聲波測井模擬電路老化及檢測系統研制

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(1.中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249；2.中國石油大學 地球物理與信息工程學院，北京 102249； 3.中國石油集團測井有限公司西南分公司，重慶 400021； 4.中國石油測井有限公司天津分公司，天津 300280)

0 引言

近年來，復雜地質條件的勘探開發促使聲波測井，測井技術也得到了快速發展，從基于單極的雙發雙收測井儀，到基于偶極子的多極子陣列聲波測井儀，直到現今的正在研制的陣列化的方位聲波測井及三維聲波測井儀[1-3]。從測井儀器發展歷程可以看出，其發展顯著特征是聲波測井儀器的探測器逐漸趨于陣列化。陣列化的傳感器結構可以獲取豐富的地層信息，使井周地質構造的精細描述成為可能。但是陣列化的傳感器結構也帶了電子系統的陣列化[4-5]，特別是處理聲波接收傳感器輸出信號的模擬電路規模大幅增加。偶極陣列聲波測井有8個接收站，每個站合成后輸出一路模擬信號。三維聲波測井儀有8～13個站組成，每個站有8路模擬信號輸出，總模擬信號通道數達到64～104個。由于電路規模大幅增加，電子系統已無法與聲系分節放置，聲波測井儀模擬電路安裝于接收聲系內部的承壓倉內[6]。高溫惡劣工作環境、陣列化的傳感器、陣列化的電子系統及復雜的安裝結構使陣列化聲波測井儀聲系的故障維護工作變得十分復雜和艱巨。

電子元件的故障概率曲線為浴盆型，早期失效概率遠遠大于中間使用階段的失效概率[7-9]。聲波測井儀器工作在井下高溫惡劣環境中，早期失效概率更高，且電路系統的故障種類也更加繁多。在實踐中發現，聲波測井模擬電路有些復雜故障與溫度密切相關，只有經過一定時間的老化，在一定的溫度下才能顯現，因此，只有在老化過程中在線監測，才能保證老化效果的可靠性。

為解決上述問題，需要研制一套檢測系統實現對陣列化聲波測井儀器聲系內部模擬電路的老化和在線檢測工作，以保證測井儀器的可靠性，降低維護成本。

1 系統總體設計

聲波模擬電路的老化及檢測策略是：檢測系統控制聲波模擬電路在工作狀態下經過兩個周期的高低溫循環(從室溫按照一定升溫梯度加溫到最高溫度，在此溫度下老化一定時間，而后按一定降溫梯度降溫到室溫，之后再按照一定加溫梯度加溫到最高溫度，在此溫度下老化一定時間后，按一定降溫梯度降溫到室溫)；在老化過程，檢測系統給模擬電路提供掃頻信號，并采集模擬電路的輸出信號，并根據輸出信號計算和分析電路的工作狀態；檢測系統給聲波模擬電路供電，并記錄供電電壓和電流，為狀態分析提供依據。

聲波測井儀模擬電路老化及檢測系統是以基于LabVIEW開發的控制軟件為中心，以集信號產生卡、多個數據采集卡于一體的PXI系統為硬件平臺[10-12]，配以少量的專用硬件來實現的。檢測系統總體結構如圖1所示。整個系統包括PXI系統、信號衰減電路、輔助控制電路和溫控箱。PXI系統包括一個PXI控制器、一個基于PXI總線的低速8通道高精度數據采集卡、一個基于PXI總線的高速8通道高精度數據采集卡和一個基于PXI總線的高精度信號產生卡。PXI控制器為集成CPU、內存、硬盤、PXI總線、以太網、USB和其他IO等為一體的嵌入式控制器，該控制器運行Windows操作系統。PXI控制器插槽數據通訊速度可達2 GB/s，PXI控制器為擴展板卡提供多條共享時鐘和同步觸發信號，可以靈活實現多擴展卡的同步工作。低速8通道高精度數據采集卡用于待測模擬板供電電壓和電流的采集，高速8通道高精度數據采集卡用于待測模擬電路輸出信號的采集。高精度信號產生卡用于產生待測模擬電路的輸入信號。

