CN104060986A - 一种多频阵列电测井谐振式发射*** - Google Patents

Abstract

一种多频阵列电测井谐振式发射***，其FPGA主控单元的高频信号发生单元与信号隔离单元相连，信号隔离单元的输出端与高频驱动的输入端相连接，高频驱动输出端与功率放大单元的输入端相连接，功率放大单元和FPGA主控单元的输出端均与高频电控开关组的开关相连接，高频电控开关组的开关连接谐振匹配单元，谐振匹配单元连接发射线圈系。FPGA的发射负载控制单元输出信号输入给高频电控开关组，高频电控开关组的开通和关断状态由FPGA的发射负载控制单元控制。

Description

一种多频阵列电测井谐振式发射***

技术领域

本发明涉及一种测井用发射***，特别涉及一种多频阵列电测井谐振式发射***。

背景技术

电法测井主要目的是获取地层的电阻率或介电常数信息，进而联合其他地层参数用以计算判断储层的油气饱和度和分布情况。电法测井主要包括自然电位测井、电阻率测井、感应测井、电磁波传播测井等。电磁波传播测井又称超高频介电测井，是测量与地层介电常数密切相关的电磁波传播时间和电磁波衰减来区分油、水层，确定地层水含量，双频介电法测量发射线圈发射的电磁波，两个接收线圈接收信号，输出两个接收信号的幅度比和相位差。普通电阻率测井和侧相测井都属于直流测井的范畴，为使得测量电流由井内进入地层，要求井内必须充满导电的泥浆或水，但有些资料井为准确了解原始含油饱和度或保持地层原始渗透性，往往采用油基泥浆或空气钻井，使得直流电测井遇到了无法克服的困难。交变电磁场对地层介质的作用及电磁波的传播都不会因井内不存在导电介质而受到限制，感应测井已发展为常规测井系列中一种主要的电法测井方法。

传统的感应测井是测量信号的电动势，发射源频率介于10～200kHz之间，是通过测量地层中携带有地层信息的二次电流在接收线圈的电动势，来获得关于地层的信息，由于二次电流在接收线圈中的感应场相对于收发线圈的直耦信号十分微弱，在复杂地质结构的油气藏勘探时效果较差、纵向分辨率低、探测深度较浅。仪器受井眼、侵入、围岩等环境影响和趋肤效应影响比较严重，所提供的地层电阻率不够准确、影像设备的薄层探测能力，不能满足测井发展的需要。随着感应测井在仪器设计和理论研究等方面迅速发展，出现了阵列感应测井成像仪器，极大地改善了感应测井仪器的性能。阵列相位感应电阻率测井仪由多个发收线圈系构成，通过组合信号频率、发收线圈系源距和两接收线圈间距构成多套发收线圈系同，一次测量可得到多套地层测井曲线。这种方法拓展了电阻率的测量范围，减少了井眼、泥浆及其他因素的影响。

目前应用较广的阵列电测井主要有阵列感应和电磁传播电阻率测井。阵列感应应用多频、多源距单发-单收探头，频率多在几十千赫兹左右。电磁传播电阻率测井的源频率在几兆赫兹，采用单发-双收探头测量接收线圈的感应电动势之间的相位差和幅度比。

对于发射频率，发射频率越低，径向探测深度越大。增加发射频率有助于提高接收信号的强度，提高纵向分层能力。若将高频与低频相结合起来，可增强探测能力。高低频结合的方式既能保持阵列相位感应测井很强的纵向分层能力，又能保证仪器的探测深度。

上述电测井方法均需要可靠的发射***作为支撑，而高低频结合多频大功率发射***有着很好的应用前景。目前感应测井发射***存在的问题有发射源电流激励不高，难以使地层达到一定的感应强度；同时井下仪器在发射时，不同线圈之间的切换非常困难，大多采用一组发射线圈一个发射频率对应一套激励源的方式，当选择的频点较多时，增加了***的复杂性。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明提出一种多频阵列电测井谐振式发射***。本发明可实现200kHz～10MHz之间的频率点正弦波输出，配合不同的发射线圈，可满足高低频结合发射，并实现0～5A的大电流输出，可保持测井仪纵向分层能力和探测深度。

