井中激电仪阵列式采集系统设计

2022-02-25毛玉蓉郭庆明

科技和产业 2022年1期

周济，毛玉蓉，郭庆明

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,武汉 430100；2.中国石油集团测井有限公司,西安 710077)

激发极化法(IP)是一种有效的勘察多金属和贵金属硫化物矿床的电磁勘探方法，将其用于测井中就形成了井中激发极化法(以下简称井中激电或井中IP)，井中IP可以充分利用已知的钻孔信息，使用地-井、井-井和井-地的勘探模式，在追索矿化带、估计可见矿深度和查证地面激电异常等方面发挥重要的作用。该方法可充分依靠已知的钻孔信息,在发现井旁、井底盲矿，追索矿化带，估计见矿深度，查证地面激电异常等方面发挥重要作用。

国内外激发极化探测技术研究与仪器开发以地面探测为主，先进仪器的代表有法国 Iris 公司的 Elres-6 激电仪、美国的 ZONGE 公司 GDP 系列和加拿大凤凰地球物理公司的 V8 系统等。国内主要有继善高科开发的 DS2 双频激电仪、北京地质仪器厂的 DGS-9 激电仪和重庆奔腾公司的 WDJD-4 多功能数字直流激电仪等。就目前调研情况来看，仪器的功率、灵敏度、深部高温高压条件的适应性等方面还达不到实用要求。尤其是井中激电仪的采集系统基本都是放在地面，传感器置于井中，通过传输线缆将激电信号送至地面，很少将采集系统置于井中，即便有仪器下井深度也较浅，尚未突破1 000 m，难以满足 3 000 m以浅的矿产勘查要求[1]。

现阶段所面临的主要问题是浅部资源开采逐渐枯竭，深部资源的探测与开发成了摆在国内外众多科研机构面前的重要课题。本文提出一种井中激电仪多通道采集系统，分辨率达到0.1 μV,耐温150 ℃，耐压100 MPa，可进行3 000 m井深的探测。

1 原理

激发极化法是以岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究地下介质的激电效应的分布规律，达到勘查地下地质分布的一种电法勘探方法。它是向大地供入稳定的大电流，地下底层发生复杂的电化学过程，采用一定极距的装置形式，观测测量电极之间的电位差，研究地下横、纵向激发极化效应的变化[2-3]，达到探测深部资源的目的。观测参数为一次场电位差ρ(0)=KΔV(0)和二次场电位差ΔV2，K为装置系数，计算参数为视极化率η(T,t)、等效电阻率ρ、充电率M和激电率G。

井中激发极化法有多种装置进行探测，本文主要以地-井(地面发射，井中接收)方式研究井中激电仪的阵列接收系统，如图1所示。

图1 地-井工作方式

图2为岩矿石标本上观测到的电位差变化曲线。当通过供电电极A、B向标本供电时，测量电极间观测到的电位差仅与标本的导电性相关，即电流流过标本时由于欧姆电阻形成的电位差，称为一次场电位差ΔV1,在稳定电流场中ΔV1不随时间变化。当供电延续一定时间后，由于标本物化特质，标本会被极化，由于激发极化产生的二次场电位差ΔV2随时间逐渐变大，因而电位差曲线随时间很快增大，最后缓慢趋于某一饱和值[4]。显然，此时观测到的电位差ΔV(T)是一次场电位差和二次场电位差之和，即

图2 矿化石标本激发极化效应过程

ΔV(T)=ΔV2(T)+ΔV1

(1)

当切断供电电流后，一次场电位差立即消失，被极化的标本在激发极化电动势推动下通过标本本身和周围的溶液放电。此时的二次场电位差ΔV2(t)将随时间衰减逐渐趋于0。实践证明，充电达到饱和的二次场电位差和断电瞬间的二次场电位差是相等的，即

ΔV2(t)|t=0=ΔV2(T)

(2)

根据一次场和二次场的电压差，在二次场与电流呈线性关系的条件下，极化率η(T,t)由以下公式定义：

(3)

由于ΔV2(t)和ΔV(T)都与供电电流成正比，因此极化率与电流无关，但取决于供电时间T和测量延迟时间t。

利用测得的一次场电位差ΔV1[ΔV(0)]，可以计算出介质的电阻率：

ρ=KΔV1或ρ(0)=KΔV(0)

(4)

