井孔三分量時間域電磁探測自適應恒壓鉗位發射技術

趙子楊 ，劉麗華 ，柯振 ，晏使楚 ，劉小軍 ，肖占山

(1. 中國科學院 空天信息創新研究院，北京，100094；2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京，100049；3. 中國科學院 電磁輻射與探測技術重點實驗室，北京，100190；4. 中國石油集團測井有限公司 測井技術研究院，北京，102206)

能源資源安全是國家安全的重要一環，面對新時代復雜形勢下的國際能源供應局面，大力發展立足國內的能源資源勘探以實現能源自給，對于經濟發展與國防安全具有重要的意義。地球物理探測技術是能源資源勘探最主要的方法之一，電磁法測井技術作為地球物理探測的重要方法，近年來得到了廣泛的應用發展。國外對于井孔電磁法探測的應用研究開展較早，經過數十年的發展，Schlumberger、Baker Atlas、Halliburton 等公司在頻率域電磁測井的商用領域處于世界領先水平，其DeepVISION、DeepTrak、EarthStar 等系列產品通過多分量發射接收組合，可在一定頻率范圍內實現固定頻點的較遠距離空間探測[1-2]。國內業界在陸續引進部分頻率域電磁測井儀器的同時，也在進行自主產權設備的技術攻關。此類設備產品受限于頻率域電磁法原理，為實現遠距離探測，隨著探測距離增加，儀器結構長度越來越大，甚至達到30 m 以上，給儀器制造、現場應用、服務成本控制及數據解釋等帶來諸多不便[3]。

井孔時間域電磁法具備探測距離遠、空間環境適應性強及儀器制造成本低等優良特性，被認為是未來井下電磁探測的重要發展方向之一。目前，國內外對于井孔時間域電磁探測的研究較為匱乏，國內井下時間域電磁法的工程應用均聚焦于地-井探測，主要包括中煤科工集團研制的YCS系列、中國地質大學(武漢)研制的CUGTEM 系列等設備，此類設備的設計原理與結構特性使其只能滿足中淺部的礦井探測[4]，而井孔地下空間時間域探測的相關研究目前處于起步階段，需要開展更深入的研究與技術攻關。

電磁脈沖發射機是時間域電磁探測工程的核心部分，直接影響時間域電磁探測性能與效果。井孔空間遠探測要求發射系統通過較小的設備尺寸實現較大功率電流脈沖發射，其關鍵設計難點在于如何在設備小型化的基礎上實現大功率時間域電磁信號激發、強感性負載條件下發射電流脈沖下降沿快速高線性度關斷、多分量發射負載切換及復雜環境需求下的相應動態優化等。

在時間域電磁探測發射系統中，目前普遍采用有源或無源的恒定電壓鉗位方法，對電流脈沖下降沿進行整形優化。有源鉗位電路由于需要額外的獨立電源，要求足額的功率輸入與充足的器件空間以容納整套鉗位電路，故多用于對空間要求不敏感的大功率電磁脈沖發射機。普遍用于小尺寸發射機的無源恒壓鉗位技術通過固定的無源器件實現恒定鉗位電壓，對發射電流脈沖下降沿進行鉗位整形優化。這兩種鉗位方法[5-7]雖已成熟，但由于鉗位電壓固定，發射電流脈沖下降沿速率無法改變。

本文作者通過對井孔空間遠探測技術難點的深入研究，提出一種無源自適應恒壓鉗位技術，設計并研制完成基于該技術的三分量時間域電磁發射系統。為驗證發射系統技術指標及性能，完成發射系統室內測試與測井儀器集成調試，并進行測井設備的系統集成與聯合測試。該發射系統可針對不同發射負載、不同探測目標、不同工作環境，實現長時間工況與負載環境變化下發射電流脈沖下降沿自適應鉗位整形優化，滿足井孔時間域電磁探測的工程應用要求。

1 井孔時間域電磁探測三分量發射系統設計

時間域電磁探測的基本原理為發射線圈通過脈沖電流激發一次場，然后在某時刻控制線圈中的電流關斷使地下目標感應產生渦旋電流進而激發二次場，接收傳感器通過探測二次場信號獲取目標的電性特征，實現地下探測目標參數測定[8-10]。

井孔時間域電磁探測系統工作示意圖如圖1(a)所示，電路系統、發射線圈和接收線圈均處于井下空間，集成于沿井孔軸向排列的曳引裝置上。由于井孔尺寸限制，該設備設計為徑向尺寸較小、軸向尺寸較長的長柱狀，在有限的探測空間中保證各個模塊能夠正常運行。井孔探測環境如圖1(b)所示，探測系統通過曳引裝置引導，可抵達目標區域完成電磁探測工作。

