新一代聲波測井儀系統設計

鞠曉東，喬文孝，趙宏林，盧俊強，門百永，吳文河

（中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京市地球探測與信息技術重點實驗室，北京 102249）

0 引 言

以斯倫貝謝公司為代表的新一代多維掃描成像即Scanner系列[1－5]，預示著測井方法和探測技術的重大進步，其中聲波測井儀器的代表是SonicScanner。我國的聲波測井儀器研發水平已經從學習模仿為主提升到了具有較全面的自主創新階段。為此，國家油氣重大專項和中國石油天然氣集團公司重大科技項目中均設立了具有三維探測能力的新一代聲波測井儀器的研發課題，為我國聲波測井技術的發展提供了巨大契機。

新一代聲波測井儀需要實現的關鍵技術：由大功率發射振子組成的三維相控發射器陣列；由高靈敏度寬帶接收振子組成的相控接收器陣列；聲系內部與傳感器組合并以高密度集成的耐高溫、高壓電子單元；儀器系統實時控制和多節點高速數據傳輸。

1 系統設計方案

要實現對井周三維空間的探測，必須將探測器元件大規模陣列化，使聲波波束能夠沿著井周和井軸方向進行可控式掃描激勵和接收，從而得到較高分辨率和信噪比的地層聲波波形參數成像。

當儀器中具有被獨立激勵或接收的傳感器單元接近甚至超過100個時，就屬于探測器的大規模陣列化。本文所涉及的聲波儀器的三維發射陣列為32單元，接收陣列為64單元并可進一步擴展，此外還包括與傳統聲波成像儀器的兼容部分，故屬于大規模陣列化儀器。由于新一代測井儀探測器元件的大規模陣列化，對系統設計提出了完全不同于以往傳統儀器的要求：①傳統的傳感器與電子系統通過短節間連線的方式已變得不可能，必須采用創新的機電一體化探測器形式；②強（發射）、弱（接收）信號通道眾多，控制復雜，電磁兼容設計的優劣關系到儀器的性能甚至研發的成敗；③高溫、高壓環境下的高密度、高可靠設計被提高到前所未有的高度。本文所涉及的聲波儀器的模擬信號處理、數據采集、控制傳輸的規模相當于典型的交叉偶極聲波儀器XMACII中1671＋1677＋1678規模的4～8倍，且這些電子系統的絕大部分要在很小的空間內與傳感器陣列緊密集成在一起。

聲波儀器系統組成方案見圖1。系統的7個模塊均密封于各自的承壓短節內，串行連接成為完整的聲波測井儀。由于采用了聲系內部與傳感器組合、高密度集成的耐高溫高壓智能化電子單元的創新設計方式，模塊間能夠采用業界通用31芯貫穿式電氣連接（只有32個接收陣子8通道采集的XMACII為實現互聯采用了特殊的67芯承壓和45芯非標準電氣接頭），發射模塊的位置可以根據需要互換，通過調整隔聲體長度能夠獲得不同源距，實現三維掃描聲波測井和超長源距的方位掃描遠探測聲波測井。

圖1 新一代聲波測井儀系統組成示意圖

2 主要功能模塊設計

2.1 三維聲波發射模塊

三維聲波發射聲系作為儀器的主發射模塊由4組8向共32個獨立換能器振子的組合圓弧陣列組成，激勵電路集成在聲系內的發射陣列附近，每組的電路結構見圖2。

圖2 儀器三維發射模塊電路示意圖

三維發射模塊電路以1片2萬門的高容量CPLD為核心完成與儀器主控系統通訊和發射控制邏輯。每組電路占用1個子模塊地址，接收主控模塊發來的模式選擇和激勵參數（脈沖寬度和延遲量），設置內部各個功能寄存器、定時器和振子陣列選擇邏輯。

發射電路采用高壓脈沖直接激勵方式，能精確控制對每個元件的激勵脈寬、延遲，還可方便地改變振動極性。該模塊能夠在多種發射模式工作。

（1）相控方位模式。以3×4組合進行周向45°和軸向偏轉的三維聲波掃描發射，這是儀器典型的發射模式（目前國內外還未見到采用同類技術實現復雜掃描測量的報道）。

（2）多極仿真模式。通過對多個換能器振子的不同選擇和極性組合實現單級、偶極和四極激勵模式，如進行四極激勵時每組的1、3、5、7號被選擇，對1、5號施加正極性高壓脈沖而3、7號為負極性。

以上所有周向激勵模式中均可進行（井）軸向相控式激勵（俗稱線控方式）使聲束有效輻射向接收陣列一側偏轉。最多時，全部32片發射振子可為1次聲波發射全部被激勵（線控仿單極模式）獲得最大聲波功率輸出。

儀器在以三維聲波發射聲系作為激勵主模塊的同時，還設計有一個常規聲波發射聲系作為輔助激勵模塊，該模塊接有自身專用的發射電子短節，能夠以線控單級、交叉偶極方式工作。通過對壓電振子和激勵電路的優化設計，可使儀器能夠在更長的源距和更寬的頻帶下工作，以獲得高質量的井筒模式波或遠距離反射波信號。

