瞬变电磁测井低压大功率发射电路设计

张守伟，臧德福，刘思慧

(中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营 257096)

瞬变电磁测井低压大功率发射电路设计

张守伟，臧德福，刘思慧

(中石化胜利石油工程有限公司测井公司，山东 东营 257096)

基于瞬变电磁法的过套管电阻率测井技术要求发射电路提供大功率发射信号，且发射信号能穿透套管。因此，必须在套管外侧建立电磁环境，然后测量地层二次场信号以获取电阻率信息。为满足大功率发射需求，分别选取大功率、低导通内阻的三极管和MOS管器件进行发射电路的设计，并接入放置在钢套管内的大功率发射线圈进行发射测试。发射电路中采用放电电阻对发射线圈存储的无用功进行功率消耗，放电电阻的存在使得在发射停止时刻发射线圈尖峰电压幅值非常大，因此试验中低压直流发射电源最大值为10 V。在信号发射过程中，随着发射电源电压幅值逐渐增加，发射过程线圈两端的电压值随之逐渐增加，使得发射功率也逐渐增加。通过试验，获得了发射线圈两端电压值和发射电源电压值的线性关系；验证了在低压发射电源条件下，通过提升三极管发射电路和MOS管发射电路的电源电压，实现大功率电磁信号的发射。

电磁检测； 瞬变电磁法； 测井技术； 发射电路； 三极管； MOS管； 低压发射电源

0 引言

瞬变电磁法的实施技术之一是通过对发射线圈加载直流电，断电后测量接收线圈感应电动势，并记录波形特性，以获取地层介质信息[1]。瞬变电磁法在地面探矿、煤矿巷道探水[2]等场合发挥了良好的应用。在石油测井领域，使用这种方法对套管质量状况进行检测的仪器被称为电磁探伤仪器[3]。

近年来，测井瞬变电磁探测技术逐步向套管外延伸。过套管电阻率测井技术得到了发展，其目标是针对管外的地层进行电阻率测量[4]，研究方向是大功率信号发射。本次研究是在充分借鉴众多瞬变电磁发射电路的基础上，在低电压发射条件下重新设计发射电路。通过试验，验证了发射电路在低压发射电源条件下，可实现大功率信号的发射需求。

1 测井系统全桥发射电路关键技术

测井瞬变电磁仪器的发射波形可设定为双极性矩形波，双极性发射波形由全桥(H桥)发射电路产生[5]。全桥电路发射原理如图1所示。

图1 全桥电路发射原理图

发射直流电源通过四个电子开关(S1、S2、S3、S4)实现闭合回路的通断，S1和S3闭合在发射线圈(L)产生I+电流(正向发射)，S2和S4闭合产生I-电流(反向发射)。在负载不变的情况下，发射电流值越大，则发射的电磁信号功率越大。四个电子开关都断开时发射线圈不发射信号。由于全桥发射电路的控制，使发射线圈在井周围的介质中产生瞬变电磁场。

四个电子开关全部断开后，仪器开始记录接收线圈的二次场信号。套管介质是非常优良的导体，接收线圈信号的持续时间可达上百毫秒，瞬变电磁发射系统一般采用占空比相同的双极性矩形波[6]，所以发射时间也在100 ms以上，即电子开关闭合后的开通时间持续100 ms以上，这需要电源系统提供足够大的功率。

大功率发射线圈电感存储能量[7]较大，关断时刻发射线圈存储的无功消耗是一个很大的难题，电路设计中应尽快消耗线圈中存储的无功。在发射电源电压比较低的前提下，实施方案之一是在发射线圈两端并联放电电阻(R)以实现无功消耗[8]。放电电阻的引入增加了整个发射电路的功耗，对发射线圈的电性会有一定影响。上述种种缺陷使得电路中存在放电电阻并非最优设计方案，但是该设计方案较简单。考虑在放电过程中电路系统的承压极限，放电电阻的阻值不能过大；而放电电阻的阻值过小又会使放电时间加长，一般放电时间控制在几个毫秒之内。尽管放电时间较长(几个毫秒)，但接收信息测量时间在100 ms以上[9]，故放电过程对接收有用信号的影响可以忽略。

