井中激電儀陣列式采集系統(tǒng)設(shè)計

周 濟，毛玉蓉，郭慶明

(1.長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室,武漢 430100；2.中國石油集團測井有限公司,西安 710077)

激發(fā)極化法(IP)是一種有效的勘察多金屬和貴金屬硫化物礦床的電磁勘探方法，將其用于測井中就形成了井中激發(fā)極化法(以下簡稱井中激電或井中IP)，井中IP可以充分利用已知的鉆孔信息，使用地-井、井-井和井-地的勘探模式，在追索礦化帶、估計可見礦深度和查證地面激電異常等方面發(fā)揮重要的作用。該方法可充分依靠已知的鉆孔信息,在發(fā)現(xiàn)井旁、井底盲礦，追索礦化帶，估計見礦深度，查證地面激電異常等方面發(fā)揮重要作用。

國內(nèi)外激發(fā)極化探測技術(shù)研究與儀器開發(fā)以地面探測為主，先進儀器的代表有法國 Iris 公司的 Elres-6 激電儀、美國的 ZONGE 公司 GDP 系列和加拿大鳳凰地球物理公司的 V8 系統(tǒng)等。國內(nèi)主要有繼善高科開發(fā)的 DS2 雙頻激電儀、北京地質(zhì)儀器廠的 DGS-9 激電儀和重慶奔騰公司的 WDJD-4 多功能數(shù)字直流激電儀等。就目前調(diào)研情況來看，儀器的功率、靈敏度、深部高溫高壓條件的適應(yīng)性等方面還達不到實用要求。尤其是井中激電儀的采集系統(tǒng)基本都是放在地面，傳感器置于井中，通過傳輸線纜將激電信號送至地面，很少將采集系統(tǒng)置于井中，即便有儀器下井深度也較淺，尚未突破1 000 m，難以滿足 3 000 m以淺的礦產(chǎn)勘查要求[1]。

現(xiàn)階段所面臨的主要問題是淺部資源開采逐漸枯竭，深部資源的探測與開發(fā)成了擺在國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)面前的重要課題。本文提出一種井中激電儀多通道采集系統(tǒng)，分辨率達到0.1 μV,耐溫150 ℃，耐壓100 MPa，可進行3 000 m井深的探測。

1 原理

激發(fā)極化法是以巖、礦石的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測和研究地下介質(zhì)的激電效應(yīng)的分布規(guī)律，達到勘查地下地質(zhì)分布的一種電法勘探方法。它是向大地供入穩(wěn)定的大電流，地下底層發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)過程，采用一定極距的裝置形式，觀測測量電極之間的電位差，研究地下橫、縱向激發(fā)極化效應(yīng)的變化[2-3]，達到探測深部資源的目的。觀測參數(shù)為一次場電位差ρ(0)=KΔV(0)和二次場電位差ΔV2，K為裝置系數(shù)，計算參數(shù)為視極化率η(T,t)、等效電阻率ρ、充電率M和激電率G。

井中激發(fā)極化法有多種裝置進行探測，本文主要以地-井(地面發(fā)射，井中接收)方式研究井中激電儀的陣列接收系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 地-井工作方式

圖2為巖礦石標(biāo)本上觀測到的電位差變化曲線。當(dāng)通過供電電極A、B向標(biāo)本供電時，測量電極間觀測到的電位差僅與標(biāo)本的導(dǎo)電性相關(guān)，即電流流過標(biāo)本時由于歐姆電阻形成的電位差，稱為一次場電位差ΔV1,在穩(wěn)定電流場中ΔV1不隨時間變化。當(dāng)供電延續(xù)一定時間后，由于標(biāo)本物化特質(zhì)，標(biāo)本會被極化，由于激發(fā)極化產(chǎn)生的二次場電位差ΔV2隨時間逐漸變大，因而電位差曲線隨時間很快增大，最后緩慢趨于某一飽和值[4]。顯然，此時觀測到的電位差ΔV(T)是一次場電位差和二次場電位差之和，即

圖2 礦化石標(biāo)本激發(fā)極化效應(yīng)過程

ΔV(T)=ΔV2(T)+ΔV1

(1)

當(dāng)切斷供電電流后，一次場電位差立即消失，被極化的標(biāo)本在激發(fā)極化電動勢推動下通過標(biāo)本本身和周圍的溶液放電。此時的二次場電位差ΔV2(t)將隨時間衰減逐漸趨于0。實踐證明，充電達到飽和的二次場電位差和斷電瞬間的二次場電位差是相等的，即

ΔV2(t)|t=0=ΔV2(T)

(2)

