趙宏宇 張嘉偉 賽芳

【摘 要】針對低場核磁共振地層孔隙度測量方法在石油資源評估中的日益廣泛應(yīng)用，設(shè)計一種最高工作溫度可達(dá)200度的低場核磁共振儀器主控電路，具有微弱回波信號檢測處理、脈沖序列發(fā)生、井下數(shù)據(jù)通訊功能。該電路解決了低場核磁共振測井儀器中主控電路在高溫下連續(xù)工作的熱可靠問題。

【關(guān)鍵詞】核磁共振;高溫主控電路;回波采集;序列發(fā)生器

中圖分類號： O482.532;O511文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0028-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.009

0 引言

核磁共振測井技術(shù)作為一種有效的石油探測方法[1-2]，在石油資源評估中的應(yīng)用日益廣泛，隨著近年來我國東海、南海等高溫超高溫海上油氣資源的不斷開發(fā)[3-4]，高溫核磁共振測井儀器研制也由此在我國油氣探測領(lǐng)域被重點(diǎn)關(guān)注[5]。設(shè)計一種最高工作溫度可達(dá)200度的低場核磁共振儀器主控電路，具有微弱回波信號檢測處理、脈沖序列發(fā)生、井下數(shù)據(jù)通訊功能。該電路采用系統(tǒng)級封裝SiP技術(shù)解決主控電路在高溫下連續(xù)工作的熱可靠問題。

1 主控電路硬件設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

低場核磁共振儀器主控電路的硬件電路如圖1所示。主要由耦合變壓器、系統(tǒng)級封裝SiP（System in Package）器件、多芯片模塊MCM（Multi Chip Moudle）器件、輔助參數(shù)調(diào)理模塊和電源等組成。

低場核磁共振儀器主控電路有通訊功能和控制回波采集功能，由于測井環(huán)境惡劣，測井儀器尺寸限制了主控電路的長度，以及單板承重限制，為了確保主控電路穩(wěn)定工作，將其分成兩塊電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.2 電路熱設(shè)計

近年來，200℃的高溫井不斷的增加，測井儀器不可避免的面臨著高溫環(huán)境帶來的考驗(yàn)，然而200℃溫度環(huán)境的集成電路器件卻很少，尤其是缺少高速數(shù)據(jù)采集相關(guān)的器件。系統(tǒng)級封裝SiP是將多個具有不同功能的集成電路晶圓與無源元件組裝成為可以提供多種功能的一個子系統(tǒng)[6]。SiP中元件的互連線距離縮短，可降低寄生阻抗，提升傳輸速度，降低功耗，故高溫下的電氣性能得到改善[7];SiP所用的金屬屏蔽和內(nèi)部惰性氣體起到保護(hù)關(guān)鍵信號走線的作用，免受外界電磁干擾和高溫環(huán)境產(chǎn)生的腐蝕性氣體影響，高溫可靠性得到提高[8];SiP采用高導(dǎo)熱率材料作為外殼[9]，以及晶圓通過基板與封裝之間良好的熱接觸，可將封裝內(nèi)子系統(tǒng)工作時散發(fā)的熱量充分釋放到環(huán)境中，故可以顯著降低內(nèi)部集成電路晶圓與環(huán)境溫度之間的溫差，提高SiP內(nèi)集成電路的最高可允許工作的環(huán)境溫度。因此，SiP很好的提高電子系統(tǒng)溫度等級。與SiP類似，多芯片模塊封裝MCM采用同樣的封裝設(shè)計提高了系統(tǒng)的溫度等級。圖1中主控電路中共有兩個系統(tǒng)級封裝模塊SiP_1和SiP_2，其中SiP_2由DSP、FPGA、ADC及存儲器等外圍器件組成，具有模擬信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、串行通訊、多路數(shù)字輸入檢測和輸出控制等功能。與SiP_2相比，由于不需要需采集回波，SiP_1內(nèi)部沒有ADC，具有串行數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲和通訊信號編解碼等功能。系統(tǒng)級封裝SiP內(nèi)部DSP（TMS320F2812）與FPGA（A3P1000）晶圓均為廠家定制高溫晶圓，其它芯片晶圓均為西安微電子公司提供高溫器件。多芯片封裝MCM由差分轉(zhuǎn)單端、模擬開關(guān)ADG201、八階有源帶通濾波器和單端轉(zhuǎn)差分AD8138構(gòu)成。具有采集回波和激勵波切換、信號濾波和增益標(biāo)定等功能。與SiP類似，MCM內(nèi)部芯片同樣采用耐高溫的晶圓，芯片晶圓均為西安微電子公司提供。

在環(huán)境溫度為200℃情況下，為了驗(yàn)證SiP器件組成的主控電路的性能，采用COMSOL5.1軟件分別對通訊功能模塊和控制回波采集功能模塊進(jìn)行有限元熱仿真。在環(huán)境溫度200℃下，對高溫核磁測井儀主控電路進(jìn)行熱仿真，溫度達(dá)到熱平衡后，控制回波采集功能模塊的芯片晶圓最高溫度達(dá)210℃，通訊功能模塊的芯片晶圓最高溫度達(dá)220℃，與環(huán)境溫度分別相差10℃和20℃，熱仿真結(jié)果如圖2。同常規(guī)磁共振測井儀器EMRT仿真結(jié)果相比[10]，系統(tǒng)級封裝SiP很好的提高了系統(tǒng)的耐溫等級。

