油水井瞬变电磁套损探测中取样积分电路的研究

西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 李志强 宋美华 张文辉

油水井瞬变电磁套损探测中取样积分电路的研究

西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 李志强 宋美华 张文辉

为了实现从强噪声中提取微弱信号,本文以瞬变电磁理论为基础，通过对瞬变电磁信号特征进行研究分析，选择利用取样积分这种检测微弱信号的手段对瞬变电磁晚期信号进行提取，并结合硬件电路进一步降低噪声的影响，实现从强噪声信号中提取毫伏级信号。实验结果表明,取样积分方法改善了系统的信噪比,提高了信号的识别能力,在一些具体应用中也取得了良好的效果。

瞬变电磁；套损探测；取样积分电路

引言

对于瞬变电磁探测的晚期信号而言，信号不但微弱，而且淹没于噪声之中，用普通AD无法测量，如果将信号直接放大进行测量，噪声也同时会被放大，无法从中得到有用数据,这就需要用一种微弱信号检测的手段来提取出有用信号。而取样积分法电路就是适合于检测瞬变电磁晚期微弱信号的一种行之有效的方法。取样积分法提出在20世纪50年代，并由美国科学家Klein于1962年在加州劳伦茨实验室用硬件手段实现了取样积分，并将其形象的命名为BOXCAR积分器[1]。此种方法对于识别强噪声干扰条件下的快速变化的微弱信号十分有用，并且广泛应用在医学、生物、物理及化学等科研领域。

1 瞬变电磁法理论及其信号特点

1.1 瞬变电磁理论

瞬变电磁理论是由经典电磁学理论衍生出的一种时间域电磁检测方法，它不是采用传统的单频连续信号激发源磁场，而是以有间歇的周期性阶跃脉冲作为激励信号。阶跃脉冲的频率范围比较宽，因此两种实现方式虽各异但都可通过傅里叶变换和频域分析联系起来。在发射线圈中的脉冲电流关断时，接收线圈以及包括金属套管在内的周围地层介质由直接变化的源磁场感应出交变场，称为一次场信号；这种激发方式具有瞬时和平面波场的特点[2]，其在早期主要由高频信号分量组成，并由于趋肤效应在各介质层表面开始产生感应涡流，反应的是浅层的地质信息。随后一次场的感应涡流向介质内部逐步以“烟圈”形式传播，由于其能量衰减变化而在各介质界面上激发出新的电磁场，成为对应的二次场信号。

在发射电流彻底关断后，由于一次场能量不断衰减而趋于消失，只剩下二次感应涡流磁场的相互作用，它的传播衰减速率与介质形状、电导率等因素的影响密切相关；当到感应涡流扩散传播的晚期时，二次场衰减变缓，信号主要为低频分量，反映的则是较深层处的地质信息。接收线圈中由二次场变化产生的感应电动势，正是对介质特性参数信息的直接性反映，而且在时间上可以与一次感应电动势分开，TEM的收发波形如图1所示。

图1 TEM收发波形示意图

图2 瞬变电磁信号衰减特性示意图

1.2 瞬变电磁信号特点

瞬变电磁接收系统所要测量的信号与时间有关，是一个随时间呈指数衰减变化的信号。衰减的速度与导体的时间常数有关，良导体初始响应不大，衰减速度慢；非良导体初始响应大，衰减速度快。对于不同的探测深度，所需要的时间范围也不同，探测深度越深，所需要的时间范围跨度就越大，例如探测油气田时，深度可达1～5km，那么其时间范围在nms到n×10s[3]。由于信号是呈指数衰减变化，那么在如此大的时间范围里信号的动态范围也就很大，通常在100dB以上，信号的衰减规律如图2所示。

从图2中可以看出瞬变电磁信号在各个时期变化相当大，跨度可从几伏到几微伏甚至到纳伏级别，早期信号衰减速度快幅值大，晚期信号幅值小衰减速度慢，因此对不同时期信号的测量，无论在方式还是方法上都要根据信号特点区别对待。对于早期信号需要很窄的采样间隔和门宽才能准确捕捉信号特性，而对于晚期信号，则需增大采样间隔和门宽以适应其信号微弱且衰减慢的特性[4]。早期信号反应的是地下浅层地质信息，晚期信号则反应的是地下深层地质信息，因此关注的重点应该放在晚期信号的提取分析上。

由于瞬变电磁系统的工作环境是在野外作业，而且其晚期信号十分微弱，必然会受到外部电磁噪声的干扰，也就是说想要得到有效信号就必须使用一定的技术方法和手段抑制和去除噪声干扰。

2 取样积分原理及其电路分析

2.1 取样积分原理

取样积分是利用信号累加的手段，放大有用信号，抑制噪声。对于周期信号而言，利用其信号重复性，对每一周期内相同位置信号进行同步累加。假设输入信号是一个不含噪声的周期信号，那么经过取样积分其得到结果就是取样点信号的累加，将其结果经过换算后就可得到输入信号被取样点的瞬时值。如果信号淹没于随机噪声之中，那么由于噪声的随机性，其前后不相关，进行多次累加后，通常累加次数在数百次以上，就可以通过累加使随机噪声前后抵消，累计次数越多噪声的平均值就会越小，这就使得噪声大幅度削弱，有用信号也通过累加的方式得到了放大[5]。

取样积分是TEM仪器常用的一种信号取样方法，其主要是为了适应接收的瞬变响应早期幅值大、衰减快，而晚期幅值小、衰减慢的特性，采用程控开关对运放和电阻、电容组成的模拟积分电路的积分开始时间和窗口时长进行控制，电路原理如图3所示。当控制芯片使模拟开关K1接通而K2、K3断开时，信号通过限流电阻给反馈电容充电，电容上的电压为输入信号的叠加，即：

