聲波測井同步信號去偽技術(shù)

楊 賀

(大慶油田責(zé)任有限公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

超越數(shù)控生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)是大慶測試分公司研發(fā)的新型PXI總線地面數(shù)控測井系統(tǒng)[1]，PXI總線聲波測井模塊以超越地面數(shù)控系統(tǒng)為依托平臺，主要用于井下八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測井儀器[2]SBT的地面硬件系統(tǒng)和測井軟件配接，滿足井下聲波測井儀器測井信號傳輸對地面數(shù)控系統(tǒng)在硬件電氣技術(shù)接口、同步解調(diào)方式、聲波測井回波模擬信號處理、緩存、虛擬示波顯示、控制等多方面的要求。

大慶測試分公司有多種井下聲波測井儀器，其中應(yīng)用比較多的是多年前引進的PHase八扇區(qū)聲波測井儀器和分公司自行生產(chǎn)的井下八扇區(qū)聲波測井儀器，信號傳輸基本一致，其中PHase聲波儀器使用時間長，器件老化，信號傳輸干擾比較大，對聲波測井同步信號識別造成困難，甚至誤判導(dǎo)致信號子周期數(shù)據(jù)采集錯誤，影響測井效果。怎樣在PXI總線聲波測井模塊硬件系統(tǒng)中正確識別聲波測井同步信號是本文主要論述內(nèi)容。

1 井下八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測井儀器信號傳輸特點

八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測井儀器主要進行CBL和VDL測井，用于檢測固井質(zhì)量[2]。八扇區(qū)水泥膠結(jié)儀器測井信號[3]采用單芯傳輸方式，供電和測井信號傳輸共用同一纜芯。測井信號傳輸幀周期固定為307.2 ms，每個幀周期共有12個子周期，其串行測井信號包括：1～8扇區(qū)的同步信號(正負(fù)脈沖)、套管回波信號以及負(fù)脈沖伽馬信號；3英尺子周期和5英尺子周期的同步信號(正負(fù)脈沖)、套管波及地層波回波信號；刻度子周期的同步信號(正負(fù)脈沖)、信號幅度為±13 V頻率為40 kHz的正弦波模擬套管回波信號；井斜子周期的同步信號(正負(fù)脈沖)；直接耦合到上傳測井信號的磁性定位器(CCL)低頻信號。

2 聲波測井同步脈沖信號前端調(diào)理硬件設(shè)計

在聲波測井傳輸信號中，每個子周期均包括同步脈沖信號和負(fù)脈沖伽馬信號，第八子周期同步信號幅度為先高后低(+10 V/-5 V)，其余11個周期的同步信號為先低后高(-10 V/+5 V)，負(fù)脈沖伽馬信號幅度比同步信號低一些，經(jīng)過7芯5 000 m電纜衰減以后，信號幅度變?yōu)閹装俸练笥?，特別是同步脈沖信號失真較大，電纜前后實測同步信號波形如圖1所示。

圖1 同步信號經(jīng)過電纜前后實測波形

為能有效的檢測出子周期同步脈沖信號和負(fù)脈沖伽馬信號，脈沖信號前端調(diào)理電路如圖2所示，包括脈沖恢復(fù)電路設(shè)計和濾波電路設(shè)計以及放大倍數(shù)Au連續(xù)可調(diào)的PGA電路設(shè)計等。可編程增益放大器設(shè)計，同樣利用12 位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成程控增益放大器PGA，并且放大倍數(shù)Au連續(xù)程控可調(diào)，實際使用中放大倍數(shù)在1～100之間。

圖2 聲波模塊脈沖信號前端調(diào)理電路原理框圖

根據(jù)測井電纜實際情況，為減少脈沖信號失真，同步脈沖信號和伽瑪脈沖信號可以通過繼電器選通微分電路，也可以同時選通濾波電路，設(shè)置靈活方便，有利于聲波測井同步脈沖信號恢復(fù)。同時，如果同步正負(fù)脈沖信號由于門檻電平設(shè)置不當(dāng)，也會導(dǎo)致偽同步脈沖信號進入到數(shù)字信號處理板FPGA中，如圖3所示，引發(fā)同步脈沖信號識別邏輯錯誤，破壞子周期聲幅數(shù)據(jù)采集時序控制。因此,需要在聲波測井模塊數(shù)字信號板中采用FPGA進行同步信號去偽邏輯設(shè)計，使聲波測井模塊能夠按照正確同步脈沖邏輯時序進行數(shù)據(jù)采集。