2 主控電路軟件設(shè)計

2.1 脈沖序列發(fā)生器設(shè)計

核磁共振現(xiàn)象需要在合適的射頻RF信號作用下才能有效的被激發(fā)以及被觀測。在核磁共振測井儀器中，測井的效果很大程度上取決于脈沖序列信號的控制精度與穩(wěn)定性[13]。然而現(xiàn)有的脈沖序列發(fā)生器并不能直接工作于高溫200℃環(huán)境下，這是受到電子器件溫度性能的限制。采用系統(tǒng)級封裝SiP技術(shù)，設(shè)計了一種能夠很好的工作在200℃下的高溫脈沖序列發(fā)生器。

脈沖序列發(fā)生器程序流程如圖3所示，由DSP配合FPGA來實(shí)現(xiàn)通用脈沖序列發(fā)生器。DSP下發(fā)的定時參數(shù)利用RAM來實(shí)現(xiàn)存儲，定時器根據(jù)從RAM中讀取的定時參數(shù)開始計數(shù)，產(chǎn)生分段計時結(jié)束的標(biāo)志，從而觸發(fā)模式狀態(tài)機(jī)進(jìn)入下一個定時階段。脈沖循環(huán)控制模塊根據(jù)控制字寄存器和模式狀態(tài)機(jī)反饋的脈沖進(jìn)行邏輯判斷，產(chǎn)生模式狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件。相位控制器對來自DDS時鐘進(jìn)行分頻和循環(huán)計數(shù)并作為相位標(biāo)志，為射頻脈沖的發(fā)射提供不同相位時鐘參考。序列發(fā)生器則負(fù)責(zé)將脈沖發(fā)射的電平信號，調(diào)制成符合頻率、脈寬、相位要求的射頻脈沖。最后將該特定的射頻能量發(fā)射給天線，天線在射頻場與靜磁場的共同作用下產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。

2.2 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計

測井儀器內(nèi)部的通信方式有兩種，一種是1553b總線通信，一種是多通道緩沖McBsp總線通信。1553b總線是上位機(jī)與測井儀之間的通訊方式，是一種半雙工異步通訊總線，總線信號為曼徹斯特Manchester II型信號編碼。T_Bus接口電路主要是用來實(shí)現(xiàn)總線信號收/發(fā)以及總線設(shè)備供電兩大功能。通訊功能模塊與控制回波采集功能模塊之間的數(shù)據(jù)交互是通過兩者之間DSP的多通道緩沖串口模塊McBsp實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)2812系列的DSP中的McBsp模塊不僅具有普通端口的作用，同時還在支持多通道發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)兩臺設(shè)備之間的全雙工通訊。

測井儀器典型工作流程如圖4所示，上位機(jī)通過1553b總線下發(fā)數(shù)據(jù)或命令，主控電路經(jīng)過FPGA解碼模塊解碼，通過McBsp下發(fā)給控制回波采集模塊，數(shù)據(jù)采集處理完成之后，上位機(jī)下發(fā)上傳數(shù)據(jù)命令，回波數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA編碼模塊編碼，通過1553b總線上傳給上位機(jī)，上位機(jī)在進(jìn)行下一步的算法處理。

3 儀器高溫測試

目前，該高溫核磁共振測井儀器已經(jīng)成功在南海某高溫井完成作業(yè)測試，圖5為其反映作業(yè)測井質(zhì)量的解釋成果圖之一，從第1道至第5道依次為測井深度、測井溫度TEMP、回波擬合CHI值、振鈴RING以及地層回波標(biāo)準(zhǔn)T2譜。由圖5可知，測井深度為x660m～x700m范圍內(nèi)，測井溫度約為170℃屬于高溫井范圍，其質(zhì)量控制參數(shù)回波擬合CHI值均在2附近（國外同類儀器要求CHI小于3即可）和振鈴均在4以內(nèi)（國外同類儀器要求振鈴小于50即可），該高溫核磁儀器在此高溫井中質(zhì)量監(jiān)控參數(shù)均在容限范圍內(nèi)，且反映本口井作業(yè)性能優(yōu)良。地層回波標(biāo)準(zhǔn)T2譜在泥巖、砂泥巖及純砂巖地層中形態(tài)符合相應(yīng)的地質(zhì)特性。

4 總結(jié)

本文針對常規(guī)核磁共振儀器主控電路不能滿足高溫測井要求的問題，設(shè)計一種最高工作溫度可達(dá)200度的低場核磁共振儀器主控電路，從微弱回波信號檢測處理、脈沖序列發(fā)生和井下數(shù)據(jù)通訊三方面進(jìn)行主要介紹。熱仿真、高溫測試實(shí)驗(yàn)以及儀器測井實(shí)驗(yàn)表明，該電路很好解決了低場核磁共振測井儀器中主控電路在高溫下連續(xù)工作的熱可靠問題，同時也為其它高溫測井儀器的電子電路設(shè)計提供了有益的參考。

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