井孔三分量时间域电磁探测自适应恒压钳位发射技术

赵子杨 ，刘丽华 ，柯振 ，晏使楚 ，刘小军 ，肖占山

(1. 中国科学院 空天信息创新研究院，北京，100094；2. 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京，100049；3. 中国科学院 电磁辐射与探测技术重点实验室，北京，100190；4. 中国石油集团测井有限公司 测井技术研究院，北京，102206)

能源资源安全是国家安全的重要一环，面对新时代复杂形势下的国际能源供应局面，大力发展立足国内的能源资源勘探以实现能源自给，对于经济发展与国防安全具有重要的意义。地球物理探测技术是能源资源勘探最主要的方法之一，电磁法测井技术作为地球物理探测的重要方法，近年来得到了广泛的应用发展。国外对于井孔电磁法探测的应用研究开展较早，经过数十年的发展，Schlumberger、Baker Atlas、Halliburton 等公司在频率域电磁测井的商用领域处于世界领先水平，其DeepVISION、DeepTrak、EarthStar 等系列产品通过多分量发射接收组合，可在一定频率范围内实现固定频点的较远距离空间探测[1-2]。国内业界在陆续引进部分频率域电磁测井仪器的同时，也在进行自主产权设备的技术攻关。此类设备产品受限于频率域电磁法原理，为实现远距离探测，随着探测距离增加，仪器结构长度越来越大，甚至达到30 m 以上，给仪器制造、现场应用、服务成本控制及数据解释等带来诸多不便[3]。

井孔时间域电磁法具备探测距离远、空间环境适应性强及仪器制造成本低等优良特性，被认为是未来井下电磁探测的重要发展方向之一。目前，国内外对于井孔时间域电磁探测的研究较为匮乏，国内井下时间域电磁法的工程应用均聚焦于地-井探测，主要包括中煤科工集团研制的YCS系列、中国地质大学(武汉)研制的CUGTEM 系列等设备，此类设备的设计原理与结构特性使其只能满足中浅部的矿井探测[4]，而井孔地下空间时间域探测的相关研究目前处于起步阶段，需要开展更深入的研究与技术攻关。

电磁脉冲发射机是时间域电磁探测工程的核心部分，直接影响时间域电磁探测性能与效果。井孔空间远探测要求发射系统通过较小的设备尺寸实现较大功率电流脉冲发射，其关键设计难点在于如何在设备小型化的基础上实现大功率时间域电磁信号激发、强感性负载条件下发射电流脉冲下降沿快速高线性度关断、多分量发射负载切换及复杂环境需求下的相应动态优化等。

在时间域电磁探测发射系统中，目前普遍采用有源或无源的恒定电压钳位方法，对电流脉冲下降沿进行整形优化。有源钳位电路由于需要额外的独立电源，要求足额的功率输入与充足的器件空间以容纳整套钳位电路，故多用于对空间要求不敏感的大功率电磁脉冲发射机。普遍用于小尺寸发射机的无源恒压钳位技术通过固定的无源器件实现恒定钳位电压，对发射电流脉冲下降沿进行钳位整形优化。这两种钳位方法[5-7]虽已成熟，但由于钳位电压固定，发射电流脉冲下降沿速率无法改变。

本文作者通过对井孔空间远探测技术难点的深入研究，提出一种无源自适应恒压钳位技术，设计并研制完成基于该技术的三分量时间域电磁发射系统。为验证发射系统技术指标及性能，完成发射系统室内测试与测井仪器集成调试，并进行测井设备的系统集成与联合测试。该发射系统可针对不同发射负载、不同探测目标、不同工作环境，实现长时间工况与负载环境变化下发射电流脉冲下降沿自适应钳位整形优化，满足井孔时间域电磁探测的工程应用要求。

1 井孔时间域电磁探测三分量发射系统设计

时间域电磁探测的基本原理为发射线圈通过脉冲电流激发一次场，然后在某时刻控制线圈中的电流关断使地下目标感应产生涡旋电流进而激发二次场，接收传感器通过探测二次场信号获取目标的电性特征，实现地下探测目标参数测定[8-10]。

井孔时间域电磁探测系统工作示意图如图1(a)所示，电路系统、发射线圈和接收线圈均处于井下空间，集成于沿井孔轴向排列的曳引装置上。由于井孔尺寸限制，该设备设计为径向尺寸较小、轴向尺寸较长的长柱状，在有限的探测空间中保证各个模块能够正常运行。井孔探测环境如图1(b)所示，探测系统通过曳引装置引导，可抵达目标区域完成电磁探测工作。