实现大功率信号的发射，要求电子开关选用大功率器件，同时要求器件的开关速率较高。大功率器件的选型可为三极管、MOS管、可控硅IGBT等。发射线圈的直流电阻一般为几个欧姆，这要求电子开关的导通内阻越小越好，否则发射电源的电压在电子开关两端存在很大的压降，使得发射线圈两端电压值较低，无法实现大功率发射。随着通过自身电流数值的改变，IGBT器件内阻也相应改变。与发射线圈的内阻相比，它的内阻相对偏大。IGBT器件不适用于低电压发射电路，故电路设计主要通过三极管和MOS管实现。

由上述分析得知，实现测井系统全桥电路的难点在于：如何在低电压发射条件下，满足大功率电磁信号的发射；与之配套的关键技术为大功率、低内阻器件的选型及控制电路的设计，发射线圈无功释放方法等。

2 电路设计

2.1 三极管发射电路

大功率开关采用三极管发射电路[10]，原理如图2所示。

图2 三极管发射电路原理图

由于大功率三极管功放器件所需的控制电流较大，电路采用了三级驱动的方式。微处理器端口提供的控制电流较弱，控制信号进入模拟开关芯片U1(第一级)；模拟开关驱动小功率三极管(第二级)；驱动大功率的功放三极管(第三级)。发射线圈(L1)接在两个桥臂之间，发射线圈两端并联放电电阻(Rt)。

控制信号由A1、A2、A3、A4端输入，由微处理器产生。图2中：U1器件使用了高速的四路单刀单掷模拟开关(HI201芯片)，芯片的A1、A2、A3、A4为四个控制信号引脚，分别控制着芯片内部四路开关(K1、K2、K3、K4)的闭合和断开。HI201(最高电源18 V)的开关效果是控制前置NPN驱动管(Q5、Q8)、PNP驱动管(Q6、Q7)的开通和关闭，进而驱动大功率功放NPN三极管(Q2、Q3)、PNP三极管(Q1、Q4)的开通和关闭。

电路中，Q1、Q2、Q3、Q4满足10 A以上的大功率器件，可在音频功放管和达林顿管这两种类型中进行选择。器件选型过程发现音频功放管导通内阻比达林顿管小很多，电路设计中最终选择大功率音频功放管，器件分别是TIP35C(NPN型)、TIP36C(PNP型)，耐压100 V，电流25 A，功率125 W。在四个大功率开关关断瞬间，因通过发射线圈L1电流不能突变，在线圈两端产生了极高的自感电压。而功放三极管虽然具备大功率发射能力，但不具备反向瞬间高压承受能力。因此，在桥臂中串入四个大电流的二极管(D1、D2、D3、D4)抑制瞬间高压脉冲，对功放管和发射电源加以保护。

在四个功放管导通期间，发射的电流通路串入二极管，使得发射电源有一部分电压值消耗在功放管和二极管上，致使加载到发射线圈的电压比发射电源电压值小。图2发射电路的发射电源VCC电压最大值为U1芯片的供电电压(一般18 V以下)。在发射线圈不变的条件下，随着发射电源VCC电压的提升，发射电流逐渐增大。考虑到线圈放电尖峰、磁场饱和等因素，实际测试过程芯片U1电源给定为±12 V，发射电源VCC电压为0～10 V可调。

2.2 MOS管发射电路

大功率开关选用MOS管器件时，MOS管栅极控制信号为电压型。栅极控制电路提供的控制电压满足电平需求即可实现MOS管的开通和关闭，相比而言其发射电路比三极管电路更简单。MOS管发射电路采取两级驱动方式，原理如图3所示。

