三分量阵列感应实验装置研究
2019-09-02张妙瑜王凯郭宝龙邢德键
张妙瑜 王凯 郭宝龙 邢德键
摘 要： 针对国内没有自主研发的三分量感应测井仪器，设计三分量阵列感应的实验装置。使用主控芯片TMS320F2812控制DDS集成芯片AD9833产生6 kHz和18 kHz的正弦波，经功率放大后发送至发射线圈系，接收信号经AD7606采样，由EP4CE6E22C8和TMS320F2812共同完成数据的处理和传输。通过测量水平方向线圈系和垂直方向线圈系的接收信号表明，空气中水平方向的接收电压小于垂直方向的接收电压，实验结果与理论一致，可以用于三分量感应的响应特性研究，同时为实际仪器设计提供实验基础。
关键词： 三分量; 阵列感应; 发射电路; 线圈系; 接收电路; 响应特性
中图分类号： TN98?34; P631.8 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2019）09?0137?05
Study on tri?axial array induction experimental device
ZHANG Miaoyu1， 2， WANG Kai1， GUO Baolong2， XING Dejian3
（1. School of Electronic Engineering， Xian Shiyou University， Xian 710065， China;
2. Institute of Intelligent Control and Image Engineering， Xidian University， Xian 710071， China;
3. AVIC Shaanxi Dongfang Aviation Instrument Co.， Ltd.， Hanzhong 723102， China）
Abstract： There is no tri?axial induction logging tool independently?developed in China. Therefore， an experimental device was developed for the tri?axial array induction. The sine waves of 6 kHz and 18 kHz were generated by DDS integration chip AD9833 which is controlled by the main chip TMS320F2812， and sent to transmitter coil system after power amplification. The data processing and transmissions are performed by EP4CE6E22C8 and TMS320F2812 after the received signal is sampled by AD7606. The receiving signals obtained by measuring the coil systems in horizontal direction and vertical direction show that the receiving voltage in the horizontal direction is less than that of in the vertical direction， and the experimental results are consistent with theoretical analysis. The device is suitable for the study of response characteristics of the tri?axial array induction， and provides the experimental basis for the design of the actual instrument.
Keywords： tri?axial; array induction; transmitting circuit; coil system; receiving circuit; response characteristic
0 引 言
三分量感应测井仪是针对各向异性地层的精确测量而提出的，通过测量垂直电导率和水平电导率获取砂岩和泥岩电导率，识别地层的倾角和方位角，感应测井仪器的发展方向[1]。国外具有三分量感应测量能力的仪器主要集中在Baker Atlas和Schlumberger两家公司，国内都是在3DEX和Rt?Scanner的基础上研究，没有自主研发的三分量感应测井仪器[2?3]。它的研制及相关的理论和实验研究是目前测井行业亟待解决的重要课题。本文将设计三分量感应测井的实验室测量装置，通过测量水平方向线圈系和垂直方向线圈系的接收信号，分析其响应特性，为仪器设计提供实验基础。
1 三分量阵列感应测井原理
三分量阵列感应测井仪器采用单发多接收的阵列感应设计思想[4]，使用8个子阵列的结构，每组子阵列由发射线圈、接收线圈和屏蔽线圈组成，每一位置均有3个正交线圈，如图1所示。利用阵列感应屏蔽抵消直耦的思想，发射线圈（T）与接收线圈（R）之间放置屏蔽线圈（B），屏蔽线圈的匝数要小于主接收线圈的匝数，且线圈的缠绕方向与接收线圈的缠绕方向相反[5]。
图1 三分量感应子阵列线圈系结构