将积分输出信号作为AD芯片的采样输入，再使K1断开而K2、K3接通，电容两端相接并通过电阻放电，以确保下个积分采样从零状态开始。

图3 模拟积分采样电路原理

正交放置的三个探头中，横向短探头B和C信号衰减速度快，纵向长探头A信号衰减速度慢，故如上所述对它们进行分时采集时，采样的间隔及积分窗口时长应在不同时期有所不同。横向短探头B和C采样时间间隔及积分窗口门宽都必须相当窄，以保证精确地分辨信号的衰减特性。纵向长探头A采样间隔及门宽应适当增大，以适应弱信号缓慢衰减的特性。因此本系统对横向短探头B和C采用快速等间隔采样，纵向长探头A采用近似等对数间隔采样[16]，采样方法如图4所示。在这种采样方法中，先确定前一取样通道的起始点及数据窗宽，再由这个数据窗宽确定下一采样通道的窗宽，使各个采样窗口的宽度为1.2倍的关系，这样可以适应瞬变信号特点并且有利于对采样值做数学处理。

图4 取样积分方案示意图

对探伤仪系统的三分量探头运用积分采样方法，还可以用程控开关改变限流电阻阻值的大小，从而改变积分时间常数的值也即控制充放电的快慢，这非常适用于探头模拟响应信号的衰减时间量级相差很大时的积分采样处理，结合井下系统控制芯片对的控制将会使系统的积分采样方案更加灵活和完善。

2.2 取样积分电路

瞬变二次场信号动态范围大、早期信号幅值大，衰减速度快，晚期，信号幅值微弱，衰减时间长，所以采取模拟积分采样方式。通过单片机控制对不同的磁探头信号进行分时采集，并通过选择不同的积分电阻对信号进行累加，以提高信噪比、采样的精度与分辨率，可以进一步减小信号的动态范围，电路如图5所示。

图6 （a） 积分前的信号

图6 （b） 积分后的信号

图5 积分电路

在图5中，输入是可变增益电路的输出信号，其工作原理如下：通过单片机控制模拟开关U1的导通与关断对磁探头信号进行分时采集，U1同时控制信号经过不同的限流电阻连接到运算放大器OP27的反向输入端，选择不同的限流电阻是为了防止信号出现截止。U2作为模拟积分取样的控制信号用来确定取样的开始时间、信号采样的宽度以及采样次数。电容C1用来对信号进行累积，同时具有高频滤波作用。在采样完成后的瞬间关闭U1，OP27的输出电压将会停止增大。由于电容的放电通道被截断，OP27输出端的电压将维持不变。用AD对该电压进行采样，采集完成后控制U2的IN2通道导通，对电容放电并对AD转换后的数据进行存储，以便对下一个信号进行积分取样。我们可以推出输出电压公式如下：

其中，t1为积分的起始时间，t2为积分的截止时间。在积分结束的瞬间，U1的开关截止，运算放大器输出端的电压值为前一时刻积分电压值，用模数转换器采样该电压。输出电压采样后，用单片机控制模拟开关U2的一路开关导通，电容器放电，以便进行下一个信号的积分取样.在实际试验中，积分时间（信号宽度）应选择合适。积分时间短，对鉴别套损微小差异信号效果不明显。积分时间过长，会降低对微小损伤信号的分辨能力。

3 试验结果

积分前后信号对比如图6（a）和6（b）所示。

通过对实验中积分前后的信号波形对比来看，积分电路改善了系统的信噪比，提高了信号的识别能力，噪声也基本上被抑制掉，显示波形比较稳定。

4 结论

运用取样积分方法对提高信号的信噪比作用明显，使得实时采集并以软件工具显示的信号质量大大提高；但与此同时，积分处理使AD芯片的采样数据还原为模拟接收响应信号变得复杂，如图7所示，也就是对于在积分取样窗口中一个不定阶的样条函数的积分值，如何用数学或工程的实现方法还原为或直接得到其在窗口边界上的值，进而做插值等处理还原为接收模拟响应。

图7 积分采样与还原示意

对于这个问题可以选择对探头接收信号不积分而进行密集采样的方法得到，而这两种数据采样方案的矛盾性深刻地体现了瞬变方法处理时域响应信号的难度。而采用普通的非积分采样加软件滤波的方法，容易滤除掉晚期信号所包含重要的介质信息，因此这两种采样方案各有利弊，应根据实际情况加以取舍，或者也可以考虑将二者同时在采集电路中实现。

[1]高晋占．微弱信号检测[M]．北京:清华大学出版社,2004:200-202．

[2]嵇艳鞠．浅层高分辨率全程瞬变电磁系统中全程二次场提取技术研究[D]．吉林大学,2004．

[3]Aydiner A A,Chew W C,Cui T J,etal．3-D imaging of large scale buried structure by 1-D inversion of very early time electromagnetic(VETEM) data[J]．Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2001,39(6):1307-1315．

[4]Behroozmand A A,Auken E,Fiandaca G,et al． Improvement in MRS parameter estimation by joint and laterally constrained inversion of MRS and TEM data[J]．Geophysics,2012,77(4): WB191-WB200．

[5]王勇,季振山,罗家融．自动补偿低零漂积分器设计[J]．计算机测量与控制,2006,14(4):530-532．

[6]宋汐瑾．生产井瞬变电磁探测理论与方法研究[D]．西安电子科技大学,2012．

国家自然科学基金“基于线源的井间剩余油探测理论和方法”（41174160）资助。

李志强，西安石油大学在读研究生，电子与通信工程专业，主要研究方向为电子科学与技术。