動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門百永，鞠曉東，喬文孝，王德國(guó)，盧俊強(qiáng)，賀海龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.北京市地球探測(cè)與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；3.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；4.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司華北事業(yè)部，河北 任丘062552）

0 引 言

動(dòng)電效應(yīng)（也稱聲電效應(yīng)）在石油勘探方面有著重要的研究?jī)r(jià)值，特別是在地層滲透率的評(píng)價(jià)方面有著其他測(cè)井方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)電效應(yīng)在測(cè)井領(lǐng)域的應(yīng)用開展了廣泛的研究［1］，如Zhenya Zhu和胡恒山［2］教授分別進(jìn)行了動(dòng)電效應(yīng)的測(cè)井模型實(shí)驗(yàn)，并測(cè)量到了動(dòng)電效應(yīng)信號(hào)（聲波激勵(lì)時(shí)，接收到電場(chǎng)信號(hào)；交變電激勵(lì)時(shí)，接收到聲波信號(hào)）。為推進(jìn)動(dòng)電效應(yīng)在測(cè)井領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，中國(guó)石油大學(xué)（北京）聯(lián)合麻省理工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司開展了動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)方法的研究工作，中國(guó)石油大學(xué)（北京）研制了動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器及相應(yīng)的電子系統(tǒng)。該電子系統(tǒng)與中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司的EILog成像系統(tǒng)兼容，整個(gè)探測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試掛接在EILog系統(tǒng)上進(jìn)行。

1 電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)的激勵(lì)、電信號(hào)的接收和電信號(hào)的激勵(lì)、聲波信號(hào)的接收，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的井下聲波探測(cè)器和電法探測(cè)器的功能。動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器的基本功能單元為聲波測(cè)井和電法測(cè)井探測(cè)器的基本功能單元（聲波換能器和電極或線圈）。動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器［3］主要由1個(gè)聲激勵(lì)源（T）、3個(gè)聲接收站（R1、R2和R3）、2個(gè)電激勵(lì)電極（A和B）和4個(gè)電接收電極（E1、E2、E3和E4）組成。因此，電子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)功能。

（1）控制聲激勵(lì)源T的激勵(lì)。既要處理和采集R1、R2和R3接收到的聲信號(hào)，也要同時(shí)處理和采集E1、E2、E3和E4接收到的轉(zhuǎn)換電信號(hào)及其差分信號(hào)。

（2）控制電極A、B的激勵(lì)。既要處理和采集E1、E2、E3和E4接收到的電單端信號(hào)及E1和E2、E2和E3、E3和E4相減得到的差分信號(hào)，也要同時(shí)處理和采集R1、R2和R3接收到的轉(zhuǎn)換聲信號(hào)。

在2種模式下均采集聲信號(hào)和電信號(hào)，這樣可以同時(shí)測(cè)量地層中聲信號(hào)和電信號(hào)的傳播特性，以研究聲、電轉(zhuǎn)換關(guān)系。

根據(jù)動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作特征，研制了電子系統(tǒng)（見圖1）。該電子系統(tǒng)主要由主控電路、高速儀器控制總線、電激勵(lì)電路、聲激勵(lì)電路和聲波信號(hào)、電極信號(hào)處理及采集電路組成。電激勵(lì)電路和主控電路安裝在上電子短節(jié)內(nèi)，為提高聲波信號(hào)和電極信號(hào)的信噪比，聲波信號(hào)、電極信號(hào)處理及采集電路安裝在承壓密封電子倉(cāng)內(nèi)，承壓電子倉(cāng)就近安裝在動(dòng)電效應(yīng)探測(cè)器內(nèi)部。聲激勵(lì)電路安裝在下電子短節(jié)內(nèi)。各功能模塊通過(guò)內(nèi)部高速總線互聯(lián)。動(dòng)電效應(yīng)探測(cè)器及電子短節(jié)的初步設(shè)計(jì)指標(biāo)為耐溫155℃，耐壓100MPa。