根據(jù)一次場和二次場的電壓差，在二次場與電流呈線性關(guān)系的條件下，極化率η(T,t)由以下公式定義：

(3)

由于ΔV2(t)和ΔV(T)都與供電電流成正比，因此極化率與電流無關(guān)，但取決于供電時間T和 測量延遲時間t。

利用測得的一次場電位差ΔV1[ΔV(0)]，可以計算出介質(zhì)的電阻率：

ρ=KΔV1或ρ(0)=KΔV(0)

(4)

在二次場和總場與電流成線性關(guān)系條件下，也可用總場電位差ΔV(T)計算出包括介質(zhì)激發(fā)極化效應(yīng)在內(nèi)的等效電阻率：

(5)

充電率M的公式為

(6)

研究巖礦石的激發(fā)極化性質(zhì)還可直接利用二次場及其時間特性，當(dāng)直接利用二次場電位差時，可計算參數(shù)激電率G，即

G=KΔV2(t)

(7)

綜上，激電法算等效電阻率需要的主要參數(shù)就是一次場和二次場的電壓值，因此采集系統(tǒng)的主要采集參數(shù)就是實時電位和電位差數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采得后再進行數(shù)學(xué)處理即可求得電阻率和極化率等參數(shù)。

2 系統(tǒng)方案

根據(jù)激發(fā)極化法勘探方法，井中激電儀陣列采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上不僅要能適用于小井徑大深度的礦井，還需要采用充電法和極化法兩種模式觀測。因而要從硬件上解決充電信號動態(tài)范圍大而極化信號動態(tài)范圍較小的矛盾，各通道相互獨立，可靈活調(diào)整電極距，同時采集，按照一定數(shù)據(jù)格式記錄存儲時間序列。圖3所示為采集系統(tǒng)的整體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)。

圖3 井下采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩部分：各采集子節(jié)點和系統(tǒng)主控節(jié)點。各采集子節(jié)點有獨立的 ID，進行電位和電位差信號的測量，采集數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至總控節(jié)點，由主控節(jié)點來進行總線仲裁，進行數(shù)據(jù)的內(nèi)部傳遞，并且各采集板電源隔離，信號也隔離。這種結(jié)構(gòu)可以保證各通道完全獨立。即使有某一個通道故障，也能保證探測工作正常進行，不會中止探測。采集子節(jié)點由前置儀表放大器、濾波器、程控增益放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC、低失真數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、供電電源等部分構(gòu)成。由于電位差和電位測量輸入方式有差異，這兩部分模擬通道電路將分開設(shè)計，實現(xiàn)充電電位和放電電位的采集?？紤]到井中弱信號采集，而接收電極之間間距至少 1 m以上，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用就近原則，每個電極連接一個采集單元，可以在結(jié)構(gòu)上就抑制了干擾信號。

激電儀采集系統(tǒng)進行全波形采集，既要測量大電流供電時的總場電位，又要測量關(guān)斷后的二次場以及極化信號，經(jīng)過數(shù)值模擬計算，信號之間數(shù)量級差 3～5個數(shù)量級，這就要求儀器的動態(tài)范圍足夠大，同時又要保證極化弱信號的采集的分辨率。系統(tǒng)中采用高精度耐高溫的 32 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS1282，為了儀器標(biāo)定，加入了配套的DAC1282作為標(biāo)準(zhǔn)信號。圖4為數(shù)據(jù)采集子節(jié)點結(jié)構(gòu)。

圖4 數(shù)據(jù)采集子節(jié)點結(jié)構(gòu)

主控板沒有采集模塊，在采集系統(tǒng)中作為通信中樞和數(shù)據(jù)存儲點，連接了耐高溫高可靠性的NAND型存儲器，在接收到來自采集板的數(shù)據(jù)后，即時上傳的同時，并行傳輸存儲到存儲器里，便于后期的數(shù)據(jù)二次調(diào)取。圖5為主控板的功能結(jié)構(gòu)圖。

圖5 主控板功能結(jié)構(gòu)

3 ADS1282特點及使用配置

3.1 ADS1282簡介

前文提到了采集系統(tǒng)要采集的電位數(shù)據(jù)會跨越多個數(shù)量級，因此整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的關(guān)鍵是ADC芯片的選擇。經(jīng)過比較分析并基于高精度、大動態(tài)范圍和低噪聲的考慮，本系統(tǒng)選用TI公司的ADS1282作為核心ADC器件[5]。

