過鉆具陣列感應(yīng)儀器發(fā)射電路設(shè)計

梁小兵 陳文 張炳軍 宋宇 陳泉林 朱瑞明

摘要：過鉆具陣列感應(yīng)儀器是一種在過鉆具施工工藝中測量地層電導(dǎo)率的陣列感應(yīng)測井儀器。過鉆具陣列感應(yīng)測井儀器采用泵出工藝，使用電池供電，因此對儀器功耗要求更高。傳統(tǒng)感應(yīng)采用線性功放，效率低，交越失真大。本文利用D類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)的特點，實際功耗小，效率高，實現(xiàn)低功耗過鉆具陣列感應(yīng)測井儀發(fā)射電路。該電路采用DDS技術(shù)合成多頻發(fā)射信號，用D類功率放大器驅(qū)動發(fā)射線圈，解決了過鉆具陣列感應(yīng)電池供電與儀器發(fā)射效率互相矛盾的難題。

關(guān)鍵詞：過鉆具;陣列感應(yīng)儀器;D類功放;交越失真

過鉆具測井系統(tǒng)（FITS，F(xiàn)ast Imaging Thru-drilling tool logging System）是中國石油集團測井有限公司測井技術(shù)研究院自主研發(fā)的具有完全知識產(chǎn)權(quán)的一套雙模式（電纜模式和存儲模式）過鉆具測井系統(tǒng)。這套系統(tǒng)是為了滿足頁巖氣小井眼、大位移、超長水平井等高難度復(fù)雜井況而設(shè)計的測井系統(tǒng)。陣列感應(yīng)儀器是這套系統(tǒng)中測量地層電阻率的重要測井成像儀器，在常規(guī)電纜測井系統(tǒng)中，陣列感應(yīng)儀器就是發(fā)射功率較大的儀器之一。為了適應(yīng)過鉆具測井系統(tǒng)，就需要對陣列感應(yīng)儀器進行優(yōu)化，尤其是在存儲測井模式時，測井系統(tǒng)采用72 V電池供電，因此對這支儀器的功耗提出了更高的要求。陣列感應(yīng)儀器要向地層發(fā)射交流信號，信號越強，地層感應(yīng)信號就越大。電纜測井系統(tǒng)中的感應(yīng)發(fā)射模塊采用線性功放設(shè)計，隨著溫度的升高，功率開關(guān)管的靜態(tài)電流和交越失真增大，功率管發(fā)熱量變大，效率較低，只有60%～70%，大部分的電源損耗以熱量的形式釋放，導(dǎo)致儀器的工作溫度指標很難實現(xiàn)，且與存儲式的設(shè)計理念相悖。因此，我們提出了采用D類功率放大器進行發(fā)射模塊設(shè)計，D類功率放大器工作于開關(guān)狀態(tài)，實際功耗小、效率高，滿足系統(tǒng)設(shè)計的整體低功耗設(shè)計要求。

1??? 過鉆具陣列感應(yīng)儀器

過鉆具陣列感應(yīng)儀器是適用于復(fù)雜井況、小尺寸的存儲式電阻率成像測井儀器，是滿足過鉆具測井工藝和保護套測井工藝的石油勘探開發(fā)的高端成像測井儀器，儀器外徑只有55 mm，較傳統(tǒng)的裸眼井電纜測井儀器設(shè)計難度更大。過鉆具陣列感應(yīng)儀器的原理是由發(fā)射線圈向地層發(fā)射激勵信號，由接收線圈接收來自地層的二次感應(yīng)信號，提取地層有用信息，用于分析泥漿侵入和石油儲層評價等[1-2]。

過鉆具陣列感應(yīng)儀器采用DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)合成多頻發(fā)射數(shù)據(jù)[3]，該數(shù)據(jù)經(jīng)過DAC（數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器）輸出給驅(qū)動發(fā)射線圈的功率模塊，放大輸出。過鉆具陣列感應(yīng)儀器的信號合成功能框圖如圖1所示。

發(fā)射電路負載是發(fā)射線圈，發(fā)射線圈等效為一個RLC（電阻R、電感L、電容C）串聯(lián)發(fā)射回路，要想提高接收線圈信號的信噪比，就必須提高發(fā)射模塊的輸出功率。在電纜測井傳統(tǒng)AFIT（陣列感應(yīng)儀器）中，我們采用線性功率器件實現(xiàn)對激勵信號的功率驅(qū)動。如圖2所示，PA（功率放大器）Positive和PA Negative為兩個線性功率驅(qū)動模塊，用于驅(qū)動發(fā)射線圈的兩極，具體電路圖如圖4所示。

