方位远探测声波测井仪便携式检测声源研究

魏建宝 刘先平 桑强 王强 唐宇霖 韩明明

（1.中国石油集团测井有限公司天津分公司,天津 300280）

（2.中国石油集团测井有限公司测井技术研究院,北京 100200）

（3.中国石油集团测井有限公司物资装备公司,西安 710200）

引言

电子技术的飞速发展和制造工艺水平的巨大进步，极大的推动了声波测井仪器的升级换代进程，成像类声波测井仪器的规模化商业应用，标志着声波测井技术进入了新的发展阶段[1,2]。方位远探测声波测井仪是中国石油测井公司天津分公司研制的新一代基于井中反射回波测量的声波成像测井仪器，其探测距离可达到40米，最大周向方位分辨率22.5度[3,4]。为了探测到更丰富的地层信息，其接收声系采用了声电一体化的结构设计，换能器探头与采集电路封装于同一短节中，声系内含10个接收站，每个接收站在周向上均匀分布了8个接收换能器探头[5]，声系探头规模的大幅度增加给现场技术人员检查维修时带来一定挑战，传统人工敲打外壳的检测方式已不能满足其现场检查诊断的需要，所以迫切需要研制一种专用的声源装置以检测方位远探测声波测井仪接收声系的工作状态。

1 整体方案设计

检测方位远探测声波测井仪接收声系时，需要提供多道稳定且频率、幅度均一致的声源信号，以持续观测并判断各接收通道的采集情况，进而判断接收声系是否受损。该装置由控制箱、贴合结构以及发射探头构成。控制箱和贴合结构之间通过多股低阻抗双绞线连接，连接线外部加上保护皮套以应对较恶劣的现场环境。控制箱提供电源并产生用于驱动声发射探头的电信号，可在一定范围内调整信号的频率和幅度的大小；贴合结构用于固定声发射探头，保证声发射探头与被测声系的声窗充分贴合，使得发射的声能量尽量被声系探头接收；声发射探头将控制箱输出的电信号转换为声波。

控制箱的组成结构如图1所示，其内部由锂电池、电源调整模块、信号发生板、功率放大板组成。由控制箱提供稳定的声波模拟信号源电信号激励声发射探头，将方位远探测声波测井仪便携式检测声源装置的贴合结构固定在声窗处的外壳上，可以在仪修车间或者测井现场快速检测方位远探测声波测井仪接收声系各个采集通道的工作情况，其使用示意图如图2所示。

图1 控制箱结构组成

图2 检测装置使用示意图

2 信号发生板

信号发生板以ICL8038芯片为信号源控制核心，该芯片能够产生频率和占空比可调的0.001Hz-300kHz低失真正弦波、三角波、矩形波等信号[6]，且具备高电平输出范围、频率温度漂移小、控制电路相对简单、价格低廉的优点，声波频率范围为20Hz-20kHz，该芯片完全能满足本文设计的需要。信号产生板采用正负电源供电，将ICL8038输出的正弦波信号作一定的失真度调整和频率调整后，经滤波、幅度调整、缓冲后输送给功率放大板。图3是信号产生电路的原理框图。

图3 信号产生板电路原理框图

3 功率放大板

由于需要同步驱动八路声波发射，信号发生板的功率不能满足要求，因此，设计并制作了功率放大电路板。OPA445是一个单片运算放大器，较宽的电源供应范围 (±10V～±45V)，高压摆率(15V/µs)，低输入偏置电流（10 pA），被广泛应用于高输出电压或大型共模电压纹波的电路中。设计采用OPA445作为信号的输入缓冲放大器，其电路如图5所示。

图5 缓冲放大电路原理图

LM1875是一款具备过载保护功能的功率放大芯片，其采用TO-220的封装结构，芯片体积小，外围匹配电路简单，且输出功率可达到30W，功率带宽70kHz，电流输出能力可达4A。设计采用LM1875作为功率放大功能的实现载体，其电路原理图如图6所示。

图6 功率放大电路原理图

4 贴合机械结构

贴合装置用于固定声发射探头并使声发射探头与接收声系充分贴合。由于接收声系声窗尺寸固定，选取发射探头的尺寸需小于声窗尺寸。调研市场上的声波发射探头后选用图8所示的声发射探头，该发射探头长53 mm、宽18 mm、阻抗8Ω、功率2 W，带有安装过孔。

图8 声发射探头照片

声波发射探头的两端有固定圆孔，插入沉头长腿螺丝后先用一个螺帽固定住，在螺帽外面的螺丝上套弹簧，在固定贴合结构上有与声波发射探头孔径一致的开孔，套在长腿上弹簧与固定贴合装置紧密压合，长腿螺丝穿过固定贴合结构后，外部再用一个螺帽固定住，图9为声发射探头及其弹性固定示意图，图10为贴合结构图。

图9 声发射探头弹性固定方式图

图10 贴合结构设计图

5 应用与结论

将安装有声发射探头的贴合结构安装在方位远探测声波测井仪接收声系声窗处的外壳上，见图11所示。方位远探测声波仪器设置处于工作状态，控制箱供电后，激励声发射探头产生声波，由在AXP600地面采集系统上显示的波形如图12所示,可以明显看出有一道接收波形异常，后期拆解声系后发现此问题由信号预处理板损坏导致。

图11 装配在接收声系上贴合装置

图12 地面采集系统波形显示