井孔三分量時(shí)間域電磁探測(cè)自適應(yīng)恒壓鉗位發(fā)射技術(shù)

趙子楊 ，劉麗華 ，柯振 ，晏使楚 ，劉小軍 ，肖占山

(1. 中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京，100094；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京，100049；3. 中國(guó)科學(xué)院 電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100190；4. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 測(cè)井技術(shù)研究院，北京，102206)

能源資源安全是國(guó)家安全的重要一環(huán)，面對(duì)新時(shí)代復(fù)雜形勢(shì)下的國(guó)際能源供應(yīng)局面，大力發(fā)展立足國(guó)內(nèi)的能源資源勘探以實(shí)現(xiàn)能源自給，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)防安全具有重要的意義。地球物理探測(cè)技術(shù)是能源資源勘探最主要的方法之一，電磁法測(cè)井技術(shù)作為地球物理探測(cè)的重要方法，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用發(fā)展。國(guó)外對(duì)于井孔電磁法探測(cè)的應(yīng)用研究開(kāi)展較早，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，Schlumberger、Baker Atlas、Halliburton 等公司在頻率域電磁測(cè)井的商用領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，其DeepVISION、DeepTrak、EarthStar 等系列產(chǎn)品通過(guò)多分量發(fā)射接收組合，可在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)固定頻點(diǎn)的較遠(yuǎn)距離空間探測(cè)[1-2]。國(guó)內(nèi)業(yè)界在陸續(xù)引進(jìn)部分頻率域電磁測(cè)井儀器的同時(shí)，也在進(jìn)行自主產(chǎn)權(quán)設(shè)備的技術(shù)攻關(guān)。此類設(shè)備產(chǎn)品受限于頻率域電磁法原理，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，隨著探測(cè)距離增加，儀器結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度越來(lái)越大，甚至達(dá)到30 m 以上，給儀器制造、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、服務(wù)成本控制及數(shù)據(jù)解釋等帶來(lái)諸多不便[3]。

井孔時(shí)間域電磁法具備探測(cè)距離遠(yuǎn)、空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及儀器制造成本低等優(yōu)良特性，被認(rèn)為是未來(lái)井下電磁探測(cè)的重要發(fā)展方向之一。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于井孔時(shí)間域電磁探測(cè)的研究較為匱乏，國(guó)內(nèi)井下時(shí)間域電磁法的工程應(yīng)用均聚焦于地-井探測(cè)，主要包括中煤科工集團(tuán)研制的YCS系列、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)研制的CUGTEM 系列等設(shè)備，此類設(shè)備的設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)特性使其只能滿足中淺部的礦井探測(cè)[4]，而井孔地下空間時(shí)間域探測(cè)的相關(guān)研究目前處于起步階段，需要開(kāi)展更深入的研究與技術(shù)攻關(guān)。

電磁脈沖發(fā)射機(jī)是時(shí)間域電磁探測(cè)工程的核心部分，直接影響時(shí)間域電磁探測(cè)性能與效果。井孔空間遠(yuǎn)探測(cè)要求發(fā)射系統(tǒng)通過(guò)較小的設(shè)備尺寸實(shí)現(xiàn)較大功率電流脈沖發(fā)射，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何在設(shè)備小型化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大功率時(shí)間域電磁信號(hào)激發(fā)、強(qiáng)感性負(fù)載條件下發(fā)射電流脈沖下降沿快速高線性度關(guān)斷、多分量發(fā)射負(fù)載切換及復(fù)雜環(huán)境需求下的相應(yīng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化等。

