三分量陣列感應實驗裝置研究

張妙瑜 王凱 郭寶龍 邢德鍵

摘 ?要： 針對國內沒有自主研發的三分量感應測井儀器，設計三分量陣列感應的實驗裝置。使用主控芯片TMS320F2812控制DDS集成芯片AD9833產生6 kHz和18 kHz的正弦波，經功率放大后發送至發射線圈系，接收信號經AD7606采樣，由EP4CE6E22C8和TMS320F2812共同完成數據的處理和傳輸。通過測量水平方向線圈系和垂直方向線圈系的接收信號表明，空氣中水平方向的接收電壓小于垂直方向的接收電壓，實驗結果與理論一致，可以用于三分量感應的響應特性研究，同時為實際儀器設計提供實驗基礎。

關鍵詞： 三分量; 陣列感應; 發射電路; 線圈系; 接收電路; 響應特性

中圖分類號： TN98?34; ?P631.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0137?05

Study on tri?axial array induction experimental device

ZHANG Miaoyu1， 2， WANG Kai1， GUO Baolong2， XING Dejian3

（1. School of Electronic Engineering， Xian Shiyou University， Xian 710065， China;

2. Institute of Intelligent Control and Image Engineering， Xidian University， Xian 710071， China;

3. AVIC Shaanxi Dongfang Aviation Instrument Co.， Ltd.， Hanzhong 723102， China）

Abstract： There is no tri?axial induction logging tool independently?developed in China. Therefore， an experimental device was developed for the tri?axial array induction. The sine waves of 6 kHz and 18 kHz were generated by DDS integration chip AD9833 which is controlled by the main chip TMS320F2812， and sent to transmitter coil system after power amplification. The data processing and transmissions are performed by EP4CE6E22C8 and TMS320F2812 after the received signal is sampled by AD7606. The receiving signals obtained by measuring the coil systems in horizontal direction and vertical direction show that the receiving voltage in the horizontal direction is less than that of in the vertical direction， and the experimental results are consistent with theoretical analysis. The device is suitable for the study of response characteristics of the tri?axial array induction， and provides the experimental basis for the design of the actual instrument.

Keywords： tri?axial; array induction; transmitting circuit; coil system; receiving circuit; response characteristic

0 ?引 ?言

三分量感應測井儀是針對各向異性地層的精確測量而提出的，通過測量垂直電導率和水平電導率獲取砂巖和泥巖電導率，識別地層的傾角和方位角，感應測井儀器的發展方向[1]。國外具有三分量感應測量能力的儀器主要集中在Baker Atlas和Schlumberger兩家公司，國內都是在3DEX和Rt?Scanner的基礎上研究，沒有自主研發的三分量感應測井儀器[2?3]。它的研制及相關的理論和實驗研究是目前測井行業亟待解決的重要課題。本文將設計三分量感應測井的實驗室測量裝置，通過測量水平方向線圈系和垂直方向線圈系的接收信號，分析其響應特性，為儀器設計提供實驗基礎。

1 ?三分量陣列感應測井原理

三分量陣列感應測井儀器采用單發多接收的陣列感應設計思想[4]，使用8個子陣列的結構，每組子陣列由發射線圈、接收線圈和屏蔽線圈組成，每一位置均有3個正交線圈，如圖1所示。利用陣列感應屏蔽抵消直耦的思想，發射線圈（T）與接收線圈（R）之間放置屏蔽線圈（B），屏蔽線圈的匝數要小于主接收線圈的匝數，且線圈的纏繞方向與接收線圈的纏繞方向相反[5]。

圖1 ?三分量感應子陣列線圈系結構

式中：[σa]為地層視電導率;[V]為接收線圈中的感生電動勢;[Vm]是直耦電動勢，它等于線圈系置于空氣中時發射電流在接收線圈中直接產生的電動勢;[K]稱為儀器常數，與儀器工作頻率、發射線圈和接收線圈的匝數和面積以及發射線圈與接收線圈間的距離有關。

2 ?三分量陣列感應實驗裝置設計

根據三分量陣列感應測井原理，實驗裝置由發射和接收電路以及線圈系組成，結構如圖2所示。發射電路主要由DDS模塊和功率放大電路組成。DDS模塊產生正弦波，功率放大后到達發射線圈。根據電磁感應原理，在接收線圈感應出微弱信號，經過放大濾波和ADC采樣，FPGA和DSP共同對采樣數據進行處理、傳輸并將數據發送到上位機。

2.1 ?發射電路設計

使用主控芯片TMS320F2812控制DDS集成芯片AD9833產生頻率為6 kHz和18 kHz的正弦波，作為三分量陣列感應實驗裝置的信號源[8]，如圖3所示。設計過程中考慮輸出功率大和非線性失真等問題，采用兩級放大電路。第一級是電壓放大，由帶電流源偏置的差分放大電路Q1，Q2和Q4組成。反饋由[R6]和[C1]組成，改變[R6]的值可以改變放大器的放大倍數，同時并聯電容[C1]，減少高頻阻抗，保證電路的穩定。第二級是電流放大，由Q6和Q7的互補對稱功率放大電路和兩組6個相同的大功率三極管組成的互補放大電路構成，電路如圖4所示。

