基于震电测井的信号收发系统设计

王诚至，孙向阳

（电子科技大学 电子科学与工程学院，四川成都，611731）

0 引言

在油气资源勘测领域当中, 如何在目前已有技术的基础上进一步提高探测及开采的准确性,一直是该领域研究人员关注的重点。基于这种研究目标，对于应用震电效应原理的震电测井技术的研究近年来愈加火热。震电效应是指在含有流体的孔隙介质当中会形成一种双电层结构,正负离子分别吸附在固液交界面两侧,当受到外界震动作用后,正负离子会产生相对位移,从而辐射出电磁场,产生震电信号。而震电测井的目的就是通过仪器采集该信号并做相应的信号处理,最终通过对处理后信号的波形数据做分析,从而得出所探测地层的一些参数,而准确的地层参数是该区域是否具有开采价值的重要判断依据。

1 设计思路及概述

该系统设计的目标瞄准石油储层评价的震电测井技术应用，设计最终目的是研发用于孔隙地层震电效应激励与震电信号辐射传播测试的科学仪器。该系统的设计思路方面，因为该仪器工作于钻井中，主要可以概括为发射和接收两个部分，发射部分要求能在地层中有效激励并传播声信号，接收部分要求能在不同测量距离上接收经声电转换后的震电响应信号。 基于上述设计思路，该系统的设计应该分别从发射和接收两个方面进行考虑，最后再整合为一个完整的系统。

发射部分需要考虑的问题如下：

（1）发射信号选择：传统测井仪器的激励波形通常采用的是瞬态宽频激励，如重复单周期的脉冲信号，其工作主频主要取决于压电换能器的主频。该波形在时域上持续时间较短，所以在空间中产生的电磁辐射时间相应较短，接收端受其影响较小。但谱线之间的宽度很小，所以每个频谱分到能量非常有限，所以往往需要功率更大的信号去激励声电换能器以取得更为明显的接收信号。本系统在波形的选择上希望发射信号能够在频谱上比较集中，同时时域持续时间不要太长。

（2）发射信号处理电路的设计：发射信号生成后需要放大到一定功率后才能用于激励声电换能器，放大后的信号要求需要不产生失真，且在放大的过程中需要尽量少的引入噪声。

（3）压电换能器设计：压电换能器是震电测井仪器的核心部件之一。其激励能量的大小一定程度上决定了探测系统的效率，根据理论分析，在激励能量足够大的情况下，压电换能器的内部阻抗值越小，其发射信号功率越大，有利于探测距离的增加和接收信号强度的增大。

接收部分需要考虑的问题如下：

（1）接收天线的选择：通过理论分析，本系统主要接收并处理的震电信号强度非常微弱，强度约为μV级别，所以接收天线的设计方面，应该考虑使得原始接收信号具有较好的信噪比。另外因为测井领域所发射和接收的信号频率通常较低，接收天线选用电小天线。

（2）接收端放大器的设计：在地磁弱信号检测处理过程中,接收端需要放大非常微弱频率很低的信号,因此要求放大器具有低噪声、高增益。

2 发射系统设计

■2.1 发射信号生成电路模块

出于以上考虑，该系统选用的激励波形为正弦波调制的高斯信号，其公式如下：

其中：f为被调制的正弦波频率，E为高斯脉冲幅度，u为高斯信号均值，σ为高斯信号的方差。

信号产生电路的实现技术为在FPGA中使用DDS IP核，通过调节频率控制字和相位控制字，得到中心频率为40kHz的高斯正弦信号。之后通过AD9767数模转换芯片进行DA转换得到对应的模拟信号，其产生的电流信号通过AD8065芯片转化为电压信号，在该级电路中调节可变电阻器以实现不同的增益控制，其输出信号最大峰峰值为10V。数模转换电路及流压转换电路的结构图1、图2所示。

图1 数模转换电路

图2 流压转换电路

■2.2 发射信号放大电路模块

发射信号放大电路的功能为将发射信号生成电路产生的高斯正弦信号进行功率放大，使用两路运放放大，分别使用低噪声的OP37放大器芯片利用电压串联负反馈和电压并联负反馈原理得到幅值相同、相位相反的两路信号，接下来分别通过OPA549芯片进行高压大电流放大，即完成功率电路设计，为甲乙类功率放大。其电路主要部分的原理图如图3所示。

图3 发射信号放大电路

■2.3 压电换能器模块

压电换能器部分的等效电路模型如图4所示，根据电路结构可知其属于容性负载，在不同的频率下其阻抗值不同。

图4 压电换能器等效电路

本系统所设计的换能器实物图如图5所示，该换能器通过内部压电陶瓷片并联的方式减小了其在特定频率下的阻抗值，根据测试可知，该换能器的中心工作频率为40kHz，瞬时最高功率为180W。

图5 压电换能器实物图

3 发射系统设计

■3.1 接收天线模块

基于设计目标中对天线的要求，本系统的设计选用经过电容调谐的磁棒天线（磁偶极子天线）作为信号接收天线，磁棒天线磁芯采用锰锌磁棒，通过漆包线进行绕制，其示意图如图6所示。由于通过调谐，该天线具有更高的Q值，对窄带信号的接收具有较好的接收效果，其频率特性曲线如图7所示。而且经过实验验证，该天线接收信号幅值受天线距离岩石表面距离影响相对较小。

图6 磁棒天线示意图

图7 自绕磁棒天线频率特性曲线

因为本系统主要关心斯通利波激励的震电信号幅度，该信号的波形与激励波形具有较高的相关性，所以磁棒天线能够较好地适用于该系统。

■3.2 接收信号放大电路模块

接收信号的放大电路主要采用放大器级联的方式实现，因为其中首级放大器噪声系数和增益对整个系统最为重要，所以此处主要研究前端仪表放大器电路。基于设计思路中对接收端放大器的要求，本系统仪表放大部分的电路原理图如图8所示。

图8 仪表放大电路原理图

电路采用TI公司低噪声、低失真的仪表放大器芯片INA103实现。INA103具有低噪声、输入失调电压小、输入偏置电流小、高共模抑制比等优良特点，增益通过单个电阻设置，变化范围为1～1000，且带宽在甚低频频段基本不变，满足工作频率要求。

4 系统测试情况

本系统的测试在井筒半剖面模型实验装置中进行，水槽模型的尺寸为4m×0.6m×0.6m，水槽实验装置的截面图与俯视示意图如图9所示。

图9 井筒半剖面模型示意图

该实验模型与实际井筒尺寸相当，能够有效地模拟测井环境来验证测井仪器的有效性。

本系统验证主要通过改变发射压电换能器与接收天线之间的距离，利用示波器观察接收震电信号的变化测试了该系统的效果。此处选取发射压电换能器与接收天线距离1.8m情况下的示波器观测到的震电信号波形图为例，如图10所示。

图10 震电信号波形图

根据实验结果可知，该系统接收到的斯通利波产生的震电信号在0.5～3.5米内的信号较强，且波形中毛刺较少，可用于下一步的信号处理。

5 结语

本系统基于震电测井原理，设计、制作并测试了震电信号收发系统。该系统整体上包括收发信号处理电路、压电换能器、接收天线三个部分，通过在井筒模型中的实验验证证明了震电信号用于地层参数分析的可行性，也为下一步将接收信号数字化处理分析以及“全波”震电测井仪器的研制打好了基础。