图1 井孔时间域电磁探测系统工作示意图Fig. 1 Schematic diagram of borehole time domain electromagnetic detection system

发射系统整体设计如图2所示，主要包括直流电源输入、数字逻辑控制器、MOSFET 全桥逆变电路、电流检测与采集电路、自适应钳位电路、发射负载、三分量输出电路等部分。其中，低压直流电源模块作为发射机整体工作电源，提供大功率发射源与转化后的各元器件供电源；MOSFET 全桥逆变电路作为发射主功率部分产生双极性方波脉冲；无源钳位电路用于实现下降沿钳位电压的自适应整形优化；电流检测与采集电路通过高精度霍尔传感器与AD采集实现电流检测采集；三分量输出电路用于实现不同发射分量输出的动态控制；数字逻辑控制器用于产生各模块所需逻辑控制信号以及实现自适应钳位控制策略；发射负载为三分量发射线圈，通以交变电流产生探测所需电磁场。电流检测与采集模块、数字逻辑控制器及其直接控制的无源钳位电路共同组成了无源自适应恒压钳位整形优化功能的实现主体。

该系统的发射机电路拓扑图如图3所示，系统的主体工作电路为全桥逆变电路、自适应无源可调钳位电路、三分量输出发射电路。全桥逆变电路由直流电源Us、单向二极管D2和4 个MOSFET组成。在自适应无源可调钳位电路中，DZ1～DZn为若干钳位器件，SD1～SDn为相应的低延时通断控制器，D1为阻流二极管；R1为限流电阻，通过驱动控制SD1～SDn状态改变DZ1～DZn在无源钳位电路中的接入数量以实现钳位电压的多级选择，使电流脉冲下降沿以期望速率快速线性下降；在三分量输出发射电路中，L1、L2、L3分别代表三个分量的发射负载，Rd为介入的阻尼电阻，实现发射电流脉冲下降沿末期的震荡消除。在发射系统工作时，受逻辑控制器控制的全桥逆变电路在激发相应电流脉冲后，通过驱动控制实现无源钳位器件自动可控接入，起到自适应钳位电压整形优化作用。设置系统发射频率为0.01～1 000 Hz，控制器核心为采用50 MHz 频率时钟的FPGA 芯片，可满足逻辑控制所需精度，实现相应逻辑信号接收执行及控制信号输出，包括全桥逆变电路控制、发射电流采集信号接收执行、无源钳位电路控制、三分量动态输出、与接收机的数据传输等。

图3 发射系统电路拓扑图Fig. 3 Transmission system circuit topology diagram

2 无源自适应恒压钳位技术

在时间域电磁探测中，激励产生的电磁场物理参数和最终效果由电流脉冲特性决定，而电流脉冲的下降沿关断速率会对探测目标的电磁响应产生较大影响[11-14]。因此，发射电流脉冲下降沿优化是时间域电磁探测的关键，其优化程度是发射系统性能的核心指标。

井孔时间域探测发射系统的钳位设计存在诸多难点与要求：井孔时间域三分量发射探测中，不同分量发射负载的物理参数存在较大差别，传统的恒定电压钳位方法无法满足多分量发射电流波形的优化需求；为实现井孔周围空间由近及远全距离探测覆盖，发射电流、关断速率激发的电磁信号频率和带宽均不同，要求电流关断斜率能够自动调整；此外，部分井下环境温度较高，发射负载线圈长时间通电导致的温度变化会对发射负载物理参数产生不可忽略的影响，而恒定不变的钳位电压作用在阻抗发生变化的负载上，导致电流下降沿斜率发生变化，从而影响发射系统的稳定性。针对上述问题，本文提出一种适用于井下小型化、低功耗要求的无源自适应恒压钳位设计方法，通过动态自适应控制无源钳位电压实现发射电流下降沿的自动优化调整。

2.1 设计原理分析

无源自适应恒压钳位技术优化效果如图4 所示，其中，I0为发射平顶段峰值电流幅值。通过不同档位的钳位电压对发射电流下降沿产生不同的整形作用。通过控制图3 电路中控制开关SD1～SDn的状态，改变钳位器件DZ1～DZn的接入数量，从而利用无源钳位电压Ud的多级选择，动态调整下降沿斜率，实现对电流脉冲下降斜率的精确控制。

