一種用于高溫環境的低場核磁共振儀器主控電路

趙宏宇 張嘉偉 賽芳

【摘 要】針對低場核磁共振地層孔隙度測量方法在石油資源評估中的日益廣泛應用，設計一種最高工作溫度可達200度的低場核磁共振儀器主控電路，具有微弱回波信號檢測處理、脈沖序列發生、井下數據通訊功能。該電路解決了低場核磁共振測井儀器中主控電路在高溫下連續工作的熱可靠問題。

【關鍵詞】核磁共振;高溫主控電路;回波采集;序列發生器

中圖分類號： O482.532;O511文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0028-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.009

0 引言

核磁共振測井技術作為一種有效的石油探測方法[1-2]，在石油資源評估中的應用日益廣泛，隨著近年來我國東海、南海等高溫超高溫海上油氣資源的不斷開發[3-4]，高溫核磁共振測井儀器研制也由此在我國油氣探測領域被重點關注[5]。設計一種最高工作溫度可達200度的低場核磁共振儀器主控電路，具有微弱回波信號檢測處理、脈沖序列發生、井下數據通訊功能。該電路采用系統級封裝SiP技術解決主控電路在高溫下連續工作的熱可靠問題。

1 主控電路硬件設計

1.1 整體結構設計

低場核磁共振儀器主控電路的硬件電路如圖1所示。主要由耦合變壓器、系統級封裝SiP（System in Package）器件、多芯片模塊MCM（Multi Chip Moudle）器件、輔助參數調理模塊和電源等組成。

低場核磁共振儀器主控電路有通訊功能和控制回波采集功能，由于測井環境惡劣，測井儀器尺寸限制了主控電路的長度，以及單板承重限制，為了確保主控電路穩定工作，將其分成兩塊電路進行實現。

1.2 電路熱設計

近年來，200℃的高溫井不斷的增加，測井儀器不可避免的面臨著高溫環境帶來的考驗，然而200℃溫度環境的集成電路器件卻很少，尤其是缺少高速數據采集相關的器件。系統級封裝SiP是將多個具有不同功能的集成電路晶圓與無源元件組裝成為可以提供多種功能的一個子系統[6]。SiP中元件的互連線距離縮短，可降低寄生阻抗，提升傳輸速度，降低功耗，故高溫下的電氣性能得到改善[7];SiP所用的金屬屏蔽和內部惰性氣體起到保護關鍵信號走線的作用，免受外界電磁干擾和高溫環境產生的腐蝕性氣體影響，高溫可靠性得到提高[8];SiP采用高導熱率材料作為外殼[9]，以及晶圓通過基板與封裝之間良好的熱接觸，可將封裝內子系統工作時散發的熱量充分釋放到環境中，故可以顯著降低內部集成電路晶圓與環境溫度之間的溫差，提高SiP內集成電路的最高可允許工作的環境溫度。因此，SiP很好的提高電子系統溫度等級。與SiP類似，多芯片模塊封裝MCM采用同樣的封裝設計提高了系統的溫度等級。圖1中主控電路中共有兩個系統級封裝模塊SiP_1和SiP_2，其中SiP_2由DSP、FPGA、ADC及存儲器等外圍器件組成，具有模擬信號數據采集、數字信號處理、串行通訊、多路數字輸入檢測和輸出控制等功能。與SiP_2相比，由于不需要需采集回波，SiP_1內部沒有ADC，具有串行數據通訊、數據存儲和通訊信號編解碼等功能。系統級封裝SiP內部DSP（TMS320F2812）與FPGA（A3P1000）晶圓均為廠家定制高溫晶圓，其它芯片晶圓均為西安微電子公司提供高溫器件。多芯片封裝MCM由差分轉單端、模擬開關ADG201、八階有源帶通濾波器和單端轉差分AD8138構成。具有采集回波和激勵波切換、信號濾波和增益標定等功能。與SiP類似，MCM內部芯片同樣采用耐高溫的晶圓，芯片晶圓均為西安微電子公司提供。

在環境溫度為200℃情況下，為了驗證SiP器件組成的主控電路的性能，采用COMSOL5.1軟件分別對通訊功能模塊和控制回波采集功能模塊進行有限元熱仿真。在環境溫度200℃下，對高溫核磁測井儀主控電路進行熱仿真，溫度達到熱平衡后，控制回波采集功能模塊的芯片晶圓最高溫度達210℃，通訊功能模塊的芯片晶圓最高溫度達220℃，與環境溫度分別相差10℃和20℃，熱仿真結果如圖2。同常規磁共振測井儀器EMRT仿真結果相比[10]，系統級封裝SiP很好的提高了系統的耐溫等級。

