一種四極子聲波測(cè)井儀的研制與應(yīng)用

劉峰，林毓宸(.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000；.中石化西南石油工程有限公司測(cè)井分公司，四川 成都 60000)

關(guān)鍵字：聲波測(cè)井；四極子；橫波測(cè)井

0 引言

隨著已探明油藏的不斷開(kāi)發(fā)以及老油田的衰竭，石油勘探已轉(zhuǎn)向隱蔽與復(fù)雜的圈閉，這就要求石油測(cè)井技術(shù)必須向探測(cè)和評(píng)價(jià)復(fù)雜儲(chǔ)層目標(biāo)發(fā)展。地層橫波攜帶了較多的地層信息，在確定地層彈性模量、孔隙度、流(含氣)體飽和度和裂縫以及各向異性等參數(shù)上具有重要意義[1]。常規(guī)的單極子聲波測(cè)井很難測(cè)到橫波。因此，人們提出了利用多極源(偶極源和四極源)實(shí)現(xiàn)直接橫波速度測(cè)井。在多極源激發(fā)的聲場(chǎng)中，在低頻區(qū)域縱波部分受到壓抑，而橫波部分得到加強(qiáng)且受其他分波的影響較小，從而使得橫波成為首波實(shí)現(xiàn)直接橫波速度測(cè)井。

本文介紹一種用四極子源測(cè)量地層橫波的測(cè)井儀器的研制。該儀器具有單極子縱波測(cè)量、四極子橫波測(cè)量測(cè)井功能，利用其橫波測(cè)量功能可以對(duì)地層彈性模量、孔隙度、流體飽和度和裂縫等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確的解釋和評(píng)價(jià)。

1 工作原理

四極子源在井孔中激發(fā)四極子波，四極子波引起井壁質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)呈交替的長(zhǎng)橢圓/扁橢圓，振動(dòng)圖像如螺旋狀，所以四極子波又被稱(chēng)為扭曲波或螺旋波(screw wave)。四極子源是由兩個(gè)無(wú)限接近的強(qiáng)度相等、相位相反的偶極子源構(gòu)成[2]。四極源能夠比偶極源更有效地抑制P波，此外，四極源能夠在高頻段工作，因此四極源能產(chǎn)生高分辨率的S波信號(hào)，從而使用四極源可以實(shí)現(xiàn)短源距直接橫波測(cè)井。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

2.1.1 發(fā)射電路原理框圖

發(fā)射電路原理框圖如圖1所示。發(fā)射電路的主要功能是完成對(duì)換能器的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)單極、四極聲波發(fā)射。單極四極發(fā)射換能器示意圖如圖2所示，它由多條柱狀壓電陶瓷按圓周排列拼接而成，然后分成X1、X2和Y1、Y2四個(gè)部分，四組晶體之間使用聚四氟乙烯絕緣片進(jìn)行電絕緣隔離。當(dāng)加在X1、X2的激勵(lì)信號(hào)和加在Y1、Y2的激勵(lì)信號(hào)相位相同時(shí)，晶體激發(fā)的是單極信號(hào)，當(dāng)相位相反時(shí)，晶體激發(fā)的是四極子信號(hào)。換能器使用的激勵(lì)信號(hào)為Blackmanharris波形，四極子一般采用4 kHz的發(fā)射頻率[3]，單極子使用10 kHz的發(fā)射頻率。四極子和單極子發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的頻率可控，因此可以根據(jù)不同的地層選擇合適的頻率進(jìn)行測(cè)井。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路主要由半波整流電路、開(kāi)關(guān)電路、反饋電路和乙類(lèi)推挽功率放大電路四部分組成。半波整流電路利用二極管的單向?qū)щ娞匦匀〕鲚斎爰?lì)信號(hào)的正、負(fù)半周作為發(fā)射信號(hào)使用；開(kāi)關(guān)電路使用三極管的開(kāi)關(guān)特性，只有在Fire信號(hào)的控制下才能將整流后的信號(hào)送入功放的輸入端，避免電路干擾引起誤發(fā)射；反饋電路可以調(diào)整功放電路的輸出，減小功放電路的非線(xiàn)性失真。其中半波整流電路、開(kāi)關(guān)電路和反饋電路已經(jīng)由青島智騰做成厚膜電路，可以在175 ℃下工作。

圖1 發(fā)射電路原理框圖

圖2 單極四極發(fā)射換能器示意圖

2.2 接收電路設(shè)計(jì)

2.2.1 接收電路原理框圖

接收電路原理框圖如圖3所示。由接收聲系輸入的16路模擬信號(hào)經(jīng)電荷放大電路放大后送入信號(hào)運(yùn)算電路，生成單極子信號(hào)、四極子信號(hào)及單獨(dú)信號(hào)，然后在模式選擇電路的控制下根據(jù)電路設(shè)置將信號(hào)送入濾波電路和AGC電路，最后輸出4路信號(hào)送入采集電路。

圖3 接收電路原理框圖

2.2.2 預(yù)處理和模式控制電路

(1)差分放大電路。接收信號(hào)預(yù)處理電路使用差分放大電路，可以有效放大換能器的差模信號(hào)，抑制共模干擾。

差分放大電路使用儀表放大器AD8226。AD8226是一款低成本、寬電源電壓范圍儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1至1 000。它被設(shè)計(jì)為可工作于各種信號(hào)電壓的情況下。寬輸入范圍和軌到軌輸出使信號(hào)可充分利用供電軌。由于輸入范圍能夠降到負(fù)電源電壓以下，因此無(wú)需雙電源便可放大接近地電壓的小信號(hào)。該器件采用±1.35 V至±18 V的雙電源供電或2.2 V至36 V單電源供電。