图4 自适应多级钳位效果示意图Fig. 4 Schematic diagram of adaptive multi-level clamping effect

本设计中，无源钳位器件基于齐纳二极管实现，该器件具有独特的反向偏置条件下反向稳压特性，可以实现无源钳位作用。该无源钳位电路作用于全桥逆变电路的等效电路如图5 所示，其中，RL和L为负载的等效阻抗与电感，IRd为半桥截止时流经阻尼电阻的电流，D2为钳位电路单向二极管，DZ为等效钳位器件。当全桥逆变电路中半桥导通时，其等效电路如图5(a)所示，此时，电源US直接向负载供电，电流波形经过上升沿达到电流平顶段，幅值为I0，发射负载处于发射状态，DZ反向截止；半桥截止时钳位器件作用实现的等效电路如图5(b)所示，此时，电源US开路，感性负载激发出较大瞬时电流，大部分电流通过D2流至DZ泄放，电流为IZ，由于齐纳二极管的反向稳压特性，负载两端电压被钳位至Ud实现无源钳位，Ud由钳位器件参数及接入数量决定。在电流关断晚期，能量主要消耗于阻尼电阻Rd，对应电流为IR，实现电流尾部过冲抑制。

图5 无源钳位器件作用实现等效电路Fig. 5 Passive clamping device equivalent circuit

结合图4 与图5，在t1～t3时间段，外部电源US为发射系统供电，实现相应发射电流脉冲输出，在t3时刻半桥截止关断，发射电流在无源钳位电压Ud的作用下快速下降，关断时间Δt为[14-17]：

对应的发射电流下降沿斜率K为：

2.2 控制策略与逻辑

自适应恒压钳位控制策略如图6所示，Iin为发射电流初始值；实时电流I0为决策反馈量；钳位器件接入数量N及其钳位电压Ud为控制对象；发射负载阻抗RL和电感L为未知量；当前发射电流下降斜率Ki和关断时间Δt为控制过程中的改变量；Iout为控制过程完成后的发射电流输出量。自适应恒压钳位控制过程中，电流脉冲Iin激发后，经霍尔电流传感器检测与AD采集得到的I0与Δt反馈至控制器，控制器根据自适应控制策略产生PWM信号，驱动控制无源钳位电路中钳位器件数量N，Ud随之发生改变使电流下降沿以目标斜率KS快速线性下降。

图6 自适应钳位控制策略Fig. 6 Adaptive clamp control strategy

自适应控制过程初始默认设置钳位器件接入最高档位，此时，钳位电压为可调范围内最大值。在下降沿关断期间，通过分析反馈量参数的变化，得到当前下降斜率，结合反馈量参数可计算得到发射负载相关参数：负载等效阻抗负载电感L=UdKi以便对控制量做出相应决策。由于在多级无源钳位设计中，Ud只由无源钳位器件接入数量N决定，即

式中：VZ为接入的钳位器件的等效电压；Ni为钳位器件初始数量；Nv为钳位器件改变数量，通过控制Nv使Ki近似等于KS，结合式(2)和(3)可得：

令N′v=[Nv]，通过控制钳位器件接入数量改变N′v可满足相应电流下降沿斜率变化要求。实际电路设计中，须避免电压跳变对钳位器件带来的损坏，可控钳位器件接入数量按照阶梯递减或递增，进而实现钳位电压的阶梯逐渐变化。在自适应控制状态稳定后，下降沿当前斜率Ki和目标斜率KS满足：

式中：k为器件参数决定的最小固有误差，即Ki在一个最小可控范围(KS-k，KS+k)内保持稳定。当工作环境温度及负载物理参数改变时，则继续进入自适应控制周期，最终实现发射电流脉冲按照预设下降沿速率稳定输出。

以无源自适应恒压钳位控制发射电流下降沿斜率减小的过程为例，时序逻辑如图7 所示，其中，I为发射电流；控制过程中，在t1～t5时间段，无源钳位器件接入数量为N2，钳位器件组等效齐纳电压为Ud2，此发射周期内，t1～t2和t3～t4两个关断过程分别受到钳位电压为Ud2和-Ud2的钳位整形优化，使发射电流下降沿快速线性下降。需要进行控制调整时，为避免出现亚稳态，在该周期结束延迟一定时间后的t5时刻，控制无源钳位电路中钳位器件接入数量调整为N1，相应的钳位器件组等效齐纳电压为Ud1，在下一发射周期内，t6～t7和t8～t9两个关断过程中，发射电流分别受到Ud1和-Ud1的钳位作用，下降沿下降速率放缓，斜率减小，激发的电磁场参数随之改变。增大发射电流下降沿斜率的控制过程与之类似，故不再赘述。

