基于震電測井系統(tǒng)的接收電路研究

唐智愷，孫向陽

（電子科技大學電子科學與工程學院, 四川成都, 611731）

0 引言

隨著社會經濟的發(fā)展，雖然人們開始注重新能源的開發(fā)和利用，但是石油這種老牌資源依舊在工業(yè)發(fā)展等方面占有很大的比重，石油資源已經是我國最重要的戰(zhàn)略資源之一，石油資源的探測技術研發(fā)和相應的探測儀器研制能力是國家工業(yè)實力的重要指標。因此，新型勘探儀器的研制對于油田的尋找、石油的開發(fā)是實用且急切的，對于石油資源勘探技術和勘探儀器的研究對當今社會資源的開發(fā)和利用有重大意義。震電測井具有聲波測井的優(yōu)點，又不同于聲波測井，它不會產生鉆鋌波，因此也隔絕了鉆鋌波的干擾，能快速準確地獲取地層參數(shù)，震電測井在未來的油氣勘探領域將有重要地位[1]。本文的震電測井系統(tǒng)包含發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射終端換能器的諧振頻率為23.4kHz，接收電路也是基于這個頻率設計，由于采集的信號非常微弱，所以需要信號采集板是對信號進行各種處理，通信板控制信號采集板的數(shù)據(jù)上傳，在上位機中進行數(shù)據(jù)的分析處理。

1 震電原理

震電效應是地下介質中機械波和電磁波的能量耦合與轉換，它主要存在含流體的孔隙介質中存在固液分界面[2]。初始態(tài)時，固體表面存在負離子，液體表面存在正離子。當有聲場擾動時，雙電層會產生同步振動，從而激發(fā)時變電磁場。震電信號不受聲波極強的背景干擾，既能反映地層聲速等參數(shù)，又能度量孔隙度、滲透率、礦化度等地層物性參數(shù)。劉瑞文老師對24塊砂巖進行了篩選測試[3]，將其加工成巖樣，使用真空泵抽空并進行干燥處理。把砂巖分成3組，分別用空氣、水和原油使得巖樣飽和，在同等環(huán)境下進行測試，得到波速和孔隙度表達式。

表1 不同飽和巖樣的波速對比

波速見表1所示，其中波速單位為km/s，a為孔隙度，單位為%。孔隙介質中不同的飽和物質會影響聲波在其中的傳播速度，因此可以根據(jù)聲波波速反向推導出地層信息。一般來說，震電能量的轉換效率為10-5量級，而對于含有流體的孔隙介質，某些情況能達到10-3量級[4]，同時在含流體的多孔隙介質中，流動電勢效應[5]產生的震電信號比較強，便于接收，因此本文主要是基于含流體的多孔隙介質中的流動電勢效應。

測井系統(tǒng)如圖1所示，對地層中流體孔隙介質激勵聲波信號時，該信號沿井壁傳輸，此時用天線直線陣緊貼井壁接收，就能接收到震電效應產生的微弱電磁波，而等間距天線直線陣是在不同時刻采集到震電信號。通過相關算法可以得到波速圖，從而推斷地層參數(shù)。在該模型中信號主要有三種傳播方式：第一是通過液體進行傳播，這種傳播方式的特點是速度較慢；第二種是在固液交界面進行傳播，稱這種信號為斯通利波，特點是速度緩和，且在相同激勵條件下，觀察到的幅度較明顯；第三種是通過固體傳播，也就是在井壁中傳播，特點是速度最快。

圖1 測井系統(tǒng)模型圖

2 電路設計

接收到的震電信號非常微弱，容易淹沒在噪聲中，因此對接收電路提出了要求。首先是電路板上的元器件，尤其是芯片，要選用低噪聲器件，同時對于噪聲的消除方面，分別考慮帶內噪聲和帶外噪聲。帶外噪聲的抑制可以通過濾波器這樣的模擬器件實現(xiàn)，而帶內噪聲的抑制就需要借助算法等來實現(xiàn)。接收電路結構如圖2所示。

圖2 接收電路框圖

考慮到接收天線的設計有如下限制：（1） 震電信號和換能器激勵的聲波信號是同頻的，在幾kHz到幾十kHz，都是極低頻； （2）井下勘探限制了天線的立體結構。所以最終采用平面螺旋天線的形式。