圖1 動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)電效應(yīng)探測(cè)器測(cè)量的轉(zhuǎn)換電信號(hào)和轉(zhuǎn)換聲信號(hào)非常微弱，且采集的均為波形信號(hào)，數(shù)據(jù)量大，因此，對(duì)模擬電路的信噪比、儀器內(nèi)部的控制總線的通訊速度及主控電路的數(shù)據(jù)處理能力提出了很高的要求。為滿足上述要求動(dòng)電效應(yīng)探測(cè)器電子系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)，各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)高速儀器控制總線互聯(lián)［4］，有效降低相互干擾，提高模擬信號(hào)信噪比和系統(tǒng)控制的靈活性。

2.1 系統(tǒng)控制總線設(shè)計(jì)

探測(cè)器電子系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，各功能模塊都通過(guò)儀器控制總線（TMB）互聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、靈活控制和高速數(shù)據(jù)通訊，設(shè)計(jì)了基于高速差分信號(hào)的半雙工高速互聯(lián)總線。

TMB由2對(duì)低壓差高速差分線組成，分別為差分時(shí)鐘線和差分?jǐn)?shù)據(jù)線，二者同步工作，便于降低該總線實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和功耗。發(fā)送端同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，輸出數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步，接收端同步鎖存數(shù)據(jù)，使源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)始終邊沿敏感，最大限度地減少時(shí)延影響，獲得最高傳輸帶寬。

TMB為主從模式，主控電路為主控節(jié)點(diǎn)，電、聲激勵(lì)電路和電、聲信號(hào)處理及采集電路為從節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)擁有總線控制權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)只有在收到授權(quán)后才可以控制總線，否則只能處于接收狀態(tài)。主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送同步命令實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。

2.2 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

主控電路主要功能是實(shí)現(xiàn)基于TMB的系統(tǒng)控制、基于CAN總線的遙測(cè)接口和數(shù)據(jù)處理等功能［5］。主控電路采用典型的嵌入式架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 主控電路結(jié)構(gòu)示意圖

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)傳輸中心。在遙測(cè)命令驅(qū)動(dòng)下，控制整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。主控電路控制核心為32bit帶浮點(diǎn)單元的高速DSP，運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)與遙測(cè)短節(jié)互聯(lián)、儀器工作模式的控制、數(shù)據(jù)的緩存等功能。接口控制邏輯采用FPGA實(shí)現(xiàn)，主要完成高速互聯(lián)總線的主控節(jié)點(diǎn)協(xié)議和數(shù)據(jù)的緩沖功能。高速總線接口驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)邏輯信號(hào)與總線差分信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)與EILog成像測(cè)井系統(tǒng)遙測(cè)短節(jié)之間的互連通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)。

2.3 激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

激勵(lì)電路包括聲激勵(lì)電路和電激勵(lì)電路。聲激勵(lì)電路采用傳統(tǒng)的變壓器激勵(lì)模式，為使聲波能量集中輻射到目的地層提高換能器激發(fā)到地層中聲波輻射能量，采用相控線陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器的激勵(lì)［6－7］。聲激勵(lì)電路原理見圖3。

圖3 聲激勵(lì)電路結(jié)構(gòu)示意圖

聲激勵(lì)電路主要由高速總線接口驅(qū)動(dòng)器、邏輯控制器及多路換能器激勵(lì)通道組成。邏輯控制器實(shí)現(xiàn)總線命令的接收、解析及各換能器激勵(lì)的控制，系統(tǒng)主控電路可以通過(guò)高速總線動(dòng)態(tài)設(shè)置聲發(fā)射參數(shù)。換能器激勵(lì)通道主要由激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器、大功率VMOS管以及脈沖變壓器等構(gòu)成。多路激勵(lì)通道在邏輯控制器的控制下，以一定的延時(shí)順序產(chǎn)生3 800V的高壓脈沖激勵(lì)發(fā)射換能器，使聲束集中入射目的地層，提高輻射到目的地層的能量，以獲得有效的轉(zhuǎn)換電信號(hào)。