在二次场和总场与电流成线性关系条件下，也可用总场电位差ΔV(T)计算出包括介质激发极化效应在内的等效电阻率：

(5)

充电率M的公式为

(6)

研究岩矿石的激发极化性质还可直接利用二次场及其时间特性，当直接利用二次场电位差时，可计算参数激电率G，即

G=KΔV2(t)

(7)

综上，激电法算等效电阻率需要的主要参数就是一次场和二次场的电压值，因此采集系统的主要采集参数就是实时电位和电位差数据，将数据采得后再进行数学处理即可求得电阻率和极化率等参数。

2 系统方案

根据激发极化法勘探方法，井中激电仪阵列采集系统结构上不仅要能适用于小井径大深度的矿井，还需要采用充电法和极化法两种模式观测。因而要从硬件上解决充电信号动态范围大而极化信号动态范围较小的矛盾，各通道相互独立，可灵活调整电极距，同时采集，按照一定数据格式记录存储时间序列。图3所示为采集系统的整体方案设计结构。

图3 井下采集系统结构

整体系统结构分为两部分：各采集子节点和系统主控节点。各采集子节点有独立的 ID，进行电位和电位差信号的测量，采集数据通过CAN总线传输至总控节点，由主控节点来进行总线仲裁，进行数据的内部传递，并且各采集板电源隔离，信号也隔离。这种结构可以保证各通道完全独立。即使有某一个通道故障，也能保证探测工作正常进行，不会中止探测。采集子节点由前置仪表放大器、滤波器、程控增益放大器、模数转换器 ADC、低失真数模转换器DAC、供电电源等部分构成。由于电位差和电位测量输入方式有差异，这两部分模拟通道电路将分开设计，实现充电电位和放电电位的采集。考虑到井中弱信号采集，而接收电极之间间距至少 1 m以上，在系统结构上采用就近原则，每个电极连接一个采集单元，可以在结构上就抑制了干扰信号。

激电仪采集系统进行全波形采集，既要测量大电流供电时的总场电位，又要测量关断后的二次场以及极化信号，经过数值模拟计算，信号之间数量级差 3～5个数量级，这就要求仪器的动态范围足够大，同时又要保证极化弱信号的采集的分辨率。系统中采用高精度耐高温的 32 位 A/D 转换器 ADS1282，为了仪器标定，加入了配套的DAC1282作为标准信号。图4为数据采集子节点结构。

图4 数据采集子节点结构

主控板没有采集模块，在采集系统中作为通信中枢和数据存储点，连接了耐高温高可靠性的NAND型存储器，在接收到来自采集板的数据后，即时上传的同时，并行传输存储到存储器里，便于后期的数据二次调取。图5为主控板的功能结构图。

图5 主控板功能结构

3 ADS1282特点及使用配置

3.1 ADS1282简介

前文提到了采集系统要采集的电位数据会跨越多个数量级，因此整个数据采集系统性能的关键是ADC芯片的选择。经过比较分析并基于高精度、大动态范围和低噪声的考虑，本系统选用TI公司的ADS1282作为核心ADC器件[5]。

ADS1282是德州仪器 (TI)公司生产的一款用于地震监测和能源勘探且具有PGA的超高分辨率 4kSPS 2通道Δ-Σ ADC，ADS1282(以下简称AD)具有以下几点突出优点[6]：①AD具有双通道输入多路复用器，可以方便井下完成标定和采集工作。AD可以用于-55～210 ℃的工作环境，因此可以在井下保持工作，在210 ℃的温度下，功耗为25 mW,不会对电源提出过高的要求；②高精度。总谐波失真(THD)为-122 dB，积分非线性(INL)为0.5 ppm；③灵活的数字滤波器。可选择 Sinc+FIR+IIR 滤波的不同组合方式，其中 FIR 滤波方式可编程设置为线性或最小相位响应，数据输出率可在 250 SPS 至 4 KSPS 之间选择。