图3 MOS管发射电路原理图

图3中，处理器控制信号驱动前置小功率NPN三极管(第一级)，然后NPN三级管驱动大功率的MOS管(第二级)。将发射线圈(L1)和放电电阻(Rt)一起接入桥臂。

控制信号A1、A2、A3、A4由微处理器提供，通过四个前置三极管(Q5、Q6、Q7、Q8)来实现四个MOS管(Q1、Q2、Q3、Q4)栅极电平信号的控制。MOS管器件选型为N沟道增强型IRL3803，最大耐压VDSS=30 V，导通电流ID=140 A，导通电阻RDS(on)=0.006 Ω。MOS管内部具有一个反向稳压二极管，当发射电路桥臂上不加四个二极管(D1、D2、D3、D4)时，MOS管关断时发射线圈自感瞬间高压脉冲由MOS管的源极流向漏极，不会损坏MOS管功率器件，发射线圈放电过程产生的高压脉冲经过MOS管进入电源系统，可由电源系统的内置电容进行滤除。出于保护电源的需求，该电路在桥臂上仍然保留四个二极管(型号与三极管电路相同)，以抑制瞬间高压；MOS管发射电路无用功消耗仍然采用在发射线圈两端并联放电电阻的方法。发射电路的发射电源VCC电压为0～10 V可调。电路要求VCC1>VCC，以保证四个MOS管的开通和关闭，试验过程VCC1设定为12 V。

3 试验测试

试验过程中，大功率发射线圈(L1)的直流电阻为3.3 Ω，电路中放电电阻(Rt)都为91 Ω。大功率发射线圈放置在钢套管内，此发射线圈分别接入三极管发射电路和MOS管发射电路进行测试。设置发射时间为200 ms，大功率开关全部断开时间为200 ms，发射电源VCC分别设置为3～10 V这八种状态，示波器记录发射线圈两端(即L1和Rt两端)的实时发射波形，如图4所示。

图4 实时发射波形

从图4可以看出，在大功率开关闭合后，发射线圈加载电源电压。正向发射和反向发射刚开始处出现短暂的微小尖峰后，电压维持一定值。正向发射和反向发射过程发射线圈波形对称，幅值相等。在大功率开关断开后，正向发射和反向发射结束时，发射线圈两端瞬间出现很强的反向尖峰，然后由放电电阻进行功率消耗，尖峰很快消失，发射线圈两端电压保持为零。随着发射电源电压值的增加，关断时的尖峰幅值增加非常剧烈，为保障发射电路的正常工作，试验中设置发射电源最大为10 V。

试验中，发射线圈定型后直流电阻即为固定值，线圈发射功率大小最终体现为发射线圈波形稳定后两端电压幅值的高低。在发射过程，随着发射电源(VCC)电压幅值逐渐增加，发射线圈两端的电压值随之逐渐增加，使得发射功率也逐渐增加。发射电源与发射线圈电压值关系如图5所示。

图5 发射电源与发射线圈电压值关系图

在电磁信号发射过程中，全桥桥臂电路上有二极管的存在，大功率器件导通时也存在微小电阻，使得发射电源有部分消耗，最终发射线圈两端所施加的电压总是小于当前的发射电源的电压。从图5可以看出，纵坐标数值总比横坐标数值偏小2 V左右；随着发射电源电压值升高，发射线圈的电压增加明显，使得电源电压大部分加载于发射线圈上。总体来看，两种电压变化呈线性关系。在相同发射电压条件下，MOS管电路发射线圈电压值略高，对比两种电路发射效果，发射线圈两端电压差异不是太大。但从设计难度来看，MOS管电路更有优势，主要体现为：MOS管电路使用器件少，控制方式简单，低导通内阻的大功率器件种类繁多，选型较为容易。