ADS1282是德州儀器 (TI)公司生產(chǎn)的一款用于地震監(jiān)測和能源勘探且具有PGA的超高分辨率 4kSPS 2通道Δ-Σ ADC，ADS1282(以下簡稱AD)具有以下幾點突出優(yōu)點[6]：①AD具有雙通道輸入多路復(fù)用器，可以方便井下完成標(biāo)定和采集工作。AD可以用于-55～210 ℃的工作環(huán)境，因此可以在井下保持工作，在210 ℃的溫度下，功耗為25 mW,不會對電源提出過高的要求；②高精度?？傊C波失真(THD)為-122 dB，積分非線性(INL)為0.5 ppm；③靈活的數(shù)字濾波器。可選擇 Sinc+FIR+IIR 濾波的不同組合方式，其中 FIR 濾波方式可編程設(shè)置為線性或最小相位響應(yīng)，數(shù)據(jù)輸出率可在 250 SPS 至 4 KSPS 之間選擇。

3.2 ADS1282的初始化配置

圖6為AD的簡化電路原理圖。從圖6可以看出，AD與MCU的通信方式為SPI通信，SPI通信的缺點在于若有多個從機，則會占用大量的主板引腳。這套采集系統(tǒng)里，每個MCU只與一個AD進行數(shù)據(jù)通信，很好地規(guī)避掉了SPI的缺點，保留了SPI通信速率快、可靠性高的優(yōu)點。AD雙通道的輸入編輯寄存器CONFIG1中MUX[2:0]的值為 “010”全部啟用，將其一個用于轉(zhuǎn)換電極采集的數(shù)據(jù)，一個用于接收來自DAC的標(biāo)準(zhǔn)信號進行標(biāo)定等工作，減少接口復(fù)用，提高效率。在進行AD調(diào)試的時候，未使用的數(shù)字輸入端不能懸空[7]，需將它們接 DVDD 或 GND。AD的通信時序部分無法編輯，因此在MCU進行SPI設(shè)置的時候，要將MCU作為SPI主機給AD提供串行時鐘信號，但工作模式要遵從AD的要求。經(jīng)過調(diào)試，AD的SPI工作模式應(yīng)該設(shè)置為空閑時為低電平，串行輸出數(shù)據(jù)在始終從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻e狀態(tài)時變化(或者數(shù)據(jù)變化在第二個跳變沿)，且在數(shù)據(jù)輸出時間結(jié)束時對輸入數(shù)據(jù)進行采樣。

圖6 ADS1282簡化電路原理圖

AD是32位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD自配置了兩個校準(zhǔn)寄存器：offset(偏移)寄存器和gain(增益)寄存器，AD在進行數(shù)據(jù)采集時，由于量化數(shù)據(jù)可能會引入這兩種誤差，所以需要在進行采集前進行兩種誤差的矯正。矯正流程如圖7所示。

圖7 ADS1282校準(zhǔn)流程[8]

由圖7可知，校準(zhǔn)的最好方式是設(shè)定一個校準(zhǔn)指令，收到指令后識別偏移校準(zhǔn)或是增益校準(zhǔn)，然后切換相應(yīng)的MUX通道和DAC的輸出電壓，AD會自己采集并平均出一個24位值，然后自動寫入到對應(yīng)的校準(zhǔn)寄存器里來完成校準(zhǔn)。隨后可以訪問兩個寄存器，除了自動校準(zhǔn)，也可以手動測值，然后寫入到寄存器里去。偏移寄存器的值寫入零飄值即可，增益寄存器寫入值的計算公式為

(8)

AD的初始化還應(yīng)包含同步方式(脈沖同步或連續(xù)同步)，這套采集系統(tǒng)每個采集單元都只連接一個電極，因此同步不在AD進行，而是在CPU上由GPS信號進行同步。數(shù)字濾波器的選擇也是需要考慮的，一般選擇正弦+低通濾波。

從不極化電極采集到進入AD之前需要經(jīng)過濾波電路和前放電路，盡可能地過濾掉噪聲，同時在前放電路中加入了PGA，可以在儀器采集時，根據(jù)采得的信號大小進行增益調(diào)節(jié)，避免AD超量程或者信號微弱導(dǎo)致檢測不到的問題，這就需要在實際使用時檢測AD的數(shù)值來進行實時調(diào)節(jié)。

3.3 DAC1282的初始化配置

對于接收單元，很重要的一點是要有足夠標(biāo)準(zhǔn)的信號來進行標(biāo)定和校準(zhǔn)工作。DAC1282(以下簡稱DA)是TI公司生產(chǎn)的一種高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可提供正弦、脈沖、直流3種波形且支持外部數(shù)據(jù)流輸入。其出色的耐溫能力(-50～125 ℃)和低功耗以及高信噪比是選用這款器件的主要原因。

