交叉偶极声波组合测井仪电路分析及故障排除

杜黎君，陈 超

(1.中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司 河南 濮阳 457001；2.中国石油测井公司西南分公司 重庆 401120)

0 引 言

交叉偶极声波组合测井仪(XMACⅡ)的横波测量能有效评价特低孔渗储层，满足页岩气储层在岩性、物性、岩石力学和含气性等方面研究的要求，是页岩气开发中测井的必测项目。随着西南地区页岩气勘探力度的不断增加，XMACⅡ在钻输井、水平井(井内高H2S含量)等恶劣环境下的施工量也随之加大，导致仪器故障不断发生。本文对交叉偶极声波测井仪出现的电路故障做出了准确判断，为快速维修提供了行之有效的解决方法，缓解了增大的施工量与有限的仪器数量之间的矛盾,有很强的操作性和实用性。

1 仪器简介

1.1 交叉偶极声波测井仪器组合

图1为交叉偶极声波测井仪器组合示意图，包括8道声波线路(1677EA)、接收探头和接收线路(1678MB/MC)、隔声体(1678PB)、发射探头(1678BA)和发射线路(1678FA)。

图1 交叉偶极声波测井仪器组合

1677EA根据接收到的经M2命令模式下发的命令，完成对XMACⅡ的发射和接收控制、数据采集，并将仪器状态和获取的采集数据通过M2及M5上传；1678MB/MC接收探头被配置为8个接收器阵列，每个接收器由4个成90°分布的接收晶体组成，接收线路将模拟声波信号做不同组合，形成全波波形、同相偶极波形、交叉相偶极波形和声波时差信号；1678PB阻止接收发射探头发出的未经地层的声波信号；1678BA由变压器升压电路和3个发射晶体组成；1678FA为1678BA提供发射脉冲和发射晶体选择。

1.2 几个概念

在故障分析前，需要了解几个概念和地面操作，以利于对XMACⅡ相关电路的了解，是排除仪器故障的基础。

1.2.1 操作控制表(OCT)

操作控制表是定时自动经M2命令模式下发的数据请求命令和需要操作员介入来设置下井仪器状态的交互命令，对于交叉偶极声波测井只有测井状态，对应的地面操作是打开SwACT中所选Subset。OCT用于建立M2和M5下行通讯[1]。

1.2.2 仪器状态

仪器状态是CPU的自测结果和DSP的工作状态，是命令执行结果的上返。由1677EA的CPU板经M2数据模式上传，用于建立M2上行通讯。M2的命令下发和数据上传构成完整的M2通讯，通过XMACII STATUS窗口中的仪器状态可获知M2通讯是否建立，地面系统和操作员就是依椐这些仪器状态判断下井仪器是否正常。

1.2.3 波形数据

波形数据是数字化的波形信号，只有在M2通讯建立后，波形数据才能在点击SwACT中选定的Subset后经M5上传，建立完整的M5通讯，此时遥测窗口T5有绿灯显示。由于数据量巨大，采用高速M5数据模式上传。

1.2.4 井下设置(Subset)

井下设置是对不同声波测量所需发射晶体、接收晶体、各接收信号及其组合的自动增益的选择命令，如Subset6要采集3个循环(Subcycle)，第一个循环是单极子全波，采集8个接收晶体的330个字；第二个循环是同相偶极子，采集8个接收晶体的300个字；第三个循环是四极子声波时差，采集4个接收晶体的100个字。可以看到每个循环都会用到的发射和接收晶体是不一样的。对应的地面操作，在采集主菜单TOOL、XMACII: MONOPOLE TOOL CONTROL中选择Subset6，点击download，这组由10字节组成的指令就由地面经M2、CPU板送至1678MB/MC接收电路和1678FA发射电路的寄存器中[1]。

2 电路故障分析与排除

2.1 8道声波线路1677EA

1677EA由CPU电路和2块DSP电路组成。根据接收到的经M2命令模式下发的命令，完成XMACⅡ的发射和数据采集，并将仪器状态和获取的采集数据通过M2及M5上传。图2为1677EA电路原理图(以主DSP板的DSP1数据通道为例)。

图2 1677EA电路原理图

2.1.1 CPU板电路常见故障

小队通常反映的“无通讯”[2]是指没有M5通讯。对此首先要确定M2通讯是否正常，若M2无通讯，M5通讯也不会正常。查看状态窗口中的仪器状态，如果各状态栏为空白，就说明M2通讯没建立。CPU板有2个重要的LED指示灯，DS2指示命令接收，DS3指示数据上传，仪器上电或点击重新初始化(Tool Re-Init)，这2个灯都不亮，表明CPU不能初始化，电源、晶振、复位芯片及周边器件、EPORM都可能出问题。以上故障排除后，若M2仍无通讯，再检查M2接收和发送变压器、接收器和驱动器及可编程门阵列。

