一种用于高温环境的低场核磁共振仪器主控电路

赵宏宇 张嘉伟 赛芳

【摘 要】针对低场核磁共振地层孔隙度测量方法在石油资源评估中的日益广泛应用，设计一种最高工作温度可达200度的低场核磁共振仪器主控电路，具有微弱回波信号检测处理、脉冲序列发生、井下数据通讯功能。该电路解决了低场核磁共振测井仪器中主控电路在高温下连续工作的热可靠问题。

【关键词】核磁共振;高温主控电路;回波采集;序列发生器

中图分类号： O482.532;O511文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0028-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.009

0 引言

核磁共振测井技术作为一种有效的石油探测方法[1-2]，在石油资源评估中的应用日益广泛，随着近年来我国东海、南海等高温超高温海上油气资源的不断开发[3-4]，高温核磁共振测井仪器研制也由此在我国油气探测领域被重点关注[5]。设计一种最高工作温度可达200度的低场核磁共振仪器主控电路，具有微弱回波信号检测处理、脉冲序列发生、井下数据通讯功能。该电路采用系统级封装SiP技术解决主控电路在高温下连续工作的热可靠问题。

1 主控电路硬件设计

1.1 整体结构设计

低场核磁共振仪器主控电路的硬件电路如图1所示。主要由耦合变压器、系统级封装SiP（System in Package）器件、多芯片模块MCM（Multi Chip Moudle）器件、辅助参数调理模块和电源等组成。

低场核磁共振仪器主控电路有通讯功能和控制回波采集功能，由于测井环境恶劣，测井仪器尺寸限制了主控电路的长度，以及单板承重限制，为了确保主控电路稳定工作，将其分成两块电路进行实现。

1.2 电路热设计

近年来，200℃的高温井不断的增加，测井仪器不可避免的面临着高温环境带来的考验，然而200℃温度环境的集成电路器件却很少，尤其是缺少高速数据采集相关的器件。系统级封装SiP是将多个具有不同功能的集成电路晶圆与无源元件组装成为可以提供多种功能的一个子系统[6]。SiP中元件的互连线距离缩短，可降低寄生阻抗，提升传输速度，降低功耗，故高温下的电气性能得到改善[7];SiP所用的金属屏蔽和内部惰性气体起到保护关键信号走线的作用，免受外界电磁干扰和高温环境产生的腐蚀性气体影响，高温可靠性得到提高[8];SiP采用高导热率材料作为外壳[9]，以及晶圆通过基板与封装之间良好的热接触，可将封装内子系统工作时散发的热量充分释放到环境中，故可以显著降低内部集成电路晶圆与环境温度之间的温差，提高SiP内集成电路的最高可允许工作的环境温度。因此，SiP很好的提高电子系统温度等级。与SiP类似，多芯片模块封装MCM采用同样的封装设计提高了系统的温度等级。图1中主控电路中共有两个系统级封装模块SiP_1和SiP_2，其中SiP_2由DSP、FPGA、ADC及存储器等外围器件组成，具有模拟信号数据采集、数字信号处理、串行通讯、多路数字输入检测和输出控制等功能。与SiP_2相比，由于不需要需采集回波，SiP_1内部没有ADC，具有串行数据通讯、数据存储和通讯信号编解码等功能。系统级封装SiP内部DSP（TMS320F2812）与FPGA（A3P1000）晶圆均为厂家定制高温晶圆，其它芯片晶圆均为西安微电子公司提供高温器件。多芯片封装MCM由差分转单端、模拟开关ADG201、八阶有源带通滤波器和单端转差分AD8138构成。具有采集回波和激励波切换、信号滤波和增益标定等功能。与SiP类似，MCM内部芯片同样采用耐高温的晶圆，芯片晶圆均为西安微电子公司提供。

在环境温度为200℃情况下，为了验证SiP器件组成的主控电路的性能，采用COMSOL5.1软件分别对通讯功能模块和控制回波采集功能模块进行有限元热仿真。在环境温度200℃下，对高温核磁测井仪主控电路进行热仿真，温度达到热平衡后，控制回波采集功能模块的芯片晶圆最高温度达210℃，通讯功能模块的芯片晶圆最高温度达220℃，与环境温度分别相差10℃和20℃，热仿真结果如图2。同常规磁共振测井仪器EMRT仿真结果相比[10]，系统级封装SiP很好的提高了系统的耐温等级。

