基于震電測井的信號收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

王誠至，孫向陽

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都，611731）

0 引言

在油氣資源勘測領(lǐng)域當(dāng)中, 如何在目前已有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高探測及開采的準(zhǔn)確性,一直是該領(lǐng)域研究人員關(guān)注的重點(diǎn)?；谶@種研究目標(biāo)，對于應(yīng)用震電效應(yīng)原理的震電測井技術(shù)的研究近年來愈加火熱。震電效應(yīng)是指在含有流體的孔隙介質(zhì)當(dāng)中會形成一種雙電層結(jié)構(gòu),正負(fù)離子分別吸附在固液交界面兩側(cè),當(dāng)受到外界震動作用后,正負(fù)離子會產(chǎn)生相對位移,從而輻射出電磁場,產(chǎn)生震電信號。而震電測井的目的就是通過儀器采集該信號并做相應(yīng)的信號處理,最終通過對處理后信號的波形數(shù)據(jù)做分析,從而得出所探測地層的一些參數(shù),而準(zhǔn)確的地層參數(shù)是該區(qū)域是否具有開采價值的重要判斷依據(jù)。

1 設(shè)計思路及概述

該系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)瞄準(zhǔn)石油儲層評價的震電測井技術(shù)應(yīng)用，設(shè)計最終目的是研發(fā)用于孔隙地層震電效應(yīng)激勵與震電信號輻射傳播測試的科學(xué)儀器。該系統(tǒng)的設(shè)計思路方面，因?yàn)樵搩x器工作于鉆井中，主要可以概括為發(fā)射和接收兩個部分，發(fā)射部分要求能在地層中有效激勵并傳播聲信號，接收部分要求能在不同測量距離上接收經(jīng)聲電轉(zhuǎn)換后的震電響應(yīng)信號。 基于上述設(shè)計思路，該系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該分別從發(fā)射和接收兩個方面進(jìn)行考慮，最后再整合為一個完整的系統(tǒng)。

發(fā)射部分需要考慮的問題如下：

（1）發(fā)射信號選擇：傳統(tǒng)測井儀器的激勵波形通常采用的是瞬態(tài)寬頻激勵，如重復(fù)單周期的脈沖信號，其工作主頻主要取決于壓電換能器的主頻。該波形在時域上持續(xù)時間較短，所以在空間中產(chǎn)生的電磁輻射時間相應(yīng)較短，接收端受其影響較小。但譜線之間的寬度很小，所以每個頻譜分到能量非常有限，所以往往需要功率更大的信號去激勵聲電換能器以取得更為明顯的接收信號。本系統(tǒng)在波形的選擇上希望發(fā)射信號能夠在頻譜上比較集中，同時時域持續(xù)時間不要太長。

（2）發(fā)射信號處理電路的設(shè)計：發(fā)射信號生成后需要放大到一定功率后才能用于激勵聲電換能器，放大后的信號要求需要不產(chǎn)生失真，且在放大的過程中需要盡量少的引入噪聲。

（3）壓電換能器設(shè)計：壓電換能器是震電測井儀器的核心部件之一。其激勵能量的大小一定程度上決定了探測系統(tǒng)的效率，根據(jù)理論分析，在激勵能量足夠大的情況下，壓電換能器的內(nèi)部阻抗值越小，其發(fā)射信號功率越大，有利于探測距離的增加和接收信號強(qiáng)度的增大。

接收部分需要考慮的問題如下：

（1）接收天線的選擇：通過理論分析，本系統(tǒng)主要接收并處理的震電信號強(qiáng)度非常微弱，強(qiáng)度約為μV級別，所以接收天線的設(shè)計方面，應(yīng)該考慮使得原始接收信號具有較好的信噪比。另外因?yàn)闇y井領(lǐng)域所發(fā)射和接收的信號頻率通常較低，接收天線選用電小天線。

（2）接收端放大器的設(shè)計：在地磁弱信號檢測處理過程中,接收端需要放大非常微弱頻率很低的信號,因此要求放大器具有低噪聲、高增益。

2 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

■2.1 發(fā)射信號生成電路模塊

出于以上考慮，該系統(tǒng)選用的激勵波形為正弦波調(diào)制的高斯信號，其公式如下：

其中：f為被調(diào)制的正弦波頻率，E為高斯脈沖幅度，u為高斯信號均值，σ為高斯信號的方差。

信號產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)技術(shù)為在FPGA中使用DDS IP核，通過調(diào)節(jié)頻率控制字和相位控制字，得到中心頻率為40kHz的高斯正弦信號。之后通過AD9767數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的模擬信號，其產(chǎn)生的電流信號通過AD8065芯片轉(zhuǎn)化為電壓信號，在該級電路中調(diào)節(jié)可變電阻器以實(shí)現(xiàn)不同的增益控制，其輸出信號最大峰峰值為10V。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及流壓轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