发射电源电压不变时，减小发射线圈的直流电阻可提升发射电路的电流值，从而增加发射功率。大功率发射线圈定型后，线圈的直流电阻值就成为固定值，电路的发射功率直接体现为发射电源电压的高低。从图4、图5发射线圈两端的电压幅度变化趋势来看，在低压供电条件下，两种发射电路都实现了大功率信号的发射。

4 结束语

功放开关选择音频功放三极管器件、MOS管器件时可使导通内阻降低，在发射过程中发射线圈能获取较大电压，使得电源电压大部分加载于发射线圈上。大功率发射线圈两端电压值随着发射电源的增加而逐渐增加。试验验证了在低压供电条件下，三极管发射电路和MOS管发射电路可通过提升电源电压实现大功率电磁信号的发射。

[1] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙：中南大学出版社，2007.

[2] 于景邨，胡兵，刘振庆，等.矿井瞬变电磁探测技术的应用[J].物探与化探，2011(4)：532-535.

[3] 范照晋.瞬变电磁测井通信及地面系统研究[D].西安：西安石油大学，2012.

[4] 宋汐瑾，党瑞荣，郭宝龙，等.井中磁源瞬变电磁响应特征研究[J].地球物理学报，2011(4)：1122-1129.

[5] 李楠楠.瞬变电磁测井井下系统研究[D].西安：西安石油大学，2012.

[6] 王冠军.瞬变电磁法生产井电阻率测井技术研究[D].西安：西安石油大学，2013.

[7] 杨宇.基于感性负载的瞬变电磁发射波形调控技术研究[D].长春：吉林大学，2016.

[8] 楚星宇.TEM发射机的研制[D].长春：吉林大学，2012.

[9] VLADIMIR T,王晓龙.新一代EMDS-42型电磁探伤测井仪的特征及其应用实例[J].国外测井技术，2010(5)：65-71.

[10]李利品，宋汐瑾，党瑞荣，等.基于PIC单片机的套管探测控制系统设计[J].电气自动化，2008，30(5)：69-70,75.

Design of the Low Voltage and High Power Transmitting Circuit for Transient Electromagnetic Logging

ZHANG Shouwei,ZANG Defu,LIU Sihui

(Logging Company of Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,SINOPEC,Dongying 257096,China)

High power transmitting signal is requested for transmitting circuit in the implementation of through-casing resistivity logging technology，which is based on the transient electromagnetic method.So,the transmitting signal can penetrate the casing,and the electromagnetic environment can be established outside casing the ground secondary field signal can be measured,thus the information of resistivity can be obtained.To meet the demand for high power transmission,the transmitting circuits are designed,in which transistors with the characteristics of high power and low conduction resistance,and MOS tubes are selected respectively;the high-power transmitting coil in the steel casing is connected to the circuits,for carrying on the transmitting test.The discharge resistor in transmitting circuit is adopted to consume the unuseful power which is stored in the transmitting coil.Because of the resistance of the discharge resistor,the peak voltage amplitude is very large at the moment of transmission stops;so,in the test,the maximum value of low voltage DC transmitting power supply is 10 V.In the transmitting process of signal,along with the amplitude of the transmitting voltage raises,the voltage value of both ends of the transmitting coil increases gradually,so the transmitting power is increasing gradually.The linear relationship between the voltages at both ends of the transmitting coil and the transmitting voltage value is obtained in the test.It is verified that the transistor transmitting circuit and MOS tube transmitting circuit can achieve high power electromagnetic signal transmission by upgrading the voltage of power supply under the condition of using low voltage transmitting power supply.

Electromagnetic detection; Transient electromagnetic method; Logging technique; Transmitting circuit; Transistor; MOS tube; Low voltage transmitting power supply

中国博士后科学基金资助项目(2017M612343)、中石化集团公司基金资助项目(JP14043)

张守伟(1977—)，男，博士，高级工程师，主要从事电磁测井理论、测井地面软件及井下仪器的研究和开发。 E-mail:zhangswww@163.com。

TH71;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708015

修改稿收到日期:2017-02-07