方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧俊強(qiáng),鞠曉東,門百永,劉先平,楊佐新

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.北京市地球探測(cè)與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,北京100200;4.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測(cè)井技術(shù)試驗(yàn)基地,陜西西安710077;5.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司制造公司,河北任丘062550)

0 引 言

傳統(tǒng)聲波測(cè)井采用的聲源主要是單極子聲源和偶極子聲源。單極子發(fā)射單極子接收聲波測(cè)井儀器所用的單極子聲源為對(duì)稱聲源,該類儀器在周向上無明顯指向性,僅能在二維空間(軸向和徑向)內(nèi)對(duì)井下地層構(gòu)造或者地質(zhì)體進(jìn)行成像,但無法確定其方位[1-3]。偶極子聲源的指向性具有180°對(duì)稱的“8”字特征,因此,基于該類聲源的四分量偶極子聲波測(cè)井技術(shù)在井下地質(zhì)體方位確定方面存在一定的局限性,在方位識(shí)別上存在多解性[4-6]。遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像測(cè)井儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井旁遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的地層界面、孔洞或裂縫的探測(cè)[7],但現(xiàn)有的遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像測(cè)井儀器只是加大了徑向探測(cè)的深度,儀器的方位分辨特性并未得到改進(jìn)。為了解決傳統(tǒng)單極子聲源和偶極子聲源的遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井無方位分辨特性或方位分辨特性有限的問題,近年來前人基于多方位接收以及傳感器與電子系統(tǒng)集成技術(shù),研發(fā)了具有方位探測(cè)能力的方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器[8-11]。

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀采用陣列化的接收器和多模式發(fā)射器[12],這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求其電子系統(tǒng)具有較大規(guī)模的并行處理功能。為了提高信噪比并解決多傳感器承壓連接的問題,必須將傳感器與電子系統(tǒng)進(jìn)行有效集成,實(shí)現(xiàn)多通道功能電路的互聯(lián)和同步,解決大規(guī)模陣列接收及大深度采集帶來的數(shù)據(jù)量大幅度增加與電纜傳輸帶寬有限的問題。根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)的儀器電子系統(tǒng)由主控電路、多節(jié)點(diǎn)接收采集電路、相控激勵(lì)電路構(gòu)成,電子系統(tǒng)各部分的互聯(lián)基于主節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)的模式,將電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多個(gè)數(shù)字化功能節(jié)點(diǎn),通過專用的儀器模塊互聯(lián)總線實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)互聯(lián)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀的接收站多,發(fā)射換能器工作有多種模式,電子系統(tǒng)復(fù)雜,對(duì)接收數(shù)據(jù)的信噪比要求高。傳統(tǒng)的聲波測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)難以滿足該類儀器的需求,甚至短節(jié)連接器等部件也無法實(shí)現(xiàn)儀器內(nèi)部各個(gè)功能電路的互聯(lián)。因此,必須突破現(xiàn)有儀器的結(jié)構(gòu),從換能器與電子系統(tǒng)的高度集成化方面進(jìn)行設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)有源發(fā)射聲系和有源接收聲系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖1為方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖,井下儀器由有源發(fā)射聲系、隔聲體、有源接收聲系和主控短節(jié)構(gòu)成。每個(gè)聲系內(nèi)部不僅裝有陣列化的壓電振子元件,還分別集成了對(duì)應(yīng)的測(cè)控電子系統(tǒng),這些高密度組裝的電路與壓電振子構(gòu)成直接承壓聲系,所有聲系兩端均設(shè)計(jì)有過線承壓盤。有源發(fā)射聲系可實(shí)現(xiàn)交叉偶極子發(fā)射和線控單極子發(fā)射。有源接收聲系包括10個(gè)接收站,每個(gè)接收站包括8個(gè)方位接收器。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀提高了測(cè)井作業(yè)的適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)了與大多數(shù)測(cè)井系統(tǒng)的順利配接?；谟性窗l(fā)射聲系和有源接收聲系工作方式的不同組合,儀器可工作于單極模式(單極發(fā)射單極接收)、單極方位模式(單極發(fā)射方位接收)、交叉偶極模式(四分量偶極)、交叉偶極方位模式(交叉偶極發(fā)射方位接收),這4種模式都能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)量功能。

