唐智愷，孫向陽(yáng)

（電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院, 四川成都, 611731）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，雖然人們開(kāi)始注重新能源的開(kāi)發(fā)和利用，但是石油這種老牌資源依舊在工業(yè)發(fā)展等方面占有很大的比重，石油資源已經(jīng)是我國(guó)最重要的戰(zhàn)略資源之一，石油資源的探測(cè)技術(shù)研發(fā)和相應(yīng)的探測(cè)儀器研制能力是國(guó)家工業(yè)實(shí)力的重要指標(biāo)。因此，新型勘探儀器的研制對(duì)于油田的尋找、石油的開(kāi)發(fā)是實(shí)用且急切的，對(duì)于石油資源勘探技術(shù)和勘探儀器的研究對(duì)當(dāng)今社會(huì)資源的開(kāi)發(fā)和利用有重大意義。震電測(cè)井具有聲波測(cè)井的優(yōu)點(diǎn)，又不同于聲波測(cè)井，它不會(huì)產(chǎn)生鉆鋌波，因此也隔絕了鉆鋌波的干擾，能快速準(zhǔn)確地獲取地層參數(shù)，震電測(cè)井在未來(lái)的油氣勘探領(lǐng)域?qū)⒂兄匾匚籟1]。本文的震電測(cè)井系統(tǒng)包含發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射終端換能器的諧振頻率為23.4kHz，接收電路也是基于這個(gè)頻率設(shè)計(jì)，由于采集的信號(hào)非常微弱，所以需要信號(hào)采集板是對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，通信板控制信號(hào)采集板的數(shù)據(jù)上傳，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。

1 震電原理

震電效應(yīng)是地下介質(zhì)中機(jī)械波和電磁波的能量耦合與轉(zhuǎn)換，它主要存在含流體的孔隙介質(zhì)中存在固液分界面[2]。初始態(tài)時(shí)，固體表面存在負(fù)離子，液體表面存在正離子。當(dāng)有聲場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，雙電層會(huì)產(chǎn)生同步振動(dòng)，從而激發(fā)時(shí)變電磁場(chǎng)。震電信號(hào)不受聲波極強(qiáng)的背景干擾，既能反映地層聲速等參數(shù)，又能度量孔隙度、滲透率、礦化度等地層物性參數(shù)。劉瑞文老師對(duì)24塊砂巖進(jìn)行了篩選測(cè)試[3]，將其加工成巖樣，使用真空泵抽空并進(jìn)行干燥處理。把砂巖分成3組，分別用空氣、水和原油使得巖樣飽和，在同等環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，得到波速和孔隙度表達(dá)式。

表1 不同飽和巖樣的波速對(duì)比

波速見(jiàn)表1所示，其中波速單位為km/s，a為孔隙度，單位為%?？紫督橘|(zhì)中不同的飽和物質(zhì)會(huì)影響聲波在其中的傳播速度，因此可以根據(jù)聲波波速反向推導(dǎo)出地層信息。一般來(lái)說(shuō)，震電能量的轉(zhuǎn)換效率為10-5量級(jí)，而對(duì)于含有流體的孔隙介質(zhì)，某些情況能達(dá)到10-3量級(jí)[4]，同時(shí)在含流體的多孔隙介質(zhì)中，流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)[5]產(chǎn)生的震電信號(hào)比較強(qiáng)，便于接收，因此本文主要是基于含流體的多孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)電勢(shì)效應(yīng)。

測(cè)井系統(tǒng)如圖1所示，對(duì)地層中流體孔隙介質(zhì)激勵(lì)聲波信號(hào)時(shí)，該信號(hào)沿井壁傳輸，此時(shí)用天線直線陣緊貼井壁接收，就能接收到震電效應(yīng)產(chǎn)生的微弱電磁波，而等間距天線直線陣是在不同時(shí)刻采集到震電信號(hào)。通過(guò)相關(guān)算法可以得到波速圖，從而推斷地層參數(shù)。在該模型中信號(hào)主要有三種傳播方式：第一是通過(guò)液體進(jìn)行傳播，這種傳播方式的特點(diǎn)是速度較慢；第二種是在固液交界面進(jìn)行傳播，稱(chēng)這種信號(hào)為斯通利波，特點(diǎn)是速度緩和，且在相同激勵(lì)條件下，觀察到的幅度較明顯；第三種是通過(guò)固體傳播，也就是在井壁中傳播，特點(diǎn)是速度最快。

圖1 測(cè)井系統(tǒng)模型圖

2 電路設(shè)計(jì)

接收到的震電信號(hào)非常微弱，容易淹沒(méi)在噪聲中，因此對(duì)接收電路提出了要求。首先是電路板上的元器件，尤其是芯片，要選用低噪聲器件，同時(shí)對(duì)于噪聲的消除方面，分別考慮帶內(nèi)噪聲和帶外噪聲。帶外噪聲的抑制可以通過(guò)濾波器這樣的模擬器件實(shí)現(xiàn)，而帶內(nèi)噪聲的抑制就需要借助算法等來(lái)實(shí)現(xiàn)。接收電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接收電路框圖

考慮到接收天線的設(shè)計(jì)有如下限制：（1） 震電信號(hào)和換能器激勵(lì)的聲波信號(hào)是同頻的，在幾kHz到幾十kHz，都是極低頻； （2）井下勘探限制了天線的立體結(jié)構(gòu)。所以最終采用平面螺旋天線的形式。

