童茂松

(中國石油集團測井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

高分辨率雙側(cè)向測井儀作為高分辨率測井系列的關(guān)鍵儀器之一，通過理論設(shè)計，得到了縱向分辨率達到0.2 m、深側(cè)向探測深度超過1 m的電極系，深淺電阻率更接近于真值的地層電阻率信息[1-2]，對于油田薄層、薄互層評價具有非常重要的作用[3-4]。

為了達到理論設(shè)計的縱向分辨率和探測深度指標，需要采用數(shù)字聚焦的方法實現(xiàn)高分辨率雙側(cè)向電阻率測量[2,5-7]。0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測井儀器的實現(xiàn)的難點在于如何確保理論條件，否則其測量結(jié)果將出現(xiàn)不可預(yù)知的誤差。確保理論條件需要兩方面：獨立、同時工作的三種工作模式，以及微弱信號的高保真測量，前者的關(guān)鍵在于發(fā)射電路的設(shè)計，因此需要對該儀器的發(fā)射電路進行系統(tǒng)設(shè)計。

本文簡要介紹了雙側(cè)向數(shù)字聚焦基礎(chǔ)原理，詳細論述了發(fā)射電路的組成與單元電路的設(shè)計，最后簡要介紹了應(yīng)用效果。

1 數(shù)字聚焦雙側(cè)向基本原理[2,6]

0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向的電極系型式與常規(guī)雙側(cè)向的電極系相同，但是具體的尺寸不同。數(shù)字聚焦雙側(cè)向基于圖1所示的三個獨立和同時的工作模式，運用電場疊加原理，三個獨立的工作模式形成的電場兩兩疊加實現(xiàn)深淺側(cè)向的聚焦。通過三個模式的測量信號，通過計算得到高分辨率雙側(cè)向測量。

圖1 數(shù)字聚焦雙側(cè)向的三種工作模式

模式1的電流由電極A1、A2向電極B發(fā)射，A1與A2等電位；模式2的電流由電極A1向電極A2發(fā)射；模式3的電流由主電極A0向電極A1、A2發(fā)射，A1與A2等電位。通過模式 1和模式 3疊加實現(xiàn)深側(cè)向工作，模式 2和模式 3疊加實現(xiàn)淺側(cè)向工作。測量三個模式的主電壓(V1、V2、V3)、三個模式的監(jiān)督電極電位差(V1、V2、V3)、模式3主電流(I3)，以監(jiān)督電極(M0、M1)等電位為理論條件，得到深淺高分辨率雙側(cè)向電阻率值(RHLLD、RHLLS)，其計算公式如下：

RHLLD=Kd×(V3-V1×ΔV3/ΔV1)/I3

(1)

RHLLS=Ks×(V3-V2×ΔV3/ΔV2)/I3

(2)

式中，Kd、Ks分別為深、淺雙側(cè)向的電極常數(shù)。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

為了實現(xiàn)數(shù)字聚焦，發(fā)射電路需要滿足以下要求：

1)三個模式同時工作；

2)三個模式獨立工作，互不影響；

3)模式1和模式3工作時，A1與A2等電位；

4)具有自動功率控制功能。

2.2 發(fā)射電路組成

針對設(shè)計要求，設(shè)計了如圖2所示的0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測井儀的發(fā)射電路。

圖2 發(fā)射電路組成框圖

圖2中的發(fā)射電路主要由信號源與功率控制、模式1發(fā)射、模式2發(fā)射、模式3發(fā)射、輔助監(jiān)督等單元電路構(gòu)成。

為了確保三個工作模式的同時、獨立工作，采用頻分方式，且模式1和模式3發(fā)射電路的輸出采用電流源形式，模式2發(fā)射電路采用電壓源形式。

由信號源與功率控制電路產(chǎn)生幅度受控的35 Hz、280 Hz和140 Hz的方波信號(35 Hz_SIG、140 Hz_SIG、280 Hz_SIG)，分別經(jīng)過模式1、模式2和模式3發(fā)射電路進行濾波和功率放大后進入地層。

輔助聚焦實現(xiàn)：模式1和模式3中A1、A2的電位差信號通過輔助聚焦監(jiān)控電路獲取，由模式2發(fā)射電路負反饋到A1與A2電極，實現(xiàn)A1、A2等電位。

3 單元電路設(shè)計

3.1 信號源與功率控制電路設(shè)計

該電路產(chǎn)生幅度受控的35 Hz、140 Hz、280 Hz方波信號，其原理框圖如圖3所示。

圖3 信號源與功率控制電路原理框圖

該電路主要由數(shù)字信號處理芯片(DSP)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、直流功率放大電路以及斬波調(diào)制電路組成，其中DSP選用ADI公司的ADSP-BF506F，DAC采用德州儀器公司的四路12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5614，DSP和DAC之間采用SPI方式實現(xiàn)通信。