圖1 方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖

圖2為方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)構(gòu)成原理圖,儀器電子系統(tǒng)由主控電路、多節(jié)點(diǎn)接收采集電路、相控激勵(lì)電路構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)了換能器激勵(lì)、信號(hào)接收放大、模式選擇、有源濾波、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊等功能。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀采用多個(gè)數(shù)字化功能子模塊(如相控激勵(lì),方位接收站等)組成整個(gè)電子系統(tǒng),儀器電子系統(tǒng)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化功能化子模塊管理的重要環(huán)節(jié),為此,設(shè)計(jì)了一種專用的儀器模塊互聯(lián)總線(Tool Module Bus,TMB)。為了提高接收信號(hào)的信噪比、完成儀器各部分電路的連接并有利于儀器的升級(jí)擴(kuò)展,設(shè)計(jì)了由多個(gè)有源接收站(也稱為采集節(jié)點(diǎn))構(gòu)成的有源接收聲系,每個(gè)有源接收站包括方位接收換能器和處理電路,方位接收波形經(jīng)有源接收站處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字化結(jié)果,有源接收站通過儀器模塊互聯(lián)總線發(fā)送采集數(shù)據(jù)并接收控制命令。通過儀器模塊互聯(lián)總線完成了主控電路與多個(gè)接收采集電路和相控激勵(lì)電路的連接,該通訊總線是一種由時(shí)鐘和數(shù)據(jù)構(gòu)成的高速串行總線,占用的連接資源較少,解決了井下儀器系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能模塊的高速通訊。可以看出,儀器電子系統(tǒng)的這種結(jié)構(gòu)和通訊方式在理論上可以連接多個(gè)采集和發(fā)射節(jié)點(diǎn),為儀器的功能擴(kuò)展提供了可能。

圖3為方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀遙測(cè)系統(tǒng)接口構(gòu)成原理圖,儀器的遙測(cè)接口以數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing,DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)為核心控制電路,設(shè)計(jì)了多種接口方式,通過控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)總線接口引擎可與中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司的CPLog測(cè)井系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)。同時(shí),設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)(IEEE802.3)接口,能夠與當(dāng)前基于Ethernet互聯(lián)的其他高速遙測(cè)系統(tǒng)掛接,傳輸較大批量的數(shù)據(jù),有利于地面系統(tǒng)對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,得到更多的工程參數(shù)。

圖2 方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

圖3 方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀遙測(cè)系統(tǒng)接口構(gòu)成原理圖

2 多節(jié)點(diǎn)接收采集電路

有源接收聲系采用直接承壓有源陣列結(jié)構(gòu),共包括80個(gè)片狀寬帶接收換能器單元。每個(gè)片狀寬帶接收換能器單元都使用獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集通道,共80個(gè)通道,每個(gè)通道的增益動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍為0～90 dB,16位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)全并行同步采集,整個(gè)有源接收聲系通過多個(gè)獨(dú)立的數(shù)字化節(jié)點(diǎn)與儀器模塊互聯(lián)總線相連。

圖4為多節(jié)點(diǎn)接收采集電路的單個(gè)接收采集節(jié)點(diǎn)原理示意圖,主要包括前置放大、程控放大、有源濾波、多通道同步數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集控制、緩存和節(jié)點(diǎn)通訊控制這7個(gè)模塊。接收換能器的任何一路均可進(jìn)行獨(dú)立的放大、濾波等模擬處理和數(shù)據(jù)采集。

圖4 多節(jié)點(diǎn)接收采集電路的單個(gè)接收采集節(jié)點(diǎn)原理示意圖

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀的全部有源接收站同步工作,獲得接收陣列的時(shí)域波形信號(hào)序列。儀器的數(shù)據(jù)采集通道能對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行16位高速全并行同步數(shù)據(jù)采集,每秒最多有500千次采樣,前端和公共放大器提供量程為90 dB、步進(jìn)為6 dB的程控放大能力,每個(gè)放大通道均可獨(dú)立受控。通過實(shí)時(shí)增益控制和多級(jí)有源濾波,能夠在較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)獲得最佳信噪比。