在時(shí)間域電磁探測(cè)發(fā)射系統(tǒng)中，目前普遍采用有源或無(wú)源的恒定電壓鉗位方法，對(duì)電流脈沖下降沿進(jìn)行整形優(yōu)化。有源鉗位電路由于需要額外的獨(dú)立電源，要求足額的功率輸入與充足的器件空間以容納整套鉗位電路，故多用于對(duì)空間要求不敏感的大功率電磁脈沖發(fā)射機(jī)。普遍用于小尺寸發(fā)射機(jī)的無(wú)源恒壓鉗位技術(shù)通過(guò)固定的無(wú)源器件實(shí)現(xiàn)恒定鉗位電壓，對(duì)發(fā)射電流脈沖下降沿進(jìn)行鉗位整形優(yōu)化。這兩種鉗位方法[5-7]雖已成熟，但由于鉗位電壓固定，發(fā)射電流脈沖下降沿速率無(wú)法改變。

本文作者通過(guò)對(duì)井孔空間遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)難點(diǎn)的深入研究，提出一種無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制完成基于該技術(shù)的三分量時(shí)間域電磁發(fā)射系統(tǒng)。為驗(yàn)證發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及性能，完成發(fā)射系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試與測(cè)井儀器集成調(diào)試，并進(jìn)行測(cè)井設(shè)備的系統(tǒng)集成與聯(lián)合測(cè)試。該發(fā)射系統(tǒng)可針對(duì)不同發(fā)射負(fù)載、不同探測(cè)目標(biāo)、不同工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工況與負(fù)載環(huán)境變化下發(fā)射電流脈沖下降沿自適應(yīng)鉗位整形優(yōu)化，滿足井孔時(shí)間域電磁探測(cè)的工程應(yīng)用要求。

1 井孔時(shí)間域電磁探測(cè)三分量發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間域電磁探測(cè)的基本原理為發(fā)射線圈通過(guò)脈沖電流激發(fā)一次場(chǎng)，然后在某時(shí)刻控制線圈中的電流關(guān)斷使地下目標(biāo)感應(yīng)產(chǎn)生渦旋電流進(jìn)而激發(fā)二次場(chǎng)，接收傳感器通過(guò)探測(cè)二次場(chǎng)信號(hào)獲取目標(biāo)的電性特征，實(shí)現(xiàn)地下探測(cè)目標(biāo)參數(shù)測(cè)定[8-10]。

井孔時(shí)間域電磁探測(cè)系統(tǒng)工作示意圖如圖1(a)所示，電路系統(tǒng)、發(fā)射線圈和接收線圈均處于井下空間，集成于沿井孔軸向排列的曳引裝置上。由于井孔尺寸限制，該設(shè)備設(shè)計(jì)為徑向尺寸較小、軸向尺寸較長(zhǎng)的長(zhǎng)柱狀，在有限的探測(cè)空間中保證各個(gè)模塊能夠正常運(yùn)行。井孔探測(cè)環(huán)境如圖1(b)所示，探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)曳引裝置引導(dǎo)，可抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域完成電磁探測(cè)工作。

圖1 井孔時(shí)間域電磁探測(cè)系統(tǒng)工作示意圖Fig. 1 Schematic diagram of borehole time domain electromagnetic detection system

發(fā)射系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括直流電源輸入、數(shù)字邏輯控制器、MOSFET 全橋逆變電路、電流檢測(cè)與采集電路、自適應(yīng)鉗位電路、發(fā)射負(fù)載、三分量輸出電路等部分。其中，低壓直流電源模塊作為發(fā)射機(jī)整體工作電源，提供大功率發(fā)射源與轉(zhuǎn)化后的各元器件供電源；MOSFET 全橋逆變電路作為發(fā)射主功率部分產(chǎn)生雙極性方波脈沖；無(wú)源鉗位電路用于實(shí)現(xiàn)下降沿鉗位電壓的自適應(yīng)整形優(yōu)化；電流檢測(cè)與采集電路通過(guò)高精度霍爾傳感器與AD采集實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)采集；三分量輸出電路用于實(shí)現(xiàn)不同發(fā)射分量輸出的動(dòng)態(tài)控制；數(shù)字邏輯控制器用于產(chǎn)生各模塊所需邏輯控制信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)鉗位控制策略；發(fā)射負(fù)載為三分量發(fā)射線圈，通以交變電流產(chǎn)生探測(cè)所需電磁場(chǎng)。電流檢測(cè)與采集模塊、數(shù)字邏輯控制器及其直接控制的無(wú)源鉗位電路共同組成了無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位整形優(yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)主體。