式中：[σa]为地层视电导率;[V]为接收线圈中的感生电动势;[Vm]是直耦电动势，它等于线圈系置于空气中时发射电流在接收线圈中直接产生的电动势;[K]称为仪器常数，与仪器工作频率、发射线圈和接收线圈的匝数和面积以及发射线圈与接收线圈间的距离有关。
2 三分量阵列感应实验装置设计
根据三分量阵列感应测井原理，实验装置由发射和接收电路以及线圈系组成，结构如图2所示。发射电路主要由DDS模块和功率放大电路组成。DDS模块产生正弦波，功率放大后到达发射线圈。根据电磁感应原理，在接收线圈感应出微弱信号，经过放大滤波和ADC采样，FPGA和DSP共同对采样数据进行处理、传输并将数据发送到上位机。
2.1 发射电路设计
使用主控芯片TMS320F2812控制DDS集成芯片AD9833产生频率为6 kHz和18 kHz的正弦波，作为三分量阵列感应实验装置的信号源[8]，如图3所示。设计过程中考虑输出功率大和非线性失真等问题，采用两级放大电路。第一级是电压放大，由带电流源偏置的差分放大电路Q1，Q2和Q4组成。反馈由[R6]和[C1]组成，改变[R6]的值可以改变放大器的放大倍数，同时并联电容[C1]，减少高频阻抗，保证电路的稳定。第二级是电流放大，由Q6和Q7的互补对称功率放大电路和两组6个相同的大功率三极管组成的互补放大电路构成，电路如图4所示。
图2 三分量阵列感应实验装置结构示意图
图3 AD9833与TMS320F2812接口电路图
2.2 接收电路设计
根据电磁感应原理，交变电流在井眼周围产生交变电磁场。同时，交变电磁场在导电地层中感应出环形涡流，它所建立的二次交变电磁场在接收线圈中产生感生电动势。此时的信号是非常微弱的，经过前置放大、滤波、A/D采集，以并行方式将数据发送给FPGA，此时DSP并口方式读取数据，通过串行通信将数据上传给PC机[9]，如图5所示。
接收信号是包含强噪声的微弱信号，采用高输入阻抗、高共模抑制比和低噪声的AD8253和增益可调的AD8421组成两级放大的高增益放大电路。为防止高频噪声干扰ADC采样，设计截止频率为60 kHz的四阶巴特沃斯低通滤波器。A/D转换电路使用ADI公司的AD7606完成，工作时序如图6所示，实现垂直方向和水平方向并行模式数据采样。FPGA控制AD7606的RESET引脚为高电平复位，脉冲宽度为50 ns。将CONVSTA和CONVSTB连接在一起，实现垂直和水平方向同步采样。整个模数转换过程以BUSY引脚为标志，当它为高电平时，进行模数转换;低电平时转换完成。同时，FPGA控制BUSY引脚为下降沿触发，以便在模数转换完成后及时读取数据。
图5 接收电路框图
图6 AD7606工作时序图
FPGA使用Altera公司cyclone系列的EP4CE6E22C8芯片实现下述功能[10]：
1） 开辟对采集数据的缓存区域，当FIFO存满时，以中断的方式通知DSP读取数据。
2） 与TMS320F2812传输，通知DSP读取数据，一直循环直至采集的数据满足要求。
图7是DSP和FPGA数据通信的硬件连接图。16位数据线XD[15：0]分别与FPGA的I/O口相连，片选信号[XZCS2]、读选通信号[XRD]和写选通信号[XWE]分别接到FPGA的I/O口;DSP引脚GPIOA0和GPIOA1与FPGA的I/O口相连作为读写中断标志。
图7 DSP和FPGA数据通信硬件连接图
2.3 线圈系设计
三分量感应线圈系的设计是整个测量装置的关键环节，它的探测性能及稳定性直接决定测量装置的成败。采用紧凑的轴向线圈共位缠绕的设计思想，如图8a）所示是垂直方向线圈系的布置，水平方向由[x]方向和[y]方向组成，它们的响应相等;如图8b）所示，发射、屏蔽和接收線圈共面放置，因此也将水平线圈系称为共面线圈系。
图8 线圈系布置
接收信号强度同时受发射线圈和接收线圈间距和匝数的影响，与线圈间距的三次方成反比，与匝数成正比。为较好地抵消接收线圈中的直耦信号，屏蔽线圈与接收线圈的匝数比约等于它们与发射线圈距离比的立方。参数如下：发射线圈为80匝、接收线圈为8匝、屏蔽线圈为5匝。发射线圈与接收线圈的间距为0.19 m，与屏蔽线圈的间距为0.16 m。水平方向线圈间距和匝数的布置与垂直方向一致。
3 实验结果分析
为了测试线圈系的响应特性，考察水平测量信号与垂直测量信号的异同，设置发射信号频率为18 kHz，幅度为1 Vpp，测量垂直方向发射线圈的电压如图9所示。将屏蔽线圈和接收线圈串联，测量接收线圈电压曲线如图10所示。
图9 垂直方向发射線圈数据曲线图
相同参数下，考察水平线圈系的测量结果，水平发射线圈和接收线圈电压曲线如图11，图12所示。
对垂直线圈系和水平线圈系电压的峰峰值（见表1）取模求平均，计算两种线圈系发射线圈和接收线圈电压的峰峰值[11]。可以看出：相同实验参数下，空气中测量结果显示水平方向的接收电压小于垂直方向接收电压，这是因为线圈系布置不同，在地层中形成不同的涡流造成的。水平线圈系的涡流在接收线圈中只有一部分穿过接收线圈。实验所得结果与理论分析结论相吻合。
图10 垂直方向接收线圈数据曲线图
图11 水平方向发射线圈数据曲线图
图12 水平方向接收线圈数据曲线图
表1 不同测量方向线圈系电压峰峰值
4 结 语
三分量阵列感应测井仪器是识别砂泥岩薄交互低电阻率油层、测量水平井和大斜度井电阻率的重要工具。本文设计了三分量阵列感应测井的实验装置，包括发射电路、线圈系和接收电路。实验结果表明，空气中水平方向接收电压小于垂直方向接收电压，实验结果与理论分析一致。基于本设计，还可研究线圈系匝数、距离以及发射信号频率等参数变化对接收信号的影响，为三分量阵列感应仪器的设计提供实验基础。
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