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀在井中徑向探測(cè)距離較遠(yuǎn),具有8個(gè)方位的周向探測(cè)能力,要求儀器能夠具備多通道、大數(shù)據(jù)量并行的數(shù)據(jù)采集功能,儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存空間要與數(shù)據(jù)的采集和處理匹配。儀器在每個(gè)深度點(diǎn)可同時(shí)工作于單極方位模式和交叉偶極方位模式,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為每個(gè)深度點(diǎn)480 kB。

3 主控電路

主控電路是儀器的控制中心,采用典型的嵌入式架構(gòu)(見圖5)。主控電路主要由核心DSP、SRAM(Static Random-Access Memory)、FLASH存儲(chǔ)器、儀器通訊控制器、井下儀器總線控制器及鏈路接口等模塊構(gòu)成。

圖5 主控電路原理示意圖

主控電路采用具有32位定點(diǎn)和32位浮點(diǎn)處理功能的高速DSP作為主控元件,完成儀器控制和本地?cái)?shù)據(jù)處理。采用百萬門級(jí)FPGA作為系統(tǒng)控制邏輯,實(shí)現(xiàn)儀器模塊互聯(lián)總線主控節(jié)點(diǎn)的功能和井下儀器總線接口的控制。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀可通過CAN接口引擎和以太網(wǎng)(IEEE802.3)接口與遙測(cè)短節(jié)掛接,實(shí)現(xiàn)與井下儀器串的系統(tǒng)互聯(lián)。

儀器模塊互聯(lián)總線的特點(diǎn)是采用了“一主多從”的總線式多點(diǎn)互聯(lián)方式,主控節(jié)點(diǎn)由儀器主控電路承擔(dān)。工作時(shí)主節(jié)點(diǎn)與某從節(jié)點(diǎn)形成一對(duì)一的連接,其余的從節(jié)點(diǎn)處于掛起狀態(tài),這種主節(jié)點(diǎn)主動(dòng)的方式能夠完全避免總線競(jìng)爭(zhēng),從而有效地利用信道帶寬提高數(shù)據(jù)傳輸效率。主控節(jié)點(diǎn)可通過廣播方式同時(shí)對(duì)所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令,以獲得系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)子模塊對(duì)激勵(lì)和采集的時(shí)間同步。

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀典型的深度采樣間隔是20 cm,當(dāng)測(cè)井速度為400 m/h,每個(gè)深度點(diǎn)典型數(shù)據(jù)量為480 kB,則對(duì)應(yīng)的理論數(shù)據(jù)傳輸速率要求為4.3 Mbit/s,但當(dāng)前的測(cè)井電纜數(shù)據(jù)傳輸速率無法滿足此要求,采用存儲(chǔ)容量大、可靠性高的FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行井下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是一種有效的解決方案。

4 相控激勵(lì)電路

有源發(fā)射聲系包括發(fā)射器和相控激勵(lì)電路,發(fā)射器分為單極和偶極,單極可以工作于相控線陣模式,偶極可以工作于正交激勵(lì)模式。圖6為相控激勵(lì)電路的原理示意圖。

圖6 相控激勵(lì)電路原理示意圖

系統(tǒng)通訊控制器是一個(gè)獨(dú)立的通訊節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)與主控電路的雙向連接;激勵(lì)控制參數(shù)鎖存器對(duì)接收到的控制命令進(jìn)行譯碼并生成控制參數(shù),同時(shí)給系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送該節(jié)點(diǎn)的狀態(tài);相控激勵(lì)控制器根據(jù)接收到的激勵(lì)控制參數(shù)產(chǎn)生單極子換能器的相控激勵(lì)時(shí)序信號(hào),并根據(jù)工作模式確定偶極子換能器的激勵(lì)控制脈沖;4通道VMOS驅(qū)動(dòng)器和4通道VMOS大功率高壓開關(guān)對(duì)相控激勵(lì)控制器產(chǎn)生的激勵(lì)控制脈沖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大,并產(chǎn)生高壓激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器。通過對(duì)壓電振子和相控激勵(lì)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),可使儀器能夠在更長的源距和更寬的頻帶下工作,以獲得高質(zhì)量的井筒模式波。