在高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測井儀的發(fā)射電路中，DSP有兩個作用：一是產(chǎn)生幅度為3.3 V的35 Hz、140 Hz、280 Hz的方波信號(35PWM、140PWM、280PWM)，并從數(shù)字IO口輸出；二是根據(jù)當前電阻率測量值，依據(jù)一定算法得到三個工作模式下一步應(yīng)輸出功率的數(shù)字量，并通過SPI總線將數(shù)字量傳送給DAC。

DAC對來自DSP的三個數(shù)字量進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過直流緩沖放大、濾除高頻干擾后，得到三個模式應(yīng)輸出功率的直流電平(圖3中的35 HzDA、280 HzDA、140 HzDA)。

35 HzDA、280 HzDA、140 HzDA等三個直流電平輸入到各自的斬波調(diào)制電路，分別在35PWM、140PWM、280PWM方波的調(diào)制下，輸出幅度受控的35 Hz、140 Hz、280 Hz方波信號(35 Hz_SIG、140 Hz_SIG、280 Hz_SIG)，從而實現(xiàn)了信號產(chǎn)生、自動功率控制的目的，使得儀器具有更寬的地層電阻率適用范圍。

3.2 輔助監(jiān)督電路

在0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測井儀中，輔助聚焦指的是模式1和模式3中A1、A2等電位。

輔助監(jiān)督電路的主要作用是拾取A1、A2電位差，差分放大后，經(jīng)過中心頻率為35 Hz和40 Hz的帶通濾波器處理后，得到模式1和模式2工作時A1、A2之間的電位差，其原理框圖如圖4所示。

圖4 輔助監(jiān)督電路原理框圖

輔助監(jiān)督電路主要由前放電路、35 Hz高Q值帶通濾波器和140 Hz高Q值帶通濾波器組成。

N1是儀用放大器AD620，可以保證檢測微弱信號時的測量精度，滿足高分辨率雙側(cè)向儀器要求。

模式1的35 Hz帶通濾波器和模式3的140 Hz帶通濾波器均采用II型多路反饋帶通的Q值倍增電路。35 Hz頻率帶通濾波器(由運算放大器N2、N3及其外圍電阻電容組成)的Q值為20，3 dB帶寬為1.75 Hz，中心頻率處的增益為1.83；140 Hz頻率帶通濾波器(由運算放大器N4、N5及其外圍電阻電容組成)的Q值為20，3 dB帶寬為7 Hz，中心頻率處的增益為1.83。

圖4中的A1*、A2*、A2*′均為信號取樣電極，沒有電流，其中A1*為電極系上的一個金屬環(huán)，A2*、A2*′為電路芯架上的一個彈簧片，分別與A2、A2′(即上、下A2)的內(nèi)壁可靠接觸。由于A1的尺寸比A2小得多，因此A1表面的電流密度將比A2大得多任何極化效應(yīng)或接觸電阻對A1的影響比對A2大得多，因此以A1*電位替代測量A1電極金屬表面的電位，以A2*、A2*′的電位分別代替A2、A2′的電位。通過測量A1*與A2*、A1*與A2*′電位差的平均值代替A1與A2之間的電位差。

從圖4可以看出，A1*與 A2*、A2*′電位經(jīng)過AD620差分放大，送入兩個帶通濾波電路，分別得到模式1和模式3工作時A1與A2之間的電位差(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)，這兩個信號將通過模式2發(fā)射電路反饋到A1和A2上，實現(xiàn)模式1和模式3的A1、A2等電位。

3.3 模式1發(fā)射電路設(shè)計

模式1發(fā)射電路將模式1的35 Hz電流經(jīng)A1和A2發(fā)射入地層，回到遠回路電極B，圖5為電路原理框圖。

圖5 模式1發(fā)射電路原理框圖

如圖5所示，模式1發(fā)射電路主要由35 Hz高Q值帶通濾波器和功率放大電路組成。圖中的N1、N2、N3為運算放大器，N4為高溫功率放大器TD823。

幅度受控的模式1方波信號(35 Hz_SIG，來自DSP)經(jīng)過帶通濾波后，得到正弦波信號，再進行功率放大，接到變壓器T9的初級，耦合到T9次級，一部分電流從A2輸出到B，另一部分電流由經(jīng)過T10次級，由A1輸出到B，實現(xiàn)了模式1的信號發(fā)射。

在設(shè)計中，35 Hz帶通濾波器采用I型Q值倍增的多路反饋帶通濾波器，由運算放大器N1、N2及其外圍電阻、電容組成，其中心頻率35 Hz，Q值為10，3 dB帶寬為3.5 Hz，中心頻率處的增益為2。

在模式1發(fā)射回路中，需要盡量避免模式2和3有漏電流從遠回路電極B返回。由于模式2和模式3的正?；芈泛芙?，距離電極B很遠，因此只有很少的漏電流從B返回，但是仍然對測井結(jié)果有影響，因此在設(shè)計上需要采取如下措施：1)功率放大電路設(shè)計為電流源形式；2)變壓器T9的次級對于280 Hz和140 Hz正弦信號屬于高阻抗。

