吳玉飛（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

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淺談感應(yīng)測井儀器中測控電路的設(shè)計

吳玉飛
（杭州瑞利聲電技術(shù)公司，杭州，310012）

摘要：在油氣儲藏評價中，感應(yīng)測井儀器是一個重要的測量裝置，其核心部分是測控電路，主要負責(zé)發(fā)射信號、接收信號和處理信號，對各個功能模塊的運行進行有效控制，并能保證其正常的通信。圍繞感應(yīng)測井儀器的測控電路的設(shè)計，本文展開了論述。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)測井儀器；測控電路；設(shè)計研究

0 引言

石油是一個國家的重要資源，油氣勘查是保證石油工業(yè)發(fā)展的前提。測井為油氣勘查提供地表豐富的信息，以更好的評價油氣儲藏。傳統(tǒng)的測井儀器中有很多技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，目前測井的新儀器是感應(yīng)測井儀器，它能獲得豐富的地層油氣儲藏信息，有效降低采油風(fēng)險。感應(yīng)測井儀器的核心環(huán)節(jié)是測控電路部分，它控制著信號的發(fā)出和接收，并將這些信號經(jīng)過一定的處理之后有效控制感應(yīng)測井儀器正常工作。因此需要對感應(yīng)測控儀器的測控電路原理進行分析，設(shè)計出更好的測控電路。

1 感應(yīng)測井儀器的工作原理

感應(yīng)測井儀器的工作原理是將交流電通入線圈中，在它的周圍產(chǎn)生大量交變的磁場，在線圈內(nèi)部的導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。它利用電磁感應(yīng)的原理對地層的電導(dǎo)特性進行分析，得出它的感應(yīng)電動勢同地層的導(dǎo)電率成正比關(guān)系，由此獲取地層的相關(guān)信息。感應(yīng)測井儀器中單發(fā)射、單接收的雙線圈儀器的工作原理如圖一所示。

圖1 雙線圈感應(yīng)測井儀器工作原理圖

由圖一可以看出，在一根絕緣芯中分別纏繞發(fā)射和接收線圈，在發(fā)射線圈中通交流電，會在其周圍產(chǎn)生交變的磁場，隨著地層電導(dǎo)率的不同，在地層中會產(chǎn)生與線圈同軸的地層渦流，并且與地層的電導(dǎo)率成正比，地層渦流會在接收線圈中產(chǎn)生二次感應(yīng)電動勢，通過二次感應(yīng)電動勢的大小了解測量出地層的電導(dǎo)率。

2 感應(yīng)測井儀器測控電路的設(shè)計原則

感應(yīng)測井儀器的測控電路需要工作在數(shù)千米的地下，并且要放置在狹小密閉的空間里，需要承擔(dān)高溫高壓的環(huán)境，因此測控電路應(yīng)該具有耐高溫、耐高壓、低功耗等性能。感應(yīng)測井儀器的測控電路需要放置在隔熱的恒溫裝置中，使測控電路工作在較低溫度的工作環(huán)境中，但是這會造成外部隔熱裝置和內(nèi)部電路的連接困難，因此在設(shè)計測控電路時應(yīng)該綜合考慮測控電路的設(shè)計方案，選擇功耗和溫升都較低的、耐高溫的、集成度好的電路元件，盡量減少使用分離器件，選擇高集成度、溫度變化單位廣的集成器件來進行電路設(shè)計，減少空間占用量、功率消耗和發(fā)熱量。

另外，感應(yīng)測井儀器的測控電路包括發(fā)射控制單元和接收控制單元這兩部分，它們各自都有自身的特點，應(yīng)根據(jù)它們的特點和實現(xiàn)的功能進行設(shè)計，使其滿足工作要求。

3 測控電路中發(fā)射控制單元的設(shè)計

感應(yīng)測井儀器測控電路中發(fā)射控制單元的設(shè)計最主要部分是信號發(fā)生器的設(shè)計，它實現(xiàn)將激勵信號源產(chǎn)生正弦發(fā)射信號，常采用頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)。頻率合成技術(shù)包括直流模擬、直接數(shù)字和間接頻率合成技術(shù)。直接模擬頻率合成技術(shù)是將兩個石英晶體振蕩器產(chǎn)生的基準頻率通過混頻器、倍頻器和分頻器進行數(shù)學(xué)運算，得到新的頻率信號。它具有相位噪聲要求比較低，頻率轉(zhuǎn)換快，穩(wěn)定度高等優(yōu)點。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是利用相位的特點通過全數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)頻率合成技術(shù)，這種方法輸出的頻率范圍寬、分辨率高、相位連續(xù)、轉(zhuǎn)換迅速且任意波形都能輸出的優(yōu)點，它在信號發(fā)生器的設(shè)計中應(yīng)用最廣泛，輸出信號的頻率穩(wěn)定性很高。

測控電路發(fā)射控制單元由現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、數(shù)字模擬量轉(zhuǎn)換、低通濾波器、驅(qū)動電路、電源電路、模擬開關(guān)、通信接口等部分組成，其核心部分是FPGA，它的優(yōu)點是具有豐富的內(nèi)部觸發(fā)器資源和外部的輸入輸出端口，并且高度集成，功耗小，具有良好的時序和組合邏輯。它的功能是控制信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦的激勵信號，為測井儀器的采集電路產(chǎn)生3MHz的采樣時鐘，控制感應(yīng)信號的接收，根據(jù)接收到控制信號，切換到不同的工作模式。