電激勵(lì)電路主要實(shí)現(xiàn)供電電極的功率激勵(lì)，電激勵(lì)電路原理見圖4。該電路主要由高速總線接口驅(qū)動(dòng)、邏輯控制器、DAC、功率放大器、檢流器、差分放大器、電壓衰減器、濾波器和ADC組成。邏輯控制器是電激勵(lì)的控制核心，其接收系統(tǒng)總線命令，根據(jù)接收命令產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字激勵(lì)信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)濾波、功率放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電極。邏輯控制器同時(shí)控制ADC采集激勵(lì)信號(hào)的幅度和電流，經(jīng)處理后得到實(shí)際施加到激勵(lì)電極的功率。激勵(lì)信號(hào)的幅度和電流數(shù)據(jù)在本地緩存后經(jīng)高速總線上傳到主控電路，而后被主控電路經(jīng)遙測(cè)上傳到地面系統(tǒng)，以方便實(shí)驗(yàn)中及時(shí)調(diào)整激勵(lì)功率。

圖4 電激勵(lì)電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 電、聲信號(hào)處理及采集電路設(shè)計(jì)

動(dòng)電效應(yīng)探測(cè)器在工作中同時(shí)接收電信號(hào)和聲波信號(hào)，并且二者都很微弱。因此，電、聲信號(hào)處理及采集電路主要實(shí)現(xiàn)多路電信號(hào)和聲信號(hào)的低噪聲、大動(dòng)態(tài)范圍放大、高速同步采集及數(shù)據(jù)緩存等功能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的可靠有效檢測(cè)，設(shè)計(jì)中將電、聲信號(hào)處理及采集電路置于探測(cè)器內(nèi)部的特殊密封承壓艙室內(nèi)。圖5為置于密封電子倉(cāng)內(nèi)的聲、電信號(hào)處理及采集電路示意圖。該部分電路主要由聲信號(hào)前置放大器、電單端信號(hào)放大器、電差分信號(hào)放大器、通道選擇器、多通道程控放大及有源濾波器、多通道同步數(shù)據(jù)采集和邏輯控制器等組成。

圖5 電、聲信號(hào)處理及采集電路原理示意圖

經(jīng)前置放大器處理后得到7路電信號(hào)和3路差分信號(hào)，其中3路聲信號(hào)直接進(jìn)入后級(jí)處理電路，電信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開關(guān)選擇為3路信號(hào)分時(shí)輸出，因此，后級(jí)需要同時(shí)處理的模擬信號(hào)為6路，程控放大及有源濾波器和同步數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)為6通道。每通道設(shè)計(jì)增益動(dòng)態(tài)范圍為90dB，以6dB步進(jìn)。有源濾波器設(shè)計(jì)為帶通濾波器，通帶為2～22kHz，高通為四階，低通為八階。該濾波器有效提高信噪比，并使系統(tǒng)抗混疊動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到140dB，充分滿足16bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的要求，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率為500ksps。

邏輯控制器主要實(shí)現(xiàn)高速總線命令的接收、放大電路增益的控制、數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)的緩沖、濾波處理及數(shù)據(jù)的高速上傳等。該邏輯控制器在FPGA中實(shí)現(xiàn)，片內(nèi)固化NIOS系統(tǒng)。利用FPGA內(nèi)部豐富的控制邏輯、運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源及NIOS的實(shí)時(shí)控制功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)控制、波形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)濾波及抽取處理，極大地減輕了主控單元的負(fù)擔(dān)、降低占用儀器內(nèi)部總線的帶寬并提高了波形數(shù)據(jù)的信噪比。

3 主控軟件設(shè)計(jì)