圖3 實測偽同步脈沖波形

3 聲波測井同步脈沖信號FPGA去偽邏輯設(shè)計方法

聲波測井模塊數(shù)字信號板中FPGA邏輯設(shè)計[5]如圖4所示。

圖4 聲波測井模塊數(shù)字信號處理板FPGA功能邏輯設(shè)計框圖

FPGA邏輯功能包括聲波測井同步脈沖信號邏輯識別，16位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采樣及時序控制，PowerPC處理器EBC總線地址譯碼，與PowerPC處理器雙向數(shù)據(jù)傳輸，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等芯片串行SPI時序產(chǎn)生和控制，聲波測量通道繼電器控制，正負(fù)門限電平和PGA增益控制，子周期A/D采樣延遲時間和采樣門寬時間控制，非易失性E2PROM存儲器串行SPI時序產(chǎn)生及其輸入輸出控制，PXI機箱背板觸發(fā)總線控制，時鐘分頻設(shè)計，伽馬負(fù)脈沖信號計數(shù)等。

聲波測井信號同步頭識別可采取以下幾種設(shè)計方法。

1) 同步信號電平方式 實際井下八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測井儀器上傳信號中，同步頭第八子周期同步(先高后低)正幅度最高，其余子周期(先低后高)負(fù)幅度最高，伽馬信號負(fù)脈沖幅度稍低于同步頭負(fù)脈沖幅度。采用同步信號電平方式，識別優(yōu)點是設(shè)置好門檻電平，比較容易檢測出同步信號，識別缺點是伽馬信號容易被誤識別為同步信號進入數(shù)字信號處理電路，調(diào)節(jié)同步門檻電平時，要卡在伽馬門檻電平之上。

2) 同步信號正負(fù)脈沖方式 由于八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測井儀器上傳的同步信號中，同步第八子周期為先高后低，(+8 V和-5 V),其余子周期為先低后高(-5 V和+8 V)，根據(jù)通過實際電纜上傳的同步脈沖信號特點如脈沖寬度和出現(xiàn)位置，來判斷和檢測出同步信號。采用同步信號正負(fù)脈沖方式，前提是同步信號畸變不嚴(yán)重，同步信號通過實際電纜以后正負(fù)均有。其識別優(yōu)點是不用考慮伽馬負(fù)脈沖信號，缺點是當(dāng)回波幅度超過同步信號幅度時，回波會被誤識別為同步信號。

3) 同步信號正負(fù)脈沖時間限制方式 方法1和方法2識別同步脈沖優(yōu)缺點比較明顯，為克服方法1和方法2解碼缺點，可以考慮同步信號時間限制方式，兩個正脈沖同步信號之間必須大于300 ms，兩個負(fù)脈沖同步信號之間必須在25～25.6 ms,或者正負(fù)同步之間也必須在25～25.6 ms之間。

最終通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，確定采用電平方式加上時間約束條件判斷的FPGA邏輯設(shè)計。聲波測井信號經(jīng)過帶通濾波器和程控增益放大器，送入高速A/D轉(zhuǎn)換器，由FPGA通過邏輯判斷，消除偽同步脈沖信號，控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟動和停止。通過FPGA時序控制將每個子周期的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入到FPGA內(nèi)部FIFO中，通過申請PowerPC中斷，由嵌入式主機讀取。

4 結(jié)束語

PXI總線聲波測井模塊硬件系統(tǒng)設(shè)計，采用FPGA同步脈沖信號邏輯設(shè)計去偽技術(shù)，成功地完成了超越地面系統(tǒng)與井下八扇區(qū)聲波測井儀器的電纜配接試驗和生產(chǎn)實際應(yīng)用，避免了硬件系統(tǒng)同步信號邏輯判斷失誤，提高了扇區(qū)聲波測井質(zhì)量。在超越數(shù)控生產(chǎn)測井地面系統(tǒng)進行了十幾井次的現(xiàn)場試驗，通過與引進的PHase地面系統(tǒng)對比試驗，結(jié)果表明，聲波測井信號同步識別穩(wěn)定可靠，完全能夠滿足八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波新老測井儀器的現(xiàn)場配接需求。