0.2 m高分辨率数字聚焦双侧向测井仪发射电路设计*

2020-03-16童茂松

石油管材与仪器 2020年1期

童茂松

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司黑龙江大庆 163412)

0 引言

高分辨率双侧向测井仪作为高分辨率测井系列的关键仪器之一，通过理论设计，得到了纵向分辨率达到0.2 m、深侧向探测深度超过1 m的电极系，深浅电阻率更接近于真值的地层电阻率信息[1-2]，对于油田薄层、薄互层评价具有非常重要的作用[3-4]。

为了达到理论设计的纵向分辨率和探测深度指标，需要采用数字聚焦的方法实现高分辨率双侧向电阻率测量[2,5-7]。0.2 m高分辨率数字聚焦双侧向测井仪器的实现的难点在于如何确保理论条件，否则其测量结果将出现不可预知的误差。确保理论条件需要两方面：独立、同时工作的三种工作模式，以及微弱信号的高保真测量，前者的关键在于发射电路的设计，因此需要对该仪器的发射电路进行系统设计。

本文简要介绍了双侧向数字聚焦基础原理，详细论述了发射电路的组成与单元电路的设计，最后简要介绍了应用效果。

1 数字聚焦双侧向基本原理[2,6]

0.2 m高分辨率数字聚焦双侧向的电极系型式与常规双侧向的电极系相同，但是具体的尺寸不同。数字聚焦双侧向基于图1所示的三个独立和同时的工作模式，运用电场叠加原理，三个独立的工作模式形成的电场两两叠加实现深浅侧向的聚焦。通过三个模式的测量信号，通过计算得到高分辨率双侧向测量。

图1 数字聚焦双侧向的三种工作模式

模式1的电流由电极A1、A2向电极B发射，A1与A2等电位；模式2的电流由电极A1向电极A2发射；模式3的电流由主电极A0向电极A1、A2发射，A1与A2等电位。通过模式 1和模式 3叠加实现深侧向工作，模式 2和模式 3叠加实现浅侧向工作。测量三个模式的主电压(V1、V2、V3)、三个模式的监督电极电位差(V1、V2、V3)、模式3主电流(I3)，以监督电极(M0、M1)等电位为理论条件，得到深浅高分辨率双侧向电阻率值(RHLLD、RHLLS)，其计算公式如下：

RHLLD=Kd×(V3-V1×ΔV3/ΔV1)/I3

(1)

RHLLS=Ks×(V3-V2×ΔV3/ΔV2)/I3

(2)

式中，Kd、Ks分别为深、浅双侧向的电极常数。

2 总体设计

2.1 设计要求

为了实现数字聚焦，发射电路需要满足以下要求：

1)三个模式同时工作；

2)三个模式独立工作，互不影响；

3)模式1和模式3工作时，A1与A2等电位；

4)具有自动功率控制功能。

2.2 发射电路组成

针对设计要求，设计了如图2所示的0.2 m高分辨率数字聚焦双侧向测井仪的发射电路。

图2 发射电路组成框图

图2中的发射电路主要由信号源与功率控制、模式1发射、模式2发射、模式3发射、辅助监督等单元电路构成。

为了确保三个工作模式的同时、独立工作，采用频分方式，且模式1和模式3发射电路的输出采用电流源形式，模式2发射电路采用电压源形式。

由信号源与功率控制电路产生幅度受控的35 Hz、280 Hz和140 Hz的方波信号(35 Hz_SIG、140 Hz_SIG、280 Hz_SIG)，分别经过模式1、模式2和模式3发射电路进行滤波和功率放大后进入地层。

辅助聚焦实现：模式1和模式3中A1、A2的电位差信号通过辅助聚焦监控电路获取，由模式2发射电路负反馈到A1与A2电极，实现A1、A2等电位。

3 单元电路设计

3.1 信号源与功率控制电路设计

该电路产生幅度受控的35 Hz、140 Hz、280 Hz方波信号，其原理框图如图3所示。

图3 信号源与功率控制电路原理框图

该电路主要由数字信号处理芯片(DSP)、数模转换器(DAC)、直流功率放大电路以及斩波调制电路组成，其中DSP选用ADI公司的ADSP-BF506F，DAC采用德州仪器公司的四路12位电压输出型数模转换器TLV5614，DSP和DAC之间采用SPI方式实现通信。

