声波测井同步信号去伪技术

杨 贺

(大庆油田责任有限公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

超越数控生产测井地面系统是大庆测试分公司研发的新型PXI总线地面数控测井系统[1]，PXI总线声波测井模块以超越地面数控系统为依托平台，主要用于井下八扇区水泥胶结声波测井仪器[2]SBT的地面硬件系统和测井软件配接，满足井下声波测井仪器测井信号传输对地面数控系统在硬件电气技术接口、同步解调方式、声波测井回波模拟信号处理、缓存、虚拟示波显示、控制等多方面的要求。

大庆测试分公司有多种井下声波测井仪器，其中应用比较多的是多年前引进的PHase八扇区声波测井仪器和分公司自行生产的井下八扇区声波测井仪器，信号传输基本一致，其中PHase声波仪器使用时间长，器件老化，信号传输干扰比较大，对声波测井同步信号识别造成困难，甚至误判导致信号子周期数据采集错误，影响测井效果。怎样在PXI总线声波测井模块硬件系统中正确识别声波测井同步信号是本文主要论述内容。

1 井下八扇区水泥胶结声波测井仪器信号传输特点

八扇区水泥胶结声波测井仪器主要进行CBL和VDL测井，用于检测固井质量[2]。八扇区水泥胶结仪器测井信号[3]采用单芯传输方式，供电和测井信号传输共用同一缆芯。测井信号传输帧周期固定为307.2 ms，每个帧周期共有12个子周期，其串行测井信号包括：1～8扇区的同步信号(正负脉冲)、套管回波信号以及负脉冲伽马信号；3英尺子周期和5英尺子周期的同步信号(正负脉冲)、套管波及地层波回波信号；刻度子周期的同步信号(正负脉冲)、信号幅度为±13 V频率为40 kHz的正弦波模拟套管回波信号；井斜子周期的同步信号(正负脉冲)；直接耦合到上传测井信号的磁性定位器(CCL)低频信号。

2 声波测井同步脉冲信号前端调理硬件设计

在声波测井传输信号中，每个子周期均包括同步脉冲信号和负脉冲伽马信号，第八子周期同步信号幅度为先高后低(+10 V/-5 V)，其余11个周期的同步信号为先低后高(-10 V/+5 V)，负脉冲伽马信号幅度比同步信号低一些，经过7芯5 000 m电缆衰减以后，信号幅度变为几百毫伏左右，特别是同步脉冲信号失真较大，电缆前后实测同步信号波形如图1所示。

图1 同步信号经过电缆前后实测波形

为能有效的检测出子周期同步脉冲信号和负脉冲伽马信号，脉冲信号前端调理电路如图2所示，包括脉冲恢复电路设计和滤波电路设计以及放大倍数Au连续可调的PGA电路设计等。可编程增益放大器设计，同样利用12 位D/A转换器构成程控增益放大器PGA，并且放大倍数Au连续程控可调，实际使用中放大倍数在1～100之间。

图2 声波模块脉冲信号前端调理电路原理框图

根据测井电缆实际情况，为减少脉冲信号失真，同步脉冲信号和伽玛脉冲信号可以通过继电器选通微分电路，也可以同时选通滤波电路，设置灵活方便，有利于声波测井同步脉冲信号恢复。同时，如果同步正负脉冲信号由于门槛电平设置不当，也会导致伪同步脉冲信号进入到数字信号处理板FPGA中，如图3所示，引发同步脉冲信号识别逻辑错误，破坏子周期声幅数据采集时序控制。因此,需要在声波测井模块数字信号板中采用FPGA进行同步信号去伪逻辑设计，使声波测井模块能够按照正确同步脉冲逻辑时序进行数据采集。

图3 实测伪同步脉冲波形

3 声波测井同步脉冲信号FPGA去伪逻辑设计方法

声波测井模块数字信号板中FPGA逻辑设计[5]如图4所示。

图4 声波测井模块数字信号处理板FPGA功能逻辑设计框图

FPGA逻辑功能包括声波测井同步脉冲信号逻辑识别，16位A/D转换器数据采样及时序控制，PowerPC处理器EBC总线地址译码，与PowerPC处理器双向数据传输，A/D转换器和D/A转换器等芯片串行SPI时序产生和控制，声波测量通道继电器控制，正负门限电平和PGA增益控制，子周期A/D采样延迟时间和采样门宽时间控制，非易失性E2PROM存储器串行SPI时序产生及其输入输出控制，PXI机箱背板触发总线控制，时钟分频设计，伽马负脉冲信号计数等。

声波测井信号同步头识别可采取以下几种设计方法。

1) 同步信号电平方式 实际井下八扇区水泥胶结声波测井仪器上传信号中，同步头第八子周期同步(先高后低)正幅度最高，其余子周期(先低后高)负幅度最高，伽马信号负脉冲幅度稍低于同步头负脉冲幅度。采用同步信号电平方式，识别优点是设置好门槛电平，比较容易检测出同步信号，识别缺点是伽马信号容易被误识别为同步信号进入数字信号处理电路，调节同步门槛电平时，要卡在伽马门槛电平之上。

2) 同步信号正负脉冲方式 由于八扇区水泥胶结声波测井仪器上传的同步信号中，同步第八子周期为先高后低，(+8 V和-5 V),其余子周期为先低后高(-5 V和+8 V)，根据通过实际电缆上传的同步脉冲信号特点如脉冲宽度和出现位置，来判断和检测出同步信号。采用同步信号正负脉冲方式，前提是同步信号畸变不严重，同步信号通过实际电缆以后正负均有。其识别优点是不用考虑伽马负脉冲信号，缺点是当回波幅度超过同步信号幅度时，回波会被误识别为同步信号。

3) 同步信号正负脉冲时间限制方式 方法1和方法2识别同步脉冲优缺点比较明显，为克服方法1和方法2解码缺点，可以考虑同步信号时间限制方式，两个正脉冲同步信号之间必须大于300 ms，两个负脉冲同步信号之间必须在25～25.6 ms,或者正负同步之间也必须在25～25.6 ms之间。

最终通过室内和现场试验，确定采用电平方式加上时间约束条件判断的FPGA逻辑设计。声波测井信号经过带通滤波器和程控增益放大器，送入高速A/D转换器，由FPGA通过逻辑判断，消除伪同步脉冲信号，控制A/D转换器的启动和停止。通过FPGA时序控制将每个子周期的A/D转换数据存入到FPGA内部FIFO中，通过申请PowerPC中断，由嵌入式主机读取。

4 结束语

PXI总线声波测井模块硬件系统设计，采用FPGA同步脉冲信号逻辑设计去伪技术，成功地完成了超越地面系统与井下八扇区声波测井仪器的电缆配接试验和生产实际应用，避免了硬件系统同步信号逻辑判断失误，提高了扇区声波测井质量。在超越数控生产测井地面系统进行了十几井次的现场试验，通过与引进的PHase地面系统对比试验，结果表明，声波测井信号同步识别稳定可靠，完全能够满足八扇区水泥胶结声波新老测井仪器的现场配接需求。