第一級放大器為儀表放大器，它高精度差分電壓放大器[6]，在高增益的情況下噪聲小，因此把儀表放大器作為前置放大器，并設置高增益，以降低噪聲。儀表放大電路如圖3所示，選擇芯片AD8429，該芯片的輸入輸出電壓噪聲密度低，最高只有幾十nV，并且共模抑制比和電源噪聲抑制比高，對噪聲的抑制性能好，同時該芯片的增益設置簡單，利用單個電阻可控制增益。對應的增益公式見式1，設置RG=6Ω，則增益為1001倍。

濾波器可以分為有源濾波器和無源濾波器，其中無源濾波器僅由電感、電阻和電容來實現(xiàn)，相對于有源濾波器來說不夠穩(wěn)定，同時噪聲也大，因此選擇有源濾波器。有源濾波器的芯片選擇ADA4084-4，它的單位增益穩(wěn)定，噪聲小，功耗低，并且該芯片為四通道，可以用一塊芯片設計一個八階濾波器，節(jié)省了PCB板的空間資源。電路為八階壓控電壓源帶通濾波電路，由四階低通濾波電路和四階高通濾波電路組成。此帶通濾波器在電路板上共有兩個，分別接在第一級放大電路和第二級放大電路后面，通帶為15kHz-35kHz，用于濾除帶外噪聲。低通和高通濾波器結構如圖4所示。

第二級和第三級放大電路為同向放大電路，如圖5所示，芯片選擇AD8672，它電壓噪聲密度低，增益帶寬積滿足設計要求。設置增益為20dB，主要對信號進行再次放大，并對濾波器產生的信號衰減進行補償。三級放大電路的設計不僅將當前實驗中微弱的震電信號進行放大，也方便后續(xù)實驗中增益的調整。

圖3 AD8429儀表放大電路

圖4 濾波器結構圖

圖5 同向放大電路

模數(shù)轉換部分的芯片選擇是AD7980，其轉換速率高，位寬為16位，電壓分辨率見式(2)。FPGA選型為Xilinx公司的spartan3E系列的XC3S250E-4VQ100C，PROM為同一公司的XCF02SVOG20C芯片。

由于AD7980是單極性的，即輸入部分只能是非負信號，而經過放大濾波后的震電信號是雙極性的，因此在模數(shù)轉換電路前面還需要添加一個電壓調理電路，將雙極性的信號變成單極性信號，該電路為減法電路，電路圖如圖6所示。

3 實驗室測試

測試環(huán)境如圖7所示，將壓電陶瓷換能器和天金屬骨架放在U型石槽中，骨架下方是天線陣列，天線陣列緊貼油石放置。天線和骨架接口處做好密封防水措施，骨架內包含接收電路和導線，導線通過防水接頭引出并與上位機相連。當開啟發(fā)射系統(tǒng)時，發(fā)射系統(tǒng)激勵換能器產生聲波信號，聲波信號與震電信號同頻，同時發(fā)射系統(tǒng)會產生同步信號，該信號傳輸?shù)酵ㄐ虐迳希淖饔檬峭ㄖ邮针娐烽_始對模數(shù)轉換后的震電信號進行采集并準備傳輸，此時通信板開始工作，負責選擇不同的信號采集板開始數(shù)據(jù)上傳。

圖7 測試環(huán)境圖

4 實驗測試結果

震電信號的原始波形如圖8所示，可以看到直耦信號幾乎是是同時到達的，而隨著換能器與對應通路的天線距離逐漸變遠，震電信號與直耦信號的距離也在逐漸變遠。

圖8 震電信號原始波形

將測得的數(shù)據(jù)保存到上位機中，并進行速度時間相關算法的處理，得到如圖9所示結果。橫軸表示的是時間，縱軸表示信號速度，顏色越深表示速度和時間的相關性越大。聲波在傳輸過程中有縱波、橫波以及斯通利波，其中縱波最快，斯通利波幅度最大。圖中縱波波速為3700m/s，橫波波速為3100m/s，斯通利波波速為1500m/s，根據(jù)第一個天線到換能器的距離進行計算，測試結果滿足預期設計。

圖9 速度時間相關算法圖

5 結語

本文通過研究震電效應理論，設計了基于震電測井的接收電路，并通過該電路完成了對震電效應的驗證，為后續(xù)儀器的制作提供了思路。該電路也存在不足：一方面是信號在傳輸過程中不可避免會帶有噪聲，提高信噪比是需要解決的問題；另一方面，該電路只能將原始模擬信號轉換成數(shù)字信號傳到上位機中，由上位機進行處理。因此，最好在電路板上完成對數(shù)字信號的處理，設計出的儀器才更加方便。