图7 时序逻辑示意图Fig. 7 Timing logic diagram

由此，根据该自适应控制策略，在时间域探测过程中可实现不同需求下的自适应发射控制。对不同探测目标，系统激励的一次电磁场可根据需求电流脉冲波形动态变化，对目标体进行多维度探测；针对长时间探测或工作环境改变引起的负载温度变化导致的负载电参数变化，可通过此策略完成发射脉冲电流的波形稳定。

3 三分量动态发射设计

在时间域电磁法探测工程中，发射线圈的设计直接影响激发瞬变电磁场的性能参数[18]。与传统单分量发射线圈相比，三分量井孔时间域电磁探测发射线圈的各分量物理特性不同，当各发射线圈使用相同的电流脉冲作为输入时，会造成电流波形质量下降或额外功率损失，降低电磁系统探测能力。

3.1 三分量发射线圈设计

用于井孔时间域探测的发射线圈由于在有限空间内缠绕致密，可等效为共轴多匝圆形回线线圈，其电阻R和电感L可以分别表示为[19]：

式中：n为线圈匝数；ρ为线圈电阻率；r1为线圈回线半径；r2为线圈自身截面半径；Mij对应为ij线圈之间互感；Li为线圈i的自感。考虑到发射线圈材质、回线半径、电流及法向方向等参数近似一致，可以认为自感Li主要与线圈自身截面半径、周围截至及线圈回线半径r1有关，互感Mij主要与线圈回线半径r1有关。结合式(2)～(5)可知，线圈自身物理参数直接影响探测系统发射电流、关断时间及斜率等性能参数。多匝圆形发射线圈在井孔周边产生的全空间时间域电磁场磁场强度[19]为

式中：Pm为磁偶极矩；l为观测点到源点距离；电磁时间常数ϕ(u)为误差函数。

由式(8)可知，时间域电磁远探测的磁场强度和Pm相关，而共轴多匝线圈体系中Pm=nπIr12，因此，线圈自身物理参数也会影响电磁场的性能参数，发射线圈在设计时须同时考虑结构、空间容量、匝数、缠绕方式、线圈材质等多种因素。

三分量发射线圈结构设计如图8所示，三个分量的线圈依次分布于细长圆柱形结构且两两正交垂直，发射电路通过相应接口向三个分量的线圈输出发射电流。该设计在减少线圈互感影响的同时满足全空间广覆盖的时间域探测要求。其中，X、Y分量为多匝矩形线圈，采用单层平行并列绕制、多层紧密覆盖的设计，在有限空间条件下达到更大的等效面积；Z分量为多匝圆形线圈，为实现较大的等效面积的同时减小线圈的分布参数，采用分节串联方法绕制。三分量发射线圈整体设计在最大化利用预留空间的同时，使机械刚体结构与线圈之间尽量紧密整齐，以保证各分量正交，同时最大化降低各分量线圈间串扰。

图8 三分量线圈设计图Fig. 8 Schematic diagram of three-component coil structure

该发射线圈的支撑结构主体为高分子刚体结构，发射线圈线材为聚酯漆包铜线，具有耐刮磨、耐酸碱、耐高温等良好的电气性能，漆包铜线表面覆盖的聚酰亚胺薄膜起到线圈匝间安全隔离作用。由此，三分量发射线圈具有良好机械性能，可供发射系统在交变电流激励下形成稳定的瞬变电磁场。

3.2 三分量发射动态控制

三分量动态发射控制如图9所示，控制器通过动态选择控制实现三分量发射的时序切换，实现三分量动态可控输出。在不同物理参数的分量进行动态切换时必然带来发射电流脉冲下降沿关断斜率的变化，结合2.2节中自适应控制逻辑，系统可基于分量切换后的参数采集反馈，控制器驱动控制钳位电路，对不同发射分量进行自适应钳位整形优化，实现相应的电磁场激发与预期探测效果。