相控激勵(lì)電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單極和偶極換能器的大功率激勵(lì)。單極激勵(lì)可以工作于相控線陣模式,為了提高儀器的可靠性,減小儀器電路的規(guī)模,設(shè)計(jì)了由兩組單極換能器構(gòu)成的相控線陣激勵(lì)系統(tǒng),該激勵(lì)系統(tǒng)由兩個(gè)相控線陣激勵(lì)通道進(jìn)行控制。這兩個(gè)相控線陣激勵(lì)通道的電路結(jié)構(gòu)完全相同,相控激勵(lì)由兩個(gè)通道輸出的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相對(duì)相位差實(shí)現(xiàn),該信號(hào)的相對(duì)相位差可由地面系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,系統(tǒng)通訊控制器接收到控制信號(hào)后譯碼為激勵(lì)信號(hào)相位差控制參數(shù),通過相控激勵(lì)控制器輸出具有相對(duì)相位差的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道的相控線陣激勵(lì)。

5 測(cè)試實(shí)例

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀在塔里木油田、大港油田多個(gè)區(qū)塊開展了多井次測(cè)試,均取得了合格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料。圖7為儀器在塔里木油田某井測(cè)量得到的單極方位模式下的數(shù)據(jù),測(cè)量深度范圍約為X 910～X 010 m,共計(jì)100 m,測(cè)量時(shí)采用了井下存儲(chǔ)、地面監(jiān)測(cè)的快速測(cè)量模式。圖7的第1道為方位和伽馬測(cè)井曲線,第3道到第10道為最小源距接收站的8個(gè)方位接收器分別接收到的波形。圖8為測(cè)量該井得到的最小源距接收站第1個(gè)方位接收器在某個(gè)深度點(diǎn)的測(cè)量波形。

從圖7和圖8可見,聲波信號(hào)信噪比高,首波到達(dá)之前的基線幾乎沒有干擾,模式波特征清楚,模式波后邊的其他波形(包括可能存在的反射波)幅度明顯減小,波形幅度隨著徑向距離的增大按照指數(shù)規(guī)律減小,但是測(cè)量距離最遠(yuǎn)的波的形態(tài)依然非常清晰,有利于波形資料的處理及對(duì)遠(yuǎn)距離地質(zhì)體的成像。同時(shí),在單極方位模式下儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為0～16 ms,測(cè)量井段的縱波聲速約為5 000 m/s,測(cè)量深度約達(dá)40 m。儀器在交叉偶極模式下的測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為0～32 ms,對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度要大于單極方位模式下的探測(cè)深度。儀器的測(cè)控電子系統(tǒng)滿足方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀的測(cè)量要求,能夠?yàn)閮x器在多方位、大探測(cè)深度測(cè)量場(chǎng)景下提供可靠且高信噪比的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖7 單極方位模式下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)

圖8 單道單深度點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

(1)方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀采用了有源發(fā)射聲系和有源接收聲系的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的電子系統(tǒng)比較復(fù)雜,該文設(shè)計(jì)了基于主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的儀器電子系統(tǒng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字化功能模塊,通過專用的儀器模塊互聯(lián)總線實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)。這種井下儀器內(nèi)部的多節(jié)點(diǎn)連接方式解決了具有陣列化傳感器的井下儀器互聯(lián)的難題,有利于儀器功能的升級(jí)擴(kuò)展,為儀器進(jìn)行多功能組合測(cè)量提供了可能。

(2)方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀的電子系統(tǒng)以DSP和FPGA為核心控制電路,設(shè)計(jì)了多種接口方式,實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有主流遙測(cè)系統(tǒng)的互聯(lián),擴(kuò)展了儀器的適用性。采用容量大、可靠性高的FLASH井下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器解決遙測(cè)電纜傳輸帶寬的限制,提高了儀器測(cè)量的時(shí)效性。

(3)多節(jié)點(diǎn)接收采集電路包含多個(gè)并行接收采集處理通道,為每個(gè)通道提供了大容量波形數(shù)據(jù)緩存空間,實(shí)現(xiàn)了多方位陣列化遠(yuǎn)探測(cè)聲波接收信號(hào)的并行處理和采集。

(4)方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)與陣列化傳感器的有源集成結(jié)構(gòu)為其他類型測(cè)井儀器,特別是成像類聲波測(cè)井儀器的研發(fā)提供了可參考的解決方案。