新一代声波测井仪系统设计

鞠晓东，乔文孝，赵宏林，卢俊强，门百永，吴文河

（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京 102249）

0 引 言

以斯伦贝谢公司为代表的新一代多维扫描成像即Scanner系列[1－5]，预示着测井方法和探测技术的重大进步，其中声波测井仪器的代表是SonicScanner。我国的声波测井仪器研发水平已经从学习模仿为主提升到了具有较全面的自主创新阶段。为此，国家油气重大专项和中国石油天然气集团公司重大科技项目中均设立了具有三维探测能力的新一代声波测井仪器的研发课题，为我国声波测井技术的发展提供了巨大契机。

新一代声波测井仪需要实现的关键技术：由大功率发射振子组成的三维相控发射器阵列；由高灵敏度宽带接收振子组成的相控接收器阵列；声系内部与传感器组合并以高密度集成的耐高温、高压电子单元；仪器系统实时控制和多节点高速数据传输。

1 系统设计方案

要实现对井周三维空间的探测，必须将探测器元件大规模阵列化，使声波波束能够沿着井周和井轴方向进行可控式扫描激励和接收，从而得到较高分辨率和信噪比的地层声波波形参数成像。

当仪器中具有被独立激励或接收的传感器单元接近甚至超过100个时，就属于探测器的大规模阵列化。本文所涉及的声波仪器的三维发射阵列为32单元，接收阵列为64单元并可进一步扩展，此外还包括与传统声波成像仪器的兼容部分，故属于大规模阵列化仪器。由于新一代测井仪探测器元件的大规模阵列化，对系统设计提出了完全不同于以往传统仪器的要求：①传统的传感器与电子系统通过短节间连线的方式已变得不可能，必须采用创新的机电一体化探测器形式；②强（发射）、弱（接收）信号通道众多，控制复杂，电磁兼容设计的优劣关系到仪器的性能甚至研发的成败；③高温、高压环境下的高密度、高可靠设计被提高到前所未有的高度。本文所涉及的声波仪器的模拟信号处理、数据采集、控制传输的规模相当于典型的交叉偶极声波仪器XMACII中1671＋1677＋1678规模的4～8倍，且这些电子系统的绝大部分要在很小的空间内与传感器阵列紧密集成在一起。

声波仪器系统组成方案见图1。系统的7个模块均密封于各自的承压短节内，串行连接成为完整的声波测井仪。由于采用了声系内部与传感器组合、高密度集成的耐高温高压智能化电子单元的创新设计方式，模块间能够采用业界通用31芯贯穿式电气连接（只有32个接收阵子8通道采集的XMACII为实现互联采用了特殊的67芯承压和45芯非标准电气接头），发射模块的位置可以根据需要互换，通过调整隔声体长度能够获得不同源距，实现三维扫描声波测井和超长源距的方位扫描远探测声波测井。

图1 新一代声波测井仪系统组成示意图

2 主要功能模块设计

2.1 三维声波发射模块

三维声波发射声系作为仪器的主发射模块由4组8向共32个独立换能器振子的组合圆弧阵列组成，激励电路集成在声系内的发射阵列附近，每组的电路结构见图2。

图2 仪器三维发射模块电路示意图

三维发射模块电路以1片2万门的高容量CPLD为核心完成与仪器主控系统通讯和发射控制逻辑。每组电路占用1个子模块地址，接收主控模块发来的模式选择和激励参数（脉冲宽度和延迟量），设置内部各个功能寄存器、定时器和振子阵列选择逻辑。

发射电路采用高压脉冲直接激励方式，能精确控制对每个元件的激励脉宽、延迟，还可方便地改变振动极性。该模块能够在多种发射模式工作。

（1）相控方位模式。以3×4组合进行周向45°和轴向偏转的三维声波扫描发射，这是仪器典型的发射模式（目前国内外还未见到采用同类技术实现复杂扫描测量的报道）。

（2）多极仿真模式。通过对多个换能器振子的不同选择和极性组合实现单级、偶极和四极激励模式，如进行四极激励时每组的1、3、5、7号被选择，对1、5号施加正极性高压脉冲而3、7号为负极性。

以上所有周向激励模式中均可进行（井）轴向相控式激励（俗称线控方式）使声束有效辐射向接收阵列一侧偏转。最多时，全部32片发射振子可为1次声波发射全部被激励（线控仿单极模式）获得最大声波功率输出。

仪器在以三维声波发射声系作为激励主模块的同时，还设计有一个常规声波发射声系作为辅助激励模块，该模块接有自身专用的发射电子短节，能够以线控单级、交叉偶极方式工作。通过对压电振子和激励电路的优化设计，可使仪器能够在更长的源距和更宽的频带下工作，以获得高质量的井筒模式波或远距离反射波信号。

2.2 三维声波接收模块

三维声波接收声系作为系统的信号接收模块由8组等间距的环状换能器阵列（子模块）组成，每组为呈45°均分的8片宽带振子，被置于声系内部的特殊密封舱室内[6]，电路组成见图3。