M5通讯针对CPU和DSP间的接收和发送串口及M5驱动器及变压器、可编程门阵列。2个DSP板也会影响M5通讯，可通过查看状态窗口中的DSP状态确认。

2.1.2 DSP板电路常见故障

1)波形信号无上传 检查时可在仪器下45芯连接头的8个输入端加1 kHz、3VP-P正弦波。如果所有信号或从板4道均无上传，而DSP状态正常(点击状态窗口查看)，则检查主板的FPGA的A/D触发输出(B_ADTRIG OUT)与该板和从板的A/D触发输入(AD_TRIG_IN)间的连线。如果所有信号或从板4道均无上传，而DSP状态有错误提示，则检查相应DSP是否处于采集模式；对于所有信号无上传还应检查串行接收的时钟、接收同步帧和数据接收信号；检查串行发送的发送同步帧和数据发送信号。

2) M5无通讯 8个DSP采集通道都有各自的地址，CPU必须下发8次数据请求命令，才能完成Subset中的一个子循环，每个DSP在上传数据期间，其BUSY为低电平。注意8个BUSY不会同时都为低电平，因为每块板上的4个DSP不能被同时寻址(而2块板可同时被寻址，所以2块板上的数据是同时送到CPU的)[3]。

如图3所示，8个DSP在接到来自CPU的命令时，各自的BUSY都为1，BUSY-OUT为1，在执行命令即数据上传期间，BUSY1为0时，BUSY-OUT依然为1，只有等到最后的BUSY8为0时，BUSY-OUT才为0。主板的与门用于监测从板，只有等到BUSY8为0时，与门才输出1。这8道中任一个出错， BUSY-OUT自始至终都为1，可以看出BUSY-OUT是对8个通道的数据上传时间的监测，这段时间一结束BUSY-OUT表现为低电平，如果这段时间结束后BUSY-OUT依然保持高电平，就会在状态窗口中的DSP BUSY TIMEOUT出现BUSY超时的错误指示。一个模拟采样点转换为16位数字信号要在8μs内2次触发A/D转换，每次8位，一个模拟信号有3125个采样点，共耗时25ms，在该时间段，地面系统监测BUSY-OUT若一直为高电平，就会停止数据请求命令的下发，造成M5通讯中断。这就是为什么2块DSP都会影响M5通讯的原因。遇到此故障，将主板的BUSY-OUT/(J1-15)与数字地(J1-18)相连，在保证通讯畅通的条件下，检查BUSY1～BUSY8，故障在高电平通道。

图3 DSP道BUSY逻辑

2.2 发射探头1678BA、发射线路1678FA常见故障

2.2.1 发射探头不发射

发射探头1678BA中的发射晶体破裂、变压器短路都会造成不发射。1678BA变压器电路中的电阻阻值变大或断开会造成偶极子晶体发射声音小或不发射。若是1678FA引起的不发射，可先检查升压电源的410VDC，再检查发射控制电路的的发射选择控制和点火脉冲。

2.2.2 电流大

1678BA与1678FA的故障都会让电流变大。1678BA中的晶体绝缘不好、变压器对地短路都会造成电流过大。通过检查1678BA下连接头19#对地绝缘能快速判断各晶体变压器初级是否正常，而对各晶体的判断只能在确定1678BA电流大后拆开皮囊，断开与各变压器次级连线做检查，同时检查变压器次级、电阻和二极管。

有3种检查晶体的方法：测量电容值，单极子68 nF左右、四极子31 nF左右、偶极子106 nF左右，如果容值过大，绝缘有问题；测量对地电阻，无穷大为正常；测量导纳，测量时单极子和四极子的频率在12～16 kHz，偶极子在1～10 kHz，如果无导纳圆或无规则、缺口大，该晶体不能使用。

1678FA的工作电源有1#、4#提供的180VAC交流，用于升压电路，正常电流80 mA左右；还有5#和7#提供的15VDC直流，用于2个发射电路，正常电流1.4 mA左右。可以用交流面板和直流电源分别检查升压电路和发射电路，判断故障所在。1678FA升压电路如图4所示。

图4 1678FA升压电路

若升压电路电流大，根据图4，焊开D5正端，将电路分为两部分，一部分为整流、滤波，一部分为Q1、D6、比较器和PWM组成的闭环。再次供180 VAC，如果电流大，故障就在整流、滤波部分。如果电流不大，故障在闭环电路。负责能量转移的L2电感有5 Ω阻值，如果电阻减小，会引起电流增大；Q1若源极与漏极导通，也会引起电流增大。

