陣列聲波測(cè)井儀前置通道板電路設(shè)計(jì)

高雯芳（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部制造中心，河北 廊坊 065201）

陣列聲波測(cè)井儀前置通道板電路設(shè)計(jì)

高雯芳（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部制造中心，河北 廊坊 065201）

針對(duì)陣列聲波測(cè)井儀高溫、高噪聲的作業(yè)環(huán)境，采用模擬濾波、低噪聲設(shè)計(jì)和優(yōu)化的布局布線(xiàn)等技術(shù)設(shè)計(jì)陣列聲波信號(hào)調(diào)理電路，以實(shí)現(xiàn)波形模式選擇、程控增益放大、可選頻帶帶通濾波等功能。為抑制高頻噪聲干擾以及降低電路自身的噪聲影響，本文介紹了低噪聲前置預(yù)放大電路設(shè)計(jì)和測(cè)試方法。實(shí)踐表明，該調(diào)理電路噪聲小，有較強(qiáng)的噪聲抑制能力，通道間波形一致性較好，能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。

陣列聲波測(cè)井原理與常規(guī)的聲波測(cè)井的基本原理基本相同，都是以巖石的聲學(xué)特性為基礎(chǔ)而提出的一種研究鉆井地址剖面、評(píng)價(jià)固井質(zhì)量等問(wèn)題的測(cè)井方法。但是分析波在地層中的傳播特性時(shí)，有多種分析方法，基于斯奈爾折射及反射定律的一種比較常用的分析方法方法，當(dāng)聲波通過(guò)不同波阻抗ρV時(shí)，會(huì)發(fā)生折和反射，入射波、折射波和反射波在同一平面內(nèi)沿不同方向的傳播如圖1－1所示，其中為入射角α和反射角，β為折射角。當(dāng)V1＜V2時(shí)，β＞α,那么，當(dāng)入射角增大到某一個(gè)角度θ時(shí)，折射角可達(dá)到90度，此時(shí)，折射波將以速度V2沿界面?zhèn)鞑?，在聲波測(cè)井中叫滑行波，對(duì)應(yīng)的入射角θ稱(chēng)為第一臨界角。

陣列聲波測(cè)井儀井下儀器一般包括三個(gè)部分：井下聲系、電子線(xiàn)路和隔聲體。聲系由幾個(gè)發(fā)射換能器和幾組接收換能器組成，其中發(fā)射換能器和接收換能器之間的距離稱(chēng)為源距，相鄰接收換能器之間的距離稱(chēng)為間距。圖1－2所示為陣列聲波儀工作于單發(fā)多收模式的井下聲波傳播示意圖，其中T為發(fā)射換能器，R為接收換能器，聲波經(jīng)過(guò)泥漿、地層、泥漿，分別在t1、t2、t3、t4傳播到接收換能器R1、R2、R3、R4，那么相鄰接收換能器之間的時(shí)間差為ΔT1＝t2－t1、ΔT2=t3－t2、ΔT3=t4－t3。如果在間距為L(zhǎng)的兩個(gè)接收換能器之間對(duì)著的井段井徑?jīng)]有明顯的變化，且儀器居中，則認(rèn)為L(zhǎng)井段的聲波速度VP＝L/ΔT，這就是聲波時(shí)差測(cè)井的原理。一般的聲波儀器都會(huì)有聲波時(shí)差測(cè)井模式。陣列聲波測(cè)井可能包括聲波全波列測(cè)井，其記錄聲波的整個(gè)波列，不僅可以獲得縱、橫波的幅度和速度信息，還可以獲得波列中的偽瑞利波、斯通利波等波成分，是一種比較號(hào)的聲波測(cè)井方法。EMAT陣列聲波測(cè)井即包括時(shí)差測(cè)井模式，又包括了全波列測(cè)井模式。

圖2 井下聲系聲波傳播示意

1 單板前置通道的功能

前置通道分為Master板和Slave板，共8個(gè)信號(hào)通道，可同時(shí)接收8路差分信號(hào)。Master板和Slave板采用同一張?jiān)韴D，可簡(jiǎn)單替換。

雙4選1模擬開(kāi)關(guān)ADG659YRU,用作多路選擇器，4路輸入差分信號(hào)選一路輸出，其原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1（a）。圖1中的JP表示縱波信號(hào)輸入，JS表示橫波信號(hào)輸入。每個(gè)通道分別使用1個(gè)ADG659YRU器件用于選擇差分信號(hào)輸入。單板上第1、2、3、4通道的模擬 開(kāi)關(guān)在原理圖上分別對(duì)應(yīng)U1、U13、U23、U35。模擬開(kāi)關(guān)的數(shù)控端由8bits移位寄存器CD4094控制，對(duì)應(yīng)原理圖上的U45，互聯(lián)關(guān)系見(jiàn)圖1（b）。圖1（b）中的AQ1 AQ2 、BQ1 BQ2、CQ1 CQ2、DQ1 DQ2分別對(duì)應(yīng)第1、2、3、4通道。

表1 ADG659YRU模擬開(kāi)關(guān)控制碼

選用5片8bits移位寄存器CD4094BPW級(jí)聯(lián)用于控制多路選擇器來(lái)選擇輸入的差分信號(hào)、選擇數(shù)控放大器的增益值、選擇帶通濾波器的帶寬。

2 板級(jí)信號(hào)連接圖

圖3中，左側(cè)模擬信號(hào)接收端WTB20PR11的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)說(shuō)明了每個(gè)引腳和接收換能器之間的互連關(guān)系。右側(cè)RM272-030-311-5500頭子上有8路模擬信號(hào)送往DSP板進(jìn)行數(shù)字化處理；有來(lái)自CPU的3條控制線(xiàn)，分別為IMCLK，IMW/R，IMDATA，被自帶I2C總線(xiàn)接口的數(shù)控電位器和自帶SPI總線(xiàn)接口的移位寄存器復(fù)用，用來(lái)控制通道的增益和選擇濾波器的帶寬；有來(lái)自穩(wěn)壓管輸出的穩(wěn)壓電源＋/－5V，用來(lái)為板級(jí)系統(tǒng)供電；有兩個(gè)板子之間的互連線(xiàn)；其他未標(biāo)明互連關(guān)系的引腳為懸空狀態(tài)。

圖3 Master板和Slave板的信號(hào)輸入、輸出和互聯(lián)

本文針對(duì)實(shí)際測(cè)井作業(yè)環(huán)境以及數(shù)據(jù)處理精度的要求，著重闡述了陣列聲波測(cè)井前置通道板的電路設(shè)計(jì)及調(diào)試方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路具有較強(qiáng)的噪聲抑制能力，且自身產(chǎn)生的噪聲小，同時(shí)通道間波形一致性較好，在高溫環(huán)境下能夠穩(wěn)定可靠地工作，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)要求。目前，儀器已投入測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

[1]閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 北京：高等教育出版社1998 403-450.

[2]林凌 李剛 實(shí)用電子技術(shù)1000問(wèn) 北京 ：電子工業(yè)出版社 2008 16～22.

[3]羅厚軍 經(jīng)典集成電路應(yīng)用手冊(cè) 福建：科學(xué)技術(shù)出版社 2006 18～32.