(fā)射探頭，保證聲發(fā)射探頭與被測聲系的聲窗充分貼合，使得發(fā)射的聲能量盡量被聲系探頭接收；聲發(fā)射探頭將控制箱輸出的電信號轉(zhuǎn)換為聲波。

控制箱的組成結(jié)構如圖1所示，其內(nèi)部由鋰電池、電源調(diào)整模塊、信號發(fā)生板、功率放大板組成。由控制箱提供穩(wěn)定的聲波模擬信號源電信號激勵聲發(fā)射探頭，將方位遠探測聲波測井儀便攜式檢測聲源裝置的貼合結(jié)構固定在聲窗處的外殼上，可以在儀修車間或者測井現(xiàn)場快速檢測方位遠探測聲波測井儀接收聲系各個采集通道的工作情況，其使用示意圖如圖2所示。

圖1 控制箱結(jié)構組成

圖2 檢測裝置使用示意圖

2 信號發(fā)生板

信號發(fā)生板以ICL8038芯片為信號源控制核心，該芯片能夠產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的0.001Hz-300kHz低失真正弦波、三角波、矩形波等信號[6]，且具備高電平輸出范圍、頻率溫度漂移小、控制電路相對簡單、價格低廉的優(yōu)點，聲波頻率范圍為20Hz-20kHz，該芯片完全能滿足本文設計的需要。信號產(chǎn)生板采用正負電源供電，將ICL8038輸出的正弦波信號作一定的失真度調(diào)整和頻率調(diào)整后，經(jīng)濾波、幅度調(diào)整、緩沖后輸送給功率放大板。圖3是信號產(chǎn)生電路的原理框圖。

圖3 信號產(chǎn)生板電路原理框圖

3 功率放大板

由于需要同步驅(qū)動八路聲波發(fā)射，信號發(fā)生板的功率不能滿足要求，因此，設計并制作了功率放大電路板。OPA445是一個單片運算放大器，較寬的電源供應范圍 (±10V～±45V)，高壓擺率(15V/μs)，低輸入偏置電流（10 pA），被廣泛應用于高輸出電壓或大型共模電壓紋波的電路中。設計采用OPA445作為信號的輸入緩沖放大器，其電路如圖5所示。

圖5 緩沖放大電路原理圖

LM1875是一款具備過載保護功能的功率放大芯片，其采用TO-220的封裝結(jié)構，芯片體積小，外圍匹配電路簡單，且輸出功率可達到30W，功率帶寬70kHz，電流輸出能力可達4A。設計采用LM1875作為功率放大功能的實現(xiàn)載體，其電路原理圖如圖6所示。

圖6 功率放大電路原理圖

4 貼合機械結(jié)構

貼合裝置用于固定聲發(fā)射探頭并使聲發(fā)射探頭與接收聲系充分貼合。由于接收聲系聲窗尺寸固定，選取發(fā)射探頭的尺寸需小于聲窗尺寸。調(diào)研市場上的聲波發(fā)射探頭后選用圖8所示的聲發(fā)射探頭，該發(fā)射探頭長53 mm、寬18 mm、阻抗8Ω、功率2 W，帶有安裝過孔。

圖8 聲發(fā)射探頭照片

聲波發(fā)射探頭的兩端有固定圓孔，插入沉頭長腿螺絲后先用一個螺帽固定住，在螺帽外面的螺絲上套彈簧，在固定貼合結(jié)構上有與聲波發(fā)射探頭孔徑一致的開孔，套在長腿上彈簧與固定貼合裝置緊密壓合，長腿螺絲穿過固定貼合結(jié)構后，外部再用一個螺帽固定住，圖9為聲發(fā)射探頭及其彈性固定示意圖，圖10為貼合結(jié)構圖。

圖9 聲發(fā)射探頭彈性固定方式圖

圖10 貼合結(jié)構設計圖

5 應用與結(jié)論

將安裝有聲發(fā)射探頭的貼合結(jié)構安裝在方位遠探測聲波測井儀接收聲系聲窗處的外殼上，見圖11所示。方位遠探測聲波儀器設置處于工作狀態(tài)，控制箱供電后，激勵聲發(fā)射探頭產(chǎn)生聲波，由在AXP600地面采集系統(tǒng)上顯示的波形如圖12所示,可以明顯看出有一道接收波形異常，后期拆解聲系后發(fā)現(xiàn)此問題由信號預處理板損壞導致。

圖11 裝配在接收聲系上貼合裝置

圖12 地面采集系統(tǒng)波形顯示