一种四极子声波测井仪的研制与应用

刘峰，林毓宸(.中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453000；.中石化西南石油工程有限公司测井分公司，四川 成都 60000)

关键字：声波测井；四极子；横波测井

0 引言

随着已探明油藏的不断开发以及老油田的衰竭，石油勘探已转向隐蔽与复杂的圈闭，这就要求石油测井技术必须向探测和评价复杂储层目标发展。地层横波携带了较多的地层信息，在确定地层弹性模量、孔隙度、流(含气)体饱和度和裂缝以及各向异性等参数上具有重要意义[1]。常规的单极子声波测井很难测到横波。因此，人们提出了利用多极源(偶极源和四极源)实现直接横波速度测井。在多极源激发的声场中，在低频区域纵波部分受到压抑，而横波部分得到加强且受其他分波的影响较小，从而使得横波成为首波实现直接横波速度测井。

本文介绍一种用四极子源测量地层横波的测井仪器的研制。该仪器具有单极子纵波测量、四极子横波测量测井功能，利用其横波测量功能可以对地层弹性模量、孔隙度、流体饱和度和裂缝等参数进行精细准确的解释和评价。

1 工作原理

四极子源在井孔中激发四极子波，四极子波引起井壁质点振动呈交替的长椭圆/扁椭圆，振动图像如螺旋状，所以四极子波又被称为扭曲波或螺旋波(screw wave)。四极子源是由两个无限接近的强度相等、相位相反的偶极子源构成[2]。四极源能够比偶极源更有效地抑制P波，此外，四极源能够在高频段工作，因此四极源能产生高分辨率的S波信号，从而使用四极源可以实现短源距直接横波测井。

2 电路设计

2.1 发射电路设计

2.1.1 发射电路原理框图

发射电路原理框图如图1所示。发射电路的主要功能是完成对换能器的激励，实现单极、四极声波发射。单极四极发射换能器示意图如图2所示，它由多条柱状压电陶瓷按圆周排列拼接而成，然后分成X1、X2和Y1、Y2四个部分，四组晶体之间使用聚四氟乙烯绝缘片进行电绝缘隔离。当加在X1、X2的激励信号和加在Y1、Y2的激励信号相位相同时，晶体激发的是单极信号，当相位相反时，晶体激发的是四极子信号。换能器使用的激励信号为Blackmanharris波形，四极子一般采用4 kHz的发射频率[3]，单极子使用10 kHz的发射频率。四极子和单极子发射激励信号的频率可控，因此可以根据不同的地层选择合适的频率进行测井。

2.1.2 驱动电路设计

驱动电路主要由半波整流电路、开关电路、反馈电路和乙类推挽功率放大电路四部分组成。半波整流电路利用二极管的单向导电特性取出输入激励信号的正、负半周作为发射信号使用；开关电路使用三极管的开关特性，只有在Fire信号的控制下才能将整流后的信号送入功放的输入端，避免电路干扰引起误发射；反馈电路可以调整功放电路的输出，减小功放电路的非线性失真。其中半波整流电路、开关电路和反馈电路已经由青岛智腾做成厚膜电路，可以在175 ℃下工作。

图1 发射电路原理框图

图2 单极四极发射换能器示意图

2.2 接收电路设计

2.2.1 接收电路原理框图

接收电路原理框图如图3所示。由接收声系输入的16路模拟信号经电荷放大电路放大后送入信号运算电路，生成单极子信号、四极子信号及单独信号，然后在模式选择电路的控制下根据电路设置将信号送入滤波电路和AGC电路，最后输出4路信号送入采集电路。

图3 接收电路原理框图

2.2.2 预处理和模式控制电路

(1)差分放大电路。接收信号预处理电路使用差分放大电路，可以有效放大换能器的差模信号，抑制共模干扰。

差分放大电路使用仪表放大器AD8226。AD8226是一款低成本、宽电源电压范围仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1 000。它被设计为可工作于各种信号电压的情况下。宽输入范围和轨到轨输出使信号可充分利用供电轨。由于输入范围能够降到负电源电压以下，因此无需双电源便可放大接近地电压的小信号。该器件采用±1.35 V至±18 V的双电源供电或2.2 V至36 V单电源供电。

