3DEX发射电路解析与三维感应信号源设计

苏 娟,陈 涛,严正国,吴银川,宋青山

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065; 2.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077)

3DEX发射电路解析与三维感应信号源设计

苏 娟1,陈 涛2,严正国1,吴银川1,宋青山2

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室,陕西西安710065; 2.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077)

分析了感应测井仪器3DEX发射电路的组成、工作原理及性能参数,设计了一种新的三维感应信号源方案。采用直接频率合成(DDS)技术和CAN总线通信接口。硬件电路系统由基于DSP的采集控制板和基于DDS的信号发生器板组成,采集控制板通过USB接口接收PC机控制面板传来的指令,通过SPI接口对DDS信号发生器板进行设置,可产生7对合成正弦波形;采集控制板同时能够对输出信号进行取样采集,并将采集到的波形数据通过USB接口传输到PC机控制面板。PC机控制面板通过USB接口对信号源的参数进行设定,并能够显示信号波形、频谱;测量信号幅度、频率、相位、谐波失真等参数。经过分析和实验验证,信号源的性能参数完全可以达到3DEX发射电路的指标要求,在输出信号频率选择性和频率控制灵活性方面优于3DEX发射电路方案。

三维感应测井;发射电路,信号源;直接频率合成(DDS)技术;CAN总线

0 引 言

砂泥岩薄互层和裂缝性油气层往往表现为低电阻率,这是因为这2种地层都是电阻率各向异性的,即垂直方向和水平方向测量结果不同,水平分量往往表现为低值,垂直分量往往表现为高值[1-2]。常规感应测井包括阵列感应测井只测量水平分量,很容易低估和漏掉低电阻率和低对比度的泥质砂岩产层。如何正确评价砂泥岩薄储层促进了三分量感应测井仪器的研制[3]。1994年壳牌与贝克-阿特拉斯公司启动合作项目,制造新的电阻率测量仪器测量地层电阻率的各向异性。1999年仪器第1次在壳牌1口油井中进行了测量,直至2004年才推出了九分量3DEX-EliteTM商业服务[4],并取得良好的现场应用效果。

1 3DEX发射控制电路组成与工作原理

3DEX仪器由3个正交的、相互平衡的发射线圈(TX、TY、TZ)和3个同样是正交的接收线圈(RX、RY、RZ)组成。在每一测井深度,3DEX仪器以介于20～220 k Hz的10个频率测量磁场的全部9个分量信号[5]。3DEX仪器线圈系结构和9个分量信号见图1。

3DEX电子仪由发射部分、接收部分和骨架等3部分组成。发射电路是3DEX电子仪核心组成部分,其主要功能是产生复合正弦信号,经过功率放大后依次作用于 X、Y、Z的3个轴向的发射线圈。发射电路主要由发射控制电路、功率放大电路和继电器阵列组成。发射控制电路组成及功能见图2。

发射控制电路主要由2片DSP处理器和其他逻辑电路组成。DSPA负责时序控制、与接收电路之间通信,以及对发射信号进行取样监测;DSPB根据测井地面系统的下发命令产生所有不同的合成正弦波形。正弦波形数据保存在FLASH 2中,DSPB将波形数据送入FIFO数据缓冲区,经D/A转换后变为连续的模拟波形,经低通滤波器滤除高频谐波后经由多路开关送到 X、Y、Z轴向对应的功率放大器。

图1 3DEX线圈系结构

图2 3DEX发射控制电路组成及功能框图

在DSPB控制下,3DEX发射电路可根据地面命令产生由10种频率的单频正弦信号按一定的频率比(通常为2:1)叠加而成的7对频率的合成正弦信号波形。各频率对的低频和高频分量的信号频率见表1所示。

表1 合成正弦信号波形频率

测井时,发射电路根据地面命令将7对合成正弦信号波形按一定的顺序分别依次作用于 X、Y、Z发射线圈,由接收电路采集处理后传输到地面系统。

3DEX的发射控制电路封装在保温瓶中,可在155℃高温环境下连续工作3 h以上。

2 三维感应信号源设计

以目前的电子技术发展水平,3DEX的发射控制电路时序控制逻辑过于复杂。在三维感应信号源研制中,在分析、借鉴3DEX电路方案和技术参数的基础上,设计了图3所示的三维感应信号源电路方案。

图3的方案和3DEX发射控制电路最主要的区别在于利用直接频率合成(DDS)技术产生合成正弦信号,通过CAN总线与外部电路进行通信。DSP控制2片直接频率合成器芯片产生需要的2个频率的正弦波信号,通过滤波放大电路消除高频谐波后,在DSP控制下按照一定的比例相加产生双频合成正弦波形,经过功率放大器电路后由多路开关控制依次作用于 X、Y、Z发射线圈;同时,由取样电路、信号调理和A/D等组成的取样检测电路对发射信号进行取样检测和反馈控制。CPLD产生同步和时序控制逻辑,DSP通过CAN通信模块与井下遥测单元或其他控制单元进行通信,接收控制指令。

