王誠(chéng)至，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

在油氣資源勘測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中, 如何在目前已有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高探測(cè)及開采的準(zhǔn)確性,一直是該領(lǐng)域研究人員關(guān)注的重點(diǎn)?；谶@種研究目標(biāo)，對(duì)于應(yīng)用震電效應(yīng)原理的震電測(cè)井技術(shù)的研究近年來(lái)愈加火熱。震電效應(yīng)是指在含有流體的孔隙介質(zhì)當(dāng)中會(huì)形成一種雙電層結(jié)構(gòu),正負(fù)離子分別吸附在固液交界面兩側(cè),當(dāng)受到外界震動(dòng)作用后,正負(fù)離子會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移,從而輻射出電磁場(chǎng),產(chǎn)生震電信號(hào)。而震電測(cè)井的目的就是通過(guò)儀器采集該信號(hào)并做相應(yīng)的信號(hào)處理,最終通過(guò)對(duì)處理后信號(hào)的波形數(shù)據(jù)做分析,從而得出所探測(cè)地層的一些參數(shù),而準(zhǔn)確的地層參數(shù)是該區(qū)域是否具有開采價(jià)值的重要判斷依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)思路及概述

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)瞄準(zhǔn)石油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的震電測(cè)井技術(shù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)最終目的是研發(fā)用于孔隙地層震電效應(yīng)激勵(lì)與震電信號(hào)輻射傳播測(cè)試的科學(xué)儀器。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路方面，因?yàn)樵搩x器工作于鉆井中，主要可以概括為發(fā)射和接收兩個(gè)部分，發(fā)射部分要求能在地層中有效激勵(lì)并傳播聲信號(hào)，接收部分要求能在不同測(cè)量距離上接收經(jīng)聲電轉(zhuǎn)換后的震電響應(yīng)信號(hào)。 基于上述設(shè)計(jì)思路，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該分別從發(fā)射和接收兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，最后再整合為一個(gè)完整的系統(tǒng)。

發(fā)射部分需要考慮的問題如下：

（1）發(fā)射信號(hào)選擇：傳統(tǒng)測(cè)井儀器的激勵(lì)波形通常采用的是瞬態(tài)寬頻激勵(lì)，如重復(fù)單周期的脈沖信號(hào)，其工作主頻主要取決于壓電換能器的主頻。該波形在時(shí)域上持續(xù)時(shí)間較短，所以在空間中產(chǎn)生的電磁輻射時(shí)間相應(yīng)較短，接收端受其影響較小。但譜線之間的寬度很小，所以每個(gè)頻譜分到能量非常有限，所以往往需要功率更大的信號(hào)去激勵(lì)聲電換能器以取得更為明顯的接收信號(hào)。本系統(tǒng)在波形的選擇上希望發(fā)射信號(hào)能夠在頻譜上比較集中，同時(shí)時(shí)域持續(xù)時(shí)間不要太長(zhǎng)。

（2）發(fā)射信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)：發(fā)射信號(hào)生成后需要放大到一定功率后才能用于激勵(lì)聲電換能器，放大后的信號(hào)要求需要不產(chǎn)生失真，且在放大的過(guò)程中需要盡量少的引入噪聲。

（3）壓電換能器設(shè)計(jì)：壓電換能器是震電測(cè)井儀器的核心部件之一。其激勵(lì)能量的大小一定程度上決定了探測(cè)系統(tǒng)的效率，根據(jù)理論分析，在激勵(lì)能量足夠大的情況下，壓電換能器的內(nèi)部阻抗值越小，其發(fā)射信號(hào)功率越大，有利于探測(cè)距離的增加和接收信號(hào)強(qiáng)度的增大。

接收部分需要考慮的問題如下：

（1）接收天線的選擇：通過(guò)理論分析，本系統(tǒng)主要接收并處理的震電信號(hào)強(qiáng)度非常微弱，強(qiáng)度約為μV級(jí)別，所以接收天線的設(shè)計(jì)方面，應(yīng)該考慮使得原始接收信號(hào)具有較好的信噪比。另外因?yàn)闇y(cè)井領(lǐng)域所發(fā)射和接收的信號(hào)頻率通常較低，接收天線選用電小天線。

（2）接收端放大器的設(shè)計(jì)：在地磁弱信號(hào)檢測(cè)處理過(guò)程中,接收端需要放大非常微弱頻率很低的信號(hào),因此要求放大器具有低噪聲、高增益。

2 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 發(fā)射信號(hào)生成電路模塊

出于以上考慮，該系統(tǒng)選用的激勵(lì)波形為正弦波調(diào)制的高斯信號(hào)，其公式如下：

其中：f為被調(diào)制的正弦波頻率，E為高斯脈沖幅度，u為高斯信號(hào)均值，σ為高斯信號(hào)的方差。

信號(hào)產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)技術(shù)為在FPGA中使用DDS IP核，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率控制字和相位控制字，得到中心頻率為40kHz的高斯正弦信號(hào)。之后通過(guò)AD9767數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，其產(chǎn)生的電流信號(hào)通過(guò)AD8065芯片轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在該級(jí)電路中調(diào)節(jié)可變電阻器以實(shí)現(xiàn)不同的增益控制，其輸出信號(hào)最大峰峰值為10V。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及流壓轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

