数字高分辨率感应测井仪电路功能模块设计

俞 勇（第七一五研究所，杭州，310012）摘要 为改进现有常规感应测井仪纵向分辨率和径向探测深度性能，研制了数字高分辨率感应测井仪， 仪器的硬件实现了数字化设计的思想，重点介绍了波形发生器、数据采集、数据传输和数字相敏检波等主要 功能模块的设计思想。关键词 感应测井；波形发生器；数据采集；数据传输感应测井就是利用电磁感应原理测量裸眼井中井壁周围不同径向深度的地层电导率。双感应测 井仪是目前国内最常用的感应测井仪器，占有国内90%以上的感应测井市场。现有双感应仪器的设计 已不能满足石油勘探测井的需要：仪器线圈系纵向分辨率不高；探测深度较浅；电路设计中数字化程 度低，测量信号的相敏检波采用模拟方法，以致无 法有效分离 R 和 X 信号；井下信号传输及处理都是模拟体制，效率不高，信号易受干扰；仪器受井眼、 围岩、侵入及趋肤效应影响严重，影响设备的薄层 探测能力。新设计的数字高分辨率感应测井仪除了改变 了原仪器线圈系设计以外，还开发出与之匹配的数 字电路，提高仪器数字化程度。由于采用数字相敏检波与以太网技术，提高与地面设备传输效率，使 仪器对径向侵入定量描述更加准确，可以使测井资 料参与到薄层分析、水淹层判定及其它复杂地层的研究，提升测井服务的质量。本文重点介绍该数字 高分辨率感应测井仪的主要数字功能模块的设计。1 系统结构高分辨率感应测井仪采用新型线圈系结构， 深、中感应分时工作，增加了对 X 信号的测量，在 预处理中还加入趋附校正、井眼校正、倾角及围岩 校正、高保真聚焦和垂直分辨率匹配等多种数据处 理技术。因而高分辨率感应测井仪与现有常规感应 相比，成倍扩展了需要进行预处理与传输的数据信 息，并增加了对仪器温度稳定性与整机可靠性的要 求。高分辨率感应测井仪的系统结构图如图 1 所示。波形发生器模块是整个系统的信号产生系统，由高精度函数发生器及 D/A 电路组成，提供仪器正 常工作所需的感应发射信号及参考信号；数据采集 模块主要包括：用于深、中感应各自 R、X 信号检 测的四通道测量电路及用于仪器自我故障检测与 分析的辅助信号测量电路通道。发射电路将波形发 生器产生的正弦波信号分别通过深、中感应功放的 独立升压放大后送入发射线圈向地层发射，接收电 路接收到深、中感应的测量信号经信号放大器处理 后送入数据采集模块进行数字相敏检波，检波后的 信号上传进行温度补偿等修正；数据传输模块主要 完成以下工作：协调整个高分辨率感应测井仪的工 作状态，并实时进行温度、相位、幅度等自动检测 与修正，基于以太网技术的局域网解决方案确保双 感应信号与地面设备的数据通讯。2 功能模块的数字化设计与实现2.1 波形发生器模块高分辨率感应波形发生器模块产生的发射信 号是 20 kHz 的正弦波，并且要求深、中发射相位独 立可调，以确保接收信号的数字相敏检波与发射信 号同步。设计中，将 20 kHz 的正弦波采样数据根据 调试的精度要求以及可能的相位偏移情况预设多 种起始记录点，储存在两个 FLASH 存储器内，以 便提高发射信号的精度，并建立独立的深、中感应 发射信号同步系统进行相位的数字调节。对固定时 钟信号分频后产生的地址线，根据调试情况，把 FLASH 存储器中对应的数据读出来，用高速 D/A 芯片进行模数转换，经运放产生正弦的模拟信号， 并经过独立运放进行幅度调整以满足接收系统对 发射信号的各项技术要求。与现有仪器相比，高分 辨率感应测井仪发射电路采用数字电路体制，克服 了传统波形发生器中频率不稳定的缺点，通过增加 信号采样频率提高了波形精度，并建立了深、中感 应各自独立的相位、幅度调节功能。图 1 高分辨率感应系统结构图数字检相数据采集两级放大接收 线圈数字检相数据采集两级放大A/D 转换自适应监控数 据 传 输 模 块以 太 网 卡单 片 机发射 线圈波形发生器发射功放数字高分辨率感应测井仪的感应测量信号微弱，易受数字电路地线毛刺干扰，故在设计中增加 了对系统地线工艺的考虑。