該系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)電路拓?fù)鋱D如圖3所示，系統(tǒng)的主體工作電路為全橋逆變電路、自適應(yīng)無(wú)源可調(diào)鉗位電路、三分量輸出發(fā)射電路。全橋逆變電路由直流電源Us、單向二極管D2和4 個(gè)MOSFET組成。在自適應(yīng)無(wú)源可調(diào)鉗位電路中，DZ1～DZn為若干鉗位器件，SD1～SDn為相應(yīng)的低延時(shí)通斷控制器，D1為阻流二極管；R1為限流電阻，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制SD1～SDn狀態(tài)改變DZ1～DZn在無(wú)源鉗位電路中的接入數(shù)量以實(shí)現(xiàn)鉗位電壓的多級(jí)選擇，使電流脈沖下降沿以期望速率快速線性下降；在三分量輸出發(fā)射電路中，L1、L2、L3分別代表三個(gè)分量的發(fā)射負(fù)載，Rd為介入的阻尼電阻，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流脈沖下降沿末期的震蕩消除。在發(fā)射系統(tǒng)工作時(shí)，受邏輯控制器控制的全橋逆變電路在激發(fā)相應(yīng)電流脈沖后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)無(wú)源鉗位器件自動(dòng)可控接入，起到自適應(yīng)鉗位電壓整形優(yōu)化作用。設(shè)置系統(tǒng)發(fā)射頻率為0.01～1 000 Hz，控制器核心為采用50 MHz 頻率時(shí)鐘的FPGA 芯片，可滿足邏輯控制所需精度，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)邏輯信號(hào)接收?qǐng)?zhí)行及控制信號(hào)輸出，包括全橋逆變電路控制、發(fā)射電流采集信號(hào)接收?qǐng)?zhí)行、無(wú)源鉗位電路控制、三分量動(dòng)態(tài)輸出、與接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

圖3 發(fā)射系統(tǒng)電路拓?fù)鋱DFig. 3 Transmission system circuit topology diagram

2 無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位技術(shù)

在時(shí)間域電磁探測(cè)中，激勵(lì)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)物理參數(shù)和最終效果由電流脈沖特性決定，而電流脈沖的下降沿關(guān)斷速率會(huì)對(duì)探測(cè)目標(biāo)的電磁響應(yīng)產(chǎn)生較大影響[11-14]。因此，發(fā)射電流脈沖下降沿優(yōu)化是時(shí)間域電磁探測(cè)的關(guān)鍵，其優(yōu)化程度是發(fā)射系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)。

井孔時(shí)間域探測(cè)發(fā)射系統(tǒng)的鉗位設(shè)計(jì)存在諸多難點(diǎn)與要求：井孔時(shí)間域三分量發(fā)射探測(cè)中，不同分量發(fā)射負(fù)載的物理參數(shù)存在較大差別，傳統(tǒng)的恒定電壓鉗位方法無(wú)法滿足多分量發(fā)射電流波形的優(yōu)化需求；為實(shí)現(xiàn)井孔周圍空間由近及遠(yuǎn)全距離探測(cè)覆蓋，發(fā)射電流、關(guān)斷速率激發(fā)的電磁信號(hào)頻率和帶寬均不同，要求電流關(guān)斷斜率能夠自動(dòng)調(diào)整；此外，部分井下環(huán)境溫度較高，發(fā)射負(fù)載線圈長(zhǎng)時(shí)間通電導(dǎo)致的溫度變化會(huì)對(duì)發(fā)射負(fù)載物理參數(shù)產(chǎn)生不可忽略的影響，而恒定不變的鉗位電壓作用在阻抗發(fā)生變化的負(fù)載上，導(dǎo)致電流下降沿斜率發(fā)生變化，從而影響發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種適用于井下小型化、低功耗要求的無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位設(shè)計(jì)方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制無(wú)源鉗位電壓實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流下降沿的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整。

