楊 賀

(大慶油田責(zé)任有限公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

超越數(shù)控生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)是大慶測(cè)試分公司研發(fā)的新型PXI總線(xiàn)地面數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)[1]，PXI總線(xiàn)聲波測(cè)井模塊以超越地面數(shù)控系統(tǒng)為依托平臺(tái)，主要用于井下八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀器[2]SBT的地面硬件系統(tǒng)和測(cè)井軟件配接，滿(mǎn)足井下聲波測(cè)井儀器測(cè)井信號(hào)傳輸對(duì)地面數(shù)控系統(tǒng)在硬件電氣技術(shù)接口、同步解調(diào)方式、聲波測(cè)井回波模擬信號(hào)處理、緩存、虛擬示波顯示、控制等多方面的要求。

大慶測(cè)試分公司有多種井下聲波測(cè)井儀器，其中應(yīng)用比較多的是多年前引進(jìn)的PHase八扇區(qū)聲波測(cè)井儀器和分公司自行生產(chǎn)的井下八扇區(qū)聲波測(cè)井儀器，信號(hào)傳輸基本一致，其中PHase聲波儀器使用時(shí)間長(zhǎng)，器件老化，信號(hào)傳輸干擾比較大，對(duì)聲波測(cè)井同步信號(hào)識(shí)別造成困難，甚至誤判導(dǎo)致信號(hào)子周期數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤，影響測(cè)井效果。怎樣在PXI總線(xiàn)聲波測(cè)井模塊硬件系統(tǒng)中正確識(shí)別聲波測(cè)井同步信號(hào)是本文主要論述內(nèi)容。

1 井下八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀器信號(hào)傳輸特點(diǎn)

八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀器主要進(jìn)行CBL和VDL測(cè)井，用于檢測(cè)固井質(zhì)量[2]。八扇區(qū)水泥膠結(jié)儀器測(cè)井信號(hào)[3]采用單芯傳輸方式，供電和測(cè)井信號(hào)傳輸共用同一纜芯。測(cè)井信號(hào)傳輸幀周期固定為307.2 ms，每個(gè)幀周期共有12個(gè)子周期，其串行測(cè)井信號(hào)包括：1～8扇區(qū)的同步信號(hào)(正負(fù)脈沖)、套管回波信號(hào)以及負(fù)脈沖伽馬信號(hào)；3英尺子周期和5英尺子周期的同步信號(hào)(正負(fù)脈沖)、套管波及地層波回波信號(hào)；刻度子周期的同步信號(hào)(正負(fù)脈沖)、信號(hào)幅度為±13 V頻率為40 kHz的正弦波模擬套管回波信號(hào)；井斜子周期的同步信號(hào)(正負(fù)脈沖)；直接耦合到上傳測(cè)井信號(hào)的磁性定位器(CCL)低頻信號(hào)。

2 聲波測(cè)井同步脈沖信號(hào)前端調(diào)理硬件設(shè)計(jì)

在聲波測(cè)井傳輸信號(hào)中，每個(gè)子周期均包括同步脈沖信號(hào)和負(fù)脈沖伽馬信號(hào)，第八子周期同步信號(hào)幅度為先高后低(+10 V/-5 V)，其余11個(gè)周期的同步信號(hào)為先低后高(-10 V/+5 V)，負(fù)脈沖伽馬信號(hào)幅度比同步信號(hào)低一些，經(jīng)過(guò)7芯5 000 m電纜衰減以后，信號(hào)幅度變?yōu)閹装俸练笥?，特別是同步脈沖信號(hào)失真較大，電纜前后實(shí)測(cè)同步信號(hào)波形如圖1所示。

圖1 同步信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜前后實(shí)測(cè)波形

為能有效的檢測(cè)出子周期同步脈沖信號(hào)和負(fù)脈沖伽馬信號(hào)，脈沖信號(hào)前端調(diào)理電路如圖2所示，包括脈沖恢復(fù)電路設(shè)計(jì)和濾波電路設(shè)計(jì)以及放大倍數(shù)Au連續(xù)可調(diào)的PGA電路設(shè)計(jì)等。可編程增益放大器設(shè)計(jì)，同樣利用12 位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成程控增益放大器PGA，并且放大倍數(shù)Au連續(xù)程控可調(diào)，實(shí)際使用中放大倍數(shù)在1～100之間。

圖2 聲波模塊脈沖信號(hào)前端調(diào)理電路原理框圖

根據(jù)測(cè)井電纜實(shí)際情況，為減少脈沖信號(hào)失真，同步脈沖信號(hào)和伽瑪脈沖信號(hào)可以通過(guò)繼電器選通微分電路，也可以同時(shí)選通濾波電路，設(shè)置靈活方便，有利于聲波測(cè)井同步脈沖信號(hào)恢復(fù)。同時(shí)，如果同步正負(fù)脈沖信號(hào)由于門(mén)檻電平設(shè)置不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致偽同步脈沖信號(hào)進(jìn)入到數(shù)字信號(hào)處理板FPGA中，如圖3所示，引發(fā)同步脈沖信號(hào)識(shí)別邏輯錯(cuò)誤，破壞子周期聲幅數(shù)據(jù)采集時(shí)序控制。因此,需要在聲波測(cè)井模塊數(shù)字信號(hào)板中采用FPGA進(jìn)行同步信號(hào)去偽邏輯設(shè)計(jì)，使聲波測(cè)井模塊能夠按照正確同步脈沖邏輯時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 實(shí)測(cè)偽同步脈沖波形