待測模擬電路置于溫控箱內，溫控箱的控制器通過RS485總線與輔助控制電路相連。信號衰減電路用于濾波和程控衰減待測電路輸入信號。輔助控制電路用于PXI控制器與溫控箱的溫控器通訊的總線轉換、待測模擬電路輸入信號衰減控制、待測模擬電路供電控制和模擬電路供電電壓及電流信號的調理。

圖1 檢測系統總體結構圖

2 硬件設計

檢測系統的硬件包括兩部分，一是PXI系統，該部分由模塊化板卡組成；二是與待測模擬電路密切相關的專用輔助電路，該部分需要單獨設計。該部分電路包括信號衰減電路和輔助控制電路。

信號產生卡與數字系統緊密相連，輸出信號的本底噪聲幅度較大，直接用于聲波模擬電路高增益檢測時會造成模擬電路飽和失真。因此，需要對信號產生卡輸出信號進行濾波并衰減。信號衰減電路結構圖如圖2所示。其主要有帶通濾波器、程控衰減器、驅動器和鋰電池組構成。帶通濾波器為4階，其上下截止頻率分別為80 kHz和100 Hz，帶寬遠大于待測電聲波模擬電路帶寬。程控衰減器由精密電路網絡和模擬開關組成。衰減電路分為四檔，4個電阻阻值分別為19.8 kΩ、19.8 kΩ、10 kΩ和100 Ω。電阻網絡帶負載能力弱，為驅動多個待測聲波模擬通道，電阻網絡輸出信號經過驅動器后輸出。為保證輸出信號信噪比，衰減電路由鋰電池組供電，并選用低噪聲運算放大器。

圖2 信號衰減電路結構圖

輔助控制電路功能是為待測模擬電路供電并提供增益控制信號、為衰減電路提供衰減控制信號和PXI控制器與溫控器通訊。輔助控制電路結構圖如圖3所示。其主要由USB控制器、RS485驅動器、模擬電源、檢流電路、微控制器、繼電器和光隔離器等組成。USB控制器采用FT2232芯片，它可以將USB接口轉換為兩串行接口，其中一個串口經光隔離后與RS485驅動器相連，將雙工的串口通訊轉換為抗噪性能優良的半雙工RS485模式，用于PXI控制器與溫控箱的溫控器通訊；另一個串口用與微控制器通訊。FT2232在PXI系統中虛擬為兩個串口。微控制器采用C8051F020芯片，其根據PXI控制器下發的控制命令控制繼電器的通斷，實現待測電路供電控制。微控制器并實現衰減電路衰減控制、待測電路增益控制。為降低電源噪聲對待測電路測量的影響，為待測電路專門設計了模擬電源，該模擬電源輸出電壓噪聲峰峰值不超過60 μV。檢流電路通過精密檢流電阻和差分放大器將電流信號轉換為電壓信號。為降低數字系統噪聲對模擬電路的干擾，微控制器對待測電路的增益控制信號和對衰減電路的衰減控制信號均經過光隔離。

圖3 輔助控制電路結構圖

3 軟件設計

老化及檢測系統軟件是基于LabVIEW構建。從功能角度劃分，檢測系統軟件主要由溫度控制、供電控制、采集控制、信號產生控制、數據處理、文件存儲和顯示等功能模塊組成，其功能結構框圖如圖4所示。檢測系統軟件通過基于USB總線的虛擬串口控制溫控箱的溫度及待測電路的供電，通過PXI總線控制各板卡，產生測量激勵信號、采集待測電路輸出信號及供電電壓和電流信號，并根據采集數據實時計算待測電路的幅頻曲線和失真度以及供電電壓和電流，從而形成全自動化的老化和在線檢測的軟件。