2 主控電路軟件設計

2.1 脈沖序列發生器設計

核磁共振現象需要在合適的射頻RF信號作用下才能有效的被激發以及被觀測。在核磁共振測井儀器中，測井的效果很大程度上取決于脈沖序列信號的控制精度與穩定性[13]。然而現有的脈沖序列發生器并不能直接工作于高溫200℃環境下，這是受到電子器件溫度性能的限制。采用系統級封裝SiP技術，設計了一種能夠很好的工作在200℃下的高溫脈沖序列發生器。

脈沖序列發生器程序流程如圖3所示，由DSP配合FPGA來實現通用脈沖序列發生器。DSP下發的定時參數利用RAM來實現存儲，定時器根據從RAM中讀取的定時參數開始計數，產生分段計時結束的標志，從而觸發模式狀態機進入下一個定時階段。脈沖循環控制模塊根據控制字寄存器和模式狀態機反饋的脈沖進行邏輯判斷，產生模式狀態機的狀態轉移條件。相位控制器對來自DDS時鐘進行分頻和循環計數并作為相位標志，為射頻脈沖的發射提供不同相位時鐘參考。序列發生器則負責將脈沖發射的電平信號，調制成符合頻率、脈寬、相位要求的射頻脈沖。最后將該特定的射頻能量發射給天線，天線在射頻場與靜磁場的共同作用下產生核磁共振現象。

2.2 數據通訊設計

測井儀器內部的通信方式有兩種，一種是1553b總線通信，一種是多通道緩沖McBsp總線通信。1553b總線是上位機與測井儀之間的通訊方式，是一種半雙工異步通訊總線，總線信號為曼徹斯特Manchester II型信號編碼。T_Bus接口電路主要是用來實現總線信號收/發以及總線設備供電兩大功能。通訊功能模塊與控制回波采集功能模塊之間的數據交互是通過兩者之間DSP的多通道緩沖串口模塊McBsp實現，F2812系列的DSP中的McBsp模塊不僅具有普通端口的作用，同時還在支持多通道發送和接收，從而實現兩臺設備之間的全雙工通訊。

測井儀器典型工作流程如圖4所示，上位機通過1553b總線下發數據或命令，主控電路經過FPGA解碼模塊解碼，通過McBsp下發給控制回波采集模塊，數據采集處理完成之后，上位機下發上傳數據命令，回波數據經過FPGA編碼模塊編碼，通過1553b總線上傳給上位機，上位機在進行下一步的算法處理。

3 儀器高溫測試

目前，該高溫核磁共振測井儀器已經成功在南海某高溫井完成作業測試，圖5為其反映作業測井質量的解釋成果圖之一，從第1道至第5道依次為測井深度、測井溫度TEMP、回波擬合CHI值、振鈴RING以及地層回波標準T2譜。由圖5可知，測井深度為x660m～x700m范圍內，測井溫度約為170℃屬于高溫井范圍，其質量控制參數回波擬合CHI值均在2附近（國外同類儀器要求CHI小于3即可）和振鈴均在4以內（國外同類儀器要求振鈴小于50即可），該高溫核磁儀器在此高溫井中質量監控參數均在容限范圍內，且反映本口井作業性能優良。地層回波標準T2譜在泥巖、砂泥巖及純砂巖地層中形態符合相應的地質特性。

4 總結

本文針對常規核磁共振儀器主控電路不能滿足高溫測井要求的問題，設計一種最高工作溫度可達200度的低場核磁共振儀器主控電路，從微弱回波信號檢測處理、脈沖序列發生和井下數據通訊三方面進行主要介紹。熱仿真、高溫測試實驗以及儀器測井實驗表明，該電路很好解決了低場核磁共振測井儀器中主控電路在高溫下連續工作的熱可靠問題，同時也為其它高溫測井儀器的電子電路設計提供了有益的參考。

【參考文獻】

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[3]曾義金，劉建立.深井超深井鉆井技術現狀和發展趨勢. 石油鉆探技術，2005，33（5）：1-5.

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[5]臧德福，王樹松與郭紅旗，高溫測井儀器研制[J].石油儀器，2010-02：1-5.

[6]胡楊，蔡堅，曹立強，等.系統級封裝（SiP）技術研究現狀與發展趨勢[J].電子工業專用設備，2012，41（11）：1-6.