图9 三分量发射动态控制Fig. 9 Three-component transmission dynamic control

4 发射系统研制与实验结果

4.1 发射系统研制

研制完成的发射机电路如图10 所示，包括电源模块、控制模块与功率电路。外部电源输入直流电压为24 V，电源模块包括功率电源和弱电电源，并进行电气隔离，分别为功率模块和控制模块供电；电路板宽度小于50 mm，固定于设备内部。

图10 发射机电路实物图Fig. 10 Transmission circuit diagram

研制完成的三分量发射线圈如图11 所示，从右到左分别为X、Y、Z三分量发射线圈。三分量发射线圈的参数如表1 所示，发射传感器X分量与Y分量参数一致，其线圈匝数均为80，单匝有效面积3 200 mm2，Z分量线圈匝数为700圈，单匝有效面积为750 mm2，漆包铜线的截面积均为0.785 mm2。三分量发射线圈与发射电路通过绝缘高温导线相连实现三分量动态发射。

表1 三分量发射线圈参数Table 1 Three-component transmitting coil parameter

图11 三分量发射线圈实物结构Fig. 11 Physical structure of three-component transmitting coil

4.2 实验测试结果

首先，于实验室条件下进行相应系统测试，系统由外接24 V 直流电源供电。测量仪器为Tek示波器及其高精度电流探头。发射电路与接收电路之间通过线同步实现通信工作，发射电流被霍尔元件检测后，被采集至发射机控制器，作为重要的反馈量参与自适应钳位决策，同时经差分传送至接收机进行同步采集与存储，用于后续电磁响应数据的处理与解释。

发射系统钳位电压范围设计为100～500 V。在最高一档钳位作用下，发射电流波形实测结果如图12 所示，其中，脉冲重频25 Hz，占空比50%，发射电流峰值达到10 A。可以看出，发射系统可产生稳定可靠的双极性方波脉冲电流，其下降沿关断速度快、线性度高，尾部振荡得到有效抑制，满足井孔时间域电磁探测的发射电流要求。

图12 25 Hz、50%占空比发射电流波形Fig. 12 Waveform diagram of emission current at 25 Hz and 50% duty cycle

在完成实验室条件测试后，本系统在中石油测井应用研究院进行测井设备的系统集成与联合测试，测试环境如图13 所示。探测设备适用于井径为20～66 cm 的探测井，设备提供24 V 直流电源为发射系统供电，在25 Hz、50%占空比发射状态下进行测试。由于本发射系统的X分量和Y分量线圈参数一致，此处只列举X分量和Z分量发射线圈在自适应钳位作用下的电流发射测试结果。

发射机支持无源自适应恒压钳位调节，可按设定技术指标对发射电流下降沿进行不同斜率的钳位整形优化。在发射电流为10 A 条件下，模拟不同探测需求下的下降沿斜率要求，设置X分量电流下降沿斜率KS为0.30、0.24、0.18、0.12、0.06 A/μs，设置Z分量目标斜率KS为0.10、0.08、0.06、0.04、0.02 A/μs，实际测量得到的相应电流下降沿波形如图14所示。

图14 自适应钳位电压对下降沿斜率控制效果Fig. 14 Control effect of adaptive clamp voltage on falling edge slope

由图14 可以看出，在对电流关断过程设定不同斜率KS后，通过钳位器件接入数量的自适应控制切换，可以实现相应的钳位电压对发射电流下降沿斜率的自适应优化。设定的目标斜率KS越高，发射电流下降沿斜率越大。在对集成发射系统的测井设备进行长时间测试后，发现系统仍具有良好的发射稳定性和发射电流下降沿高质量关断，可以满足实际的井下时间域远探测需求。

5 结论

1) 发射系统通过无源自适应恒压钳位、阻尼吸收以及集成化结构等设计，在有限空间下实现电流脉冲下降沿高质量关断。

2) 无源自适应恒压钳位技术通过检测采集电路、自适应控制逻辑策略、无源钳位器件驱动控制等，对发射负载施加多级动态自适应钳位电压整形作用，实现发射电流脉冲下降沿斜率的自适应控制。该技术具有功率损耗低、适应能力强等优良特性。

3) 经实验测试，在自适应恒压钳位技术作用下，发射系统电流脉冲下降沿可在高质量关断的同时实现自适应斜率控制，实现时间域探测所需电磁场激励，对井孔时间域电磁探测工程具有应用前景。