3.4 模式2發(fā)射電路設(shè)計

模式2發(fā)射電路有兩個作用，其一是將模式2的280 Hz電流經(jīng)A1發(fā)射入地層，回到A2；其二是輔助監(jiān)督電路測量的模式1、模式3反饋信號(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)耦合到A1、A2上，實現(xiàn)這兩個模式的輔助聚焦。

模式2發(fā)射電路原理框圖如圖6所示。

圖6 模式2發(fā)射電路原理框圖

模式2發(fā)射電路由280 Hz帶通濾波器、加法器和功率放大電路組成。

280 Hz帶通濾波器采用I型Q值倍增的多路反饋帶通(MFBP)濾波器，由運算放大器N1、N2和外圍電阻電容組成，其中心頻率280 Hz，Q值為10，3 dB帶寬為28 Hz，中心頻率處的增益為2。

加法器由運算放大器N3及外圍電阻組成。

由于模式2的變壓器T10是三個模式電流的共同通道，因此設(shè)計中將功率放大器(運算放大器N4、功率放大器TD823及外圍電阻電容組成)設(shè)計為電壓源形式輸出，變壓器T10對三個頻率都是低阻抗。

從圖6可以看出，幅度受控的280 Hz方波(280 Hz_SIG，來自于DSP)經(jīng)過帶通濾波后，得到正弦波信號(280 Hz_SIN)，該信號與輔助監(jiān)督電路測量的模式1、模式3反饋信號(35 Hz_AUX、140 Hz_AUX)疊加后，得到的混頻信號經(jīng)過功率放大后，采用電壓源的輸出方式驅(qū)動模式2變壓器T10，并由A1發(fā)出，回到A2，不僅實現(xiàn)了模式2信號的發(fā)射，還實現(xiàn)了模式1和模式3的輔助聚焦。

3.5 模式3發(fā)射電路設(shè)計

模式3發(fā)射電路將模式3的140 Hz電流經(jīng)A0發(fā)射入地層，回到電極A1、A2，圖7為電路原理框圖。

圖7 模式3發(fā)射電路原理框圖

如圖7所示，模式3發(fā)射電路主要由140 Hz高Q值帶通濾波器和功率放大電路組成。圖中的N1、N2為運算放大器，電流源模塊為高溫大功率集成厚膜VI電路。

幅度受控的模式3方波信號(140 Hz_SIG，來自DSP)經(jīng)過帶通濾波后，得到正弦波信號，通過電流源模塊放大后，以電流源方式連接到A0、A1，電流從A0輸出，輸入到地層，一部分電流由A1返回，另一部分由A2途經(jīng)變壓器T10次級返回，實現(xiàn)了模式3的信號發(fā)射。

在設(shè)計中，140 Hz濾波器采用I型Q值倍增的多路反饋帶通濾波器，由運算放大器N1、N2及其外圍電阻、電容組成，其中心頻率35 Hz，Q值為10，3 dB帶寬BW為14 Hz，中心頻率處的增益為2。

模式3的電流輸出回路設(shè)計是0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測井儀的關(guān)鍵。從圖2中可以看出，由于模式發(fā)射回路距離的原因，模式1和模式2電流極易從模式3泄漏，對測量結(jié)果的影響非常大，為此電流輸出不采用變壓器耦合驅(qū)動的方式，而是采用VI電路直接輸出。VI電路主要部件是一個壓控電流源，其輸出阻抗非常高，有效避免了模式1和模式2的電流流過，對模式工作的獨立性起到了關(guān)鍵作用。為了提高可靠性與穩(wěn)定性、簡化電路設(shè)計，選用商用化的集成厚膜VI模塊。

4 應(yīng)用效果

室內(nèi)對比分析表明：對于同一套地層電阻率模擬盒，采用相同的測量電路，三個模式同時工作與三個模式分別工作時得到電阻率測量結(jié)果一致，且與設(shè)計值之間的相對誤差滿足資料驗收要求。

現(xiàn)場應(yīng)用表明：泥巖基線穩(wěn)定且與常規(guī)雙側(cè)向泥巖基線一致，厚層與常規(guī)雙側(cè)向測量值吻合，薄層分辨能力顯著提高。截至目前，該儀器已經(jīng)在大慶油田、吉林油田測井500余口，為油田薄層識別、飽和度求取以及水淹層判別提供了準確可靠的高分辨率電阻率測井資料，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

1)為了滿足三種工作模式同時、獨立工作，模式1(35 Hz)和模式3(140 Hz)的信號發(fā)射必須采用電流源輸出方式，模式2(280 Hz)信號發(fā)射必須采用電壓源輸出方式。

2)輔助監(jiān)督反饋信號通過模式2發(fā)射電路與變壓器連接到A1和A2電極上，實現(xiàn)模式1和模式3的輔助聚焦。

3)DSP根據(jù)當前測量電阻率，依據(jù)一定算法確定三個模式下一步的需要輸出的功率電平。

4)發(fā)射電路已經(jīng)應(yīng)用于0.2 m高分辨率數(shù)字聚焦雙側(cè)向測井儀器，取得了良好的效果。