浅谈感应测井仪器中测控电路的设计

吴玉飞（杭州瑞利声电技术公司，杭州，310012）



浅谈感应测井仪器中测控电路的设计

吴玉飞
（杭州瑞利声电技术公司，杭州，310012）

摘要：在油气储藏评价中，感应测井仪器是一个重要的测量装置，其核心部分是测控电路，主要负责发射信号、接收信号和处理信号，对各个功能模块的运行进行有效控制，并能保证其正常的通信。围绕感应测井仪器的测控电路的设计，本文展开了论述。

关键词：感应测井仪器；测控电路；设计研究

0 引言

石油是一个国家的重要资源，油气勘查是保证石油工业发展的前提。测井为油气勘查提供地表丰富的信息，以更好的评价油气储藏。传统的测井仪器中有很多技术已经不能适应复杂的地质结构，目前测井的新仪器是感应测井仪器，它能获得丰富的地层油气储藏信息，有效降低采油风险。感应测井仪器的核心环节是测控电路部分，它控制着信号的发出和接收，并将这些信号经过一定的处理之后有效控制感应测井仪器正常工作。因此需要对感应测控仪器的测控电路原理进行分析，设计出更好的测控电路。

1 感应测井仪器的工作原理

感应测井仪器的工作原理是将交流电通入线圈中，在它的周围产生大量交变的磁场，在线圈内部的导体中就会产生感应电流。它利用电磁感应的原理对地层的电导特性进行分析，得出它的感应电动势同地层的导电率成正比关系，由此获取地层的相关信息。感应测井仪器中单发射、单接收的双线圈仪器的工作原理如图一所示。

图1 双线圈感应测井仪器工作原理图

由图一可以看出，在一根绝缘芯中分别缠绕发射和接收线圈，在发射线圈中通交流电，会在其周围产生交变的磁场，随着地层电导率的不同，在地层中会产生与线圈同轴的地层涡流，并且与地层的电导率成正比，地层涡流会在接收线圈中产生二次感应电动势，通过二次感应电动势的大小了解测量出地层的电导率。

2 感应测井仪器测控电路的设计原则

感应测井仪器的测控电路需要工作在数千米的地下，并且要放置在狭小密闭的空间里，需要承担高温高压的环境，因此测控电路应该具有耐高温、耐高压、低功耗等性能。感应测井仪器的测控电路需要放置在隔热的恒温装置中，使测控电路工作在较低温度的工作环境中，但是这会造成外部隔热装置和内部电路的连接困难，因此在设计测控电路时应该综合考虑测控电路的设计方案，选择功耗和温升都较低的、耐高温的、集成度好的电路元件，尽量减少使用分离器件，选择高集成度、温度变化单位广的集成器件来进行电路设计，减少空间占用量、功率消耗和发热量。

另外，感应测井仪器的测控电路包括发射控制单元和接收控制单元这两部分，它们各自都有自身的特点，应根据它们的特点和实现的功能进行设计，使其满足工作要求。

3 测控电路中发射控制单元的设计

感应测井仪器测控电路中发射控制单元的设计最主要部分是信号发生器的设计，它实现将激励信号源产生正弦发射信号，常采用频率合成技术来实现。频率合成技术包括直流模拟、直接数字和间接频率合成技术。直接模拟频率合成技术是将两个石英晶体振荡器产生的基准频率通过混频器、倍频器和分频器进行数学运算，得到新的频率信号。它具有相位噪声要求比较低，频率转换快，稳定度高等优点。直接数字频率合成技术是利用相位的特点通过全数字技术实现频率合成技术，这种方法输出的频率范围宽、分辨率高、相位连续、转换迅速且任意波形都能输出的优点，它在信号发生器的设计中应用最广泛，输出信号的频率稳定性很高。

测控电路发射控制单元由现场可编程门阵列（FPGA）、数字模拟量转换、低通滤波器、驱动电路、电源电路、模拟开关、通信接口等部分组成，其核心部分是FPGA，它的优点是具有丰富的内部触发器资源和外部的输入输出端口，并且高度集成，功耗小，具有良好的时序和组合逻辑。它的功能是控制信号发生器产生正弦的激励信号，为测井仪器的采集电路产生3MHz的采样时钟，控制感应信号的接收，根据接收到控制信号，切换到不同的工作模式。