具体采用的措施：（1） 通过选用低功耗 FLASH 器件 AM29F010 取代 EEPROM，使模块 VCC 电源耗电量与类似设计比 较有明显下降，数字电路本来频谱就较宽，功耗降 低减少了电源的空间辐射影响，改善了整机地线；（2）深、中感应分时发射，因而增加一级模拟开 关，在不同发射状态下，使其中不工作一路功放的 输入完全对地短路，结合印制板设计，确保静态噪 声最小；（3）深、中感应的发射功放地线严格分离， 发射回路完全独立，并增加一级运放的反相器设 计，通过运放对地线毛刺的抑制作用，进一步减少 了回流电流的大小。2.2 自控监测系统感应测井就是通过对发射线圈提供一个交变 电流，使仪器在周围地层产生一个交变磁场。这个 交变磁场在通过地层时感生出涡流。涡流在地层流 动时又产生另外一个交变磁场，即二次磁场，此二 次磁场在穿过接收线圈时感生出电流并被记录下 来，接收线圈测量的感生电流的大小与地层的电导 率成正比1。精准测量地层信息，须随时保证在井下探测过 程中，在不同温度、不同电阻率条件下，仪器的基本参数处于正常工作状态范围内，发射线圈通过的 是一个恒流稳压的交变电流。为此，高分辨率感应 测井仪增加了多个监测点，利用处理完测量数据后的空闲时间，对电源、发射源等多个参数进行监测。 具体的监测过程是：先对仪器中的各个监测点的监测信号进行采样，并各自通过一级独立运放OP07 进行正负电平转换及电平幅度调整；接着， 几路监测信号与温度传感器信号一起加至八路信 号选通器 HI1818；当单片机处于测量工作空闲时， 给出片选与通道选择信号，选取 HI1818，并依次启 动其中的一路通道送入 AD650 进行压频转换；频 率信号经 82C54 计数后，从并口读入单片机。单片 机读取数据后首先判断是否温度传感器信号。如 是，则读取该信号并调取相应温度值预存的对应偏 移量，对四路测量信号分别进行温度补偿。如是监 测信号，则调取相应单元的预存数据进行比较，如 对比后，监测信号在误差范围内，在下一空闲时间， 进行另一路监测点的数据对比；否则，则向地面系 统上传相应预警信号。各监测点的选定保证了对井 下仪状态的了解和客观分析测井数据。2.3 数据采集模块由于受地层的电导率的影响，电磁波在地层传播时将有很大的幅度衰减和相位移动，感应测井接 收到的信号具有实部和虚部分量，它们均有反映地层电导率的信息，现有常规仪器舍弃了虚部分量， 而高分辨率感应测井仪为了取得更高的分辨率，除 了要精确测量实部分量外，还要精确分离、测量虚部分量，同时完成对 R 信号和 X 信号，以及内零、内刻信号的数据采集。虚部分量，即 X 信号的信息中很强的成分是 “直耦信号”，而分析地层信息所需的有用信号极 其微弱，故在设计中深、中感应的前置放大器各自 独立，放大电路采用差分形式，有效抑制了系统共 模信号干扰，输入变压器后的首级放大采用场效应 管 2N5434，该器件高速、高精度、低电容、低损 耗；二 、三 级差分 放大 电路运 放选 用四运 放 HA-5104，输入噪声电压比较小，这些措施保证了 nV 级信号的前置放大。深、中感应的 R 信号和 X 信号测量需要四组完 全独立、功能相同的数字采集通道，总共包含 8 个测量状态。在数据采集过程中，单片机 PIC16F877A是仪器数字化设计中各电路的控制和连接中心。PIC16F877A 具有高性能 RISC CPU；除程序指令为 两个周期外，其余均为单周期指令；内置 8k*14 个FLASH 程序存储器，368*8 个 RAM 数据存储字节，256*8 个 EEPROM 数据存储字节；8 级深度硬件堆栈；10 位多通道 A/D 转换器；功耗较低，满足井 下工作温度条件。PIC16F877A 提供仪器发射、接收、状态切换和计数切换的控制信号，以控制各电 路完成其各自的功能，实现了 A/D 启动信号和采样 信号的同步，提高了数据发送和数据接收的时序精度，较好地实现了数据的串并转换、电平转换及深、中感应信号控制线切换，并进行相应的数据预处理和与地面系统的通讯。2.4 数字相敏检波在数字高分辨率感应测井中采用了数字相敏检 波来分离实部和虚部信号，改变了现有常规仪器中模拟相敏检波无用信号和有用信号分离不够彻底的缺点，提高了仪器的测量精度。具体实施原理如下。