蘇 娟,陳 濤,嚴(yán)正國(guó),吳銀川,宋青山

(1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710065; 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710077)

3DEX發(fā)射電路解析與三維感應(yīng)信號(hào)源設(shè)計(jì)

蘇 娟1,陳 濤2,嚴(yán)正國(guó)1,吳銀川1,宋青山2

(1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710065; 2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710077)

分析了感應(yīng)測(cè)井儀器3DEX發(fā)射電路的組成、工作原理及性能參數(shù),設(shè)計(jì)了一種新的三維感應(yīng)信號(hào)源方案。采用直接頻率合成(DDS)技術(shù)和CAN總線通信接口。硬件電路系統(tǒng)由基于DSP的采集控制板和基于DDS的信號(hào)發(fā)生器板組成,采集控制板通過(guò)USB接口接收PC機(jī)控制面板傳來(lái)的指令,通過(guò)SPI接口對(duì)DDS信號(hào)發(fā)生器板進(jìn)行設(shè)置,可產(chǎn)生7對(duì)合成正弦波形;采集控制板同時(shí)能夠?qū)敵鲂盘?hào)進(jìn)行取樣采集,并將采集到的波形數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)控制面板。PC機(jī)控制面板通過(guò)USB接口對(duì)信號(hào)源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,并能夠顯示信號(hào)波形、頻譜;測(cè)量信號(hào)幅度、頻率、相位、諧波失真等參數(shù)。經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,信號(hào)源的性能參數(shù)完全可以達(dá)到3DEX發(fā)射電路的指標(biāo)要求,在輸出信號(hào)頻率選擇性和頻率控制靈活性方面優(yōu)于3DEX發(fā)射電路方案。

三維感應(yīng)測(cè)井;發(fā)射電路,信號(hào)源;直接頻率合成(DDS)技術(shù);CAN總線

0 引 言

砂泥巖薄互層和裂縫性油氣層往往表現(xiàn)為低電阻率,這是因?yàn)檫@2種地層都是電阻率各向異性的,即垂直方向和水平方向測(cè)量結(jié)果不同,水平分量往往表現(xiàn)為低值,垂直分量往往表現(xiàn)為高值[1-2]。常規(guī)感應(yīng)測(cè)井包括陣列感應(yīng)測(cè)井只測(cè)量水平分量,很容易低估和漏掉低電阻率和低對(duì)比度的泥質(zhì)砂巖產(chǎn)層。如何正確評(píng)價(jià)砂泥巖薄儲(chǔ)層促進(jìn)了三分量感應(yīng)測(cè)井儀器的研制[3]。1994年殼牌與貝克-阿特拉斯公司啟動(dòng)合作項(xiàng)目,制造新的電阻率測(cè)量?jī)x器測(cè)量地層電阻率的各向異性。1999年儀器第1次在殼牌1口油井中進(jìn)行了測(cè)量,直至2004年才推出了九分量3DEX-EliteTM商業(yè)服務(wù)[4],并取得良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 3DEX發(fā)射控制電路組成與工作原理

3DEX儀器由3個(gè)正交的、相互平衡的發(fā)射線圈(TX、TY、TZ)和3個(gè)同樣是正交的接收線圈(RX、RY、RZ)組成。在每一測(cè)井深度,3DEX儀器以介于20～220 k Hz的10個(gè)頻率測(cè)量磁場(chǎng)的全部9個(gè)分量信號(hào)[5]。3DEX儀器線圈系結(jié)構(gòu)和9個(gè)分量信號(hào)見(jiàn)圖1。

3DEX電子儀由發(fā)射部分、接收部分和骨架等3部分組成。發(fā)射電路是3DEX電子儀核心組成部分,其主要功能是產(chǎn)生復(fù)合正弦信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大后依次作用于 X、Y、Z的3個(gè)軸向的發(fā)射線圈。發(fā)射電路主要由發(fā)射控制電路、功率放大電路和繼電器陣列組成。發(fā)射控制電路組成及功能見(jiàn)圖2。