2.2 三維聲波接收模塊

三維聲波接收聲系作為系統的信號接收模塊由8組等間距的環狀換能器陣列（子模塊）組成，每組為呈45°均分的8片寬帶振子，被置于聲系內部的特殊密封艙室內[6]，電路組成見圖3。

圖3 三維聲波接收模塊分組電路示意圖

設計上，64個接收振子的任何一路均可被獨立進行放大、濾波等模擬處理和數據采集，配合不同發射模式，主要有4種組合接收模式。①與三維激勵同（周向）方位的相控合成接收，使用3片振子，中間為主振子；②單極模式，使用4片振子，同相位疊加合成一路信號；③交叉偶極模式，使用4片振子，以正交差分方式合成2路信號；④四極模式，使用4片振子，正交疊加形成1路差分信號。

8組環陣（俗稱圓弧陣）同步工作，獲得接收陣列的時域波形信號序列。儀器設計的實際數據采集能力是32路（最高48路）16bit高速全并行同步數據采集通道，通過至少4倍過采樣和數字濾波進一步提高信噪比，前端和公共放大器提供80dB量程、以6dB步進的程控放大能力，每個通道均可獨立受控。通過實時增益控制和多級有源濾波，在較大動態范圍內（理論上超過160dB）獲得最佳信噪比。

每個接收子模塊以一片百萬門規模的FPAG作為控制核心，片內固化NIOS嵌入式操作系統，多個硬乘法單元和可配置RAM能夠在模塊內實現多種波形實時處理方法和數據緩沖操作，極大地減輕主控單元的負擔和降低了儀器內互聯總線的帶寬占用率。

接收聲系內部采用上述智能化集成傳感器子模塊和貫穿式儀器內多節點高速互聯總線，根據實際需要能夠設計組合成具有更大規模接收陣列的三維聲系模塊，比如達到12或16組甚至更多。

2.3 系統主控模塊

系統主控模塊是儀器的控制中心，采用典型的嵌入式架構（見圖4）。

圖4 系統主控模塊電路示意圖

系統采用具有32bit定點和32bit浮點功能的高速DSP作為主控元件，運行ucLinux實時操作系統，完成儀器控制和本地數據處理。采用百萬門級FPGA作為膠粘控制邏輯，實現儀器系統內互聯總線主控節點的功能和井下儀器總線接口控制。儀器可通過CAN接口引擎和以太網（IEEE802.3）接口與EILog06或LEAP800地面系統相掛接實現井下儀器串的系統互聯。

儀器采用多個數字化功能子模塊（如三維發射，三維接收等）的系統組成模式，儀器內部電子系統互聯是實現研究目標的重要一環，為此設計了一種專用的儀器模塊互聯總線（Tool Module Bus，TMB）。TMB采用一主多從的總線式多點互聯方式，主控節點由儀器主控單元承擔。工作時主節點與某從節點形成一對一的連接，其余的從節點處于掛起狀態，這種主節點主動的方式能夠完全避免總線競爭從而有效地利用信道帶寬。主控節點可通過廣播方式（特殊地址）同時對所有子節點發布命令，以獲得系統內多個子模塊對激勵和采集的時間同步。TMB采用同步時鐘和數據雙差分鏈路方式，通過合理的切換實現由發送方驅動時鐘以獲得高的傳輸帶寬，實驗表明在測井溫度范圍內能夠在30m長度內實現20 Mb it／s的可靠數據傳輸。為儀器的運行功能擴展設計了專用通訊協議，每個數據幀包括同步、儀器單元尋址、命令字、狀態字、數據域和CRC校驗等。由于主節點和子節點都具有很強的邏輯功能并在嵌入式操作系統下運行，因此，能夠采用復雜的可變幀結構以實現多種測量模式和有效地利用帶寬。

3 結 論

（1）新一代聲波測井儀采用模塊化架構，能夠根據需要靈活實現不同的功能組合。

（2）通過電子系統與傳感器陣列的緊密集成化，改變了傳統的探測器與電子線路短節分離的模式（短節間連接困難，并會導致信噪比降低），實現具有復雜傳感器陣列的三維聲波發射和接收功能。

（3）由于所有的模擬信號處理和數據采集均在子模塊內完成，傳感器與低噪聲前置電路之間僅有很短的并經過良好屏蔽的連線，因此能夠獲得最佳的信噪比和降低系統連接的難度。

（4）通過貫穿整個儀器的高速數據傳輸總線（TMB）完成了各個子模塊間的有效互聯，并能夠方便地擴展規模（如采用更大規模的接收子陣列）。

[1]鞠曉東，喬文孝，李玉霞，等.多極子陣列聲波測井儀電子系統設計[J].測井技術，2008，32（1）：61-64.

[2]盧俊強，鞠曉東，喬文孝，等.方位聲波測井儀電子系統設計[J].測井技術，2011，35（3）：284－287.

[3]喬文孝，鞠曉東，車小花，等.聲波測井技術研究進展[J].測井技術，2011，35（1）：14－19.

[4]王克協，崔志文.聲波測井新理論和方法進展[J].物理，2011，40（2）：89－98.

[5]喬文孝，鞠曉東，車小花，等.從換能器技術的變化看聲波測井技術的發展[J].物理，2011，40（2）：99－106.

[6]鞠曉東，喬文孝，盧俊強.用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路：中國，CN 101691841A[P].2010－04－07.