2 主控电路软件设计

2.1 脉冲序列发生器设计

核磁共振现象需要在合适的射频RF信号作用下才能有效的被激发以及被观测。在核磁共振测井仪器中，测井的效果很大程度上取决于脉冲序列信号的控制精度与稳定性[13]。然而现有的脉冲序列发生器并不能直接工作于高温200℃环境下，这是受到电子器件温度性能的限制。采用系统级封装SiP技术，设计了一种能够很好的工作在200℃下的高温脉冲序列发生器。

脉冲序列发生器程序流程如图3所示，由DSP配合FPGA来实现通用脉冲序列发生器。DSP下发的定时参数利用RAM来实现存储，定时器根据从RAM中读取的定时参数开始计数，产生分段计时结束的标志，从而触发模式状态机进入下一个定时阶段。脉冲循环控制模块根据控制字寄存器和模式状态机反馈的脉冲进行逻辑判断，产生模式状态机的状态转移条件。相位控制器对来自DDS时钟进行分频和循环计数并作为相位标志，为射频脉冲的发射提供不同相位时钟参考。序列发生器则负责将脉冲发射的电平信号，调制成符合频率、脉宽、相位要求的射频脉冲。最后将该特定的射频能量发射给天线，天线在射频場与静磁场的共同作用下产生核磁共振现象。

2.2 数据通讯设计

测井仪器内部的通信方式有两种，一种是1553b总线通信，一种是多通道缓冲McBsp总线通信。1553b总线是上位机与测井仪之间的通讯方式，是一种半双工异步通讯总线，总线信号为曼彻斯特Manchester II型信号编码。T_Bus接口电路主要是用来实现总线信号收/发以及总线设备供电两大功能。通讯功能模块与控制回波采集功能模块之间的数据交互是通过两者之间DSP的多通道缓冲串口模块McBsp实现，F2812系列的DSP中的McBsp模块不仅具有普通端口的作用，同时还在支持多通道发送和接收，从而实现两台设备之间的全双工通讯。

测井仪器典型工作流程如图4所示，上位机通过1553b总线下发数据或命令，主控电路经过FPGA解码模块解码，通过McBsp下发给控制回波采集模块，数据采集处理完成之后，上位机下发上传数据命令，回波数据经过FPGA编码模块编码，通过1553b总线上传给上位机，上位机在进行下一步的算法处理。

3 仪器高温测试

目前，该高温核磁共振测井仪器已经成功在南海某高温井完成作业测试，图5为其反映作业测井质量的解释成果图之一，从第1道至第5道依次为测井深度、测井温度TEMP、回波拟合CHI值、振铃RING以及地层回波标准T2谱。由图5可知，测井深度为x660m～x700m范围内，测井温度约为170℃属于高温井范围，其质量控制参数回波拟合CHI值均在2附近（国外同类仪器要求CHI小于3即可）和振铃均在4以内（国外同类仪器要求振铃小于50即可），该高温核磁仪器在此高温井中质量监控参数均在容限范围内，且反映本口井作业性能优良。地层回波标准T2谱在泥岩、砂泥岩及纯砂岩地层中形态符合相应的地质特性。

4 总结

本文针对常规核磁共振仪器主控电路不能满足高温测井要求的问题，设计一种最高工作温度可达200度的低场核磁共振仪器主控电路，从微弱回波信号检测处理、脉冲序列发生和井下数据通讯三方面进行主要介绍。热仿真、高温测试实验以及仪器测井实验表明，该电路很好解决了低场核磁共振测井仪器中主控电路在高温下连续工作的熱可靠问题，同时也为其它高温测井仪器的电子电路设计提供了有益的参考。

【参考文献】

[1]肖立志.我国核磁共振测井应用中的若干重要问题[J]. 测井技术，2007，31（5）：401-407.

[2]傅婷，陈莹.核磁共振测井技术现状[J].矿物学报，2013（s2）：1015-1016.

[3]曾义金，刘建立.深井超深井钻井技术现状和发展趋势. 石油钻探技术，2005，33（5）：1-5.

[4]Wang Y，Wenkui L I.Risk level discrimination model for wells with sustained casing pressure in high temperature high pressure and high sour gas field.Oil Drilling&Production Technology，2012，34（5）：57-60.

[5]臧德福，王树松与郭红旗，高温测井仪器研制[J].石油仪器，2010-02：1-5.

[6]胡杨，蔡坚，曹立强，等.系统级封装（SiP）技术研究现状与发展趋势[J].电子工业专用设备，2012，41（11）：1-6.