本发明以电测井理论为基础，为检测信号相位差和幅度比的产生提供一种发射***，使发射线圈工作在谐振状态并匹配谐振元件，可为多组线圈系提供200kHz～10MHz之间多种发射频率，实现发射线圈负载上的大电流正弦波发射，同时具备频率自动切换和发射线圈自动切换的功能。

本发明采用以下技术方案：

本发明所述的多频阵列电测井谐振式发射***，主要包括：FPGA主控单元、信号隔离单元、高频驱动单元、功率放大单元、高频电控开关组、谐振匹配单元、发射线圈系和隔离电源组。FPGA主控单元中的高频信号发生单元与信号隔离单元相连，信号隔离单元的输出端与高频驱动的输入端相连接，高频驱动单元的输出端与功率放大单元的输入端相连接，功率放大单元的输出端和FPGA主控单元的输出端均与高频电控开关组的开关相连接，高频电控开关组的开关连接谐振匹配单元，谐振匹配单元连接发射线圈系。隔离电源组分为主电路DC电源和控制电路DC电源，主电路DC电源连接功率放大单元，用于给功率放大单元提供电源，控制电路DC电源连接FPGA主控单元和高频驱动单元，用于给FPGA主控单元和高频驱动单元提供电源。

所述的FPGA主控单元包括高频信号发生单元和发射负载控制单元。所述的高频信号发生单元输出信号至信号隔离单元，信号隔离单元输出信号至高频驱动单元，高频驱动单元的输出信号输入至功率放大单元，功率放大单元的输出连接高频电控开关组。所述的发射负载控制单元输出信号输入给高频电控开关组，高频电控开关组的开通和关断状态由所述的发射负载控制单元控制。高频电控开关组连接谐振匹配单元，谐振匹配单元连接发射线圈系。

本发明采用FPGA作为主控芯片，主要用于实现高频信号发生和发射线圈负载的控制。FPGA主控单元的高频信号发生单元可产生200kHz～10MHz之间任意频点的占空比可调的任意波形信号，本发明多频阵列电测井谐振式发射***的高频信号采用200kHz～10MHz之间任意频点的占空比可调的方波信号，该方波信号经过信号隔离单元，经高频驱动单元驱动，在功率放大单元进行放大。功率放大单元可实现200kHz～10MHz的高频宽频放大，在线圈上实现0～5A的正弦波电流有效值。高频电控开关组由FPGA主控单元的发射负载单元控制其工作状态，通过多路连接谐振匹配单元和发射线圈系，由多路发射线圈轮流工作。

所述的高频信号发生单元基于FPGA和直接数字频率合成技术DDS实现。高频信号发生单元包括频率控制模块、调整系数模块、控制字调整模块、相位累加器、地址调整模块和波形存储器。连接方式为：所述的频率控制字模块和调整系数模块同时作为控制字调整模块的输入，控制字调整模块的输出作为相位累加器的输入，相位累加器的输出作为地址调整模块的输入，地址调整模块的输出作为波形存储器的输入，波形存储器最终的输出实现高频信号发生。

高频信号发生的具体实现方法为：由频率控制字模块和频率调整系数模块生成频率控制字，输出的控制字经过控制字调整模块转化为直接数字频率合成DDS的频率控制字，经过相位累加器相位累加后作为一个查表地址输送给地址调整模块，地址调整模块根据输出波形选择信号，调整地址值对应于波形存储器(ROM)中不同波形的存储区域，最后根据查表的地址值输出所需数字波形。200kHz～10MHz之间某频率点的频率由频率控制模块和调整系数模块控制，DDS输出信号的频率由以下公式给出：

f₀＝(f_clk/2^N)×K，

式中：f_o为输出频率，f_clk为***基准时钟频率，N为累加器位数，K为输入频率控制字，通过N、K和f_clk的组合可以产生任一频率的输出。

以输出8MHz方波高频信号为例，FPGA主控单元参考时钟信号采用50MHz，相位累加器选择8位，则输出8MHz信号时，K值为40.96，此时可设定频率控制模块输出频率控制字为64，调整系数模块输出频率调整系数为0.64，控制字调整模块将频率控制模块输出的频率控制字和调整系数模块输出的频率调整系数做乘法运算，最终经相位累加器和地址调整模块，读取波形存储器中的波形，输出需要的高频信号。输出方波高频信号的占空比可在波形存储器中进行调整。同样以相同的方法可实现200kHz～10MHz之间任意频率任意占空比任意波形的信号输出。

