魏建寶 劉先平 桑強(qiáng) 王強(qiáng) 唐宇霖 韓明明

（1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司天津分公司,天津 300280）

（2.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院,北京 100200）

（3.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司物資裝備公司,西安 710200）

引言

電子技術(shù)的飛速發(fā)展和制造工藝水平的巨大進(jìn)步，極大的推動(dòng)了聲波測(cè)井儀器的升級(jí)換代進(jìn)程，成像類聲波測(cè)井儀器的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，標(biāo)志著聲波測(cè)井技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段[1,2]。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀是中國石油測(cè)井公司天津分公司研制的新一代基于井中反射回波測(cè)量的聲波成像測(cè)井儀器，其探測(cè)距離可達(dá)到40米，最大周向方位分辨率22.5度[3,4]。為了探測(cè)到更豐富的地層信息，其接收聲系采用了聲電一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，換能器探頭與采集電路封裝于同一短節(jié)中，聲系內(nèi)含10個(gè)接收站，每個(gè)接收站在周向上均勻分布了8個(gè)接收換能器探頭[5]，聲系探頭規(guī)模的大幅度增加給現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員檢查維修時(shí)帶來一定挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)人工敲打外殼的檢測(cè)方式已不能滿足其現(xiàn)場(chǎng)檢查診斷的需要，所以迫切需要研制一種專用的聲源裝置以檢測(cè)方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀接收聲系的工作狀態(tài)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

檢測(cè)方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀接收聲系時(shí)，需要提供多道穩(wěn)定且頻率、幅度均一致的聲源信號(hào)，以持續(xù)觀測(cè)并判斷各接收通道的采集情況，進(jìn)而判斷接收聲系是否受損。該裝置由控制箱、貼合結(jié)構(gòu)以及發(fā)射探頭構(gòu)成?？刂葡浜唾N合結(jié)構(gòu)之間通過多股低阻抗雙絞線連接，連接線外部加上保護(hù)皮套以應(yīng)對(duì)較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。控制箱提供電源并產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)聲發(fā)射探頭的電信號(hào)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整信號(hào)的頻率和幅度的大??；貼合結(jié)構(gòu)用于固定聲發(fā)射探頭，保證聲發(fā)射探頭與被測(cè)聲系的聲窗充分貼合，使得發(fā)射的聲能量盡量被聲系探頭接收；聲發(fā)射探頭將控制箱輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波。

控制箱的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部由鋰電池、電源調(diào)整模塊、信號(hào)發(fā)生板、功率放大板組成。由控制箱提供穩(wěn)定的聲波模擬信號(hào)源電信號(hào)激勵(lì)聲發(fā)射探頭，將方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀便攜式檢測(cè)聲源裝置的貼合結(jié)構(gòu)固定在聲窗處的外殼上，可以在儀修車間或者測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀接收聲系各個(gè)采集通道的工作情況，其使用示意圖如圖2所示。

圖1 控制箱結(jié)構(gòu)組成

圖2 檢測(cè)裝置使用示意圖

2 信號(hào)發(fā)生板

信號(hào)發(fā)生板以ICL8038芯片為信號(hào)源控制核心，該芯片能夠產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的0.001Hz-300kHz低失真正弦波、三角波、矩形波等信號(hào)[6]，且具備高電平輸出范圍、頻率溫度漂移小、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，聲波頻率范圍為20Hz-20kHz，該芯片完全能滿足本文設(shè)計(jì)的需要。信號(hào)產(chǎn)生板采用正負(fù)電源供電，將ICL8038輸出的正弦波信號(hào)作一定的失真度調(diào)整和頻率調(diào)整后，經(jīng)濾波、幅度調(diào)整、緩沖后輸送給功率放大板。圖3是信號(hào)產(chǎn)生電路的原理框圖。

圖3 信號(hào)產(chǎn)生板電路原理框圖

3 功率放大板

由于需要同步驅(qū)動(dòng)八路聲波發(fā)射，信號(hào)發(fā)生板的功率不能滿足要求，因此，設(shè)計(jì)并制作了功率放大電路板。OPA445是一個(gè)單片運(yùn)算放大器，較寬的電源供應(yīng)范圍 (±10V～±45V)，高壓擺率(15V/μs)，低輸入偏置電流（10 pA），被廣泛應(yīng)用于高輸出電壓或大型共模電壓紋波的電路中。設(shè)計(jì)采用OPA445作為信號(hào)的輸入緩沖放大器，其電路如圖5所示。

圖5 緩沖放大電路原理圖

LM1875是一款具備過載保護(hù)功能的功率放大芯片，其采用TO-220的封裝結(jié)構(gòu)，芯片體積小，外圍匹配電路簡(jiǎn)單，且輸出功率可達(dá)到30W，功率帶寬70kHz，電流輸出能力可達(dá)4A。設(shè)計(jì)采用LM1875作為功率放大功能的實(shí)現(xiàn)載體，其電路原理圖如圖6所示。

圖6 功率放大電路原理圖

4 貼合機(jī)械結(jié)構(gòu)

貼合裝置用于固定聲發(fā)射探頭并使聲發(fā)射探頭與接收聲系充分貼合。由于接收聲系聲窗尺寸固定，選取發(fā)射探頭的尺寸需小于聲窗尺寸。調(diào)研市場(chǎng)上的聲波發(fā)射探頭后選用圖8所示的聲發(fā)射探頭，該發(fā)射探頭長(zhǎng)53 mm、寬18 mm、阻抗8Ω、功率2 W，帶有安裝過孔。

圖8 聲發(fā)射探頭照片

聲波發(fā)射探頭的兩端有固定圓孔，插入沉頭長(zhǎng)腿螺絲后先用一個(gè)螺帽固定住，在螺帽外面的螺絲上套彈簧，在固定貼合結(jié)構(gòu)上有與聲波發(fā)射探頭孔徑一致的開孔，套在長(zhǎng)腿上彈簧與固定貼合裝置緊密壓合，長(zhǎng)腿螺絲穿過固定貼合結(jié)構(gòu)后，外部再用一個(gè)螺帽固定住，圖9為聲發(fā)射探頭及其彈性固定示意圖，圖10為貼合結(jié)構(gòu)圖。

圖9 聲發(fā)射探頭彈性固定方式圖

圖10 貼合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

5 應(yīng)用與結(jié)論

將安裝有聲發(fā)射探頭的貼合結(jié)構(gòu)安裝在方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀接收聲系聲窗處的外殼上，見圖11所示。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波儀器設(shè)置處于工作狀態(tài)，控制箱供電后，激勵(lì)聲發(fā)射探頭產(chǎn)生聲波，由在AXP600地面采集系統(tǒng)上顯示的波形如圖12所示,可以明顯看出有一道接收波形異常，后期拆解聲系后發(fā)現(xiàn)此問題由信號(hào)預(yù)處理板損壞導(dǎo)致。

圖11 裝配在接收聲系上貼合裝置

圖12 地面采集系統(tǒng)波形顯示