劉峰，林毓宸(.中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000；.中石化西南石油工程有限公司測井分公司，四川 成都 60000)

關(guān)鍵字：聲波測井；四極子；橫波測井

0 引言

隨著已探明油藏的不斷開發(fā)以及老油田的衰竭，石油勘探已轉(zhuǎn)向隱蔽與復(fù)雜的圈閉，這就要求石油測井技術(shù)必須向探測和評價復(fù)雜儲層目標(biāo)發(fā)展。地層橫波攜帶了較多的地層信息，在確定地層彈性模量、孔隙度、流(含氣)體飽和度和裂縫以及各向異性等參數(shù)上具有重要意義[1]。常規(guī)的單極子聲波測井很難測到橫波。因此，人們提出了利用多極源(偶極源和四極源)實現(xiàn)直接橫波速度測井。在多極源激發(fā)的聲場中，在低頻區(qū)域縱波部分受到壓抑，而橫波部分得到加強且受其他分波的影響較小，從而使得橫波成為首波實現(xiàn)直接橫波速度測井。

本文介紹一種用四極子源測量地層橫波的測井儀器的研制。該儀器具有單極子縱波測量、四極子橫波測量測井功能，利用其橫波測量功能可以對地層彈性模量、孔隙度、流體飽和度和裂縫等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)準(zhǔn)確的解釋和評價。

1 工作原理

四極子源在井孔中激發(fā)四極子波，四極子波引起井壁質(zhì)點振動呈交替的長橢圓/扁橢圓，振動圖像如螺旋狀，所以四極子波又被稱為扭曲波或螺旋波(screw wave)。四極子源是由兩個無限接近的強度相等、相位相反的偶極子源構(gòu)成[2]。四極源能夠比偶極源更有效地抑制P波，此外，四極源能夠在高頻段工作，因此四極源能產(chǎn)生高分辨率的S波信號，從而使用四極源可以實現(xiàn)短源距直接橫波測井。

2 電路設(shè)計

2.1 發(fā)射電路設(shè)計

2.1.1 發(fā)射電路原理框圖

發(fā)射電路原理框圖如圖1所示。發(fā)射電路的主要功能是完成對換能器的激勵，實現(xiàn)單極、四極聲波發(fā)射。單極四極發(fā)射換能器示意圖如圖2所示，它由多條柱狀壓電陶瓷按圓周排列拼接而成，然后分成X1、X2和Y1、Y2四個部分，四組晶體之間使用聚四氟乙烯絕緣片進(jìn)行電絕緣隔離。當(dāng)加在X1、X2的激勵信號和加在Y1、Y2的激勵信號相位相同時，晶體激發(fā)的是單極信號，當(dāng)相位相反時，晶體激發(fā)的是四極子信號。換能器使用的激勵信號為Blackmanharris波形，四極子一般采用4 kHz的發(fā)射頻率[3]，單極子使用10 kHz的發(fā)射頻率。四極子和單極子發(fā)射激勵信號的頻率可控，因此可以根據(jù)不同的地層選擇合適的頻率進(jìn)行測井。

2.1.2 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路主要由半波整流電路、開關(guān)電路、反饋電路和乙類推挽功率放大電路四部分組成。半波整流電路利用二極管的單向?qū)щ娞匦匀〕鲚斎爰钚盘柕恼?、?fù)半周作為發(fā)射信號使用；開關(guān)電路使用三極管的開關(guān)特性，只有在Fire信號的控制下才能將整流后的信號送入功放的輸入端，避免電路干擾引起誤發(fā)射；反饋電路可以調(diào)整功放電路的輸出，減小功放電路的非線性失真。其中半波整流電路、開關(guān)電路和反饋電路已經(jīng)由青島智騰做成厚膜電路，可以在175 ℃下工作。

圖1 發(fā)射電路原理框圖

圖2 單極四極發(fā)射換能器示意圖

2.2 接收電路設(shè)計

2.2.1 接收電路原理框圖

接收電路原理框圖如圖3所示。由接收聲系輸入的16路模擬信號經(jīng)電荷放大電路放大后送入信號運算電路，生成單極子信號、四極子信號及單獨信號，然后在模式選擇電路的控制下根據(jù)電路設(shè)置將信號送入濾波電路和AGC電路，最后輸出4路信號送入采集電路。

圖3 接收電路原理框圖

2.2.2 預(yù)處理和模式控制電路

(1)差分放大電路。接收信號預(yù)處理電路使用差分放大電路，可以有效放大換能器的差模信號，抑制共模干擾。

差分放大電路使用儀表放大器AD8226。AD8226是一款低成本、寬電源電壓范圍儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至1 000。它被設(shè)計為可工作于各種信號電壓的情況下。寬輸入范圍和軌到軌輸出使信號可充分利用供電軌。由于輸入范圍能夠降到負(fù)電源電壓以下，因此無需雙電源便可放大接近地電壓的小信號。該器件采用±1.35 V至±18 V的雙電源供電或2.2 V至36 V單電源供電。