圖1 井孔時間域電磁探測系統工作示意圖Fig. 1 Schematic diagram of borehole time domain electromagnetic detection system

發射系統整體設計如圖2所示，主要包括直流電源輸入、數字邏輯控制器、MOSFET 全橋逆變電路、電流檢測與采集電路、自適應鉗位電路、發射負載、三分量輸出電路等部分。其中，低壓直流電源模塊作為發射機整體工作電源，提供大功率發射源與轉化后的各元器件供電源；MOSFET 全橋逆變電路作為發射主功率部分產生雙極性方波脈沖；無源鉗位電路用于實現下降沿鉗位電壓的自適應整形優化；電流檢測與采集電路通過高精度霍爾傳感器與AD采集實現電流檢測采集；三分量輸出電路用于實現不同發射分量輸出的動態控制；數字邏輯控制器用于產生各模塊所需邏輯控制信號以及實現自適應鉗位控制策略；發射負載為三分量發射線圈，通以交變電流產生探測所需電磁場。電流檢測與采集模塊、數字邏輯控制器及其直接控制的無源鉗位電路共同組成了無源自適應恒壓鉗位整形優化功能的實現主體。

該系統的發射機電路拓撲圖如圖3所示，系統的主體工作電路為全橋逆變電路、自適應無源可調鉗位電路、三分量輸出發射電路。全橋逆變電路由直流電源Us、單向二極管D2和4 個MOSFET組成。在自適應無源可調鉗位電路中，DZ1～DZn為若干鉗位器件，SD1～SDn為相應的低延時通斷控制器，D1為阻流二極管；R1為限流電阻，通過驅動控制SD1～SDn狀態改變DZ1～DZn在無源鉗位電路中的接入數量以實現鉗位電壓的多級選擇，使電流脈沖下降沿以期望速率快速線性下降；在三分量輸出發射電路中，L1、L2、L3分別代表三個分量的發射負載，Rd為介入的阻尼電阻，實現發射電流脈沖下降沿末期的震蕩消除。在發射系統工作時，受邏輯控制器控制的全橋逆變電路在激發相應電流脈沖后，通過驅動控制實現無源鉗位器件自動可控接入，起到自適應鉗位電壓整形優化作用。設置系統發射頻率為0.01～1 000 Hz，控制器核心為采用50 MHz 頻率時鐘的FPGA 芯片，可滿足邏輯控制所需精度，實現相應邏輯信號接收執行及控制信號輸出，包括全橋逆變電路控制、發射電流采集信號接收執行、無源鉗位電路控制、三分量動態輸出、與接收機的數據傳輸等。

圖3 發射系統電路拓撲圖Fig. 3 Transmission system circuit topology diagram

2 無源自適應恒壓鉗位技術

在時間域電磁探測中，激勵產生的電磁場物理參數和最終效果由電流脈沖特性決定，而電流脈沖的下降沿關斷速率會對探測目標的電磁響應產生較大影響[11-14]。因此，發射電流脈沖下降沿優化是時間域電磁探測的關鍵，其優化程度是發射系統性能的核心指標。

井孔時間域探測發射系統的鉗位設計存在諸多難點與要求：井孔時間域三分量發射探測中，不同分量發射負載的物理參數存在較大差別，傳統的恒定電壓鉗位方法無法滿足多分量發射電流波形的優化需求；為實現井孔周圍空間由近及遠全距離探測覆蓋，發射電流、關斷速率激發的電磁信號頻率和帶寬均不同，要求電流關斷斜率能夠自動調整；此外，部分井下環境溫度較高，發射負載線圈長時間通電導致的溫度變化會對發射負載物理參數產生不可忽略的影響，而恒定不變的鉗位電壓作用在阻抗發生變化的負載上，導致電流下降沿斜率發生變化，從而影響發射系統的穩定性。針對上述問題，本文提出一種適用于井下小型化、低功耗要求的無源自適應恒壓鉗位設計方法，通過動態自適應控制無源鉗位電壓實現發射電流下降沿的自動優化調整。

2.1 設計原理分析

無源自適應恒壓鉗位技術優化效果如圖4 所示，其中，I0為發射平頂段峰值電流幅值。通過不同檔位的鉗位電壓對發射電流下降沿產生不同的整形作用。通過控制圖3 電路中控制開關SD1～SDn的狀態，改變鉗位器件DZ1～DZn的接入數量，從而利用無源鉗位電壓Ud的多級選擇，動態調整下降沿斜率，實現對電流脈沖下降斜率的精確控制。