發(fā)射控制單元的硬件設(shè)計包括FPGA的外圍電路、電源穩(wěn)壓電路、DDS信號源電路、繼電器驅(qū)動電路、通信接口電路等，軟件設(shè)計包括FPGA的開發(fā)流程、時序控制、正弦函數(shù)查找表、仿真結(jié)果和資源占用情況等。通過它們之間的集成組合保證發(fā)射控制單元的正常運行。

4 測控電路中接收單元的設(shè)計

感應(yīng)測井儀器測控電路的接收單元是將接收到的感應(yīng)信號的幅值和相位通過遙測電纜傳遞到地面裝置中，進行相應(yīng)的處理，因此接收單元的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、傳輸、實時控制等。傳統(tǒng)的接收電路設(shè)計時采用兩塊數(shù)據(jù)采集板，實現(xiàn)八路感應(yīng)信號的調(diào)理、轉(zhuǎn)換和并列運行，實現(xiàn)多周期采集值的疊加，這樣就有效抑制了隨機噪聲的產(chǎn)生。一塊接收控制板將數(shù)據(jù)采集板采集到的疊加采樣值進行壓縮和相關(guān)運算，以減少存儲空間，對數(shù)據(jù)調(diào)制編碼后傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)內(nèi)。除此之外，接收控制板要執(zhí)行和轉(zhuǎn)發(fā)地面系統(tǒng)的命令，實現(xiàn)同發(fā)射控制單元的雙向串行通信，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)各個模塊之間具有明確的分工，實現(xiàn)各種功能。

由于傳統(tǒng)電路設(shè)計電路板多，空間占用大，接線復(fù)雜，電路調(diào)試麻煩，出現(xiàn)問題時很難處理，其電路設(shè)計需要及時改進，從而保證數(shù)據(jù)采集的準確性和傳輸?shù)募皶r性，可以采取并行采集感應(yīng)信號，實現(xiàn)實時處理和及時上傳相關(guān)數(shù)據(jù)。采用DSP+FPGA組合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)接收單元的控制，其中DSP運算速度快、尋址靈活，可以利用它的優(yōu)勢對相關(guān)命令匹配和運算，F(xiàn)PGA并行處理信息的能力很強，并能實現(xiàn)信息的實時控制，可以利用它的優(yōu)勢來進行多通道數(shù)據(jù)的并行處理和實時通信。這樣就能大大減少空間占有量，利用一塊電路板就能實現(xiàn)三塊電路板的功能，并且功能更齊全，速度更快。

它的硬件電路平臺包括DSP最小系統(tǒng)、信號調(diào)理電路、存儲器擴展電路、電纜傳輸驅(qū)動電路，它的軟件組合包括FPGA功能模塊和DSP軟件設(shè)計，其中FPGA功能模塊包括時序控制電路、累加器和存儲器、曼徹斯特編解碼、邏輯資源消耗評估；DSP軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計、系統(tǒng)初始化、外部接口和終端程序的設(shè)計等。通過這些電路的集成和組合，保證實現(xiàn)接受電路的各項功能。

5 結(jié)語

綜上，感應(yīng)測井儀器作為油氣勘查的重要工具，需要保證其功能的可靠性和準確性，特別是它的測控電路作為感應(yīng)測井儀器的核心單元更需要保證其功能的先進性。本文介紹了感應(yīng)測井儀器的工作原理和測控電路的設(shè)計原則，主要對感應(yīng)測井儀器測控電路的設(shè)計進行了分析，包括它的發(fā)射控制單元和接收控制單元。在如今石油需求日益增長的今天，需要我們對感應(yīng)測井儀器進行不斷的改進，不斷開發(fā)研制新產(chǎn)品，保證石油勘查向更高的方向發(fā)展。

參考文獻

［1］劉璽. 陣列感應(yīng)測井儀測控系統(tǒng)研究與設(shè)計［D］.華中科技大學(xué)，2009.

［2］董睿. 感應(yīng)測井儀器中測控電路的設(shè)計［D］.電子科技大學(xué)，2010.

［3］龐兵強. 隨鉆感應(yīng)測井井下電路研究［D］.浙江大學(xué)，2014.

［4］周長林. 陳列感應(yīng)測井儀實時測控單元的研究與實現(xiàn)［D］.中國人民解放軍信息工程大學(xué)，2005.

［5］幸奠瓊，趙廣平，苗清，李裕. 淺談厚膜電路在測井儀器中的應(yīng)用［J］. 石油儀器，2012，04︰42-43+47+103.

［6］夏克文，孫鵬. 淺談石油測井儀器的技術(shù)創(chuàng)新［J］. 石油儀器，2001，03︰1-4+60.

The design of measurement and control circuit in induction logging tool

Wu Yufei
（Hangzhou Electric Power Technology Co.， Ltd.，Hangzhou，310012）

Abstract：In the oil and gas reservoir evaluation， induction logging tool is an important measurement device，the core part is control circuit，is mainly responsible for the transmitted signal，the received signals and signal processing，the operation of each function module for effective control，and can ensure the normal communication.This paper discusses the design of the measurement and control circuit of the induction logging tool.

Keywords：induction logging tool；measurement and control circuit；design and research

作者簡介

吳玉飛（1969.9-），男，漢族，浙江杭州人，杭州瑞利聲電技術(shù)公司工程師，研究方向：測井儀器。