DA的接口同樣也是采用SPI接口，工作模式與前文AD相同。數(shù)字增益和模擬增益一般設(shè)為1，即發(fā)出信號的幅值為±2.5 V，處于AD的檢測極限，若AD采集的數(shù)據(jù)常出現(xiàn)超量程的情況，可將模擬增益調(diào)低來避免AD飽和。

DA的信號產(chǎn)生配置較簡單，將GANMOD寄存器設(shè)置為對應(yīng)的值即可轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的信號，然后根據(jù)不同信號選擇不同的寄存器進行頻率、幅值等參數(shù)的寫入，即可產(chǎn)生對應(yīng)的信號。

4 陣列式通信結(jié)構(gòu)

井下設(shè)備多時，就需要搭建通信網(wǎng)絡(luò)，這里主要用CAN總線。CAN總線上的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀的形式進行通信的，CAN總線上的任何報文都會被所有的CAN節(jié)點進行接收，然后每個節(jié)點的過濾器與接收器會與報文信息中的ID進行匹配，當(dāng)匹配吻合時，報文會被接收，否則不存入接收器。在一個數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中,幀起始是總線上的SOF(顯性)，隨后的仲裁段里面包含了標(biāo)志位SID(擴展數(shù)據(jù)幀還有EID),仲裁段存放各節(jié)點的 “地址”信息，用于判斷信息是否接受，之后的控制段用于規(guī)定數(shù)據(jù)段的長度，數(shù)據(jù)段長度可變，單幀的數(shù)據(jù)段長度為0～8 BYTE，CRC段是CAN模塊自帶的校驗段，消息發(fā)送方通過在幀里添加一個CRC幀檢測序列來保證安全。

這套采集系統(tǒng)中，主控板就是CAN通信中的“主機”，地面的指令由主控板下發(fā)到各“從機”采集板，這樣就有效避免了各節(jié)點報文互相干擾，也能更高效地提取到有效命令。需要提到的是，在CAN總線上，不可避免地會有多個節(jié)點同時往總線上發(fā)送幀的情況，此時數(shù)據(jù)并不會產(chǎn)生紊亂，而是會根據(jù)發(fā)送節(jié)點的地址，高地址先發(fā)，低地址后發(fā)，所以可以通過編輯各節(jié)點的SID寄存器來決定優(yōu)先級，雖有先后順序但CAN的通信速率極快，完全不必擔(dān)心因此而影響即時性或者同步性的問題。

5 功能測試

經(jīng)過在線仿真確認功能基本實現(xiàn)后，制板進行了實際測試。圖8為實體調(diào)試，圖9為系統(tǒng)各部分短節(jié)。

圖8 實體調(diào)試

圖9 系統(tǒng)中的各種短節(jié)

地面系統(tǒng)的主要功能是控制井下采集系統(tǒng)的工作模式(標(biāo)定、采集等)、數(shù)據(jù)讀回和顯示、數(shù)據(jù)處理等[9]。本次的上板測試，包括指令的收發(fā)、數(shù)據(jù)的讀回及顯示。圖10為采集系統(tǒng)的返回數(shù)據(jù)。

圖10 采集系統(tǒng)返回數(shù)據(jù)

每次通信以55AA為報文頭，CCCC為報文尾，中間為數(shù)據(jù)段，不同位置對應(yīng)不同板的數(shù)據(jù)，以上測試為兩道數(shù)據(jù)。經(jīng)校驗，數(shù)據(jù)正確率為100%，這也依賴于CAN總線自身的CRC校驗，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤時數(shù)據(jù)幀會自動重新發(fā)送。接收到數(shù)據(jù)后，地面系統(tǒng)會實時繪制數(shù)據(jù)曲線。圖11為采集數(shù)據(jù)的實時曲線。

圖11 采集數(shù)據(jù)曲線

圖11中，紅色曲線為模擬通道的外加方波信號，綠色曲線為標(biāo)定的正弦信號，兩道數(shù)據(jù)均能較準(zhǔn)確地反映信號，但模擬通道上還存在部分干擾，圖形并不十分規(guī)整，可以通過后期數(shù)據(jù)疊加等其他數(shù)據(jù)濾波方法進行處理。

6 結(jié)語

激發(fā)極化法早已大量應(yīng)用在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，但激電儀器上的突破卻十分有限。本文結(jié)合激電法的特點，采用了性能強大的ADC，充分發(fā)揮CAN總線自身的諸多優(yōu)點和多點通信的特點，設(shè)計了一套深部(井中)陣列式的采集系統(tǒng)，經(jīng)過模擬及實際下井，測得數(shù)據(jù)可靠，對激電儀的采集系統(tǒng)設(shè)計有一定的參考意義。