图3 三维声波接收模块分组电路示意图

设计上，64个接收振子的任何一路均可被独立进行放大、滤波等模拟处理和数据采集，配合不同发射模式，主要有4种组合接收模式。①与三维激励同（周向）方位的相控合成接收，使用3片振子，中间为主振子；②单极模式，使用4片振子，同相位叠加合成一路信号；③交叉偶极模式，使用4片振子，以正交差分方式合成2路信号；④四极模式，使用4片振子，正交叠加形成1路差分信号。

8组环阵（俗称圆弧阵）同步工作，获得接收阵列的时域波形信号序列。仪器设计的实际数据采集能力是32路（最高48路）16bit高速全并行同步数据采集通道，通过至少4倍过采样和数字滤波进一步提高信噪比，前端和公共放大器提供80dB量程、以6dB步进的程控放大能力，每个通道均可独立受控。通过实时增益控制和多级有源滤波，在较大动态范围内（理论上超过160dB）获得最佳信噪比。

每个接收子模块以一片百万门规模的FPAG作为控制核心，片内固化NIOS嵌入式操作系统，多个硬乘法单元和可配置RAM能够在模块内实现多种波形实时处理方法和数据缓冲操作，极大地减轻主控单元的负担和降低了仪器内互联总线的带宽占用率。

接收声系内部采用上述智能化集成传感器子模块和贯穿式仪器内多节点高速互联总线，根据实际需要能够设计组合成具有更大规模接收阵列的三维声系模块，比如达到12或16组甚至更多。

2.3 系统主控模块

系统主控模块是仪器的控制中心，采用典型的嵌入式架构（见图4）。

图4 系统主控模块电路示意图

系统采用具有32bit定点和32bit浮点功能的高速DSP作为主控元件，运行ucLinux实时操作系统，完成仪器控制和本地数据处理。采用百万门级FPGA作为胶粘控制逻辑，实现仪器系统内互联总线主控节点的功能和井下仪器总线接口控制。仪器可通过CAN接口引擎和以太网（IEEE802.3）接口与EILog06或LEAP800地面系统相挂接实现井下仪器串的系统互联。

仪器采用多个数字化功能子模块（如三维发射，三维接收等）的系统组成模式，仪器内部电子系统互联是实现研究目标的重要一环，为此设计了一种专用的仪器模块互联总线（Tool Module Bus，TMB）。TMB采用一主多从的总线式多点互联方式，主控节点由仪器主控单元承担。工作时主节点与某从节点形成一对一的连接，其余的从节点处于挂起状态，这种主节点主动的方式能够完全避免总线竞争从而有效地利用信道带宽。主控节点可通过广播方式（特殊地址）同时对所有子节点发布命令，以获得系统内多个子模块对激励和采集的时间同步。TMB采用同步时钟和数据双差分链路方式，通过合理的切换实现由发送方驱动时钟以获得高的传输带宽，实验表明在测井温度范围内能够在30m长度内实现20 Mb it／s的可靠数据传输。为仪器的运行功能扩展设计了专用通讯协议，每个数据帧包括同步、仪器单元寻址、命令字、状态字、数据域和CRC校验等。由于主节点和子节点都具有很强的逻辑功能并在嵌入式操作系统下运行，因此，能够采用复杂的可变帧结构以实现多种测量模式和有效地利用带宽。

3 结 论

（1）新一代声波测井仪采用模块化架构，能够根据需要灵活实现不同的功能组合。

（2）通过电子系统与传感器阵列的紧密集成化，改变了传统的探测器与电子线路短节分离的模式（短节间连接困难，并会导致信噪比降低），实现具有复杂传感器阵列的三维声波发射和接收功能。

（3）由于所有的模拟信号处理和数据采集均在子模块内完成，传感器与低噪声前置电路之间仅有很短的并经过良好屏蔽的连线，因此能够获得最佳的信噪比和降低系统连接的难度。

（4）通过贯穿整个仪器的高速数据传输总线（TMB）完成了各个子模块间的有效互联，并能够方便地扩展规模（如采用更大规模的接收子阵列）。

[1]鞠晓东，乔文孝，李玉霞，等.多极子阵列声波测井仪电子系统设计[J].测井技术，2008，32（1）：61-64.

[2]卢俊强，鞠晓东，乔文孝，等.方位声波测井仪电子系统设计[J].测井技术，2011，35（3）：284－287.

[3]乔文孝，鞠晓东，车小花，等.声波测井技术研究进展[J].测井技术，2011，35（1）：14－19.

[4]王克协，崔志文.声波测井新理论和方法进展[J].物理，2011，40（2）：89－98.

[5]乔文孝，鞠晓东，车小花，等.从换能器技术的变化看声波测井技术的发展[J].物理，2011，40（2）：99－106.

[6]鞠晓东，乔文孝，卢俊强.用于石油井下三维声波信号接收传感器阵列的电路：中国，CN 101691841A[P].2010－04－07.