超声井径随钻测井回波信号补偿方法与电路实现

胡凯利，余厚全，魏勇，秦玉坤，段俊东，陈亮

（1.长江大学电子信息学院，湖北 荆州434023；2.中国石油集团测井有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

超声波反射回波测距方法在随钻井径测量中仍然存在一些问题。超声波在泥浆密度较大时会产生很大的衰减，以致无法准确检测到回波到达的时间。随钻井径参数是油田开发中重要决策参数［1］，研究随钻大密度泥浆条件下超声回波信号检测技术具有重要的实际意义。本文分析了超声波在泥浆中的衰减特性并进行了相关实验研究，提出了基于时变压控放大器的回波信号补偿方法，并进行了电路的设计与实现。实验结果表明，利用时变增益补偿的方法可以很好地补偿超声回波在泥浆中的衰减，便于准确地提取回波到达时间，进而估计出油井井径。该方法对超声井径测量具有重要的实用价值。

1 超声波在泥浆中的衰减特性及补偿方法

超声波在泥浆中的衰减是一个很复杂的物理过程，它与传输距离、泥浆黏度、泥浆密度、泥浆中固相含量等因素有关。超声波在泥浆中传播时，其声幅会随着传播距离的增加按指数规律衰减［2］，故检测到的超声反射回波电压幅值V与回波往返旅行的距离2l之间的函数关系为

式中，α为泥浆对超声波的吸收系数；K为反射界面对超声波的反射系数；Vi为超声波发射信号电压幅值；l为发射源与反射面之间的距离。

为了考察不同密度泥浆条件下对超声回波声幅衰减的影响，采用频率250kHz、幅值±15V的超声激励信号，在2种不同比重的泥浆环境中进行实验研究，实验结果见图1。

图1 不同泥浆密度条件下V－l关系

图1表明，在同一泥浆密度条件下，超声回波声幅随着距离l增加按负指数规律衰减；在l相同的条件下，泥浆密度越大，超声回波声幅衰减越大。由此可见，超声波在泥浆密度大、传播距离较远的情况下，衰减增大，所检测到的回波信号非常微弱。这对超声回波时间检测非常不利。为了解决超声波在密度较大的泥浆中衰减严重的问题，根据其衰减规律提出了基于时变压控增益补偿方法。已知在不同距离l上，泥浆对超声波的衰减为e－2αl，首波到达时间为t＝2l／v，其中v为泥浆声速，故对t时刻到达的回波首波声幅的衰减为e－αvt。为了补偿超声信号在泥浆中的衰减，乘以一个时变的补偿因子P＝Ceαvt，其中，C为常数。补偿后的回波声幅电压为

如果补偿增益曲线选择的恰当，则经过时变压控增益补偿后的回波声幅只与反射面的反射系数K有关，而与超声波在传播介质中旅行的距离无关。

2 时变增益补偿放大器设计与实现

时变增益补偿放大器由压控放大器、增益控制电路2部分组成，其时变增益补偿放大器的增益是随时间变化的函数［3］（见图2）。压控放大器的增益由增益控制电路的输出电压控制；增益控制电路根据不同界面回波到达时间产生相应的时变增益控制电压［4］，压控放大器时变放大回波信号，以补偿不同界面回波在介质中传播时所受到的衰减。

图2 时变增益补偿放大器原理框图

2.1 放大电路

压控放大器是超声回波时变增益补偿的关键部件。根据补偿方法可知，放大电路时变增益的增加应该满足补偿超声回波声幅在介质中时变衰减的要求。因此，选用ADI公司的压控增益（VGA）放大器AD8336［5］，其内部结构如图3所示。该芯片由前置放大电路、衰减网络、固定增益放大电路、偏置级和增益控制接口等5部分组成。总的增益是前置放大器增益（dB）、衰减网络增益（dB）和固定增益放大器增益（34dB）之和。芯片的前置放大级采用差分输入，具有较好的共模抑制能力，通过外接一个反馈电阻，放大倍数可在0～20dB范围内调整。该芯片通过调节增益控制接口输入端的电压控制衰减网络的衰减因子，实现可调增益放大。若前置放大器增益为1，则压控增益放大器的增益方程式为

图3 AD8336功能框图

式中，Again为压缩增益放大器增益量，dB；Vgain为增益控制电压，Vgain＝VGPOS－VGNEG，V。当增益控制接口的GPOS和GNEG端的增益控制电压从－0.5V到＋0.5V变化时，即可实现放大器的放大倍数从－26～34dB范围内变化。另外，在该芯片的前置放大级输出和衰减网络的输入提供了片外连接端，以便用户根据实际情况在外部串接滤波电路。

考虑到该仪器工作在高温环境和节省功耗等因素，使用功耗调整引脚PWRA可以将静态功耗降低一半。电路中GNEG接地，整个放大电路的增益控制调节直接通过GPOS引脚所提供的电压控制。据。这样就得到了在仪器探测距离范围内若干个不同距离反射界面所对应的离散时间点上的最佳压控增益数据，再利用这些值进行线性插值，即可得到对整个超声回波波列时间范围内的压控增益曲线。压控增益曲线刻度流程如图4所示。