(2)信號(hào)運(yùn)算電路。信號(hào)運(yùn)算電路包括單極子接收信號(hào)產(chǎn)生電路、四極子接收信號(hào)產(chǎn)生電路和單獨(dú)信號(hào)產(chǎn)生電路。

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單極子接收信號(hào)是接收晶體4個(gè)方向的接收信號(hào)相加而成，即X1+X2+Y1+Y2。它采用反相加法器電路將每組接收換能器上的4路信號(hào)進(jìn)行相加，放大倍數(shù)可以通過(guò)反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電路中的運(yùn)放采用的是四通道精密、JFET放大器AD8531。該放大器具有低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、低輸入電壓噪聲和低輸入電流噪聲特性。低失調(diào)、低噪聲和極低輸入偏置電流這些特性相結(jié)合，特別適合高阻抗傳感器信號(hào)放大。

四極子接收信號(hào)是首先分別對(duì)接收晶體X方向的接收信號(hào)X1、X2相加得到X，同理對(duì)接收晶體Y方向的接收信號(hào)Y1、Y2進(jìn)行相加得到Y(jié)，然后用差分電路相減X-Y獲得四極子接收信號(hào)。差分電路的增益也可根據(jù)反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

單片信號(hào)由多路選擇開(kāi)關(guān)ADG1409構(gòu)成，使用2片ADG1409，便可以將換能器四個(gè)方位的信號(hào)分別選擇出來(lái)。此功能主要是用來(lái)檢查聲系用的，把儀器放到模擬井里，把每個(gè)接收晶體4個(gè)方向的信號(hào)分別傳上來(lái)，根據(jù)信號(hào)的一致性可以檢驗(yàn)聲系的好壞。

(3)模式選擇電路。模式選擇電路可以控制電路在單極子、四極子、單獨(dú)和測(cè)試四種狀態(tài)工作，它主要由模擬開(kāi)關(guān)ADG1409組成。在A1、A0信號(hào)的控制下，使用2片ADG1409就可以實(shí)現(xiàn)在單極、四極、單獨(dú)和測(cè)試狀態(tài)下測(cè)井。

(4)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路。測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路由CD14538及電阻、電容、穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。其主要作用是產(chǎn)生一個(gè)脈寬為1 ms的矩形脈沖，用來(lái)檢驗(yàn)四路濾波電路的一致性。

2.2.3 濾波和自動(dòng)增益控制電路

濾波和自動(dòng)增益電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、放大處理和自動(dòng)增益控制。由于電路空間有限，帶通濾波器使用較為常用的Sallen-Key四階低通濾波器和四階高通濾波器組成。根據(jù)單極子和偶極子信號(hào)的頻率，帶通濾波器通帶范圍設(shè)置為2～18 kHz。電阻和電容的取值可根據(jù)Sallen-Key濾波器的設(shè)計(jì)方程來(lái)求取。濾波器運(yùn)放選用適合傳感器信號(hào)放大的ADA4004-2。Sallen-Key濾波器的截止頻率為式(1)：

一般設(shè)計(jì)濾波器，為方便計(jì)算，元件值使用相等的數(shù)值，所以濾波器的截止頻率可簡(jiǎn)化為式(2)：

自動(dòng)增益電路選用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8336。AD8336是一款低噪聲、單端、線(xiàn)性、通用型可變?cè)鲆娣糯笃?，可以在較大的電源電壓范圍內(nèi)工作。它內(nèi)置一個(gè)非專(zhuān)用前置放大器，可用增益范圍為6～26 dB，采用傳統(tǒng)方式通過(guò)外部電阻確定。VGA增益范圍為0～60 dB，絕對(duì)增益限制為-26 dB至+34 dB。當(dāng)前置放大器增益調(diào)整為12 dB時(shí)，前置放大器與VGA的合并3 dB帶寬為100 MHz，該放大器在80 MHz內(nèi)完全可用。采用±5 V電源時(shí)，最大輸出擺幅為7 V峰值。采用可變?cè)鲆娣糯笃骺梢杂行p小電路尺寸，同時(shí)VGA的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

2.3 MCU模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 MCU模塊電路原理框圖

MCU模塊是井下通用模塊，芯片使用的是Actel公司的A3P1000。MCU模塊框圖如圖4所示，主要完成信號(hào)采集、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、AGC控制、控制信號(hào)產(chǎn)生和上傳通訊的功能。

圖4 MCU原理框圖

2.3.2 MCU程序設(shè)計(jì)

MCU模塊一方面要在網(wǎng)絡(luò)接口模塊的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和裝表；另一方面，也要對(duì)接收電路和發(fā)射電路進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)采集、濾波和自動(dòng)增益控制等功能。MCU模塊完全受網(wǎng)絡(luò)接口模塊控制，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊下發(fā)的各種命令，當(dāng)收到取數(shù)令后，便按照此前收到的服務(wù)表內(nèi)容對(duì)電路和軟件進(jìn)行配置，其配置過(guò)程發(fā)生在每個(gè)子周期執(zhí)行之前，然后完成數(shù)據(jù)的采集和整理，程序流程圖如圖5所示。

圖5 MCU程序流程圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

儀器研制完成后，在孤古八井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)單極和四極都測(cè)到了良好的波形，波形圖如圖6、圖7所示。

圖6 單極子信號(hào)波形圖

圖7 四極子信號(hào)波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種利用四極子源的聲波測(cè)井儀的研制，是四極子源在常規(guī)聲波測(cè)井儀器中的國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用。該儀器樣機(jī)通過(guò)在孤古八井實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了單極子信號(hào)和四極子信號(hào)，驗(yàn)證了儀器功能，為下一步在油田的應(yīng)用與推廣打下了良好的基礎(chǔ)。