圖4 自適應多級鉗位效果示意圖Fig. 4 Schematic diagram of adaptive multi-level clamping effect

本設計中，無源鉗位器件基于齊納二極管實現，該器件具有獨特的反向偏置條件下反向穩壓特性，可以實現無源鉗位作用。該無源鉗位電路作用于全橋逆變電路的等效電路如圖5 所示，其中，RL和L為負載的等效阻抗與電感，IRd為半橋截止時流經阻尼電阻的電流，D2為鉗位電路單向二極管，DZ為等效鉗位器件。當全橋逆變電路中半橋導通時，其等效電路如圖5(a)所示，此時，電源US直接向負載供電，電流波形經過上升沿達到電流平頂段，幅值為I0，發射負載處于發射狀態，DZ反向截止；半橋截止時鉗位器件作用實現的等效電路如圖5(b)所示，此時，電源US開路，感性負載激發出較大瞬時電流，大部分電流通過D2流至DZ泄放，電流為IZ，由于齊納二極管的反向穩壓特性，負載兩端電壓被鉗位至Ud實現無源鉗位，Ud由鉗位器件參數及接入數量決定。在電流關斷晚期，能量主要消耗于阻尼電阻Rd，對應電流為IR，實現電流尾部過沖抑制。

圖5 無源鉗位器件作用實現等效電路Fig. 5 Passive clamping device equivalent circuit

結合圖4 與圖5，在t1～t3時間段，外部電源US為發射系統供電，實現相應發射電流脈沖輸出，在t3時刻半橋截止關斷，發射電流在無源鉗位電壓Ud的作用下快速下降，關斷時間Δt為[14-17]：

對應的發射電流下降沿斜率K為：

2.2 控制策略與邏輯

自適應恒壓鉗位控制策略如圖6所示，Iin為發射電流初始值；實時電流I0為決策反饋量；鉗位器件接入數量N及其鉗位電壓Ud為控制對象；發射負載阻抗RL和電感L為未知量；當前發射電流下降斜率Ki和關斷時間Δt為控制過程中的改變量；Iout為控制過程完成后的發射電流輸出量。自適應恒壓鉗位控制過程中，電流脈沖Iin激發后，經霍爾電流傳感器檢測與AD采集得到的I0與Δt反饋至控制器，控制器根據自適應控制策略產生PWM信號，驅動控制無源鉗位電路中鉗位器件數量N，Ud隨之發生改變使電流下降沿以目標斜率KS快速線性下降。

圖6 自適應鉗位控制策略Fig. 6 Adaptive clamp control strategy

自適應控制過程初始默認設置鉗位器件接入最高檔位，此時，鉗位電壓為可調范圍內最大值。在下降沿關斷期間，通過分析反饋量參數的變化，得到當前下降斜率，結合反饋量參數可計算得到發射負載相關參數：負載等效阻抗負載電感L=UdKi以便對控制量做出相應決策。由于在多級無源鉗位設計中，Ud只由無源鉗位器件接入數量N決定，即

式中：VZ為接入的鉗位器件的等效電壓；Ni為鉗位器件初始數量；Nv為鉗位器件改變數量，通過控制Nv使Ki近似等于KS，結合式(2)和(3)可得：

令N′v=[Nv]，通過控制鉗位器件接入數量改變N′v可滿足相應電流下降沿斜率變化要求。實際電路設計中，須避免電壓跳變對鉗位器件帶來的損壞，可控鉗位器件接入數量按照階梯遞減或遞增，進而實現鉗位電壓的階梯逐漸變化。在自適應控制狀態穩定后，下降沿當前斜率Ki和目標斜率KS滿足：

式中：k為器件參數決定的最小固有誤差，即Ki在一個最小可控范圍(KS-k，KS+k)內保持穩定。當工作環境溫度及負載物理參數改變時，則繼續進入自適應控制周期，最終實現發射電流脈沖按照預設下降沿速率穩定輸出。

