一种应用于核磁共振测井仪中的发射链路设计

张嘉伟 宋公仆 王光伟 薛志波

（中海油田服务股份有限公司，中国 北京 101149）

0 引言

核磁共振测井可直接测量地层孔隙中可动流体的信息，可定量确定自由流体、束缚水、渗透率及孔径分布，其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响。在过去的近20年里，核磁共振测井仪器研制和资料应用一直是石油测井领域的热点和前沿领域，受到广泛关注[1]。本文针对核磁共振测井地层流体的特点，提出了一种可适用于井下核磁共振测井仪的发射链路设计[2]。首先对核磁共振发射序列进行简要的介绍，然后针对核磁共振测井仪的特点提出一种发射链路设计，该发射链路包括功率放大板、天线驱动板、高能量泄放板三个部分。分别对三个电路部分进行简要分析说明，最后给出该发射链路的实际测试结果。目前该发射链路已经成功应用于核磁共振测井仪器中，取得了很好的应用效果。

1 核磁共振发射序列介绍

核磁共振测井主要采用图1方式发射激励信号并产生相应的回波信号。如图1所示的这种典型的核磁共振工作方式称为CPMG序列。首先需要D0的激化时间来完成地层的磁激化，使其探测深度范围内的地层中氢原子的核磁矩能够朝着静磁场方向激化，然后发射90度脉冲信号使其核磁矩扳倒90度，其后每隔D2时间发射180度脉冲使其在同一平面的两个速度不同的矢量重合产成回波信号，这种激励接受方式称为CPMG序列[3]。

图1 核磁共振CPMG发射序列

核磁共振测井主要采用CPMG序列来进行工作，采集一系列回波信号，并计算回波的幅值与相位，以此来制作相应的指数衰减曲线从而进行T2谱反演标定底层的孔隙度、渗透率、束缚水等信息。相关发射链路的设计对地层回波信号的起振显得尤为重要[4]。

图2 核磁共振发射链路设计整体结构框图

2 发射链路设计

2.1 核磁共振测井仪发射链路整体结构设计

核磁共振发射链路整体结构设计框图如下图2所示。将实验采集板输出的控制信号按照图2所示分别与泄放、内桥和外桥功率放大板进行连接，内桥与外桥功放板的输出信号连接至天线驱动板，两个10欧姆45W的大功率电阻串入TK+/-天线回路中，泄放功放板输出连接高能量泄放电路，并将高能量泄放板输出端通过两个40欧姆45W的大功率电阻连接至天线回路中以作为发射信号残余能量泄放。通过此发射链路的结构设计，达到以弱信号控制高压发射脉冲，同时在发射完高压激励脉冲时对天线回路中的残余能量进行有效泄放[5]。

2.2 功率放大电路设计

功率放大电路的设计主要由两部分组成:死区时间调节电路与功率驱动电路两部分。其中死区调节电路设计结构框图如下图3所示。死区时间调节电路主要是为了产生一宽一窄两路脉冲，确保功率放大电路上下桥臂的两个功率场效应管不能同时导通，从而产生一个高压控制信号来控制天线驱动板上的MOSFET管通断。

图3 死区时间调节电路的逻辑关系框图

功率放大电路的后半部分功率驱动电路设计图如下图4所示，主要完成将上述死区时间调节电路输出的两路一宽一窄控制脉冲进行升压驱动，其中窄脉冲经过升压驱动后通过变压器T1耦合到上部MOSFET管Q3的G、S极两端控制Q3的D、S极导通，而另外一个宽脉冲信号被升压驱动输入到下部MOSFET管Q9的G、S极两端控制Q9的D、S极导通。通过上述两路脉冲的变换，从而成功将由采集实验板发出的弱控制信号转换成175V的高压脉冲控制信号有效驱动天线驱动电路进行发射脉冲的控制。

图4 功率驱动电路部分设计图

2.3 高能量泄放电路设计

核磁共振测井中能量泄放电路是保证核磁共振仪器能够有效进行信号放大滤波预处理的关键环节，它的设计好坏直接影响到后面对回波信号的接收信噪比[6]。它主要作用是在仪器进行高压激励脉冲发射完成后能够快速有效的泄放掉天线探头上多余的残留能量，以保证地层回波信号到来时候天线探头上保持一个低噪声的状态，从而在接收回波信号时保证其输入信噪比[7]。其原理图见图5所示。

图5由两个相同的电路组成，它们相应地接到天线探头与前放输入并联的两端。背靠背的场效应管Q9/Q10和Q11/Q12通过RES3、RES4端连接R3和R4两个10欧姆功率电阻后与天线探头与前放输入的并联端相连。这两个电阻体积很大，功率在45w，需要安装在仪器骨架上以尽快散热。从功率放大(主泄放)电路出来的幅值为175V的脉冲经过变压器T1～T4转变成17.5V，这样电流增加了10倍提高了电流驱动能力，可以很快使功率场效应管导通。由于这四路并联电路原理一样，因而以其中一路来分析加以说明。当DumpOn信号有效进入HI1、LO1与HI2、LO2时，一路信号经过二极管D1，使场效应管Q1导通，给功率场效应管Q9的栅极充电并使之导通。当DumpOn信号无效时，由于二极管D1的存在，Q9将继续保持导通。当DumpOff信号有效加载到输入端时，晶体管Q5导通，使得Q9的栅极放电而断开。二极管D2用来防止Q9的栅极重新充电，这样Q9保持断开直到下一个DumpOn信号的到来。二极管D9和D10的作用是起到嵌位电平防止电压幅度超过15V以有效保护Q9/Q10和Q11/Q12这四个MOS管，通过此嵌位管作用后17.5V被嵌位到15V的安全范围内。经过以上操作后，可以很好的在天线发射后有效地泄放还残留在天线上的剩余发射能量，从而有效地保证仪器正常接收回波信号的时候能够有很好的信噪比。图6是未加入能量泄放电路与加入能量泄放电路后天线上信号对比测试抓图。