图3 三维感应信号源电路功能框图

信号源工作时,DSP根据CAN总线传来的命令,通过高速SPI口对DDS内部的频率控制字和相位控制字进行设定,改变DDS输出正弦信号的频率和相位,并保证在改变输出信号频率时保持输出信号相位连续;DDS在输出正弦信号的同时输出同步信号,经过CPLD内部的时序产生电路为取样电路和三维感应信号接收采集电路提供同步采样控制信号;比例加法器根据命令设定的幅度比对2路DDS输出的经滤波处理的2个频率的正弦信号进行叠加,经过功率放大,由DSP控制多路开关将信号输出到指定的发射线圈;取样电路对输出信号进行取样监测。

3 硬件设计与性能测试

为了对方案设计的信号源的性能指标进行验证,设计了三维感应信号源硬件电路系统,构建了三维感应信号发生器测试平台,对设计的三维感应信号源的性能参数进行了测试。

硬件电路系统由基于DSP的采集控制板和基于DDS的信号发生器板组成,采集控制板通过USB接口接收 PC机控制面板传来的指令,通过SPI接口对DDS信号发生器板进行设置,可产生7对合成正弦波形;采集控制板同时能够对输出信号进行取样采集,并将采集到的波形数据通过USB接口传输到PC机控制面板。

PC机控制面板采用VB6.0编制,该控制面板通过USB接口对信号源的参数进行设定,并能够显示信号波形、频谱;测量信号幅度、频率、相位、谐波失真等参数。

通过对硬件电路的实际测试验证,设计的信号源可达到的性能指标,频率范围为1～250 k Hz;频率调节步长为小于1 k Hz;频率比(Fh/Fl)为通过CAN通信接口 Fh和 Fl在频率范围内可任意设定;幅度比为1∶1,Fh/Fl可选;失真度为单频小于0.05%。

4 结 论

与3DEX发射电路相比较,本文设计的三维感应信号源电路采用1片DSP,采用DDS技术极大地简化了电路结构和同步逻辑,在技术参数上完全可以达到3DEX发射电路的指标要求,并在输出信号频率选择性和频率控制的灵活性方面优于3DEX发射电路。

[1] CPL技术中心实验室信息组.三分量感应测井[J].石油仪器,2004,18(2):24.

[2] Liming Yu,M ichael Rabinovich.The Reduction of Near Zone Effects on the M ulti-component Induction Logging Tool[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition,Denver,October 2003.Society of Petroleum Engineers,2003:203-208.

[3] Rabinovich M,Co rley B.M ulti-component Induction Logging:10 Years After[C]∥The SPWLA 48th Annual Logging Symposium,Austin,June 2007.Society of Petrophysicists&Well Log Analysts,2007:65-69.

[4] Rabinovich M,Corley B.Formation Dips from M ulticomponent Induction Data as an Alternative to Image Logs in Difficult Borehole Environments[C]∥7th Oil and Natural Gas Corporation Ltd.International Oil& Gas Conference,New Delhi,January 2007.Petrotech-2007,2007:177-232.

[5] Fanini O N,Kriegshauser B.New M ulticomponent Induction Tool fo r Evaluation of Electrically Anisotropic Thinly Laminated Fo rmations[C]∥63rd Eage Conf, Amsterdam,June,2001,Extended Abstr,2001:322-325.

Analysis of 3DEX Transm itting Circuit and Three-dimension Induction Signal Source Design

SU Juan1,CHEN Tao2,YAN Zhenguo1,WU Yinchuan1,SONGQingshan2
(1.Xi’an Shiyou University,Key Labo rato ry of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas,M inistry of Education, Xi’an,Shaanxi 710065,China;2.Technology Center,China Petroleum Logging CO.L TD.,Xi’an,Shaanxi 710077,China)

The compositions,p rincip les of operation and the performance parameters of 3DEX transmitting circuit in three-dimension induction logging tool are analyzed in this paper and a new three-dimension signal source is designed.The signal source is based on direct digital synthesis (DDS)and controller area network(CAN)bus communication port.The design scheme makes the circuit structure and control logic simp le significantly.The hardware circuit consistsof DSP-based signal pickup device and DDS-based signal generato r;The fo rmer,through USB po rt,receives commands from PC control panel;DDS signal generator panel is set through SPIport;Under DSPB control,the circuit generates seven pairs of synthesic sine signal waves.A t the same time,the latter picks up output signals as samp le,and sends the picked w aves data to PC control panel through USB.The PC control p late is compiled w ith VB6.0.The signal source parameters are set via USB port for the PC control panel,so,it can disp lay the signal waves and frequency, and measure the signal amp litude,frequency,phase and harmonic distortion,etc.The experiments and test results are in good accordance w ith the requirements and performance data of 3DEX.The designed signal source is better than 3DEX transmitting circuit scheme in output signal frequency selectivity and frequency control flexibility.

three-dimension induction logging,transmitting circuit,signal source,direct digital synthesis(DDS),controller area network(CAN)

1004-1338(2010)05-0466-03

P631.33;U 666.1

A

西安石油大学创新基金YS28060421

苏 娟,女,1975年生,讲师,研究方向为测井信号处理和传输。

2010-01-22 本文编辑 李总南)