2.1 設(shè)計(jì)原理分析

無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位技術(shù)優(yōu)化效果如圖4 所示，其中，I0為發(fā)射平頂段峰值電流幅值。通過(guò)不同檔位的鉗位電壓對(duì)發(fā)射電流下降沿產(chǎn)生不同的整形作用。通過(guò)控制圖3 電路中控制開(kāi)關(guān)SD1～SDn的狀態(tài)，改變鉗位器件DZ1～DZn的接入數(shù)量，從而利用無(wú)源鉗位電壓Ud的多級(jí)選擇，動(dòng)態(tài)調(diào)整下降沿斜率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流脈沖下降斜率的精確控制。

圖4 自適應(yīng)多級(jí)鉗位效果示意圖Fig. 4 Schematic diagram of adaptive multi-level clamping effect

本設(shè)計(jì)中，無(wú)源鉗位器件基于齊納二極管實(shí)現(xiàn)，該器件具有獨(dú)特的反向偏置條件下反向穩(wěn)壓特性，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源鉗位作用。該無(wú)源鉗位電路作用于全橋逆變電路的等效電路如圖5 所示，其中，RL和L為負(fù)載的等效阻抗與電感，IRd為半橋截止時(shí)流經(jīng)阻尼電阻的電流，D2為鉗位電路單向二極管，DZ為等效鉗位器件。當(dāng)全橋逆變電路中半橋?qū)〞r(shí)，其等效電路如圖5(a)所示，此時(shí)，電源US直接向負(fù)載供電，電流波形經(jīng)過(guò)上升沿達(dá)到電流平頂段，幅值為I0，發(fā)射負(fù)載處于發(fā)射狀態(tài)，DZ反向截止；半橋截止時(shí)鉗位器件作用實(shí)現(xiàn)的等效電路如圖5(b)所示，此時(shí)，電源US開(kāi)路，感性負(fù)載激發(fā)出較大瞬時(shí)電流，大部分電流通過(guò)D2流至DZ泄放，電流為IZ，由于齊納二極管的反向穩(wěn)壓特性，負(fù)載兩端電壓被鉗位至Ud實(shí)現(xiàn)無(wú)源鉗位，Ud由鉗位器件參數(shù)及接入數(shù)量決定。在電流關(guān)斷晚期，能量主要消耗于阻尼電阻Rd，對(duì)應(yīng)電流為IR，實(shí)現(xiàn)電流尾部過(guò)沖抑制。

圖5 無(wú)源鉗位器件作用實(shí)現(xiàn)等效電路Fig. 5 Passive clamping device equivalent circuit

結(jié)合圖4 與圖5，在t1～t3時(shí)間段，外部電源US為發(fā)射系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)發(fā)射電流脈沖輸出，在t3時(shí)刻半橋截止關(guān)斷，發(fā)射電流在無(wú)源鉗位電壓Ud的作用下快速下降，關(guān)斷時(shí)間Δt為[14-17]：

對(duì)應(yīng)的發(fā)射電流下降沿斜率K為：

2.2 控制策略與邏輯

自適應(yīng)恒壓鉗位控制策略如圖6所示，Iin為發(fā)射電流初始值；實(shí)時(shí)電流I0為決策反饋量；鉗位器件接入數(shù)量N及其鉗位電壓Ud為控制對(duì)象；發(fā)射負(fù)載阻抗RL和電感L為未知量；當(dāng)前發(fā)射電流下降斜率Ki和關(guān)斷時(shí)間Δt為控制過(guò)程中的改變量；Iout為控制過(guò)程完成后的發(fā)射電流輸出量。自適應(yīng)恒壓鉗位控制過(guò)程中，電流脈沖Iin激發(fā)后，經(jīng)霍爾電流傳感器檢測(cè)與AD采集得到的I0與Δt反饋至控制器，控制器根據(jù)自適應(yīng)控制策略產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制無(wú)源鉗位電路中鉗位器件數(shù)量N，Ud隨之發(fā)生改變使電流下降沿以目標(biāo)斜率KS快速線性下降。