所述的高频信号发生单元产生的高频信号，通过信号隔离单元输入至高频驱动单元，信号隔离单元的功能是为了隔离高频驱动内部强大的电流和高速导致巨大的瞬间变化率，避免误触发。高频驱动单元可实现输出电流15A的峰值，驱动频率可高达45MHz，高频驱动单元用于驱动功率放大单元的高速开关管。

为了使地层达到一定的感应强度，需提高激励电路输出电流，所述的功率放大单元实现信号的放大。高频功率放大需考虑电路的效率和频率特性。由于H桥式电路上下两个晶体管不能同时导通的限制，使得其在高频运行时存在问题，采用多个开关管工作的模式，开关管转换时可能引起两个晶体管同时导通或截止的情况，增大电路损耗，降低效率。故本发明功率放大单元采用单管放大。

所述的高频电控开关组由FPGA主控单元的发射负载控制单元进行开关状态的控制。高频电控开关组最高工作频率为30MHz或1GHz，触点通电电流可达10A。高频电控开关组连接谐振匹配单元和发射线圈系，进而控制发射线圈的工作状态。发射线圈系包含的多个发射线圈工作时对应不同的工作频率，通过高频电控开关，即高频继电器来选择工作线圈，每个线圈发射一段时间，然后切换到其他线圈再继续工作。

所述的发射线圈系由多个独立的发射线圈组成，每个发射线圈通过高频电控开关组控制其工作状态，每个发射线圈对应一个发射频率，发射线圈工作在谐振状态，作为谐振回路之一参与谐振，谐振频率为：

$f=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L_{t}C},$

其中f为谐振频率，L_t为发射线圈电感量，C为匹配电容。

依据谐振频率，每个发射线圈匹配相应参数的匹配电容。最终在每个发射线圈上都可实现0～5A有效值的200kHz～10MHz之间任意频点的正弦波信号。

本发明多频阵列电测井谐振式发射***测量较低频率信号的相位差和幅度比，同时测量较高频率信号的相位差。较低频率信号与地层电阻率特性关系密切，受围岩影响小、探测深度较大、分层能力较强。较高频率信号不但与地层电阻率特性有关，还与介电常数有关。信号的工作频率决定了幅度比和相位差信息与地层信息之间的关系，工作频率的选择决定了多频电磁测井对地层的适应程度。利用不同工作频率和源距所采集的信息进行合理分配、合成，使测井曲线更真实地反映地层电阻率、侵入带电阻率及泥浆电阻率等数据。为达到反映油井径向不同深度的地层性质的目的，运用高低频率结合的方式保持测井仪纵向分层能力和探测深度。

本发明多频阵列电测井谐振式发射***可实现200kHz～10MHz范围内的频率，以此频率段作为多频电磁测井仪的激励工作频率，可实现宽频范围不同频率发射的需求。

附图说明

图1多频阵列电测井谐振式发射***原理框图；

图2高频信号发生单元原理图；

图3高频电控开关组、谐振匹配单元、发射线圈系的原理图；

图4发射线圈两端发射电压波形，其中图4a为0.5MHz的发射线圈两端的电压波形，图4b为1MHz的发射线圈两端的电压波形，图4c为4MHz的发射线圈两端的电压波形，图4d为8MHz的发射线圈两端的电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明多频阵列电测井谐振式发射***的原理框图如图1所示。所述的多频阵列电测井谐振式发射***包括FPGA主控单元、信号隔离单元、高频驱动单元、功率放大单元、高频电控开关组、谐振匹配单元、发射线圈系和隔离电源组。所述的FPGA主控单元中的高频信号发生单元与信号隔离单元相连，信号隔离单元的输出端与高频驱动的输入端相连接，高频驱动输出端与功率放大单元的输入端相连接，功率放大单元和FPGA主控单元的输出端均与高频电控开关组的开关相连接，高频电控开关组的开关连接谐振匹配单元，谐振匹配单元连接发射线圈。隔离电源组分为主电路DC电源和控制电路DC电源，主电路DC电源连接功率放大单元，用于给功率放大单元提供电源，控制电路DC电源连接FPGA主控单元和高频驱动单元，用于给FPGA主控单元和高频驱动单元提供电源。

