随钻声波测井的正弦脉冲激励方法和实验研究

谭宝海,唐晓明,张凯

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580)

0 引 言

随钻声波测井技术自20世纪80年代末问世至今[1],历经了地层纵波、横波和方位声速成像测量阶段的发展,已在海上水平井和大斜度井的钻井施工和储层评价方面发挥了重要作用。目前,斯伦贝谢公司的Sonic Scope、哈里伯顿公司的XBAT和贝克休斯公司的SoundTrak仪器代表了随钻声波测井仪器的最高水平,而中国随钻声波测井仪器研发起步较晚,处于单极子仪器的研制和应用阶段[2-4]。

随钻单极子模式用于测量地层纵波和横波速度,但不适于软地层横波速度测量,而随钻四极子模式波在截止频率附近接近地层横波速度,且不激发钻铤波模式,适于横波测量[5]。然而,随钻单极子声源激发的钻铤模式波幅度往往大于地层纵波的幅度,且相干性极强,这对地层信号形成极大干扰。迄今为止,国内外随钻声波测井仪器均采用刻槽式[6]或变径组合式[7]的隔声体来压制随钻单极子激发的钻铤波,诸多学者开展了大量理论和实验研究,获得了类似隔声结论。例如,苏远大等[8]给出了一种7 in[注]非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同钻铤的刻槽隔声体实测声衰减曲线和数值模拟的钻铤波振幅曲线,其刻槽隔声体的钻铤波最佳有效阻带范围为10～20 kHz。实验测量的声衰减曲线反映,在理论的隔声阻带内的钻铤波衰减量均大于30 dB。建议随钻声波测井仪器的声源最佳工作主频在12～15 kHz附近。此外,理论和实验频谱曲线可以看到,隔声体有效阻带外依然存在大量的钻铤波频率不能通过隔声体很好的压制。因此,随钻单极子仪器的声源带宽最好集中在10～20 kHz附近,且加大声源激励功率以提高地层波的信噪比。

目前,多极子电缆声波测井仪器利用各个发射换能器谐振频率的不同,由不同的发射换能器激发多极子模式波。而随钻声波测井仪器应钻铤强度和安全要求,普遍采用一个四方位发射换能器组合激发多极子声波,即每个方位的换能器需要激发出频率不同的声波[2-3]。目前,随钻声波换能器尚不能实现满足多极子频率要求的多个谐振频率和带宽。声源激励方法和电路方面,单脉冲激励电路因结构简单和频带宽的特点而广泛应用于发射换能器激励[9-11]。然而,其激发的发射换能器仅在谐振频率工作,与激励脉冲宽度无关,不能激发多个声波频率

以实现随钻多极子声源激励。加窗函数调制的正弦波脉冲激励是另一种常用的声波激励方法,近年被用于研究声波测井问题[12-14]。本文采用甲乙类推挽功率放大技术,设计了一种激励参数可控的门控正弦脉冲激励电路,并通过实验考察了频率和带宽特性,用于多极子随钻声波测井的声源激发。

1 硬件设计方案

激励电路由发射主控制器、信号发生器和2个结构相同的激励通道及高压储能和高压电源等电路构成,其结构原理见图1。发射主控制器采用德州仪器公司的数字信号处理器TMS320F28335,主要负责接收来自井下仪器总控的命令,包括单极子/四极子模式、门控正弦脉冲激励频率、幅度、相位和周期个数等参数。TMS320F28335内部FLASH存储器内预置了1个完整周期的门控正弦脉冲采样数据,占128 B。主控制器接收到发射相关命令且译码后,按既定抽取和拼接时序读取FLASH存储器数据,并输出到信号发生器电路。信号发生器由数模转换器DAC1和DAC2,以及低通滤波器组成,作用是将主控制器传送的数字量转化为模拟量,并滤除量化噪声。为了降低2个数模转换器输出信号的非一致性,数模转换器工作于双通道同步的过采样模式,物理上DAC1和DAC2由1个12 bit并口数模转换器AD5447实现,其更新速率高达21.3 Msps。低通滤波器设计为4阶有源低通滤波,-3 dB带宽为30 kHz。

图1 声源激励系统电路结构图

信号发生器输出的正弦波脉冲分别传送到2个独立激励通道:激励通道I和激励通道II。2个激励通道电路结构相同、功能独立,分别激励相互正交的的2组发射换能器X和Y,通过相位控制实现单极子和四极子模式声波发射。每个激励通道由半波整流、功率放大和脉冲变压器电路构成。半波整流电路负责分离正弦波脉冲的正半周和负半周波形,以驱动后级推挽功率放大的2个输入端。信号经功率放大后送至脉冲变压器升压以产生高压脉冲,激励发射换能器X和Y振动而辐射声能量。2通道的高压电源HV1和HV2由井下低压直流+15 V逆变升压到约+120 V后,向1 000 μF电容量的储能电路蓄能提供。高压电源可以被发射主控器关断和开启,以保证在发射完毕后降低系统功耗。