圖6 自適應(yīng)鉗位控制策略Fig. 6 Adaptive clamp control strategy

自適應(yīng)控制過(guò)程初始默認(rèn)設(shè)置鉗位器件接入最高檔位，此時(shí)，鉗位電壓為可調(diào)范圍內(nèi)最大值。在下降沿關(guān)斷期間，通過(guò)分析反饋量參數(shù)的變化，得到當(dāng)前下降斜率，結(jié)合反饋量參數(shù)可計(jì)算得到發(fā)射負(fù)載相關(guān)參數(shù)：負(fù)載等效阻抗負(fù)載電感L=UdKi以便對(duì)控制量做出相應(yīng)決策。由于在多級(jí)無(wú)源鉗位設(shè)計(jì)中，Ud只由無(wú)源鉗位器件接入數(shù)量N決定，即

式中：VZ為接入的鉗位器件的等效電壓；Ni為鉗位器件初始數(shù)量；Nv為鉗位器件改變數(shù)量，通過(guò)控制Nv使Ki近似等于KS，結(jié)合式(2)和(3)可得：

令N′v=[Nv]，通過(guò)控制鉗位器件接入數(shù)量改變N′v可滿足相應(yīng)電流下降沿斜率變化要求。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，須避免電壓跳變對(duì)鉗位器件帶來(lái)的損壞，可控鉗位器件接入數(shù)量按照階梯遞減或遞增，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉗位電壓的階梯逐漸變化。在自適應(yīng)控制狀態(tài)穩(wěn)定后，下降沿當(dāng)前斜率Ki和目標(biāo)斜率KS滿足：

式中：k為器件參數(shù)決定的最小固有誤差，即Ki在一個(gè)最小可控范圍(KS-k，KS+k)內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)工作環(huán)境溫度及負(fù)載物理參數(shù)改變時(shí)，則繼續(xù)進(jìn)入自適應(yīng)控制周期，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流脈沖按照預(yù)設(shè)下降沿速率穩(wěn)定輸出。

以無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位控制發(fā)射電流下降沿斜率減小的過(guò)程為例，時(shí)序邏輯如圖7 所示，其中，I為發(fā)射電流；控制過(guò)程中，在t1～t5時(shí)間段，無(wú)源鉗位器件接入數(shù)量為N2，鉗位器件組等效齊納電壓為Ud2，此發(fā)射周期內(nèi)，t1～t2和t3～t4兩個(gè)關(guān)斷過(guò)程分別受到鉗位電壓為Ud2和-Ud2的鉗位整形優(yōu)化，使發(fā)射電流下降沿快速線性下降。需要進(jìn)行控制調(diào)整時(shí)，為避免出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，在該周期結(jié)束延遲一定時(shí)間后的t5時(shí)刻，控制無(wú)源鉗位電路中鉗位器件接入數(shù)量調(diào)整為N1，相應(yīng)的鉗位器件組等效齊納電壓為Ud1，在下一發(fā)射周期內(nèi)，t6～t7和t8～t9兩個(gè)關(guān)斷過(guò)程中，發(fā)射電流分別受到Ud1和-Ud1的鉗位作用，下降沿下降速率放緩，斜率減小，激發(fā)的電磁場(chǎng)參數(shù)隨之改變。增大發(fā)射電流下降沿斜率的控制過(guò)程與之類似，故不再贅述。