所述的FPGA主控单元包括高频信号发生单元和发射负载控制单元。所述的高频信号发生单元输出信号至信号隔离单元，输出隔离单元输出信号至高频驱动单元，高频驱动单元的输出信号输入至功率放大单元，功率放大单元的输出连接高频电控开关组。所述的发射负载控制单元的输出信号输入给高频电控开关组，高频电控开关组的开通和关断状态由发射负载控制单元进行控制，高频电控开关组连接谐振匹配单元，谐振匹配单元连接发射线圈系。

本发明采用FPGA作为主控芯片，主要用于实现高频信号发生和发射线圈负载的控制。FPGA主控单元的高频信号发生单元可产生200kHz～10MHz之间任意频点的占空比可调的任意波形信号。本发明多频阵列电测井谐振式发射***的高频信号采用200kHz～10MHz之间任意频点的占空比可调的方波信号。该方波信号经过信号隔离单元，经高频驱动单元驱动，在功率放大单元进行放大。功率放大单元可实现200kHz～10MHz的高频宽频放大。之后该方波信号通过高频电控开关组输出给负载。所述的高频电控开关组由FPGA主控单元的发射负载控制单元控制其工作状态。高频电控开关组的多路输出连接至谐振匹配单元和发射线圈系，发射线圈作为谐振回路的一部分，与谐振匹配单元工作在谐振频率点上，多路发射线圈以不同的工作频率轮流工作，在线圈上实现0～5A的正弦波电流有效值。

所述高频信号发生单元原理图如图2所示。高频信号发生是基于FPGA和直接数字频率合成技术DDS来实现的。高频信号发生单元的内部模块有频率控制模块、调整系数模块、控制字调整模块、相位累加器、地址调整模块，以及波形存储器ROM。上述模块的连接方式为：频率控制字模块和调整系数模块同时作为控制字调整模块的输入，控制字调整模块的输出作为相位累加器的输入，相位累加器的输出作为地址调整模块的输入，地址调整模块的输出作为波形存储器ROM的输入，波形存储器ROM最终作为输出实现高频信号发生。

高频信号发生的具体实现方法为：200kHz～10MHz之间某频率点的频率由频率控制模块和调整系数模块控制，由频率控制字模块和频率调整系数模块生成频率控制字，输出的控制字经过控制字调整模块转化为DDS的频率控制字，经过相位累加器相位累加后作为一个查表地址输送给地址调整模块，地址调整模块根据输出波形选择信号，调整地址值对应于波形存储器ROM中不同波形的存储区域，最后根据查表的地址值输出所需数字波形。

图3所示为所述的高频电控开关组、谐振匹配单元、发射线圈系的原理。功率放大单元的负载为发射线圈系以及相应的匹配单元，发射线圈系包含多个独立的发射线圈。图3所示为以6种工作频率为例，G1、G2、G3、G4、G5、G6为6路高频电控开关组成的高频电控开关组，M1、M2、M3、M4、M5、M6为6路匹配电容形成的谐振匹配单元，T1、T2、T3、T4、T5、T6为6路发射线圈组成的发射线圈系。高频电控开关组连接谐振匹配单元和发射线圈系，进而控制发射线圈的工作状态。每一路高频电控开关G1、G2、G3、G4、G5、G6分别连接匹配电容M1、M2、M3、M4、M5、M6和发射线圈T1、T2、T3、T4、T5、T6，一一对应，即高频电控开关G1连接匹配电容M1，匹配电容M1连接发射线圈T1；高频电控开关G2连接匹配电容M2，匹配电容M2连接发射线圈T2；高频电控开关G3连接匹配电容M3，匹配电容M3连接发射线圈T3；高频电控开关G4连接匹配电容M4，匹配电容M4连接发射开关T4；高频电控开关G5连接匹配电容M5，匹配电容M5连接发射线圈T5；高频电控开关G6连接匹配电容M6，匹配电容，M6连接发射线圈T6。高频电控开关组来控制选择工作线圈，每个线圈发射一段时间，然后切换到其他线圈再继续工作。高频电控开关G1～G6控制发射线圈T1～T6和发射线圈T1～T6对应的匹配电容M1～M6，决定每一路发射线圈及匹配电容的工作状态。G1～G6的开通关断状态由FPGA主控单元的发射负载控制单元进行控制，进而控制当前参与工作的发射线圈。每个线圈对应一个发射频率，发射线圈工作在谐振状态，作为谐振回路之一参与谐振，与匹配电容实现谐振状态工作。最终在每个发射线圈上都可实现0～5A有效值的200kHz～10MHz之间任意频点的正弦波信号。