第一級(jí)放大器為儀表放大器，它高精度差分電壓放大器[6]，在高增益的情況下噪聲小，因此把儀表放大器作為前置放大器，并設(shè)置高增益，以降低噪聲。儀表放大電路如圖3所示，選擇芯片AD8429，該芯片的輸入輸出電壓噪聲密度低，最高只有幾十nV，并且共模抑制比和電源噪聲抑制比高，對(duì)噪聲的抑制性能好，同時(shí)該芯片的增益設(shè)置簡(jiǎn)單，利用單個(gè)電阻可控制增益。對(duì)應(yīng)的增益公式見(jiàn)式1，設(shè)置RG=6Ω，則增益為1001倍。

濾波器可以分為有源濾波器和無(wú)源濾波器，其中無(wú)源濾波器僅由電感、電阻和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于有源濾波器來(lái)說(shuō)不夠穩(wěn)定，同時(shí)噪聲也大，因此選擇有源濾波器。有源濾波器的芯片選擇ADA4084-4，它的單位增益穩(wěn)定，噪聲小，功耗低，并且該芯片為四通道，可以用一塊芯片設(shè)計(jì)一個(gè)八階濾波器，節(jié)省了PCB板的空間資源。電路為八階壓控電壓源帶通濾波電路，由四階低通濾波電路和四階高通濾波電路組成。此帶通濾波器在電路板上共有兩個(gè)，分別接在第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路后面，通帶為15kHz-35kHz，用于濾除帶外噪聲。低通和高通濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

第二級(jí)和第三級(jí)放大電路為同向放大電路，如圖5所示，芯片選擇AD8672，它電壓噪聲密度低，增益帶寬積滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。設(shè)置增益為20dB，主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行再次放大，并對(duì)濾波器產(chǎn)生的信號(hào)衰減進(jìn)行補(bǔ)償。三級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)不僅將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中微弱的震電信號(hào)進(jìn)行放大，也方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)中增益的調(diào)整。

圖3 AD8429儀表放大電路

圖4 濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖5 同向放大電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的芯片選擇是AD7980，其轉(zhuǎn)換速率高，位寬為16位，電壓分辨率見(jiàn)式(2)。FPGA選型為Xilinx公司的spartan3E系列的XC3S250E-4VQ100C，PROM為同一公司的XCF02SVOG20C芯片。

由于AD7980是單極性的，即輸入部分只能是非負(fù)信號(hào)，而經(jīng)過(guò)放大濾波后的震電信號(hào)是雙極性的，因此在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路前面還需要添加一個(gè)電壓調(diào)理電路，將雙極性的信號(hào)變成單極性信號(hào)，該電路為減法電路，電路圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

測(cè)試環(huán)境如圖7所示，將壓電陶瓷換能器和天金屬骨架放在U型石槽中，骨架下方是天線陣列，天線陣列緊貼油石放置。天線和骨架接口處做好密封防水措施，骨架內(nèi)包含接收電路和導(dǎo)線，導(dǎo)線通過(guò)防水接頭引出并與上位機(jī)相連。當(dāng)開(kāi)啟發(fā)射系統(tǒng)時(shí)，發(fā)射系統(tǒng)激勵(lì)換能器產(chǎn)生聲波信號(hào)，聲波信號(hào)與震電信號(hào)同頻，同時(shí)發(fā)射系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生同步信號(hào)，該信號(hào)傳輸?shù)酵ㄐ虐迳?，它的作用是通知接收電路開(kāi)始對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的震電信號(hào)進(jìn)行采集并準(zhǔn)備傳輸，此時(shí)通信板開(kāi)始工作，負(fù)責(zé)選擇不同的信號(hào)采集板開(kāi)始數(shù)據(jù)上傳。

圖7 測(cè)試環(huán)境圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

震電信號(hào)的原始波形如圖8所示，可以看到直耦信號(hào)幾乎是是同時(shí)到達(dá)的，而隨著換能器與對(duì)應(yīng)通路的天線距離逐漸變遠(yuǎn)，震電信號(hào)與直耦信號(hào)的距離也在逐漸變遠(yuǎn)。

圖8 震電信號(hào)原始波形

將測(cè)得的數(shù)據(jù)保存到上位機(jī)中，并進(jìn)行速度時(shí)間相關(guān)算法的處理，得到如圖9所示結(jié)果。橫軸表示的是時(shí)間，縱軸表示信號(hào)速度，顏色越深表示速度和時(shí)間的相關(guān)性越大。聲波在傳輸過(guò)程中有縱波、橫波以及斯通利波，其中縱波最快，斯通利波幅度最大。圖中縱波波速為3700m/s，橫波波速為3100m/s，斯通利波波速為1500m/s，根據(jù)第一個(gè)天線到換能器的距離進(jìn)行計(jì)算，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)。

圖9 速度時(shí)間相關(guān)算法圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究震電效應(yīng)理論，設(shè)計(jì)了基于震電測(cè)井的接收電路，并通過(guò)該電路完成了對(duì)震電效應(yīng)的驗(yàn)證，為后續(xù)儀器的制作提供了思路。該電路也存在不足：一方面是信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免會(huì)帶有噪聲，提高信噪比是需要解決的問(wèn)題；另一方面，該電路只能將原始模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳到上位機(jī)中，由上位機(jī)進(jìn)行處理。因此，最好在電路板上完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，設(shè)計(jì)出的儀器才更加方便。