核磁共振测井仪发射滤波模块设计与应用

钟剑, 李梦春, 师光辉, 李金刚, 王献军, 任杰

(1.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077; 2.中国石油天然气集团公司测井实验基地, 陕西 西安 710077)

0 引 言

核磁共振测井能为油气评价提供独特的孔隙信息,准确识别流体性质,促进常规和非常规石油天然气勘探开发,核磁共振测井仪器研发和更新尤显重要[1-4]。核磁共振测井仪主要由探头、电子仪和储能短节组成,其中电子仪主要负责发射千伏级高压脉冲功率信号,同时也接收纳伏级回波信号,对仪器整体性能要求高,而发射滤波模块效率低,在相同高压发射功率条件下,难以满足仪器工作要求。本文基于串并联谐振机理,设计一种高压发射滤波模块方案,最大程度滤除核磁共振测井仪高压射频脉冲谐波信号,提高仪器高压发射有效功率。

1 发射滤波模块原理

核磁共振测井仪采用多频工作方式,以探测井眼周围不同深度地层信息,而核磁共振测井仪发射滤波模块负责衰减发射器模块输出的高压射频脉冲谐波,使高压射频脉冲基波以高能量输出,经天线接口合成,通过探头的天线发射到探测地层[5-6]。以居中型多频核磁共振测井仪为例,有5个工作频带,发射滤波模块可采用高频、中频、低频3种串联谐振和高频、低频2种并联谐振实现,设计框图如图1所示。对于不同的工作频带,通过切换开关控制谐振网络,调节串并联谐振点频率,以滤除高压射频脉冲谐波。

2 发射滤波模块电路设计

在包括电容和电感的谐振电路中,若无功功率得到完全补偿,电路的功率因素为1,即电流和电压同相,此时电路处于谐振。在电容和电感串联电路中,串联谐振时,电路总阻抗最小,电路总电流最大,称为电压谐振;在电容和电感并联电路中,并联谐振时,电路总阻抗最大,电路总电流最小,称为电流谐振[7-10]。对发射滤波模块的串联谐振和并联谐振电路设计进行相应分析。

(1) 串联谐振。串联谐振模型如图2所示,可得到电路串联阻抗Zs

(1)

(2)

在发射滤波模块中,高频、中频、低频3种串联谐振,可通过调节电容值,使电路处于3种串联谐振频率状态。

图2 串联谐振模型

(2) 并联谐振。并联谐振模型如图3所示,为了便于分析,结合输入输出特性,得到一个等效的模型(见图4),可得并联阻抗Zp

(3)

(4)

在发射滤波模块中,高频和低频2种并联谐振,同样可根据仪器工作频率,调节相应的电容值,使电路处于2种并联谐振频率状态。

图3 并联谐振原始模型

图4 并联谐振等效模型

(3) 综上述分析,设计电路如图5所示,高频串联谐振由J1和J5控制,中频并联谐振由J2和J6控制,低频串联谐振由J3和J7控制,高频和低频并联谐振由J4控制。

图5 发射滤波模块设计电路

多频核磁共振测井仪有5个工作频带,对应频带中心频率为590、616、640、680、760 kHz;为了最大程度滤除高压射频脉冲谐波,通过电路仿真分析,高频串联谐振频率设计为760 kHz,中频串联谐振频率设计为660 kHz,低频串联谐振频率设计为603 kHz,高频并联谐振频率设计为745 kHz,低频并联谐振频率设计为645 kHz。

3 实际测试与应用

根据发射滤波模块理论设计谐振频率,用阻抗分析仪进行发射滤波模块谐振频率调试,结合串联和并联谐振模型中谐振频率与电容关系,调节不同的电容值,使串联谐振频率对应的阻抗最小,并联谐振频率对应的阻抗最大。

以串并联谐振理论设计频率调试的发射滤波模块,装配在仪器上室内联调,在给定高压发射脉冲幅值GA和直流高压HV条件下,测量的高压发射功率B1值偏低(见表1),采用实际调试过程中的谐振频率,能提高高压发射功率B1值,主要原因是谐振电路对电感和电容敏感,忽略了阻抗分析仪和接线的分布电感和电容等影响,导致真实谐振频率偏离目标谐振频率,发射脉冲能量大部分消耗在电感和电容上,导致有效功率减小;如果仪器工作频率与实际谐振频率不匹配,会导致电感和电容不正常发热,这样对仪器整体温度要求也较高,严重时可能烧坏仪器。设计的发射滤波模块,仪器联调测试可行,采用实际调试串并联谐振频率,可提高仪器高压发射有效功率。

表1 滤波模块测试效果对比

在实际测井应用中(见图6),发射功率B1值稳定,保证仪器工作稳定,在 2 077 ～ 2 089 m差谱有显示,综合解释为油层;在2 075～2 077 m试油显示,产油4.6 t/d,效果明显。

图6 滤波模块实际应用效果图

4 结论及建议

(1) 结合多频核磁共振测井仪多频工作要求,通过发射滤波模块谐振模型理论分析,完成了串并联谐振组合模型的滤波模块设计,仪器联调测试可行,能为偏心核磁、随钻核磁仪器研制提供参考。

(2) 发射滤波模块调试应考虑分布电感和电容对实际谐振频率影响,理论设计谐振频率仅作为参考,谐振频率以实际调试为准,以提高仪器高压发射有效功率,提高仪器整体性能。

(3) 多频核磁共振测井仪一般采用2个发射滤波模块,应保证其对称性;发射滤波模块应选取精度高和温度稳定性好的高压电容,以保证串并联谐振频率稳定。

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