圖4 系統軟件結構圖

檢測系統軟件在具體實現上主要由3個線程組成，分別是溫度控制線程、檢測線程和供電控制線程，如圖5所示。溫度控制線程是根據老化策略的要求設置加溫曲線，而后通過虛擬串口控制溫控箱按設定溫度曲線運行。溫度控制是分段實現，溫度控制線程將整個加溫過程分為多個不同溫度段，通過虛擬串口設置每段的目標溫度和溫度梯度，恒溫箱的溫控器自動調整PID控制參數，實現既定斜率的升降溫。供電控制線程是通過虛擬串口控制待測模擬電路的供電，并控制低速采集卡采集待測電路的供電電壓信號和供電電流信號，當電流過大后，切斷待測電路供電，并停止檢測。檢測程序啟動后，供電控制線程通過虛擬串口向微控制器發送供電命令，微控制器接到命令后控制供電繼電器閉合，給待測電路供電，而后供電控制線程控制低速采集卡采集待測電路的供電電壓和供電電流信號，并計算供電電壓和供電電流，若供電電流正常，則繼續下一個電壓電流采集和計算循環，若電流值超過所設定警戒值，則下發停止供電命令給微控制器，微控制器控制繼電器斷開，從而切斷待測電路供電。供電控制線程在這3個線程中擁有最高的優先級。

圖5 軟件控制流程圖

檢測線程是核心線程，其工作流程如下：1)通過基于USB總線的虛擬串口設置衰減電路的衰減量和待測電路的增益；2)設定信號產生卡產生信號的頻率和幅度及同步控制方式，設定高速數據采集卡的采樣頻率和采樣深度及同步控制方式。通過這些設置使信號產生卡和高速數據采集卡共享PXI母板的時鐘線和同步線；3)通過PXI總線下發同步觸發信號給信號產生卡和數據采集卡，二者同步工作，分別產生既定幅度和頻率的正弦信號和并行采集待測電路輸出波形；4)計算待測電路輸出信號的幅值和失真率，而后根據信號衰減電路的幅頻參數和增益參數校正測量結果，并存儲和顯示。重復1)～4)即可測得待測電路在各個增益下的幅頻曲線和失真度。

待測電路輸出信號的幅值和失真度反映待測模擬電路狀態的關鍵參數，二者都可以通過由基于擬合和FFT分析的方法計算[13-15]。但是擬合法容易陷入局部極值，而導致較大偏差。FFT分析法要求采樣序列為2的指數次方，且為降低柵欄效應引起的誤差，需要較長的采集序列。而老化過程持續時間長，且每個溫度點要測多個增益和多個頻率點，長采集序列會造成檢測記錄文件會過大。為克服上述問題，本設計采用數字相敏檢波算法提取信號的幅度和相位，而后用求得的幅度和相位重構一個正弦信號序列，通過測量信號與重構的正弦序列計算失真度。

根據數字相敏檢波原理[16-17]，可根據公式(1)和(2)求得信號的實部I和虛部Q：

(1)

(2)

公式(1)和(2)中，A為信號幅度，φ為信號的相位，N為計算序列長度，d(n)為計算序列的第n個數據，ΔT為采樣間隔。

通過公式(1)和(2)可以計算出待測信號在給定頻率的幅度和相位，則失真度由式(3)計算。

(3)

本文所采用的幅度和失真度計算方法所需采集數據量小，計算量小，在信號幅度和失真計算過程中關鍵是相敏檢波算法。數字相敏檢波算法源于傅立葉變換，為保證相敏檢波算法的計算精度，要求采樣序列包含整數個信號周期。本設計中，設置信號產生卡和數據采集卡共享PXI插槽的同一時鐘，采樣頻率嚴格設置為信號頻率的50倍，且采樣長度是50的整數倍，以保證幅值和失真度求取的準確。

4 實驗結果與分析

根據高速采集卡采集數據計算所得的待測電路幅頻響應曲線包含了衰減電路的影響，雖然衰減電路中濾波器的帶寬遠大于待測電路的帶寬，但是其對待測電路幅頻響應測量的影響仍不能忽視。為校正濾波器的影響，采用HP4192A的相對幅度測量功能測量了信號衰減電路中濾波器的幅頻響應。測量結果如圖6所示，由于HP4192A相對幅度測量功能的最低頻率為100 Hz，所以，衰減電路的幅頻曲線也從100 Hz開始。可以看出衰減電路的濾波器上下截止頻率為79 kHz和105 Hz，與所設計的上下截頻率接近，符合設計要求。從圖中可以看出，濾波器在頻帶內平坦度良好。該數據作為校正參數，用于校正衰減電路濾波器的幅頻響應對測量結果的影響。