圖2 ?三分量陣列感應實驗裝置結構示意圖

圖3 ?AD9833與TMS320F2812接口電路圖

2.2 ?接收電路設計

根據電磁感應原理，交變電流在井眼周圍產生交變電磁場。同時，交變電磁場在導電地層中感應出環形渦流，它所建立的二次交變電磁場在接收線圈中產生感生電動勢。此時的信號是非常微弱的，經過前置放大、濾波、A/D采集，以并行方式將數據發送給FPGA，此時DSP并口方式讀取數據，通過串行通信將數據上傳給PC機[9]，如圖5所示。

接收信號是包含強噪聲的微弱信號，采用高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲的AD8253和增益可調的AD8421組成兩級放大的高增益放大電路。為防止高頻噪聲干擾ADC采樣，設計截止頻率為60 kHz的四階巴特沃斯低通濾波器。A/D轉換電路使用ADI公司的AD7606完成，工作時序如圖6所示，實現垂直方向和水平方向并行模式數據采樣。FPGA控制AD7606的RESET引腳為高電平復位，脈沖寬度為50 ns。將CONVSTA和CONVSTB連接在一起，實現垂直和水平方向同步采樣。整個模數轉換過程以BUSY引腳為標志，當它為高電平時，進行模數轉換;低電平時轉換完成。同時，FPGA控制BUSY引腳為下降沿觸發，以便在模數轉換完成后及時讀取數據。

圖5 ?接收電路框圖

圖6 ?AD7606工作時序圖

FPGA使用Altera公司cyclone系列的EP4CE6E22C8芯片實現下述功能[10]：

1） 開辟對采集數據的緩存區域，當FIFO存滿時，以中斷的方式通知DSP讀取數據。

2） 與TMS320F2812傳輸，通知DSP讀取數據，一直循環直至采集的數據滿足要求。

圖7是DSP和FPGA數據通信的硬件連接圖。16位數據線XD[15：0]分別與FPGA的I/O口相連，片選信號[XZCS2]、讀選通信號[XRD]和寫選通信號[XWE]分別接到FPGA的I/O口;DSP引腳GPIOA0和GPIOA1與FPGA的I/O口相連作為讀寫中斷標志。

圖7 ?DSP和FPGA數據通信硬件連接圖

2.3 ?線圈系設計

三分量感應線圈系的設計是整個測量裝置的關鍵環節，它的探測性能及穩定性直接決定測量裝置的成敗。采用緊湊的軸向線圈共位纏繞的設計思想，如圖8a）所示是垂直方向線圈系的布置，水平方向由[x]方向和[y]方向組成，它們的響應相等;如圖8b）所示，發射、屏蔽和接收線圈共面放置，因此也將水平線圈系稱為共面線圈系。

圖8 ?線圈系布置

接收信號強度同時受發射線圈和接收線圈間距和匝數的影響，與線圈間距的三次方成反比，與匝數成正比。為較好地抵消接收線圈中的直耦信號，屏蔽線圈與接收線圈的匝數比約等于它們與發射線圈距離比的立方。參數如下：發射線圈為80匝、接收線圈為8匝、屏蔽線圈為5匝。發射線圈與接收線圈的間距為0.19 m，與屏蔽線圈的間距為0.16 m。水平方向線圈間距和匝數的布置與垂直方向一致。

3 ?實驗結果分析

為了測試線圈系的響應特性，考察水平測量信號與垂直測量信號的異同，設置發射信號頻率為18 kHz，幅度為1 Vpp，測量垂直方向發射線圈的電壓如圖9所示。將屏蔽線圈和接收線圈串聯，測量接收線圈電壓曲線如圖10所示。

圖9 ?垂直方向發射線圈數據曲線圖

相同參數下，考察水平線圈系的測量結果，水平發射線圈和接收線圈電壓曲線如圖11，圖12所示。

對垂直線圈系和水平線圈系電壓的峰峰值（見表1）取模求平均，計算兩種線圈系發射線圈和接收線圈電壓的峰峰值[11]。可以看出：相同實驗參數下，空氣中測量結果顯示水平方向的接收電壓小于垂直方向接收電壓，這是因為線圈系布置不同，在地層中形成不同的渦流造成的。水平線圈系的渦流在接收線圈中只有一部分穿過接收線圈。實驗所得結果與理論分析結論相吻合。

圖10 ?垂直方向接收線圈數據曲線圖

圖11 ?水平方向發射線圈數據曲線圖

圖12 ?水平方向接收線圈數據曲線圖

表1 ?不同測量方向線圈系電壓峰峰值

4 ?結 ?語

三分量陣列感應測井儀器是識別砂泥巖薄交互低電阻率油層、測量水平井和大斜度井電阻率的重要工具。本文設計了三分量陣列感應測井的實驗裝置，包括發射電路、線圈系和接收電路。實驗結果表明，空氣中水平方向接收電壓小于垂直方向接收電壓，實驗結果與理論分析一致。基于本設計，還可研究線圈系匝數、距離以及發射信號頻率等參數變化對接收信號的影響，為三分量陣列感應儀器的設計提供實驗基礎。

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