圖2 流壓轉(zhuǎn)換電路

■2.2 發(fā)射信號(hào)放大電路模塊

發(fā)射信號(hào)放大電路的功能為將發(fā)射信號(hào)生成電路產(chǎn)生的高斯正弦信號(hào)進(jìn)行功率放大，使用兩路運(yùn)放放大，分別使用低噪聲的OP37放大器芯片利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋和電壓并聯(lián)負(fù)反饋原理得到幅值相同、相位相反的兩路信號(hào)，接下來(lái)分別通過(guò)OPA549芯片進(jìn)行高壓大電流放大，即完成功率電路設(shè)計(jì)，為甲乙類功率放大。其電路主要部分的原理圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射信號(hào)放大電路

■2.3 壓電換能器模塊

壓電換能器部分的等效電路模型如圖4所示，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可知其屬于容性負(fù)載，在不同的頻率下其阻抗值不同。

圖4 壓電換能器等效電路

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的換能器實(shí)物圖如圖5所示，該換能器通過(guò)內(nèi)部壓電陶瓷片并聯(lián)的方式減小了其在特定頻率下的阻抗值，根據(jù)測(cè)試可知，該換能器的中心工作頻率為40kHz，瞬時(shí)最高功率為180W。

圖5 壓電換能器實(shí)物圖

3 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 接收天線模塊

基于設(shè)計(jì)目標(biāo)中對(duì)天線的要求，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用經(jīng)過(guò)電容調(diào)諧的磁棒天線（磁偶極子天線）作為信號(hào)接收天線，磁棒天線磁芯采用錳鋅磁棒，通過(guò)漆包線進(jìn)行繞制，其示意圖如圖6所示。由于通過(guò)調(diào)諧，該天線具有更高的Q值，對(duì)窄帶信號(hào)的接收具有較好的接收效果，其頻率特性曲線如圖7所示。而且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該天線接收信號(hào)幅值受天線距離巖石表面距離影響相對(duì)較小。

圖6 磁棒天線示意圖

圖7 自繞磁棒天線頻率特性曲線

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)主要關(guān)心斯通利波激勵(lì)的震電信號(hào)幅度，該信號(hào)的波形與激勵(lì)波形具有較高的相關(guān)性，所以磁棒天線能夠較好地適用于該系統(tǒng)。

■3.2 接收信號(hào)放大電路模塊

接收信號(hào)的放大電路主要采用放大器級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠渲惺准?jí)放大器噪聲系數(shù)和增益對(duì)整個(gè)系統(tǒng)最為重要，所以此處主要研究前端儀表放大器電路?；谠O(shè)計(jì)思路中對(duì)接收端放大器的要求，本系統(tǒng)儀表放大部分的電路原理圖如圖8所示。

圖8 儀表放大電路原理圖

電路采用TI公司低噪聲、低失真的儀表放大器芯片INA103實(shí)現(xiàn)。INA103具有低噪聲、輸入失調(diào)電壓小、輸入偏置電流小、高共模抑制比等優(yōu)良特點(diǎn)，增益通過(guò)單個(gè)電阻設(shè)置，變化范圍為1～1000，且?guī)捲谏醯皖l頻段基本不變，滿足工作頻率要求。

4 系統(tǒng)測(cè)試情況

本系統(tǒng)的測(cè)試在井筒半剖面模型實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，水槽模型的尺寸為4m×0.6m×0.6m，水槽實(shí)驗(yàn)裝置的截面圖與俯視示意圖如圖9所示。

圖9 井筒半剖面模型示意圖

該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際井筒尺寸相當(dāng)，能夠有效地模擬測(cè)井環(huán)境來(lái)驗(yàn)證測(cè)井儀器的有效性。

本系統(tǒng)驗(yàn)證主要通過(guò)改變發(fā)射壓電換能器與接收天線之間的距離，利用示波器觀察接收震電信號(hào)的變化測(cè)試了該系統(tǒng)的效果。此處選取發(fā)射壓電換能器與接收天線距離1.8m情況下的示波器觀測(cè)到的震電信號(hào)波形圖為例，如圖10所示。

圖10 震電信號(hào)波形圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)接收到的斯通利波產(chǎn)生的震電信號(hào)在0.5～3.5米內(nèi)的信號(hào)較強(qiáng)，且波形中毛刺較少，可用于下一步的信號(hào)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于震電測(cè)井原理，設(shè)計(jì)、制作并測(cè)試了震電信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體上包括收發(fā)信號(hào)處理電路、壓電換能器、接收天線三個(gè)部分，通過(guò)在井筒模型中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明了震電信號(hào)用于地層參數(shù)分析的可行性，也為下一步將接收信號(hào)數(shù)字化處理分析以及“全波”震電測(cè)井儀器的研制打好了基礎(chǔ)。