在高分辨率数字聚焦双侧向测井仪的发射电路中，DSP有两个作用：一是产生幅度为3.3 V的35 Hz、140 Hz、280 Hz的方波信号(35PWM、140PWM、280PWM)，并从数字IO口输出；二是根据当前电阻率测量值，依据一定算法得到三个工作模式下一步应输出功率的数字量，并通过SPI总线将数字量传送给DAC。

DAC对来自DSP的三个数字量进行数模转换，并经过直流缓冲放大、滤除高频干扰后，得到三个模式应输出功率的直流电平(图3中的35 HzDA、280 HzDA、140 HzDA)。

35 HzDA、280 HzDA、140 HzDA等三个直流电平输入到各自的斩波调制电路，分别在35PWM、140PWM、280PWM方波的调制下，输出幅度受控的35 Hz、140 Hz、280 Hz方波信号(35 Hz_SIG、140 Hz_SIG、280 Hz_SIG)，从而实现了信号产生、自动功率控制的目的，使得仪器具有更宽的地层电阻率适用范围。

3.2 辅助监督电路

在0.2 m高分辨率数字聚焦双侧向测井仪中，辅助聚焦指的是模式1和模式3中A1、A2等电位。

辅助监督电路的主要作用是拾取A1、A2电位差，差分放大后，经过中心频率为35 Hz和40 Hz的带通滤波器处理后，得到模式1和模式2工作时A1、A2之间的电位差，其原理框图如图4所示。

图4 辅助监督电路原理框图

辅助监督电路主要由前放电路、35 Hz高Q值带通滤波器和140 Hz高Q值带通滤波器组成。

N1是仪用放大器AD620，可以保证检测微弱信号时的测量精度，满足高分辨率双侧向仪器要求。

模式1的35 Hz带通滤波器和模式3的140 Hz带通滤波器均采用II型多路反馈带通的Q值倍增电路。35 Hz频率带通滤波器(由运算放大器N2、N3及其外围电阻电容组成)的Q值为20，3 dB带宽为1.75 Hz，中心频率处的增益为1.83；140 Hz频率带通滤波器(由运算放大器N4、N5及其外围电阻电容组成)的Q值为20，3 dB带宽为7 Hz，中心频率处的增益为1.83。

图4中的A1*、A2*、A2*′均为信号取样电极，没有电流，其中A1*为电极系上的一个金属环，A2*、A2*′为电路芯架上的一个弹簧片，分别与A2、A2′(即上、下A2)的内壁可靠接触。由于A1的尺寸比A2小得多，因此A1表面的电流密度将比A2大得多任何极化效应或接触电阻对A1的影响比对A2大得多，因此以A1*电位替代测量A1电极金属表面的电位，以A2*、A2*′的电位分别代替A2、A2′的电位。通过测量A1*与A2*、A1*与A2*′电位差的平均值代替A1与A2之间的电位差。

从图4可以看出，A1*与 A2*、A2*′电位经过AD620差分放大，送入两个带通滤波电路，分别得到模式1和模式3工作时A1与A2之间的电位差(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)，这两个信号将通过模式2发射电路反馈到A1和A2上，实现模式1和模式3的A1、A2等电位。

3.3 模式1发射电路设计

模式1发射电路将模式1的35 Hz电流经A1和A2发射入地层，回到远回路电极B，图5为电路原理框图。

图5 模式1发射电路原理框图

如图5所示，模式1发射电路主要由35 Hz高Q值带通滤波器和功率放大电路组成。图中的N1、N2、N3为运算放大器，N4为高温功率放大器TD823。

幅度受控的模式1方波信号(35 Hz_SIG，来自DSP)经过带通滤波后，得到正弦波信号，再进行功率放大，接到变压器T9的初级，耦合到T9次级，一部分电流从A2输出到B，另一部分电流由经过T10次级，由A1输出到B，实现了模式1的信号发射。