圖7 時(shí)序邏輯示意圖Fig. 7 Timing logic diagram

由此，根據(jù)該自適應(yīng)控制策略，在時(shí)間域探測(cè)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)不同需求下的自適應(yīng)發(fā)射控制。對(duì)不同探測(cè)目標(biāo)，系統(tǒng)激勵(lì)的一次電磁場(chǎng)可根據(jù)需求電流脈沖波形動(dòng)態(tài)變化，對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行多維度探測(cè)；針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)或工作環(huán)境改變引起的負(fù)載溫度變化導(dǎo)致的負(fù)載電參數(shù)變化，可通過(guò)此策略完成發(fā)射脈沖電流的波形穩(wěn)定。

3 三分量動(dòng)態(tài)發(fā)射設(shè)計(jì)

在時(shí)間域電磁法探測(cè)工程中，發(fā)射線圈的設(shè)計(jì)直接影響激發(fā)瞬變電磁場(chǎng)的性能參數(shù)[18]。與傳統(tǒng)單分量發(fā)射線圈相比，三分量井孔時(shí)間域電磁探測(cè)發(fā)射線圈的各分量物理特性不同，當(dāng)各發(fā)射線圈使用相同的電流脈沖作為輸入時(shí)，會(huì)造成電流波形質(zhì)量下降或額外功率損失，降低電磁系統(tǒng)探測(cè)能力。

3.1 三分量發(fā)射線圈設(shè)計(jì)

用于井孔時(shí)間域探測(cè)的發(fā)射線圈由于在有限空間內(nèi)纏繞致密，可等效為共軸多匝圓形回線線圈，其電阻R和電感L可以分別表示為[19]：

式中：n為線圈匝數(shù)；ρ為線圈電阻率；r1為線圈回線半徑；r2為線圈自身截面半徑；Mij對(duì)應(yīng)為ij線圈之間互感；Li為線圈i的自感?？紤]到發(fā)射線圈材質(zhì)、回線半徑、電流及法向方向等參數(shù)近似一致，可以認(rèn)為自感Li主要與線圈自身截面半徑、周圍截至及線圈回線半徑r1有關(guān)，互感Mij主要與線圈回線半徑r1有關(guān)。結(jié)合式(2)～(5)可知，線圈自身物理參數(shù)直接影響探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射電流、關(guān)斷時(shí)間及斜率等性能參數(shù)。多匝圓形發(fā)射線圈在井孔周邊產(chǎn)生的全空間時(shí)間域電磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度[19]為

式中：Pm為磁偶極矩；l為觀測(cè)點(diǎn)到源點(diǎn)距離；電磁時(shí)間常數(shù)?(u)為誤差函數(shù)。

由式(8)可知，時(shí)間域電磁遠(yuǎn)探測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和Pm相關(guān)，而共軸多匝線圈體系中Pm=nπIr12，因此，線圈自身物理參數(shù)也會(huì)影響電磁場(chǎng)的性能參數(shù)，發(fā)射線圈在設(shè)計(jì)時(shí)須同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)、空間容量、匝數(shù)、纏繞方式、線圈材質(zhì)等多種因素。

三分量發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示，三個(gè)分量的線圈依次分布于細(xì)長(zhǎng)圓柱形結(jié)構(gòu)且兩兩正交垂直，發(fā)射電路通過(guò)相應(yīng)接口向三個(gè)分量的線圈輸出發(fā)射電流。該設(shè)計(jì)在減少線圈互感影響的同時(shí)滿足全空間廣覆蓋的時(shí)間域探測(cè)要求。其中，X、Y分量為多匝矩形線圈，采用單層平行并列繞制、多層緊密覆蓋的設(shè)計(jì)，在有限空間條件下達(dá)到更大的等效面積；Z分量為多匝圓形線圈，為實(shí)現(xiàn)較大的等效面積的同時(shí)減小線圈的分布參數(shù)，采用分節(jié)串聯(lián)方法繞制。三分量發(fā)射線圈整體設(shè)計(jì)在最大化利用預(yù)留空間的同時(shí)，使機(jī)械剛體結(jié)構(gòu)與線圈之間盡量緊密整齊，以保證各分量正交，同時(shí)最大化降低各分量線圈間串?dāng)_。