以無源自適應恒壓鉗位控制發射電流下降沿斜率減小的過程為例，時序邏輯如圖7 所示，其中，I為發射電流；控制過程中，在t1～t5時間段，無源鉗位器件接入數量為N2，鉗位器件組等效齊納電壓為Ud2，此發射周期內，t1～t2和t3～t4兩個關斷過程分別受到鉗位電壓為Ud2和-Ud2的鉗位整形優化，使發射電流下降沿快速線性下降。需要進行控制調整時，為避免出現亞穩態，在該周期結束延遲一定時間后的t5時刻，控制無源鉗位電路中鉗位器件接入數量調整為N1，相應的鉗位器件組等效齊納電壓為Ud1，在下一發射周期內，t6～t7和t8～t9兩個關斷過程中，發射電流分別受到Ud1和-Ud1的鉗位作用，下降沿下降速率放緩，斜率減小，激發的電磁場參數隨之改變。增大發射電流下降沿斜率的控制過程與之類似，故不再贅述。

圖7 時序邏輯示意圖Fig. 7 Timing logic diagram

由此，根據該自適應控制策略，在時間域探測過程中可實現不同需求下的自適應發射控制。對不同探測目標，系統激勵的一次電磁場可根據需求電流脈沖波形動態變化，對目標體進行多維度探測；針對長時間探測或工作環境改變引起的負載溫度變化導致的負載電參數變化，可通過此策略完成發射脈沖電流的波形穩定。

3 三分量動態發射設計

在時間域電磁法探測工程中，發射線圈的設計直接影響激發瞬變電磁場的性能參數[18]。與傳統單分量發射線圈相比，三分量井孔時間域電磁探測發射線圈的各分量物理特性不同，當各發射線圈使用相同的電流脈沖作為輸入時，會造成電流波形質量下降或額外功率損失，降低電磁系統探測能力。

3.1 三分量發射線圈設計

用于井孔時間域探測的發射線圈由于在有限空間內纏繞致密，可等效為共軸多匝圓形回線線圈，其電阻R和電感L可以分別表示為[19]：

式中：n為線圈匝數；ρ為線圈電阻率；r1為線圈回線半徑；r2為線圈自身截面半徑；Mij對應為ij線圈之間互感；Li為線圈i的自感。考慮到發射線圈材質、回線半徑、電流及法向方向等參數近似一致，可以認為自感Li主要與線圈自身截面半徑、周圍截至及線圈回線半徑r1有關，互感Mij主要與線圈回線半徑r1有關。結合式(2)～(5)可知，線圈自身物理參數直接影響探測系統發射電流、關斷時間及斜率等性能參數。多匝圓形發射線圈在井孔周邊產生的全空間時間域電磁場磁場強度[19]為

式中：Pm為磁偶極矩；l為觀測點到源點距離；電磁時間常數?(u)為誤差函數。

由式(8)可知，時間域電磁遠探測的磁場強度和Pm相關，而共軸多匝線圈體系中Pm=nπIr12，因此，線圈自身物理參數也會影響電磁場的性能參數，發射線圈在設計時須同時考慮結構、空間容量、匝數、纏繞方式、線圈材質等多種因素。

三分量發射線圈結構設計如圖8所示，三個分量的線圈依次分布于細長圓柱形結構且兩兩正交垂直，發射電路通過相應接口向三個分量的線圈輸出發射電流。該設計在減少線圈互感影響的同時滿足全空間廣覆蓋的時間域探測要求。其中，X、Y分量為多匝矩形線圈，采用單層平行并列繞制、多層緊密覆蓋的設計，在有限空間條件下達到更大的等效面積；Z分量為多匝圓形線圈，為實現較大的等效面積的同時減小線圈的分布參數，采用分節串聯方法繞制。三分量發射線圈整體設計在最大化利用預留空間的同時，使機械剛體結構與線圈之間盡量緊密整齊，以保證各分量正交，同時最大化降低各分量線圈間串擾。

圖8 三分量線圈設計圖Fig. 8 Schematic diagram of three-component coil structure

該發射線圈的支撐結構主體為高分子剛體結構，發射線圈線材為聚酯漆包銅線，具有耐刮磨、耐酸堿、耐高溫等良好的電氣性能，漆包銅線表面覆蓋的聚酰亞胺薄膜起到線圈匝間安全隔離作用。由此，三分量發射線圈具有良好機械性能，可供發射系統在交變電流激勵下形成穩定的瞬變電磁場。

3.2 三分量發射動態控制

三分量動態發射控制如圖9所示，控制器通過動態選擇控制實現三分量發射的時序切換，實現三分量動態可控輸出。在不同物理參數的分量進行動態切換時必然帶來發射電流脈沖下降沿關斷斜率的變化，結合2.2節中自適應控制邏輯，系統可基于分量切換后的參數采集反饋，控制器驅動控制鉗位電路，對不同發射分量進行自適應鉗位整形優化，實現相應的電磁場激發與預期探測效果。