主控軟件是運(yùn)行于DSP中的嵌入式軟件。開放源碼的μC／OS－II操作系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用資源少、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)［9］，適合于井下資源有限的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，因此，設(shè)計(jì)中選用μC／OS－II作為 RTOS。運(yùn)行于μC／OS－II之上的任務(wù)主要有2個(gè)：一是CAN通訊任務(wù)；二是工作循環(huán)控制（見圖6）。CAN通訊任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)CAN控制器的初始化、與遙測(cè)短節(jié)的通訊。當(dāng)DSP的CAN控制器接收到命令后，CAN中斷服務(wù)任務(wù)以郵箱消息的形式將接收數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN通訊任務(wù)。若郵箱消息是數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，則查詢數(shù)據(jù)有效互斥信號(hào)量，若存在有效數(shù)據(jù)，則上傳數(shù)據(jù)，若無(wú)有效數(shù)據(jù)則上傳固定格式的填充數(shù)據(jù)。若CAN郵箱消息為下發(fā)控制命令及深度中斷，則CAN通訊任務(wù)通過(guò)郵箱消息將該消息發(fā)送給工作循環(huán)控制任務(wù)。工作循環(huán)控制任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)總線的控制及通過(guò)高速互聯(lián)總線對(duì)儀器工作循環(huán)的控制。動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器有2種測(cè)量模式，因此，基本的控制循環(huán)也是2種。由于電信號(hào)處理放大及采集電路為3個(gè)通道，所以，每種測(cè)量模式需要3個(gè)循環(huán)才能完成所有電信號(hào)的采集。工作循環(huán)控制任務(wù)啟動(dòng)后，先初始化高速互聯(lián)總線主控節(jié)點(diǎn)控制寄存器，并向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始化參數(shù)，而后等待CAN通訊任務(wù)的郵箱消息。接收到CAN任務(wù)的消息后，根據(jù)接收的控制參數(shù)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)控制參數(shù)，而后通過(guò)廣播同步命令啟動(dòng)各節(jié)點(diǎn)同步工作，等待數(shù)據(jù)采集及處理完成后，通過(guò)高速串行總線讀取數(shù)據(jù)，并存入本地SRAM中，若工作循環(huán)未完成，則根據(jù)控制參數(shù)進(jìn)入下個(gè)循環(huán)。若設(shè)定的工作循環(huán)結(jié)束，則釋放當(dāng)前數(shù)據(jù)有效互斥信號(hào)量，供CAN通訊任務(wù)上傳數(shù)據(jù)。

圖6 CAN通訊任務(wù)和工作循環(huán)任務(wù)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器電子系統(tǒng)測(cè)試主要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試2個(gè)階段。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試包括電子系統(tǒng)的高溫測(cè)試和探測(cè)器與電子系統(tǒng)在水池中的聯(lián)合模擬測(cè)井測(cè)試。該階段測(cè)試時(shí)，整個(gè)電子系統(tǒng)掛接在自主開發(fā)的仿EILog遙測(cè)調(diào)試系統(tǒng)上。高溫測(cè)試時(shí)激勵(lì)通過(guò)高溫線引出接實(shí)際負(fù)載，輸入信號(hào)為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)，電子系統(tǒng)工作在全額狀態(tài)，恒溫155℃／2h，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。水池測(cè)試是對(duì)電子系統(tǒng)及探測(cè)器工作性能的綜合測(cè)試，也是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。水池測(cè)試中，電激勵(lì)時(shí)接收到了信噪比良好的電信號(hào)，聲激勵(lì)時(shí)也接收到了信噪比良好的聲波信號(hào)。測(cè)量時(shí)，水聽器與探測(cè)器芯軸在同平面內(nèi)，并在以激勵(lì)換能器為圓心、半徑為1m的圓弧上均勻分布的101個(gè)測(cè)量位置上分別記錄激勵(lì)換能器輻射的聲波波形。圖7為測(cè)得的激勵(lì)換能器在垂直方向上的指向性圖。從測(cè)試數(shù)據(jù)圖7中可以看出，聲束3dB角寬為30°左右，指向性良好。峰值聲壓約為68kPa，激勵(lì)功率大。

圖7 激勵(lì)聲場(chǎng)的垂直指向性圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在華北油田任－91井裸眼井段進(jìn)行，測(cè)量井段最深為3 926m，并進(jìn)行了重復(fù)測(cè)量，測(cè)試的目的是檢驗(yàn)儀器的耐溫耐壓性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，電子系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)試波形如圖8所示。從圖8中可以看出，得到的波形基線平直、具有很好的信噪比，且聲波波形的特征明顯。由于該井段是非滲透的灰?guī)r巖性，故沒(méi)有看到明顯的地層聲電轉(zhuǎn)換波，圖8右圖的電信號(hào)為發(fā)射探頭附近高強(qiáng)度聲波在井液與井壁作用下的轉(zhuǎn)換波信號(hào)。

圖8 任－91井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線

5 結(jié) 論

動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井探測(cè)器電子系統(tǒng)在額定的壓力和溫度條件下獲得了良好的測(cè)試數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使得動(dòng)電效應(yīng)測(cè)井方法的實(shí)現(xiàn)成為可能，通過(guò)進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和波形反演開展動(dòng)電測(cè)井在地層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

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