發(fā)射控制電路主要由2片DSP處理器和其他邏輯電路組成。DSPA負(fù)責(zé)時(shí)序控制、與接收電路之間通信,以及對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè);DSPB根據(jù)測(cè)井地面系統(tǒng)的下發(fā)命令產(chǎn)生所有不同的合成正弦波形。正弦波形數(shù)據(jù)保存在FLASH 2中,DSPB將波形數(shù)據(jù)送入FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū),經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)檫B續(xù)的模擬波形,經(jīng)低通濾波器濾除高頻諧波后經(jīng)由多路開(kāi)關(guān)送到 X、Y、Z軸向?qū)?yīng)的功率放大器。

圖1 3DEX線圈系結(jié)構(gòu)

圖2 3DEX發(fā)射控制電路組成及功能框圖

在DSPB控制下,3DEX發(fā)射電路可根據(jù)地面命令產(chǎn)生由10種頻率的單頻正弦信號(hào)按一定的頻率比(通常為2:1)疊加而成的7對(duì)頻率的合成正弦信號(hào)波形。各頻率對(duì)的低頻和高頻分量的信號(hào)頻率見(jiàn)表1所示。

表1 合成正弦信號(hào)波形頻率

測(cè)井時(shí),發(fā)射電路根據(jù)地面命令將7對(duì)合成正弦信號(hào)波形按一定的順序分別依次作用于 X、Y、Z發(fā)射線圈,由接收電路采集處理后傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。

3DEX的發(fā)射控制電路封裝在保溫瓶中,可在155℃高溫環(huán)境下連續(xù)工作3 h以上。

2 三維感應(yīng)信號(hào)源設(shè)計(jì)

以目前的電子技術(shù)發(fā)展水平,3DEX的發(fā)射控制電路時(shí)序控制邏輯過(guò)于復(fù)雜。在三維感應(yīng)信號(hào)源研制中,在分析、借鑒3DEX電路方案和技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了圖3所示的三維感應(yīng)信號(hào)源電路方案。

圖3的方案和3DEX發(fā)射控制電路最主要的區(qū)別在于利用直接頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生合成正弦信號(hào),通過(guò)CAN總線與外部電路進(jìn)行通信。DSP控制2片直接頻率合成器芯片產(chǎn)生需要的2個(gè)頻率的正弦波信號(hào),通過(guò)濾波放大電路消除高頻諧波后,在DSP控制下按照一定的比例相加產(chǎn)生雙頻合成正弦波形,經(jīng)過(guò)功率放大器電路后由多路開(kāi)關(guān)控制依次作用于 X、Y、Z發(fā)射線圈;同時(shí),由取樣電路、信號(hào)調(diào)理和A/D等組成的取樣檢測(cè)電路對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行取樣檢測(cè)和反饋控制。CPLD產(chǎn)生同步和時(shí)序控制邏輯,DSP通過(guò)CAN通信模塊與井下遙測(cè)單元或其他控制單元進(jìn)行通信,接收控制指令。

圖3 三維感應(yīng)信號(hào)源電路功能框圖

信號(hào)源工作時(shí),DSP根據(jù)CAN總線傳來(lái)的命令,通過(guò)高速SPI口對(duì)DDS內(nèi)部的頻率控制字和相位控制字進(jìn)行設(shè)定,改變DDS輸出正弦信號(hào)的頻率和相位,并保證在改變輸出信號(hào)頻率時(shí)保持輸出信號(hào)相位連續(xù);DDS在輸出正弦信號(hào)的同時(shí)輸出同步信號(hào),經(jīng)過(guò)CPLD內(nèi)部的時(shí)序產(chǎn)生電路為取樣電路和三維感應(yīng)信號(hào)接收采集電路提供同步采樣控制信號(hào);比例加法器根據(jù)命令設(shè)定的幅度比對(duì)2路DDS輸出的經(jīng)濾波處理的2個(gè)頻率的正弦信號(hào)進(jìn)行疊加,經(jīng)過(guò)功率放大,由DSP控制多路開(kāi)關(guān)將信號(hào)輸出到指定的發(fā)射線圈;取樣電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)。