2.2 增益控制电路及增益控制曲线的刻度

增益控制电路产生压控放大器的增益控制电压。它由压控增益曲线地址计数器、压控增益曲线存储器、D／A转换电路和压控增益曲线调整逻辑4个主要部分组成，电路原理框图如图2虚线框所示。当激发换能器产生超声波时，同时启动压控增益曲线地址计数器，顺序提供增益曲线数据存储器读数据地址［6］，增益曲线数据存储器输出相应的压控增益数据，通过D／A转换和低通滤波后，产生对整个回波波列时变放大的增益控制电压。

为了实现压控放大电路对回波信号在泥浆中衰减的最佳自动补偿，需要获取在实际随钻测井泥浆环境中的压控增益曲线数据。这就要在与实际随钻测井相同的泥浆环境中对压控增益曲线进行刻度。因此，增益控制电路模块设置了回波首波峰值检测电路和时间检测电路。刻度时，初始压控增益曲线设置为一水平直线，其值为将激发声波声幅电压放大（或衰减）到仪器满量程的压控增益值；初始反射界面距离设为最近探测距离。回波首波峰值检测电路检测该距离反射界面的回波首波声幅峰值，回波首波时间检测电路检测回波首波的到达时间。如果回波首波的声幅峰值小于0.8倍的满刻度量程，表明该时刻压控放大器的增益过小。增益调整逻辑根据比较器的输出结果，自动增加该时刻及其后续时间压控增益数据值1个增量单位，直到调整到该距离上的回波首波声幅峰值不小于0.8倍的满刻度量程为止。然后反射界面距离增大1个单位，重复上述过程，反射界面距离由近到远，逐步递增，一直到将最远反射界面的回波首波声幅峰值放大到上述预定的范围为止。

在上述调整过程中，如果对于来自某一距离反射界面的回波首波声幅峰值，增益控制电路输出控制电压达到最大值，压控放大器仍然未能将其放大到预定的范围，则将该距离回波首波到达对应时刻及其后续时间压控增益数据更新为最大压控增益数

图4 压控增益曲线刻度流程图

3 实验结果及分析

实验将超声换能器放入密度为1.3g／mL的油基泥浆环境中，在频率为250kHz、3个时钟周期的脉冲信号激发下对压控增益曲线进行刻度，利用所产生的压控增益曲线控制压控增益放大器的增益，对回波信号进行时变补偿放大得到在不同距离上回波首波声幅电压峰峰值。测量结果见图5和图6。

图5 补偿前后的回波首波声幅峰峰值对比

图6 不同距离下的增益回波补偿

图5给出了在不同距离下的回波首波电压幅值补偿前后的结果。图6给出了在4种不同反射距离条件下，补偿前后的回波信号的波形曲线（黄色为时变补偿放大前的回波信号，蓝色为经过补偿放大后的回波信号）。实验结果表明，放大补偿前，回波首波声幅电压随着发射点与反射界面距离的增加迅速衰减；放大补偿后，回波首波声幅电压随着距离增加变化很小。从图6（d）可见，如果直接对未经补偿的回波进行回波首波到达时间检测，很可能将激发信号的拖尾误判为回波首波，导致时间检测错误，但经过时变增益补偿后，对前期到达的强回波首波进行抑制，对后期到达的弱回波首波进行放大，就能够保证回波首波时间检测的准确性。

4 结 语

由于泥浆的衰减，当超声换能器的发射面与井壁的反射面相距较远时，检测到的回波信号幅值很小，严重影响时间参数提取的准确性［7］。根据超声波在泥浆介质中传播的衰减特性，提出了时变增益补偿方法。实验结果表明，经时变增益补偿后的回波首波的电压幅值不再随距离的增加而急剧衰减，而是基本保持稳定，从而保证采用统一的门槛电平检测回波首波到达时间的准确性。该方法电路设计简单，根据不同泥浆的衰减特性，测井前对压控增益曲线进行刻度，获取实际测井环境的增益控制曲线，从而实现实际测井时对泥浆中传播的超声回波声幅电压的最佳补偿，对超声波测井系统具有很好的实际应用价值。

［1］ 阮玉柱，陈凡，胥召，等.超声波测径在钻井过程的应用 ［J］.内蒙古石油化工，2010，36（23）：130－131.

［2］ 楚泽涵.声波测井原理 ［M］.北京：石油工业出版社，1989：49－55.

［3］ 吴建斌，田茂.基于AD603的时变增益放大器的实现［J］.电子测量技术，2008，31（4）：30－32.

［4］ 孙颖，李醒飞，张国雄.超声衰减增益补偿 ［J］.声学技术，2003，22（4）：243－245.

［5］ AD8336技术文档：http：∥www.analog.com／static／imported－files／data＿sheets／AD8336.pdf.

［6］ 余厚全，张栓良.数字正弦波发生器的谐波失真度与取样点数和样点长度的关系 ［J］.石油仪器，1991，5（2）：76－80.

［7］ 张珂，俞国华，刘钢海.超声波测距回波信号处理方法的研究 ［J］.测控技术，2008，27（1）：48－50.