从图6中可以清晰地看到当加入能量泄放电路后天线上发射信号残余能量快速衰减，有利于后续天线上微弱核磁共振回波信号的接收，提高了信号接收到信噪比。而当未加入能量泄放电路时，天线上残余发射信号能量衰减缓慢，由于残余能量与接收信号频率相同这样可能导致后续接收信号淹没在残余的发射信号中而不能提取。

2.4 天线驱动电路设计

图5 能量泄放电路原理图

如下图7所示为天线驱动电路结构设计框图，它是由内桥驱动和外桥驱动组成的大功率全桥电路，其中Q1、Q2、Q7、Q8四个MOSFET管作外桥驱动，Q3、Q4、Q5、Q6 作内桥驱动，C1、C2 容值为 500nF，R1与R2阻值为5M欧姆，R3与R4阻值为30K欧姆。由功率放大板输出的175V控制脉冲经过10:1的变压器降压后输入到天线驱动板8个MOSFET的G、S极实现控制其各自的D、S极通断的作用。天线驱动电路HV+与HV－端接600V直流电源正负两端相接，且将HV+端接地。它通过功率放大电路输出的射频控制脉冲将600V的直流高压斩波生成正负600V的高压脉冲，并同时作用于天线，这样就相当于1200V，因此，天线两端电压的峰峰值为2400V。

图6 加入能量泄放电路对天线上信号的测试抓图

图7 天线驱动电路框图

如上图 7 所示，当 Q1～Q8 处于常开状态时，因 R1＞＞R3,R2＞＞R4，因此由HV+与HV－两端600V直流电压加载到C1与C2电容上；当由功放板输出的控制信号控制Q1与Q8导通后，此时Q3的D极上电压极为600V；当控制信号控制Q3与Q6导通时，此时TK+为600V，而TK－为－600V，而TK+与TK－直接与天线两端相连，此时等同于在天线两端加载一个1200V的高压信号；此后断开Q1～Q8后，TK+与TK－所连天线两端作自由振荡，当天线两端信号自由振荡当－1200V时， 在控制 Q2、Q7、Q4、Q5 闭合时， 此时 TK+为－600V， 而 TK－为600V，此时相当于天线两端接了一个反相1200V的电压，此后再断开Q1～Q8后，天线两端电压继续做自由振荡从而产生幅值为1200V的高压发射脉冲信号。

3 天线驱动电路实验测试

按照图1所示结构搭建发射链路测试环境，为了便于安全测试，将HV+与HV－两端接22V直流电压模拟真实工作环境下的600V直流高压，由实验采集板产生控制信号经过功率放大电路后输出到天线驱动电路从而产生发射脉冲信号，发射完后再由实验采集板产生相应的泄放控制信号经由功率放大电路输出到高能量泄放电路从而完成有效泄放天线上残余发射能量的作用。用示波器测试抓图如下图8所示:

图8 发射脉冲信号测试抓图

上图8中CH3与CH4通道分别为实验采集板输出的原始发射脉冲控制信号，MATH道波形为天线两端所产生的发射脉冲波形。从图8中可以清晰地看到本文所设计的发射链路成功完成了发射脉冲的发射，并能够有效地泄放发射后的残余能量。

4 结束语

本文重点介绍了一种核磁共振测井仪发射链路的设计，并对该发射链路的各个组成部分进行了简要介绍，从实验测试效果来看该发射链路能够有效产生测试所需的发射激励信号，为下一步地层回波信号的激励提供了必要的激发条件。核磁共振测井技术是目前世界上最先进的石油探测技术之一[8]。在勘探阶段可为流体性质、储层性质及可采储量等地层评价问题的解决提供有效信息；在开发阶段，能为油层剩余油、采收率以及增产措施效果等问题的评价和分析提供定量数据[8]。具备该技术已经成为衡量一个公司甚至一个国家测井技术水平的一个标志[8]。

［1］George Coates,肖立志，Manfred Prammer.核磁共振测井原理与应用[M].孟繁莹，译.北京:石油工业出版社，2007.

［2］邵维志，庄升，丁娱娇.一种新型核磁共振测井仪:MREx[J].石油仪器，2004.

［3］Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments,1966.

［4］华中科技大学.微弱信号检测技术资料[Z].

［5］肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京:科学出版社,1998.

［6］刘光祜，饶妮妮.模拟电路基础[M].成都:电子科技大学出版社，2001.

［7］肖立志.核磁成像测井[J].测井技术，1995,19(4):284－293

［8］肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京:科学出版社,1998.