圖9 三分量發射動態控制Fig. 9 Three-component transmission dynamic control

4 發射系統研制與實驗結果

4.1 發射系統研制

研制完成的發射機電路如圖10 所示，包括電源模塊、控制模塊與功率電路。外部電源輸入直流電壓為24 V，電源模塊包括功率電源和弱電電源，并進行電氣隔離，分別為功率模塊和控制模塊供電；電路板寬度小于50 mm，固定于設備內部。

圖10 發射機電路實物圖Fig. 10 Transmission circuit diagram

研制完成的三分量發射線圈如圖11 所示，從右到左分別為X、Y、Z三分量發射線圈。三分量發射線圈的參數如表1 所示，發射傳感器X分量與Y分量參數一致，其線圈匝數均為80，單匝有效面積3 200 mm2，Z分量線圈匝數為700圈，單匝有效面積為750 mm2，漆包銅線的截面積均為0.785 mm2。三分量發射線圈與發射電路通過絕緣高溫導線相連實現三分量動態發射。

表1 三分量發射線圈參數Table 1 Three-component transmitting coil parameter

圖11 三分量發射線圈實物結構Fig. 11 Physical structure of three-component transmitting coil

4.2 實驗測試結果

首先，于實驗室條件下進行相應系統測試，系統由外接24 V 直流電源供電。測量儀器為Tek示波器及其高精度電流探頭。發射電路與接收電路之間通過線同步實現通信工作，發射電流被霍爾元件檢測后，被采集至發射機控制器，作為重要的反饋量參與自適應鉗位決策，同時經差分傳送至接收機進行同步采集與存儲，用于后續電磁響應數據的處理與解釋。

發射系統鉗位電壓范圍設計為100～500 V。在最高一檔鉗位作用下，發射電流波形實測結果如圖12 所示，其中，脈沖重頻25 Hz，占空比50%，發射電流峰值達到10 A。可以看出，發射系統可產生穩定可靠的雙極性方波脈沖電流，其下降沿關斷速度快、線性度高，尾部振蕩得到有效抑制，滿足井孔時間域電磁探測的發射電流要求。

圖12 25 Hz、50%占空比發射電流波形Fig. 12 Waveform diagram of emission current at 25 Hz and 50% duty cycle

在完成實驗室條件測試后，本系統在中石油測井應用研究院進行測井設備的系統集成與聯合測試，測試環境如圖13 所示。探測設備適用于井徑為20～66 cm 的探測井，設備提供24 V 直流電源為發射系統供電，在25 Hz、50%占空比發射狀態下進行測試。由于本發射系統的X分量和Y分量線圈參數一致，此處只列舉X分量和Z分量發射線圈在自適應鉗位作用下的電流發射測試結果。

發射機支持無源自適應恒壓鉗位調節，可按設定技術指標對發射電流下降沿進行不同斜率的鉗位整形優化。在發射電流為10 A 條件下，模擬不同探測需求下的下降沿斜率要求，設置X分量電流下降沿斜率KS為0.30、0.24、0.18、0.12、0.06 A/μs，設置Z分量目標斜率KS為0.10、0.08、0.06、0.04、0.02 A/μs，實際測量得到的相應電流下降沿波形如圖14所示。

圖14 自適應鉗位電壓對下降沿斜率控制效果Fig. 14 Control effect of adaptive clamp voltage on falling edge slope

由圖14 可以看出，在對電流關斷過程設定不同斜率KS后，通過鉗位器件接入數量的自適應控制切換，可以實現相應的鉗位電壓對發射電流下降沿斜率的自適應優化。設定的目標斜率KS越高，發射電流下降沿斜率越大。在對集成發射系統的測井設備進行長時間測試后，發現系統仍具有良好的發射穩定性和發射電流下降沿高質量關斷，可以滿足實際的井下時間域遠探測需求。

5 結論

1) 發射系統通過無源自適應恒壓鉗位、阻尼吸收以及集成化結構等設計，在有限空間下實現電流脈沖下降沿高質量關斷。

2) 無源自適應恒壓鉗位技術通過檢測采集電路、自適應控制邏輯策略、無源鉗位器件驅動控制等，對發射負載施加多級動態自適應鉗位電壓整形作用，實現發射電流脈沖下降沿斜率的自適應控制。該技術具有功率損耗低、適應能力強等優良特性。

3) 經實驗測試，在自適應恒壓鉗位技術作用下，發射系統電流脈沖下降沿可在高質量關斷的同時實現自適應斜率控制，實現時間域探測所需電磁場激勵，對井孔時間域電磁探測工程具有應用前景。