圖8 三分量線圈設(shè)計(jì)圖Fig. 8 Schematic diagram of three-component coil structure

該發(fā)射線圈的支撐結(jié)構(gòu)主體為高分子剛體結(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈線材為聚酯漆包銅線，具有耐刮磨、耐酸堿、耐高溫等良好的電氣性能，漆包銅線表面覆蓋的聚酰亞胺薄膜起到線圈匝間安全隔離作用。由此，三分量發(fā)射線圈具有良好機(jī)械性能，可供發(fā)射系統(tǒng)在交變電流激勵(lì)下形成穩(wěn)定的瞬變電磁場(chǎng)。

3.2 三分量發(fā)射動(dòng)態(tài)控制

三分量動(dòng)態(tài)發(fā)射控制如圖9所示，控制器通過(guò)動(dòng)態(tài)選擇控制實(shí)現(xiàn)三分量發(fā)射的時(shí)序切換，實(shí)現(xiàn)三分量動(dòng)態(tài)可控輸出。在不同物理參數(shù)的分量進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換時(shí)必然帶來(lái)發(fā)射電流脈沖下降沿關(guān)斷斜率的變化，結(jié)合2.2節(jié)中自適應(yīng)控制邏輯，系統(tǒng)可基于分量切換后的參數(shù)采集反饋，控制器驅(qū)動(dòng)控制鉗位電路，對(duì)不同發(fā)射分量進(jìn)行自適應(yīng)鉗位整形優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電磁場(chǎng)激發(fā)與預(yù)期探測(cè)效果。

圖9 三分量發(fā)射動(dòng)態(tài)控制Fig. 9 Three-component transmission dynamic control

4 發(fā)射系統(tǒng)研制與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 發(fā)射系統(tǒng)研制

研制完成的發(fā)射機(jī)電路如圖10 所示，包括電源模塊、控制模塊與功率電路。外部電源輸入直流電壓為24 V，電源模塊包括功率電源和弱電電源，并進(jìn)行電氣隔離，分別為功率模塊和控制模塊供電；電路板寬度小于50 mm，固定于設(shè)備內(nèi)部。

圖10 發(fā)射機(jī)電路實(shí)物圖Fig. 10 Transmission circuit diagram

研制完成的三分量發(fā)射線圈如圖11 所示，從右到左分別為X、Y、Z三分量發(fā)射線圈。三分量發(fā)射線圈的參數(shù)如表1 所示，發(fā)射傳感器X分量與Y分量參數(shù)一致，其線圈匝數(shù)均為80，單匝有效面積3 200 mm2，Z分量線圈匝數(shù)為700圈，單匝有效面積為750 mm2，漆包銅線的截面積均為0.785 mm2。三分量發(fā)射線圈與發(fā)射電路通過(guò)絕緣高溫導(dǎo)線相連實(shí)現(xiàn)三分量動(dòng)態(tài)發(fā)射。

表1 三分量發(fā)射線圈參數(shù)Table 1 Three-component transmitting coil parameter

圖11 三分量發(fā)射線圈實(shí)物結(jié)構(gòu)Fig. 11 Physical structure of three-component transmitting coil

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

首先，于實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)由外接24 V 直流電源供電。測(cè)量?jī)x器為Tek示波器及其高精度電流探頭。發(fā)射電路與接收電路之間通過(guò)線同步實(shí)現(xiàn)通信工作，發(fā)射電流被霍爾元件檢測(cè)后，被采集至發(fā)射機(jī)控制器，作為重要的反饋量參與自適應(yīng)鉗位決策，同時(shí)經(jīng)差分傳送至接收機(jī)進(jìn)行同步采集與存儲(chǔ)，用于后續(xù)電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理與解釋。