(2)信号运算电路。信号运算电路包括单极子接收信号产生电路、四极子接收信号产生电路和单独信号产生电路。

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单极子接收信号是接收晶体4个方向的接收信号相加而成，即X1+X2+Y1+Y2。它采用反相加法器电路将每组接收换能器上的4路信号进行相加，放大倍数可以通过反馈电阻进行调节。

电路中的运放采用的是四通道精密、JFET放大器AD8531。该放大器具有低失调电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声特性。低失调、低噪声和极低输入偏置电流这些特性相结合，特别适合高阻抗传感器信号放大。

四极子接收信号是首先分别对接收晶体X方向的接收信号X1、X2相加得到X，同理对接收晶体Y方向的接收信号Y1、Y2进行相加得到Y，然后用差分电路相减X-Y获得四极子接收信号。差分电路的增益也可根据反馈电阻进行调节。

单片信号由多路选择开关ADG1409构成，使用2片ADG1409，便可以将换能器四个方位的信号分别选择出来。此功能主要是用来检查声系用的，把仪器放到模拟井里，把每个接收晶体4个方向的信号分别传上来，根据信号的一致性可以检验声系的好坏。

(3)模式选择电路。模式选择电路可以控制电路在单极子、四极子、单独和测试四种状态工作，它主要由模拟开关ADG1409组成。在A1、A0信号的控制下，使用2片ADG1409就可以实现在单极、四极、单独和测试状态下测井。

(4)测试信号产生电路。测试信号产生电路由CD14538及电阻、电容、稳压二极管构成。其主要作用是产生一个脉宽为1 ms的矩形脉冲，用来检验四路滤波电路的一致性。

2.2.3 滤波和自动增益控制电路

滤波和自动增益电路实现对信号的滤波、放大处理和自动增益控制。由于电路空间有限，带通滤波器使用较为常用的Sallen-Key四阶低通滤波器和四阶高通滤波器组成。根据单极子和偶极子信号的频率，带通滤波器通带范围设置为2～18 kHz。电阻和电容的取值可根据Sallen-Key滤波器的设计方程来求取。滤波器运放选用适合传感器信号放大的ADA4004-2。Sallen-Key滤波器的截止频率为式(1)：

一般设计滤波器，为方便计算，元件值使用相等的数值，所以滤波器的截止频率可简化为式(2)：

自动增益电路选用可变增益放大器AD8336。AD8336是一款低噪声、单端、线性、通用型可变增益放大器，可以在较大的电源电压范围内工作。它内置一个非专用前置放大器，可用增益范围为6～26 dB，采用传统方式通过外部电阻确定。VGA增益范围为0～60 dB，绝对增益限制为-26 dB至+34 dB。当前置放大器增益调整为12 dB时，前置放大器与VGA的合并3 dB带宽为100 MHz，该放大器在80 MHz内完全可用。采用±5 V电源时，最大输出摆幅为7 V峰值。采用可变增益放大器可以有效减小电路尺寸，同时VGA的各项技术指标也满足实际使用要求。

2.3 MCU模块设计

2.3.1 MCU模块电路原理框图

MCU模块是井下通用模块，芯片使用的是Actel公司的A3P1000。MCU模块框图如图4所示，主要完成信号采集、激励信号产生、AGC控制、控制信号产生和上传通讯的功能。

图4 MCU原理框图

2.3.2 MCU程序设计

MCU模块一方面要在网络接口模块的控制下进行数据上传和装表；另一方面，也要对接收电路和发射电路进行控制，完成数据采集、滤波和自动增益控制等功能。MCU模块完全受网络接口模块控制，响应网络接口模块下发的各种命令，当收到取数令后，便按照此前收到的服务表内容对电路和软件进行配置，其配置过程发生在每个子周期执行之前，然后完成数据的采集和整理，程序流程图如图5所示。

图5 MCU程序流程图

3 现场实验

仪器研制完成后，在孤古八井进行了实验验证，现场实验时单极和四极都测到了良好的波形，波形图如图6、图7所示。

图6 单极子信号波形图

图7 四极子信号波形图

4 结语

本文介绍了一种利用四极子源的声波测井仪的研制，是四极子源在常规声波测井仪器中的国内首次应用。该仪器样机通过在孤古八井实验，测得了单极子信号和四极子信号，验证了仪器功能，为下一步在油田的应用与推广打下了良好的基础。