图4所示为发射线圈两端发射电压波形，在200kHz～10MHz之间选择4种频率点，图4a、图4b、图4c和图4d分别为0.5MHz、1MHz、4MHz、8MHz下4种频率的发射线圈两端的电压波形。可以在线圈上得到非常理想的大电压大电流正弦波信号。

Claims (6)

1.一种多频阵列电测井谐振式发射***，其特征在于，所述的发射***主要包括：FPGA主控单元、信号隔离单元、高频驱动单元、功率放大单元、高频电控开关组、谐振匹配单元、发射线圈系和隔离电源组；所述的FPGA主控单元的高频信号发生单元与信号隔离单元相连，信号隔离单元的输出端与高频驱动的输入端相连接，高频驱动输出端与功率放大单元的输入端相连接，功率放大单元和FPGA主控单元的输出端均与高频电控开关组的开关相连接，高频电控组的开关连接谐振匹配单元，谐振匹配单元连接发射线圈系；所述的隔离电源组分为主电路DC电源和控制电路DC电源，主电路DC电源连接功率放大单元，控制电路DC电源连接FPGA主控单元和高频驱动单元；FPGA主控单元包括高频信号发生单元和发射负载控制单元；所述的高频信号发生单元输出信号至信号隔离单元，信号隔离单元输出信号至高频驱动单元，高频驱动单元的输出信号输入至功率放大单元，功率放大单元的输出连接高频电控开关组；FPGA的发射负载控制单元输出信号输入给高频电控开关组，高频电控开关组的开通和关断状态由FPGA的发射负载控制单元控制；高频电控开关组的输出信号至谐振匹配单元，谐振匹配单元的的输出信号至发射线圈系。

2.根据权利要求1所述的多频阵列电测井谐振式发射***，其特征在于：所述的发射线圈系包含多组不同参数的独立的发射线圈，各个发射线圈的直径相同，匝数及电感量L_t不同；工作时，不同线圈系中不同的线圈对应不同的发射频率，所述的发射频率信号由FPGA的高频信号发生单元产生，发射线圈系中的每个发射线圈依据对应的发射频率，轮流工作进行信号发射，线圈的切换通过高频电控开关组控制选择当前工作的发射线圈，每个线圈发射一段时间，然后切换到其他线圈再继续工作。

3.根据权利要求2所述的多频阵列电测井谐振式发射***，其特征在于：所述的发射线圈工作在谐振状态，作为谐振回路之一参与谐振，依据谐振频率，每个发射线圈匹配相应参数的匹配电容。

4.根据权利要求3所述的多频阵列电测井谐振式发射***，其特征在于：所述发射线圈输出正弦波，发射线圈上电流有效值为0～5A。

5.根据权利要求1所述的多频阵列电测井谐振式发射***，其特征在于：所述高频信号发生单元可实现200kHz～10MHz之间任意频点的占空比可调的任意波形信号，所述的多频阵列电测井谐振式发射***的高频信号采用200kHz～10MHz之间任意频点的占空比可调的方波信号。

6.根据权利要求1所述的多频阵列电测井谐振式发射***，其特征在于：所述的高频信号发生单元基于FPGA和直接数字频率合成技术DDS实现；具体为：由频率控制字模块和频率调整系数模块生成频率控制字，输出的控制字经过控制字调整模块转化为DDS的频率控制字，经过相位累加器相位累加后作为一个查表地址输送给地址调整模块，地址调整模块根据输出波形选择信号，调整地址值对应于波形存储器(ROM)中不同波形的存储区域，最后根据查表的地址值输出所需数字波形。