三分量陣列感應(yīng)實驗裝置研究

張妙瑜 王凱 郭寶龍 邢德鍵

摘 ?要： 針對國內(nèi)沒有自主研發(fā)的三分量感應(yīng)測井儀器，設(shè)計三分量陣列感應(yīng)的實驗裝置。使用主控芯片TMS320F2812控制DDS集成芯片AD9833產(chǎn)生6 kHz和18 kHz的正弦波，經(jīng)功率放大后發(fā)送至發(fā)射線圈系，接收信號經(jīng)AD7606采樣，由EP4CE6E22C8和TMS320F2812共同完成數(shù)據(jù)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(jié)果與理論一致，可以用于三分量感應(yīng)的響應(yīng)特性研究，同時為實際儀器設(shè)計提供實驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 三分量; 陣列感應(yīng); 發(fā)射電路; 線圈系; 接收電路; 響應(yīng)特性

中圖分類號： TN98?34; ?P631.8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)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(yīng)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(dǎo)率和水平電導(dǎo)率獲取砂巖和泥巖電導(dǎo)率，識別地層的傾角和方位角，感應(yīng)測井儀器的發(fā)展方向[1]。國外具有三分量感應(yīng)測量能力的儀器主要集中在Baker Atlas和Schlumberger兩家公司，國內(nèi)都是在3DEX和Rt?Scanner的基礎(chǔ)上研究，沒有自主研發(fā)的三分量感應(yīng)測井儀器[2?3]。它的研制及相關(guān)的理論和實驗研究是目前測井行業(yè)亟待解決的重要課題。本文將設(shè)計三分量感應(yīng)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(yīng)特性，為儀器設(shè)計提供實驗基礎(chǔ)。

1 ?三分量陣列感應(yīng)測井原理

三分量陣列感應(yīng)測井儀器采用單發(fā)多接收的陣列感應(yīng)設(shè)計思想[4]，使用8個子陣列的結(jié)構(gòu)，每組子陣列由發(fā)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(yīng)屏蔽抵消直耦的思想，發(fā)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(shù)要小于主接收線圈的匝數(shù)，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(yīng)子陣列線圈系結(jié)構(gòu)

式中：[σa]為地層視電導(dǎo)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(fā)射電流在接收線圈中直接產(chǎn)生的電動勢;[K]稱為儀器常數(shù)，與儀器工作頻率、發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)和面積以及發(fā)射線圈與接收線圈間的距離有關(guān)。

2 ?三分量陣列感應(yīng)實驗裝置設(shè)計

根據(jù)三分量陣列感應(yīng)測井原理，實驗裝置由發(fā)射和接收電路以及線圈系組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)射電路主要由DDS模塊和功率放大電路組成。DDS模塊產(chǎn)生正弦波，功率放大后到達發(fā)射線圈。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在接收線圈感應(yīng)出微弱信號，經(jīng)過放大濾波和ADC采樣，F(xiàn)PGA和DSP共同對采樣數(shù)據(jù)進行處理、傳輸并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

2.1 ?發(fā)射電路設(shè)計

使用主控芯片TMS320F2812控制DDS集成芯片AD9833產(chǎn)生頻率為6 kHz和18 kHz的正弦波，作為三分量陣列感應(yīng)實驗裝置的信號源[8]，如圖3所示。設(shè)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(shù)，同時并聯(lián)電容[C1]，減少高頻阻抗，保證電路的穩(wěn)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(gòu)成，電路如圖4所示。

圖2 ?三分量陣列感應(yīng)實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 ?AD9833與TMS320F2812接口電路圖

2.2 ?接收電路設(shè)計

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變電流在井眼周圍產(chǎn)生交變電磁場。同時，交變電磁場在導(dǎo)電地層中感應(yīng)出環(huán)形渦流，它所建立的二次交變電磁場在接收線圈中產(chǎn)生感生電動勢。此時的信號是非常微弱的，經(jīng)過前置放大、濾波、A/D采集，以并行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，此時DSP并口方式讀取數(shù)據(jù)，通過串行通信將數(shù)據(jù)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(diào)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(shè)計截止頻率為60 kHz的四階巴特沃斯低通濾波器。A/D轉(zhuǎn)換電路使用ADI公司的AD7606完成，工作時序如圖6所示，實現(xiàn)垂直方向和水平方向并行模式數(shù)據(jù)采樣。FPGA控制AD7606的RESET引腳為高電平復(fù)位，脈沖寬度為50 ns。將CONVSTA和CONVSTB連接在一起，實現(xiàn)垂直和水平方向同步采樣。整個模數(shù)轉(zhuǎn)換過程以BUSY引腳為標(biāo)志，當(dāng)它為高電平時，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換;低電平時轉(zhuǎn)換完成。同時，F(xiàn)PGA控制BUSY引腳為下降沿觸發(fā)，以便在模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后及時讀取數(shù)據(jù)。

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(xiàn)下述功能[10]：

1） 開辟對采集數(shù)據(jù)的緩存區(qū)域，當(dāng)FIFO存滿時，以中斷的方式通知DSP讀取數(shù)據(jù)。

2） 與TMS320F2812傳輸，通知DSP讀取數(shù)據(jù)，一直循環(huán)直至采集的數(shù)據(jù)滿足要求。

圖7是DSP和FPGA數(shù)據(jù)通信的硬件連接圖。16位數(shù)據(jù)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(biāo)志。

圖7 ?DSP和FPGA數(shù)據(jù)通信硬件連接圖

2.3 ?線圈系設(shè)計

三分量感應(yīng)線圈系的設(shè)計是整個測量裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的探測性能及穩(wěn)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(shè)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(yīng)相等;如圖8b）所示，發(fā)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(fā)射線圈和接收線圈間距和匝數(shù)的影響，與線圈間距的三次方成反比，與匝數(shù)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(shù)比約等于它們與發(fā)射線圈距離比的立方。參數(shù)如下：發(fā)射線圈為80匝、接收線圈為8匝、屏蔽線圈為5匝。發(fā)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(shù)的布置與垂直方向一致。

3 ?實驗結(jié)果分析

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

圖9 ?垂直方向發(fā)射線圈數(shù)據(jù)曲線圖

相同參數(shù)下，考察水平線圈系的測量結(jié)果，水平發(fā)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(fā)射線圈和接收線圈電壓的峰峰值[11]?？梢钥闯觯合嗤瑢嶒瀰?shù)下，空氣中測量結(jié)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(jié)果與理論分析結(jié)論相吻合。

圖10 ?垂直方向接收線圈數(shù)據(jù)曲線圖

圖11 ?水平方向發(fā)射線圈數(shù)據(jù)曲線圖

圖12 ?水平方向接收線圈數(shù)據(jù)曲線圖

表1 ?不同測量方向線圈系電壓峰峰值

4 ?結(jié) ?語

三分量陣列感應(yīng)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(shè)計了三分量陣列感應(yīng)測井的實驗裝置，包括發(fā)射電路、線圈系和接收電路。實驗結(jié)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(jié)果與理論分析一致?；诒驹O(shè)計，還可研究線圈系匝數(shù)、距離以及發(fā)射信號頻率等參數(shù)變化對接收信號的影響，為三分量陣列感應(yīng)儀器的設(shè)計提供實驗基礎(chǔ)。

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