圖2 流壓轉(zhuǎn)換電路

■2.2 發(fā)射信號放大電路模塊

發(fā)射信號放大電路的功能為將發(fā)射信號生成電路產(chǎn)生的高斯正弦信號進(jìn)行功率放大，使用兩路運(yùn)放放大，分別使用低噪聲的OP37放大器芯片利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋和電壓并聯(lián)負(fù)反饋原理得到幅值相同、相位相反的兩路信號，接下來分別通過OPA549芯片進(jìn)行高壓大電流放大，即完成功率電路設(shè)計，為甲乙類功率放大。其電路主要部分的原理圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射信號放大電路

■2.3 壓電換能器模塊

壓電換能器部分的等效電路模型如圖4所示，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可知其屬于容性負(fù)載，在不同的頻率下其阻抗值不同。

圖4 壓電換能器等效電路

本系統(tǒng)所設(shè)計的換能器實(shí)物圖如圖5所示，該換能器通過內(nèi)部壓電陶瓷片并聯(lián)的方式減小了其在特定頻率下的阻抗值，根據(jù)測試可知，該換能器的中心工作頻率為40kHz，瞬時最高功率為180W。

圖5 壓電換能器實(shí)物圖

3 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

■3.1 接收天線模塊

基于設(shè)計目標(biāo)中對天線的要求，本系統(tǒng)的設(shè)計選用經(jīng)過電容調(diào)諧的磁棒天線（磁偶極子天線）作為信號接收天線，磁棒天線磁芯采用錳鋅磁棒，通過漆包線進(jìn)行繞制，其示意圖如圖6所示。由于通過調(diào)諧，該天線具有更高的Q值，對窄帶信號的接收具有較好的接收效果，其頻率特性曲線如圖7所示。而且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該天線接收信號幅值受天線距離巖石表面距離影響相對較小。

圖6 磁棒天線示意圖

圖7 自繞磁棒天線頻率特性曲線

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)主要關(guān)心斯通利波激勵的震電信號幅度，該信號的波形與激勵波形具有較高的相關(guān)性，所以磁棒天線能夠較好地適用于該系統(tǒng)。

■3.2 接收信號放大電路模塊

接收信號的放大電路主要采用放大器級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠渲惺准壏糯笃髟肼曄禂?shù)和增益對整個系統(tǒng)最為重要，所以此處主要研究前端儀表放大器電路。基于設(shè)計思路中對接收端放大器的要求，本系統(tǒng)儀表放大部分的電路原理圖如圖8所示。

圖8 儀表放大電路原理圖

電路采用TI公司低噪聲、低失真的儀表放大器芯片INA103實(shí)現(xiàn)。INA103具有低噪聲、輸入失調(diào)電壓小、輸入偏置電流小、高共模抑制比等優(yōu)良特點(diǎn)，增益通過單個電阻設(shè)置，變化范圍為1～1000，且?guī)捲谏醯皖l頻段基本不變，滿足工作頻率要求。

4 系統(tǒng)測試情況

本系統(tǒng)的測試在井筒半剖面模型實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，水槽模型的尺寸為4m×0.6m×0.6m，水槽實(shí)驗(yàn)裝置的截面圖與俯視示意圖如圖9所示。

圖9 井筒半剖面模型示意圖

該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際井筒尺寸相當(dāng)，能夠有效地模擬測井環(huán)境來驗(yàn)證測井儀器的有效性。

本系統(tǒng)驗(yàn)證主要通過改變發(fā)射壓電換能器與接收天線之間的距離，利用示波器觀察接收震電信號的變化測試了該系統(tǒng)的效果。此處選取發(fā)射壓電換能器與接收天線距離1.8m情況下的示波器觀測到的震電信號波形圖為例，如圖10所示。

圖10 震電信號波形圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)接收到的斯通利波產(chǎn)生的震電信號在0.5～3.5米內(nèi)的信號較強(qiáng)，且波形中毛刺較少，可用于下一步的信號處理。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)基于震電測井原理，設(shè)計、制作并測試了震電信號收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體上包括收發(fā)信號處理電路、壓電換能器、接收天線三個部分，通過在井筒模型中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明了震電信號用于地層參數(shù)分析的可行性，也為下一步將接收信號數(shù)字化處理分析以及“全波”震電測井儀器的研制打好了基礎(chǔ)。