假设发射信号为：c(t) = C cos t测量信号为：d (t ) = D cos(t )= D cos t cos + D sin t sin （1）（2）式（2）可以表示为：d (t ) = R(t ) + X (t ) 其中，实部信号为：CS8900A 的 I/O 模式访问有中断和查询两种方式。在网卡芯片正常工作前要初始化，主要包括： 软件复位并检测复位标志；设置以太网卡的物理地址；设定接收帧的类型；接收中断使能；接收发送 使能。在每一种测量状态下，井下仪器首先响应通讯，提供该状态各路模拟开关控制信号；然后启动55 ms 计数周期，读取计数器数值，同时进行数据（3） R(t ) = DR cos(t 180 ) = DR cos t虚部信号为：（4） X (t ) = DX cos(t 90 ) = DX sin t（5）预处理；最后启动 5 ms 通讯周期，进行数据传输。数据发送时，CS8900A 与单片机按 8 位模式连接，网卡芯片复位后默认的工作方式为 8 位 I/O 连 接，基址是 300H。首先，写传送命令 00C0H 到TxCMD 寄存器；然后，写数据长度到 TxLength 寄 存器。接着，在单片机向 CS8900A 传送数据前， 监测中断状态寄存器，当其第 8 位为“1”时，可以向发送端口写数据。第一个字节写入 300H，第 二个字节写入 301H，以此类推直到所有数据写入 网卡芯片，网卡芯片将数据组织为链路层类型，添加 CRC 校验送向网络。 在数据接收时，当有数据到来，单片机在 301H中读取高位，在 300H 中读取低位，依次读取的地址为：300H，301H，300H，301H，直到读完 所有数据。这种由单片机实现的以太网连接，具有成本低、硬件少、结构灵活、传输速率高、抗干扰能力 强的优点，使系统的实时性和可靠性得到有效提 高，完全满足井下仪器大容量数据的传输。式中，C、D、DR、DX 分别为发射信号、接收信号、实部信号、虚部信号的幅度。相敏检波的目的就是要求出 DR 和 DX，从而可以解算出相位 。 假设对时间区间为 T 的测量信号进行傅立叶变换（T 应等于 的整周期）：TD() = d (t )edt tj0TT= d (t ) cos tdt j d (t ) sin tdt （6）00= R jX TR = d (t) cos tdt0T= D cos(t ) cos tdt（7）0= T / 2DRTX = d (t ) sin tdt =0（8）TD sin(t ) sin tdt = T / 2DX03 结论高分辨率感应测井仪由于采用各种数字功能 模块，提高了发射信号的频率稳定度和温度稳定 度；提高了仪器测量精度；实现了仪器整机的自动 监控功能；并运用以太网技术实现了井下数据的高 速传输。新一代高分辨率感应测井仪提高了现有感 应测井仪的纵向分辨率，扩大了线形范围，为现有 勘探测井仪的升级换代提供了基础，为下一步成像 测井仪器的开发进行了有益的探索。从（7）、（8）式可知，只要把测量信号乘上对应同频率零相位的正弦波和零相位的余弦波，积分后就 可以直接分离出实部信号 DR 和虚部信号 DX，从而 利用=tg-1（DR / DX）求得相位。实际应用中是把（7）、（8）式采用离散化形式，用求和近似代替积分，在编程中实现2。2.5 数据传输模块数据传输模块采用以太网技术，其核心为 CS8900A 芯片，这是 Cirrus 公司生产的一种高集成 度、全面支持 IEEE802.3 标准的以太网控制器，能 自动生成报头、自动进行 CRC 检验，冲突后自动 重发，最大电流消耗不到 55 mA（5V 电源），适应 井下仪器工作要求。芯片内的传输命令寄存器、传 输长度寄存器和中段寄存器可以通过端口直接操 作，对 芯片 内其它 寄存 器的访 问则 需要通 过 PacketPage 指针、 PacketPage 数据 端口 0 和 PacketPage 数据端口 1 来访问。参考文献：1 田子立.感应测井理论及其应用M.北京:石油工业出版社,1984.2 李利品. FPGA 在高分辨率感应测井仪中的应用J.西 安石油学院学报,2003,18(1).