2.2.3 发射晶体只发射一次

曾遇到一个故障，仪器供电正常，但Subset1下载后，单极子、偶极子、四极子只能各响一声，随之缆头电压下降50 VAC，电流满偏、M5无通讯。遇到此种情况，下载其他Subset，如Subset9(单极子、四极子工作，偶极子不工作)，仪器工作正常，缆头电压只有10 VAC左右摆动，那么故障在偶极子发射电路。能对缆头电压造成影响的是在点火脉冲控制下，410 VDC电源的充放电，而偶极子发射电路与单极子、四极子发射电路的最大不同是点火时间，该时间由各自单稳态触发器的R×C值决定，如图5所示。检查发现，偶极单稳的C不对，因此造成点火时间过长，410 VDC放电过多，将缆头电压拉下，致使仪器串不能正常工作，M5掉通讯；由于放电过多，在下一次循环中不能及时充电，所以只进行了一次采集循环。更换电容后，在Subset1下仪器工作正常。

图5 1678BA高压脉冲变压器电路与发射晶体、1678FA发射电路

2.2.4 细节注意

1678BA中的发射晶体和变压器升压电路、1678MB/MC的接收晶体及电阻被包裹在皮囊中，皮囊内充满硅油，仪器在测井过程中，井中H2S很容易侵入皮囊，而皮囊中晶体的陶瓷和金属片之间的黏合剂、变压器线圈的绝缘漆、电阻及皮囊本身都是不耐硫的，长时间浸泡在含有H2S的硅油里会影响晶体和变压器的绝缘，电阻阻值增加或断开，所以仪器完成高含硫井施工后，应及时更换硅油，没有条件时要打开仪器上下的注油塞，尽量排除H2S气体。

2.3 1678MB/MC接收电路常见故障

如图6所示，以R1为例，1678MB接收电路利用多个放大器将4个晶体的独立接收信号做4种组合[4]：

X偶极信号：R1X=(X2-X1)

Y偶极信号：R1Y=(Y2-Y1)

单极信号：M1=(X1+X2)+(Y1+Y2)

四极信号：Q1=(X1+X2)-(Y1+Y2)

由此可形成8道单极子全波波形、16道同相偶极子波形(8道X发射X接收和8道Y发射Y接收)、16道交叉偶极子波形(8道X发射Y接收和8道Y发射X接收)以及4道四极子声波时差。测试信号是在点火脉冲控制下，由单稳态和精密电源产生的用于诊断的接收信号。接地信号用于剔除信号偏置，提高测量精度。

1678MB/MC 有2个相同的接收电路板，每块板接收4道信号。每块接收板都有4个移位寄存器，这8个寄存器用于接收Subset的10个字节中的8个，分别对8个接收阵列和自动增益进行选通和控制。上述10种信号进入多路器，在Subset字节控制下上传到1677EA做模数转换。

1678MC的接收电路是1678MB的升级。图7是以一个接收器为例的接收电路。对X偶极、Y偶极、单极和四极声波信号的组合是通过3个模拟开关和1个加法器实现的，这是相比于1678MB电路的巧妙之处，尽可能精简了硬件，同时新增了对这4种声波信号的7 kHz和14 kHz测量，Subset也相应增加了频率选择。就是意味着在选择服务表做仪器配置时，一定要注意与仪器串中接收探头型号相匹配。该电路可获取64种信号，比1678MB增加了一倍。

图6 1678MB接收电路

常见故障是一道或几道无信号或增益过大。每个接收晶体的电容值约为2.8 μF，电阻值10 MΩ。对于接收探头，检查对应道的电阻、电容。如果接收电路有问题，可在线路输入端加正弦信号：若是全波波形不对，加2 kHz、1VP-P正弦信号；若偶极子波形不对，加5 kHz、1VP-P正弦信号，沿对应的数据通道逐一排查。

图7 1678MC接收电路

3 结束语

地面系统与声波线路1677EA的CPU之间的通讯是根据OCT命令下发和仪器状态、波形数据上传，以M2命令模式、M2数据模式、M5数据模式完成的。CPU与不同外设(1677EA的DSP板、1678MB/MC的接收电路和1678FA的发射电路)间的通讯是通过CPU与各DSP板、接收电路、发射电路的串行接口实现的。本文将地面操作与电路实现相结合，对遇到的一些复杂的、典型的故障做详尽分析，以帮助维修人员快速排除仪器故障。