每个激励通道中,变压器耦合的甲乙类推挽功率放大是门控正弦脉冲激励的核心单元(见图2)。前级半波整流输出的正弦波正半周SIN_P和负半周SIN_N信号分别驱动功率放大器Q2和Q3。SIN_P与Q2静态工作点设置VBASP电压经反相加法器U2A叠加,其输出为正弦波正半周上叠加1个直流偏置电压,目的在于减少功率放大信号的“交越失真”。信号输出到Q2功率放大后经脉冲变压器初级绕组A升压激励换能器M。同理,SIN_N与Q3静态工作点设置电压VbisN经处理后驱动脉冲变压器初级绕组B升压后激励换能器M。

图2 声源激励原理图

待机期间,Q2和Q3无正弦脉冲输入,输出近乎为零,脉冲变压器T1初级绕组内无交流电流,发射换能器两端无激励电压。发射期间,当位于正弦波脉冲正半周时刻,Q2导通工作在线性放大区,Q3截止,脉冲变压器初级绕组内交变电流由中心抽头HV流向A端,次级绕组内感生高压,发射正弦波正半周脉冲。同理,当位于正弦波脉冲负半周时刻,Q2截止,Q3导通,脉冲变压器初级绕组内交变电流由中心抽头HV流向B端,次级绕组发射正弦波负半周脉冲。如此交替往复,加载到发射换能器两端的信号相位相反、幅值相等,形成完整的正弦波高压脉冲激励换能器发射声波。

为消除Q2和Q3非工作期间的弱电流和正弦脉冲结束后的拖尾影响,电路中设计了拖尾截断电路,由DRVP_ENB和DRVN_ENB控制。

2 实验与分析

系统采用环氧树脂灌封的YTG-SZ信号随钻声波测井发射换能器,固有谐振频率15 kHz,静态电容C0=14.91 nF。测试系统见图3。发射换能器和接收换能器耦合安装于钻铤的隔声体两侧,发射激励脉冲通过1/100分压和电流采样及接收信号送入数据采集设备,获得数字化数据以便处理。

图3 测试系统结构示意图

2.1 正弦脉冲频率测试

图4给出了5个周期门控正弦脉冲激励发射换能器的信号波形和频谱。图4(a)时域波形图中,激励信号频率从2～15 kHz,形态较好,频率与发射换能器的固有谐振频率无关,但激励电压幅度高频低于低频,分析认为系电路与换能器阻抗匹配差异导致。图4(b)为未归一化的频谱图,主频对应关系较好,随着频率由高到低变化,带宽变窄,激励能量更为集中,有利于随钻声波测井隔声阻带内声源激励。

图4 正弦波脉冲(3个周期)激励信号波形图和频谱图

图5 正弦波与矩形脉冲对比图(13 kHz)

图6 13 kHz激励的接收钻铤波信号波形与频谱图

2.2 正弦脉冲带宽测试

图6给出了单脉冲和门控正弦脉冲激励发射换能器的高压波形和频谱,换能器激励频率13 kHz。图5(a)时域波形中,单脉冲峰值电压约3 100 V,门控正弦脉冲峰-峰值电压约2 200 V,1～5个周期的正弦脉冲形态和幅值一致性较好。图5(b)为归一化的频域幅度谱图,单脉冲激励的频带最宽,顶峰平坦,-3 dB带宽约20 kHz(2～22 kHz);门控正弦脉冲具有明显的窄频带特性,且随着周期个数增加,带宽变窄,且带宽变窄速率越来越小。图5(b)也可看到,单个周期激励的频谱频率向低频偏移,分析认为系激励脉冲尾部的低频拖尾影响,电路有待改进。总体而言,通过改变门控正弦脉冲的周期个数控制激励信号带宽,将声源激励频率和激励能量有效控制在仪器隔声体阻带(如10～15 kHz)内,可以抑制隔声阻带外的钻铤波产生。

2.3 接收波形测试

为进一步验证上述结论,图6给出了不同周期个数正弦脉冲激励获得的接收钻铤波信号波形和频谱图,发射换能器施加的电脉冲频率13 kHz,隔声体阻带12～20 kHz。图6(a)可以看到,在3～5个周期个数激励内,接收换能器接收到的声波信号幅度随着激励周期个数的增多而明显增强,5个激励周期后,幅度变化不明显。分析认为,发射换能器辐射声波能量在5个周期左右接近效率最大。图6(b)给出接收波形的归一化幅度频谱图,考虑13 kHz激励主频处隔声体衰减是相同的,将13 kHz激励主频的频谱对齐处理。随着激励1个或2个周期时,10、15 kHz及20 kHz以上具有较大能量通过隔声体,3、5、10个周期激励时,13 kHz主频外通过隔声体能量差别不大。结合图5(b)分析,1个或2个周期个数激励的信号具有相对较宽的带宽,隔声阻带外存在激励能量,尽管获得了隔声体的衰减,但仍较大。3个周期以上的激励信号带宽基本在阻带内,故阻带外几乎没有激发的钻铤波成分。

3 结 论

(1)采用推挽式功率放大技术设计了多极子随钻声波测井激励源,并进行了实验测试。

(2)正弦波激励源施加的激励信号频率基本与换能器固有频率无关,但激励功率与阻抗匹配有关,因此,该脉冲源可用于四方位组合换能器的多极子声源激励。

(3)激励频率确定的条件下,通过改变激励信号的周期个数,能够控制激励信号带宽,从而保证钻铤波位于隔声体阻带内,降低数据采集电路的滤波要求,提高测量声波信号的信噪比。