3 硬件設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

為了對(duì)方案設(shè)計(jì)的信號(hào)源的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了三維感應(yīng)信號(hào)源硬件電路系統(tǒng),構(gòu)建了三維感應(yīng)信號(hào)發(fā)生器測(cè)試平臺(tái),對(duì)設(shè)計(jì)的三維感應(yīng)信號(hào)源的性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。

硬件電路系統(tǒng)由基于DSP的采集控制板和基于DDS的信號(hào)發(fā)生器板組成,采集控制板通過(guò)USB接口接收 PC機(jī)控制面板傳來(lái)的指令,通過(guò)SPI接口對(duì)DDS信號(hào)發(fā)生器板進(jìn)行設(shè)置,可產(chǎn)生7對(duì)合成正弦波形;采集控制板同時(shí)能夠?qū)敵鲂盘?hào)進(jìn)行取樣采集,并將采集到的波形數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)控制面板。

PC機(jī)控制面板采用VB6.0編制,該控制面板通過(guò)USB接口對(duì)信號(hào)源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,并能夠顯示信號(hào)波形、頻譜;測(cè)量信號(hào)幅度、頻率、相位、諧波失真等參數(shù)。

通過(guò)對(duì)硬件電路的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的信號(hào)源可達(dá)到的性能指標(biāo),頻率范圍為1～250 k Hz;頻率調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為小于1 k Hz;頻率比(Fh/Fl)為通過(guò)CAN通信接口 Fh和 Fl在頻率范圍內(nèi)可任意設(shè)定;幅度比為1∶1,Fh/Fl可選;失真度為單頻小于0.05%。

4 結(jié) 論

與3DEX發(fā)射電路相比較,本文設(shè)計(jì)的三維感應(yīng)信號(hào)源電路采用1片DSP,采用DDS技術(shù)極大地簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)和同步邏輯,在技術(shù)參數(shù)上完全可以達(dá)到3DEX發(fā)射電路的指標(biāo)要求,并在輸出信號(hào)頻率選擇性和頻率控制的靈活性方面優(yōu)于3DEX發(fā)射電路。

[1] CPL技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室信息組.三分量感應(yīng)測(cè)井[J].石油儀器,2004,18(2):24.

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Analysis of 3DEX Transm itting Circuit and Three-dimension Induction Signal Source Design

SU Juan1,CHEN Tao2,YAN Zhenguo1,WU Yinchuan1,SONGQingshan2
(1.Xi’an Shiyou University,Key Labo rato ry of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas,M inistry of Education, Xi’an,Shaanxi 710065,China;2.Technology Center,China Petroleum Logging CO.L TD.,Xi’an,Shaanxi 710077,China)

The compositions,p rincip les of operation and the performance parameters of 3DEX transmitting circuit in three-dimension induction logging tool are analyzed in this paper and a new three-dimension signal source is designed.The signal source is based on direct digital synthesis (DDS)and controller area network(CAN)bus communication port.The design scheme makes the circuit structure and control logic simp le significantly.The hardware circuit consistsof DSP-based signal pickup device and DDS-based signal generato r;The fo rmer,through USB po rt,receives commands from PC control panel;DDS signal generator panel is set through SPIport;Under DSPB control,the circuit generates seven pairs of synthesic sine signal waves.A t the same time,the latter picks up output signals as samp le,and sends the picked w aves data to PC control panel through USB.The PC control p late is compiled w ith VB6.0.The signal source parameters are set via USB port for the PC control panel,so,it can disp lay the signal waves and frequency, and measure the signal amp litude,frequency,phase and harmonic distortion,etc.The experiments and test results are in good accordance w ith the requirements and performance data of 3DEX.The designed signal source is better than 3DEX transmitting circuit scheme in output signal frequency selectivity and frequency control flexibility.

three-dimension induction logging,transmitting circuit,signal source,direct digital synthesis(DDS),controller area network(CAN)

1004-1338(2010)05-0466-03

P631.33;U 666.1

A

西安石油大學(xué)創(chuàng)新基金YS28060421

蘇 娟,女,1975年生,講師,研究方向?yàn)闇y(cè)井信號(hào)處理和傳輸。

2010-01-22 本文編輯 李總南)