在设计中，35 Hz带通滤波器采用I型Q值倍增的多路反馈带通滤波器，由运算放大器N1、N2及其外围电阻、电容组成，其中心频率35 Hz，Q值为10，3 dB带宽为3.5 Hz，中心频率处的增益为2。

在模式1发射回路中，需要尽量避免模式2和3有漏电流从远回路电极B返回。由于模式2和模式3的正常回路很近，距离电极B很远，因此只有很少的漏电流从B返回，但是仍然对测井结果有影响，因此在设计上需要采取如下措施：1)功率放大电路设计为电流源形式；2)变压器T9的次级对于280 Hz和140 Hz正弦信号属于高阻抗。

3.4 模式2发射电路设计

模式2发射电路有两个作用，其一是将模式2的280 Hz电流经A1发射入地层，回到A2；其二是辅助监督电路测量的模式1、模式3反馈信号(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)耦合到A1、A2上，实现这两个模式的辅助聚焦。

模式2发射电路原理框图如图6所示。

图6 模式2发射电路原理框图

模式2发射电路由280 Hz带通滤波器、加法器和功率放大电路组成。

280 Hz带通滤波器采用I型Q值倍增的多路反馈带通(MFBP)滤波器，由运算放大器N1、N2和外围电阻电容组成，其中心频率280 Hz，Q值为10，3 dB带宽为28 Hz，中心频率处的增益为2。

加法器由运算放大器N3及外围电阻组成。

由于模式2的变压器T10是三个模式电流的共同通道，因此设计中将功率放大器(运算放大器N4、功率放大器TD823及外围电阻电容组成)设计为电压源形式输出，变压器T10对三个频率都是低阻抗。

从图6可以看出，幅度受控的280 Hz方波(280 Hz_SIG，来自于DSP)经过带通滤波后，得到正弦波信号(280 Hz_SIN)，该信号与辅助监督电路测量的模式1、模式3反馈信号(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)叠加后，得到的混频信号经过功率放大后，采用电压源的输出方式驱动模式2变压器T10，并由A1发出，回到A2，不仅实现了模式2信号的发射，还实现了模式1和模式3的辅助聚焦。

3.5 模式3发射电路设计

模式3发射电路将模式3的140 Hz电流经A0发射入地层，回到电极A1、A2，图7为电路原理框图。

图7 模式3发射电路原理框图

如图7所示，模式3发射电路主要由140 Hz高Q值带通滤波器和功率放大电路组成。图中的N1、N2为运算放大器，电流源模块为高温大功率集成厚膜VI电路。

幅度受控的模式3方波信号(140 Hz_SIG，来自DSP)经过带通滤波后，得到正弦波信号，通过电流源模块放大后，以电流源方式连接到A0、A1，电流从A0输出，输入到地层，一部分电流由A1返回，另一部分由A2途经变压器T10次级返回，实现了模式3的信号发射。

在设计中，140 Hz滤波器采用I型Q值倍增的多路反馈带通滤波器，由运算放大器N1、N2及其外围电阻、电容组成，其中心频率35 Hz，Q值为10，3 dB带宽BW为14 Hz，中心频率处的增益为2。

模式3的电流输出回路设计是0.2 m高分辨率数字聚焦双侧向测井仪的关键。从图2中可以看出，由于模式发射回路距离的原因，模式1和模式2电流极易从模式3泄漏，对测量结果的影响非常大，为此电流输出不采用变压器耦合驱动的方式，而是采用VI电路直接输出。VI电路主要部件是一个压控电流源，其输出阻抗非常高，有效避免了模式1和模式2的电流流过，对模式工作的独立性起到了关键作用。为了提高可靠性与稳定性、简化电路设计，选用商用化的集成厚膜VI模块。