3.2 ADS1282的初始化配置

图6为AD的简化电路原理图。从图6可以看出，AD与MCU的通信方式为SPI通信，SPI通信的缺点在于若有多个从机，则会占用大量的主板引脚。这套采集系统里，每个MCU只与一个AD进行数据通信，很好地规避掉了SPI的缺点，保留了SPI通信速率快、可靠性高的优点。AD双通道的输入编辑寄存器CONFIG1中MUX[2:0]的值为 “010”全部启用，将其一个用于转换电极采集的数据，一个用于接收来自DAC的标准信号进行标定等工作，减少接口复用，提高效率。在进行AD调试的时候，未使用的数字输入端不能悬空[7]，需将它们接 DVDD 或 GND。AD的通信时序部分无法编辑，因此在MCU进行SPI设置的时候，要将MCU作为SPI主机给AD提供串行时钟信号，但工作模式要遵从AD的要求。经过调试，AD的SPI工作模式应该设置为空闲时为低电平，串行输出数据在始终从工作状态转变为空闲状态时变化(或者数据变化在第二个跳变沿)，且在数据输出时间结束时对输入数据进行采样。

图6 ADS1282简化电路原理图

AD是32位的高精度模数转换器，AD自配置了两个校准寄存器：offset(偏移)寄存器和gain(增益)寄存器，AD在进行数据采集时，由于量化数据可能会引入这两种误差，所以需要在进行采集前进行两种误差的矫正。矫正流程如图7所示。

图7 ADS1282校准流程[8]

由图7可知，校准的最好方式是设定一个校准指令，收到指令后识别偏移校准或是增益校准，然后切换相应的MUX通道和DAC的输出电压，AD会自己采集并平均出一个24位值，然后自动写入到对应的校准寄存器里来完成校准。随后可以访问两个寄存器，除了自动校准，也可以手动测值，然后写入到寄存器里去。偏移寄存器的值写入零飘值即可，增益寄存器写入值的计算公式为

(8)

AD的初始化还应包含同步方式(脉冲同步或连续同步)，这套采集系统每个采集单元都只连接一个电极，因此同步不在AD进行，而是在CPU上由GPS信号进行同步。数字滤波器的选择也是需要考虑的，一般选择正弦+低通滤波。

从不极化电极采集到进入AD之前需要经过滤波电路和前放电路，尽可能地过滤掉噪声，同时在前放电路中加入了PGA，可以在仪器采集时，根据采得的信号大小进行增益调节，避免AD超量程或者信号微弱导致检测不到的问题，这就需要在实际使用时检测AD的数值来进行实时调节。

3.3 DAC1282的初始化配置

对于接收单元，很重要的一点是要有足够标准的信号来进行标定和校准工作。DAC1282(以下简称DA)是TI公司生产的一种高性能数模转换器，可提供正弦、脉冲、直流3种波形且支持外部数据流输入。其出色的耐温能力(-50～125 ℃)和低功耗以及高信噪比是选用这款器件的主要原因。

DA的接口同样也是采用SPI接口，工作模式与前文AD相同。数字增益和模拟增益一般设为1，即发出信号的幅值为±2.5 V，处于AD的检测极限，若AD采集的数据常出现超量程的情况，可将模拟增益调低来避免AD饱和。

DA的信号产生配置较简单，将GANMOD寄存器设置为对应的值即可转换为对应的信号，然后根据不同信号选择不同的寄存器进行频率、幅值等参数的写入，即可产生对应的信号。

4 阵列式通信结构

井下设备多时，就需要搭建通信网络，这里主要用CAN总线。CAN总线上的数据是以数据帧的形式进行通信的，CAN总线上的任何报文都会被所有的CAN节点进行接收，然后每个节点的过滤器与接收器会与报文信息中的ID进行匹配，当匹配吻合时，报文会被接收，否则不存入接收器。在一个数据帧结构中,帧起始是总线上的SOF(显性)，随后的仲裁段里面包含了标志位SID(扩展数据帧还有EID),仲裁段存放各节点的 “地址”信息，用于判断信息是否接受，之后的控制段用于规定数据段的长度，数据段长度可变，单帧的数据段长度为0～8 BYTE，CRC段是CAN模块自带的校验段，消息发送方通过在帧里添加一个CRC帧检测序列来保证安全。

这套采集系统中，主控板就是CAN通信中的“主机”，地面的指令由主控板下发到各“从机”采集板，这样就有效避免了各节点报文互相干扰，也能更高效地提取到有效命令。需要提到的是，在CAN总线上，不可避免地会有多个节点同时往总线上发送帧的情况，此时数据并不会产生紊乱，而是会根据发送节点的地址，高地址先发，低地址后发，所以可以通过编辑各节点的SID寄存器来决定优先级，虽有先后顺序但CAN的通信速率极快，完全不必担心因此而影响即时性或者同步性的问题。