圖中2可見，AFIT[4]發(fā)射單元由兩對大功率達林頓開關(guān)管組成，開關(guān)管的靜態(tài)電流導(dǎo)致儀器的整體功耗非常大，該方案對存儲式過鉆具測量系統(tǒng)并不適用。所以，我們在過鉆具感應(yīng)儀器中應(yīng)用本文的新型發(fā)射電路，通過提高發(fā)射效率來解決此問題。

2??? B類功率放大器

下面簡單介紹AFIT陣列感應(yīng)儀器中所使用的B類線性功放。圖3為B類功率放大器的基本原理框圖，主要包括兩個線性功率管組成。

從圖3可以看出B類放大器用兩管推挽工作，而且放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi)，因此交越失真較大[5]。

圖4為AFIT陣列感應(yīng)儀器線路功率放大電路設(shè)計的電路原理圖。圖中集成電路我們選用軌對軌高壓運算放大器AD823（U4）和達林頓功率管2N6388（Q3）和2N6668（Q2）實現(xiàn)對驅(qū)動信號的功率放大，該電路復(fù)雜，調(diào)試困難。

圖5為加載到發(fā)射線圈兩端的實際激勵信號。黃色波形和綠色波形分別為PA Positive和PA Negative兩個線性功率驅(qū)動模塊輸出的示波器測量波形，加載到發(fā)射線圈的兩極，驅(qū)動線圈向地層發(fā)射激勵信號。

3??? D類功率放大器

為了解決B類功放存在的一些問題，我們在過鉆具陣列感應(yīng)儀器中采用D類放大器，也稱為開關(guān)放大器。放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路和低通濾波器等四部分組成[6][7]。

D類功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個部分：調(diào)制器，把輸入發(fā)射波形信號調(diào)制成一個與輸入信號幅度相關(guān)的脈寬調(diào)制信號。D類功率放大器是一個脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把脈寬調(diào)制信號變成高電壓、大電流的大功率脈寬調(diào)制信號。低通濾波電路把大功率脈寬調(diào)制信號波形中的原始信息還原出來[8]，結(jié)構(gòu)和原理如圖6、圖7所示。

4??? D類功放在AFIT儀器中的應(yīng)用

在過鉆具陣列感應(yīng)儀器中，我們選用D類功率放大器件TDA8920，放大器采用差動音頻輸入，振蕩器頻率由腳1外部電阻R設(shè)定。16腳外部電流（Rllim）用作調(diào)節(jié)限制電流。17腳上的輸入電壓（Vms）用作模式選擇：即待機、靜噪抑制（無聲）和導(dǎo)通進入正常操作。電路原理如圖8所示。

在過鉆具陣列感應(yīng)儀器應(yīng)用中，振蕩器的頻率計算公式為：

R取10kΩ，即振蕩頻率為500 kHz，遠離感應(yīng)儀器的工作頻率。圖9為D類功放感應(yīng)信號發(fā)射波形。

在D類功放設(shè)計中需要考慮的主要難點是輸出級的保護和儀器高溫環(huán)境下LC低通濾波器的設(shè)計[9]。在本應(yīng)用中，采用大電流熔斷器件實現(xiàn)功率模塊和電源模塊的過載保護，在濾波器設(shè)計中，選用高溫磁芯繞制電感和高溫COG電容組成的濾波電路，并結(jié)合發(fā)射電子線路的溫度刻度，實現(xiàn)儀器穩(wěn)定可靠工作。

5??? 結(jié)論

由圖5可以看出，B類功放的輸出最大峰值為22 V，電源供電電壓為±15 V，其效率為75%;由圖9所示D類功放輸出波形可以看出，其輸出最大峰值為26.7 V，電源供電電壓為±15 V，效率達到90%。由此可以看出D類功放的效率較B類功放的效率更高，從而減小發(fā)射模塊的發(fā)熱量，同時提高儀器信號的信噪比。

參考文獻：

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[8]姚福安.D類音頻功率放大器設(shè)計[J].山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2003，33（6）：665～669.

[9]諾伍德.GAALAAS E.D類音頻放大器設(shè)計：概念、原理和方法[A].諾伍德：美國模擬器件公司，2007.