发射控制单元的硬件设计包括FPGA的外围电路、电源稳压电路、DDS信号源电路、继电器驱动电路、通信接口电路等，软件设计包括FPGA的开发流程、时序控制、正弦函数查找表、仿真结果和资源占用情况等。通过它们之间的集成组合保证发射控制单元的正常运行。

4 测控电路中接收单元的设计

感应测井仪器测控电路的接收单元是将接收到的感应信号的幅值和相位通过遥测电缆传递到地面装置中，进行相应的处理，因此接收单元的主要功能是实现数据的采集、预处理、传输、实时控制等。传统的接收电路设计时采用两块数据采集板，实现八路感应信号的调理、转换和并列运行，实现多周期采集值的叠加，这样就有效抑制了随机噪声的产生。一块接收控制板将数据采集板采集到的叠加采样值进行压缩和相关运算，以减少存储空间，对数据调制编码后传输到地面系统内。除此之外，接收控制板要执行和转发地面系统的命令，实现同发射控制单元的双向串行通信，这样能够实现各个模块之间具有明确的分工，实现各种功能。

由于传统电路设计电路板多，空间占用大，接线复杂，电路调试麻烦，出现问题时很难处理，其电路设计需要及时改进，从而保证数据采集的准确性和传输的及时性，可以采取并行采集感应信号，实现实时处理和及时上传相关数据。采用DSP+FPGA组合结构来实现接收单元的控制，其中DSP运算速度快、寻址灵活，可以利用它的优势对相关命令匹配和运算，FPGA并行处理信息的能力很强，并能实现信息的实时控制，可以利用它的优势来进行多通道数据的并行处理和实时通信。这样就能大大减少空间占有量，利用一块电路板就能实现三块电路板的功能，并且功能更齐全，速度更快。

它的硬件电路平台包括DSP最小系统、信号调理电路、存储器扩展电路、电缆传输驱动电路，它的软件组合包括FPGA功能模块和DSP软件设计，其中FPGA功能模块包括时序控制电路、累加器和存储器、曼彻斯特编解码、逻辑资源消耗评估；DSP软件设计包括主程序设计、系统初始化、外部接口和终端程序的设计等。通过这些电路的集成和组合，保证实现接受电路的各项功能。

5 结语

综上，感应测井仪器作为油气勘查的重要工具，需要保证其功能的可靠性和准确性，特别是它的测控电路作为感应测井仪器的核心单元更需要保证其功能的先进性。本文介绍了感应测井仪器的工作原理和测控电路的设计原则，主要对感应测井仪器测控电路的设计进行了分析，包括它的发射控制单元和接收控制单元。在如今石油需求日益增长的今天，需要我们对感应测井仪器进行不断的改进，不断开发研制新产品，保证石油勘查向更高的方向发展。

参考文献

［1］刘玺. 阵列感应测井仪测控系统研究与设计［D］.华中科技大学，2009.

［2］董睿. 感应测井仪器中测控电路的设计［D］.电子科技大学，2010.

［3］庞兵强. 随钻感应测井井下电路研究［D］.浙江大学，2014.

［4］周长林. 陈列感应测井仪实时测控单元的研究与实现［D］.中国人民解放军信息工程大学，2005.

［5］幸奠琼，赵广平，苗清，李裕. 浅谈厚膜电路在测井仪器中的应用［J］. 石油仪器，2012，04︰42-43+47+103.

［6］夏克文，孙鹏. 浅谈石油测井仪器的技术创新［J］. 石油仪器，2001，03︰1-4+60.

The design of measurement and control circuit in induction logging tool

Wu Yufei
（Hangzhou Electric Power Technology Co.， Ltd.，Hangzhou，310012）

Abstract：In the oil and gas reservoir evaluation， induction logging tool is an important measurement device，the core part is control circuit，is mainly responsible for the transmitted signal，the received signals and signal processing，the operation of each function module for effective control，and can ensure the normal communication.This paper discusses the design of the measurement and control circuit of the induction logging tool.

Keywords：induction logging tool；measurement and control circuit；design and research

作者简介

吴玉飞（1969.9-），男，汉族，浙江杭州人，杭州瑞利声电技术公司工程师，研究方向：测井仪器。