(2)信號運算電路。信號運算電路包括單極子接收信號產(chǎn)生電路、四極子接收信號產(chǎn)生電路和單獨信號產(chǎn)生電路。

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單極子接收信號是接收晶體4個方向的接收信號相加而成，即X1+X2+Y1+Y2。它采用反相加法器電路將每組接收換能器上的4路信號進(jìn)行相加，放大倍數(shù)可以通過反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電路中的運放采用的是四通道精密、JFET放大器AD8531。該放大器具有低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、低輸入電壓噪聲和低輸入電流噪聲特性。低失調(diào)、低噪聲和極低輸入偏置電流這些特性相結(jié)合，特別適合高阻抗傳感器信號放大。

四極子接收信號是首先分別對接收晶體X方向的接收信號X1、X2相加得到X，同理對接收晶體Y方向的接收信號Y1、Y2進(jìn)行相加得到Y(jié)，然后用差分電路相減X-Y獲得四極子接收信號。差分電路的增益也可根據(jù)反饋電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

單片信號由多路選擇開關(guān)ADG1409構(gòu)成，使用2片ADG1409，便可以將換能器四個方位的信號分別選擇出來。此功能主要是用來檢查聲系用的，把儀器放到模擬井里，把每個接收晶體4個方向的信號分別傳上來，根據(jù)信號的一致性可以檢驗聲系的好壞。

(3)模式選擇電路。模式選擇電路可以控制電路在單極子、四極子、單獨和測試四種狀態(tài)工作，它主要由模擬開關(guān)ADG1409組成。在A1、A0信號的控制下，使用2片ADG1409就可以實現(xiàn)在單極、四極、單獨和測試狀態(tài)下測井。

(4)測試信號產(chǎn)生電路。測試信號產(chǎn)生電路由CD14538及電阻、電容、穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。其主要作用是產(chǎn)生一個脈寬為1 ms的矩形脈沖，用來檢驗四路濾波電路的一致性。

2.2.3 濾波和自動增益控制電路

濾波和自動增益電路實現(xiàn)對信號的濾波、放大處理和自動增益控制。由于電路空間有限，帶通濾波器使用較為常用的Sallen-Key四階低通濾波器和四階高通濾波器組成。根據(jù)單極子和偶極子信號的頻率，帶通濾波器通帶范圍設(shè)置為2～18 kHz。電阻和電容的取值可根據(jù)Sallen-Key濾波器的設(shè)計方程來求取。濾波器運放選用適合傳感器信號放大的ADA4004-2。Sallen-Key濾波器的截止頻率為式(1)：

一般設(shè)計濾波器，為方便計算，元件值使用相等的數(shù)值，所以濾波器的截止頻率可簡化為式(2)：

自動增益電路選用可變增益放大器AD8336。AD8336是一款低噪聲、單端、線性、通用型可變增益放大器，可以在較大的電源電壓范圍內(nèi)工作。它內(nèi)置一個非專用前置放大器，可用增益范圍為6～26 dB，采用傳統(tǒng)方式通過外部電阻確定。VGA增益范圍為0～60 dB，絕對增益限制為-26 dB至+34 dB。當(dāng)前置放大器增益調(diào)整為12 dB時，前置放大器與VGA的合并3 dB帶寬為100 MHz，該放大器在80 MHz內(nèi)完全可用。采用±5 V電源時，最大輸出擺幅為7 V峰值。采用可變增益放大器可以有效減小電路尺寸，同時VGA的各項技術(shù)指標(biāo)也滿足實際使用要求。

2.3 MCU模塊設(shè)計

2.3.1 MCU模塊電路原理框圖

MCU模塊是井下通用模塊，芯片使用的是Actel公司的A3P1000。MCU模塊框圖如圖4所示，主要完成信號采集、激勵信號產(chǎn)生、AGC控制、控制信號產(chǎn)生和上傳通訊的功能。

圖4 MCU原理框圖

2.3.2 MCU程序設(shè)計

MCU模塊一方面要在網(wǎng)絡(luò)接口模塊的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和裝表；另一方面，也要對接收電路和發(fā)射電路進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)采集、濾波和自動增益控制等功能。MCU模塊完全受網(wǎng)絡(luò)接口模塊控制，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊下發(fā)的各種命令，當(dāng)收到取數(shù)令后，便按照此前收到的服務(wù)表內(nèi)容對電路和軟件進(jìn)行配置，其配置過程發(fā)生在每個子周期執(zhí)行之前，然后完成數(shù)據(jù)的采集和整理，程序流程圖如圖5所示。

圖5 MCU程序流程圖

3 現(xiàn)場實驗

儀器研制完成后，在孤古八井進(jìn)行了實驗驗證，現(xiàn)場實驗時單極和四極都測到了良好的波形，波形圖如圖6、圖7所示。

圖6 單極子信號波形圖

圖7 四極子信號波形圖

4 結(jié)語

本文介紹了一種利用四極子源的聲波測井儀的研制，是四極子源在常規(guī)聲波測井儀器中的國內(nèi)首次應(yīng)用。該儀器樣機(jī)通過在孤古八井實驗，測得了單極子信號和四極子信號，驗證了儀器功能，為下一步在油田的應(yīng)用與推廣打下了良好的基礎(chǔ)。