圖6 采集波形和幅頻曲線

信號衰減電路中的衰減電阻為千分之一的金屬膜電阻，為提高衰減精度，實際焊接電阻為從千分之一電阻中篩選而來。雖然衰減電阻經過了篩選，但是實際衰減值與理論值仍然存在一定的誤差。為提高測量精度，采用KEITHLEY2002測量了不同衰減檔時的輸出電壓值和輸入電壓值，二者相除得到不同衰減檔下的衰減值，如表1所示。從表中可以看出，經過篩選的電阻組成的衰減電路的衰減值與理論值誤差很小，最大相對誤差為6.24e-4%，保證了檢測系統的測量精度。

表1 衰減電路衰減表

通過對衰減電路帶寬和各衰減檔衰減量的測量，建立了測量系統的校正參數，實現了待測電路幅頻特性的高精度測量。所研制聲波模擬電路老化及檢測系統已完成兩支三維聲波測井儀模擬電路的全自動老化及在線檢測。三維聲波測井儀模擬電路的老化及檢測是以一個接收站的8個模擬通道為單位，老化和檢測過程中三維聲波測井儀的模擬電路置于溫控箱內，其它電路均置于溫控箱外，輸入信號和輸出信號均通過耐高溫同軸電纜連接，正負供電通過雙絞屏蔽線引入。老化及檢測過程為兩個低高溫循環，具體過程如下：1)檢測系統軟件下發供電命令，給待測電路供電；2)控制恒溫箱以2.5℃/min的升溫速度加溫到最高老化溫度175℃(地溫梯度平均為3℃/100 m，測井施工中測井儀器最高下放速度一般不超過4 500 m/h，則儀器的溫升速度為2.25℃/min，檢測中，為提高老化強度將升溫梯度提高10%，則約為2.5℃/min)；3)在175℃下，待測電路工作4小時，檢測系統連續檢測待測電路工作狀態，并記錄檢測數據；4)控制恒溫箱以1.25℃/min的降溫速度降溫到35℃；5)在35℃下工作0.5小時；6)重復步驟(2)～(5)；7)停止供電，并生成檢測異常報告。

圖7為方位聲波測井儀器一個接收站的8個通道模擬電路在175℃時的波形圖和幅頻曲線。上圖為當前采集的波形，下圖為根據掃頻數據計算和校正后得到的幅頻曲線，頻率范圍為200 Hz～40 kHz，步進200 Hz，可以看到這8個通道的聲波模擬處理電路工作正常，且一致性良好。

圖7 采集波形和幅頻曲線

模擬電路經過該檢測系統檢測后的兩支三維聲波測井儀已經在華北油田和長慶油田順利完成多口井的現場測試，記錄的最高井底溫度為168℃，兩支儀器的模擬電路部分均未出現異常。

5 結束語

聲波模擬電路老化及檢測系統的硬件系統以PXI系統為硬件平臺，擴展相關的輔助專用硬件實現。系統控制軟件以LabVIEW為中心，開發了控制及數據處理軟件，實現了聲波測井模擬電路的全自動老化和在線檢測。在數據處理過程中以數字相敏檢波算法代替擬合算法來計算失真度，降低了采樣長度，簡化了計算復雜度，提高了計算的準確性。

借助于虛擬儀器的軟件硬件平臺，結合相關輔助專業硬件，使所開發系統具有良好的穩定性和可擴展性。通過實測證明了系統工作的穩定性，極大提高了陣列化聲波測井儀器模擬電路老化和檢測的效率，為新型高端聲波測井儀器和現行聲波測井儀器的可靠性提供了保障。