3 聲波測(cè)井同步脈沖信號(hào)FPGA去偽邏輯設(shè)計(jì)方法

聲波測(cè)井模塊數(shù)字信號(hào)板中FPGA邏輯設(shè)計(jì)[5]如圖4所示。

圖4 聲波測(cè)井模塊數(shù)字信號(hào)處理板FPGA功能邏輯設(shè)計(jì)框圖

FPGA邏輯功能包括聲波測(cè)井同步脈沖信號(hào)邏輯識(shí)別，16位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采樣及時(shí)序控制，PowerPC處理器EBC總線(xiàn)地址譯碼，與PowerPC處理器雙向數(shù)據(jù)傳輸，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等芯片串行SPI時(shí)序產(chǎn)生和控制，聲波測(cè)量通道繼電器控制，正負(fù)門(mén)限電平和PGA增益控制，子周期A/D采樣延遲時(shí)間和采樣門(mén)寬時(shí)間控制，非易失性E2PROM存儲(chǔ)器串行SPI時(shí)序產(chǎn)生及其輸入輸出控制，PXI機(jī)箱背板觸發(fā)總線(xiàn)控制，時(shí)鐘分頻設(shè)計(jì)，伽馬負(fù)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)等。

聲波測(cè)井信號(hào)同步頭識(shí)別可采取以下幾種設(shè)計(jì)方法。

1) 同步信號(hào)電平方式 實(shí)際井下八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀器上傳信號(hào)中，同步頭第八子周期同步(先高后低)正幅度最高，其余子周期(先低后高)負(fù)幅度最高，伽馬信號(hào)負(fù)脈沖幅度稍低于同步頭負(fù)脈沖幅度。采用同步信號(hào)電平方式，識(shí)別優(yōu)點(diǎn)是設(shè)置好門(mén)檻電平，比較容易檢測(cè)出同步信號(hào)，識(shí)別缺點(diǎn)是伽馬信號(hào)容易被誤識(shí)別為同步信號(hào)進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理電路，調(diào)節(jié)同步門(mén)檻電平時(shí)，要卡在伽馬門(mén)檻電平之上。

2) 同步信號(hào)正負(fù)脈沖方式 由于八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀器上傳的同步信號(hào)中，同步第八子周期為先高后低，(+8 V和-5 V),其余子周期為先低后高(-5 V和+8 V)，根據(jù)通過(guò)實(shí)際電纜上傳的同步脈沖信號(hào)特點(diǎn)如脈沖寬度和出現(xiàn)位置，來(lái)判斷和檢測(cè)出同步信號(hào)。采用同步信號(hào)正負(fù)脈沖方式，前提是同步信號(hào)畸變不嚴(yán)重，同步信號(hào)通過(guò)實(shí)際電纜以后正負(fù)均有。其識(shí)別優(yōu)點(diǎn)是不用考慮伽馬負(fù)脈沖信號(hào)，缺點(diǎn)是當(dāng)回波幅度超過(guò)同步信號(hào)幅度時(shí)，回波會(huì)被誤識(shí)別為同步信號(hào)。

3) 同步信號(hào)正負(fù)脈沖時(shí)間限制方式 方法1和方法2識(shí)別同步脈沖優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯，為克服方法1和方法2解碼缺點(diǎn)，可以考慮同步信號(hào)時(shí)間限制方式，兩個(gè)正脈沖同步信號(hào)之間必須大于300 ms，兩個(gè)負(fù)脈沖同步信號(hào)之間必須在25～25.6 ms,或者正負(fù)同步之間也必須在25～25.6 ms之間。

最終通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定采用電平方式加上時(shí)間約束條件判斷的FPGA邏輯設(shè)計(jì)。聲波測(cè)井信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器和程控增益放大器，送入高速A/D轉(zhuǎn)換器，由FPGA通過(guò)邏輯判斷，消除偽同步脈沖信號(hào)，控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和停止。通過(guò)FPGA時(shí)序控制將每個(gè)子周期的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入到FPGA內(nèi)部FIFO中，通過(guò)申請(qǐng)PowerPC中斷，由嵌入式主機(jī)讀取。

4 結(jié)束語(yǔ)

PXI總線(xiàn)聲波測(cè)井模塊硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用FPGA同步脈沖信號(hào)邏輯設(shè)計(jì)去偽技術(shù)，成功地完成了超越地面系統(tǒng)與井下八扇區(qū)聲波測(cè)井儀器的電纜配接試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，避免了硬件系統(tǒng)同步信號(hào)邏輯判斷失誤，提高了扇區(qū)聲波測(cè)井質(zhì)量。在超越數(shù)控生產(chǎn)測(cè)井地面系統(tǒng)進(jìn)行了十幾井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)與引進(jìn)的PHase地面系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，聲波測(cè)井信號(hào)同步識(shí)別穩(wěn)定可靠，完全能夠滿(mǎn)足八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波新老測(cè)井儀器的現(xiàn)場(chǎng)配接需求。