發(fā)射系統(tǒng)鉗位電壓范圍設(shè)計(jì)為100～500 V。在最高一檔鉗位作用下，發(fā)射電流波形實(shí)測(cè)結(jié)果如圖12 所示，其中，脈沖重頻25 Hz，占空比50%，發(fā)射電流峰值達(dá)到10 A。可以看出，發(fā)射系統(tǒng)可產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的雙極性方波脈沖電流，其下降沿關(guān)斷速度快、線性度高，尾部振蕩得到有效抑制，滿足井孔時(shí)間域電磁探測(cè)的發(fā)射電流要求。

圖12 25 Hz、50%占空比發(fā)射電流波形Fig. 12 Waveform diagram of emission current at 25 Hz and 50% duty cycle

在完成實(shí)驗(yàn)室條件測(cè)試后，本系統(tǒng)在中石油測(cè)井應(yīng)用研究院進(jìn)行測(cè)井設(shè)備的系統(tǒng)集成與聯(lián)合測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖13 所示。探測(cè)設(shè)備適用于井徑為20～66 cm 的探測(cè)井，設(shè)備提供24 V 直流電源為發(fā)射系統(tǒng)供電，在25 Hz、50%占空比發(fā)射狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。由于本發(fā)射系統(tǒng)的X分量和Y分量線圈參數(shù)一致，此處只列舉X分量和Z分量發(fā)射線圈在自適應(yīng)鉗位作用下的電流發(fā)射測(cè)試結(jié)果。

發(fā)射機(jī)支持無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位調(diào)節(jié)，可按設(shè)定技術(shù)指標(biāo)對(duì)發(fā)射電流下降沿進(jìn)行不同斜率的鉗位整形優(yōu)化。在發(fā)射電流為10 A 條件下，模擬不同探測(cè)需求下的下降沿斜率要求，設(shè)置X分量電流下降沿斜率KS為0.30、0.24、0.18、0.12、0.06 A/μs，設(shè)置Z分量目標(biāo)斜率KS為0.10、0.08、0.06、0.04、0.02 A/μs，實(shí)際測(cè)量得到的相應(yīng)電流下降沿波形如圖14所示。

圖14 自適應(yīng)鉗位電壓對(duì)下降沿斜率控制效果Fig. 14 Control effect of adaptive clamp voltage on falling edge slope

由圖14 可以看出，在對(duì)電流關(guān)斷過(guò)程設(shè)定不同斜率KS后，通過(guò)鉗位器件接入數(shù)量的自適應(yīng)控制切換，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的鉗位電壓對(duì)發(fā)射電流下降沿斜率的自適應(yīng)優(yōu)化。設(shè)定的目標(biāo)斜率KS越高，發(fā)射電流下降沿斜率越大。在對(duì)集成發(fā)射系統(tǒng)的測(cè)井設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)仍具有良好的發(fā)射穩(wěn)定性和發(fā)射電流下降沿高質(zhì)量關(guān)斷，可以滿足實(shí)際的井下時(shí)間域遠(yuǎn)探測(cè)需求。

5 結(jié)論

1) 發(fā)射系統(tǒng)通過(guò)無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位、阻尼吸收以及集成化結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，在有限空間下實(shí)現(xiàn)電流脈沖下降沿高質(zhì)量關(guān)斷。

2) 無(wú)源自適應(yīng)恒壓鉗位技術(shù)通過(guò)檢測(cè)采集電路、自適應(yīng)控制邏輯策略、無(wú)源鉗位器件驅(qū)動(dòng)控制等，對(duì)發(fā)射負(fù)載施加多級(jí)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)鉗位電壓整形作用，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流脈沖下降沿斜率的自適應(yīng)控制。該技術(shù)具有功率損耗低、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)良特性。

3) 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在自適應(yīng)恒壓鉗位技術(shù)作用下，發(fā)射系統(tǒng)電流脈沖下降沿可在高質(zhì)量關(guān)斷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)斜率控制，實(shí)現(xiàn)時(shí)間域探測(cè)所需電磁場(chǎng)激勵(lì)，對(duì)井孔時(shí)間域電磁探測(cè)工程具有應(yīng)用前景。