基于震电测井系统的接收电路研究

唐智恺，孙向阳

（电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都, 611731）

0 引言

随着社会经济的发展，虽然人们开始注重新能源的开发和利用，但是石油这种老牌资源依旧在工业发展等方面占有很大的比重，石油资源已经是我国最重要的战略资源之一，石油资源的探测技术研发和相应的探测仪器研制能力是国家工业实力的重要指标。因此，新型勘探仪器的研制对于油田的寻找、石油的开发是实用且急切的，对于石油资源勘探技术和勘探仪器的研究对当今社会资源的开发和利用有重大意义。震电测井具有声波测井的优点，又不同于声波测井，它不会产生钻铤波，因此也隔绝了钻铤波的干扰，能快速准确地获取地层参数，震电测井在未来的油气勘探领域将有重要地位[1]。本文的震电测井系统包含发射和接收两部分。发射终端换能器的谐振频率为23.4kHz，接收电路也是基于这个频率设计，由于采集的信号非常微弱，所以需要信号采集板是对信号进行各种处理，通信板控制信号采集板的数据上传，在上位机中进行数据的分析处理。

1 震电原理

震电效应是地下介质中机械波和电磁波的能量耦合与转换，它主要存在含流体的孔隙介质中存在固液分界面[2]。初始态时，固体表面存在负离子，液体表面存在正离子。当有声场扰动时，双电层会产生同步振动，从而激发时变电磁场。震电信号不受声波极强的背景干扰，既能反映地层声速等参数，又能度量孔隙度、渗透率、矿化度等地层物性参数。刘瑞文老师对24块砂岩进行了筛选测试[3]，将其加工成岩样，使用真空泵抽空并进行干燥处理。把砂岩分成3组，分别用空气、水和原油使得岩样饱和，在同等环境下进行测试，得到波速和孔隙度表达式。

表1 不同饱和岩样的波速对比

波速见表1所示，其中波速单位为km/s，a为孔隙度，单位为%。孔隙介质中不同的饱和物质会影响声波在其中的传播速度，因此可以根据声波波速反向推导出地层信息。一般来说，震电能量的转换效率为10-5量级，而对于含有流体的孔隙介质，某些情况能达到10-3量级[4]，同时在含流体的多孔隙介质中，流动电势效应[5]产生的震电信号比较强，便于接收，因此本文主要是基于含流体的多孔隙介质中的流动电势效应。

测井系统如图1所示，对地层中流体孔隙介质激励声波信号时，该信号沿井壁传输，此时用天线直线阵紧贴井壁接收，就能接收到震电效应产生的微弱电磁波，而等间距天线直线阵是在不同时刻采集到震电信号。通过相关算法可以得到波速图，从而推断地层参数。在该模型中信号主要有三种传播方式：第一是通过液体进行传播，这种传播方式的特点是速度较慢；第二种是在固液交界面进行传播，称这种信号为斯通利波，特点是速度缓和，且在相同激励条件下，观察到的幅度较明显；第三种是通过固体传播，也就是在井壁中传播，特点是速度最快。

图1 测井系统模型图

2 电路设计

接收到的震电信号非常微弱，容易淹没在噪声中，因此对接收电路提出了要求。首先是电路板上的元器件，尤其是芯片，要选用低噪声器件，同时对于噪声的消除方面，分别考虑带内噪声和带外噪声。带外噪声的抑制可以通过滤波器这样的模拟器件实现，而带内噪声的抑制就需要借助算法等来实现。接收电路结构如图2所示。

图2 接收电路框图

考虑到接收天线的设计有如下限制：（1） 震电信号和换能器激励的声波信号是同频的，在几kHz到几十kHz，都是极低频； （2）井下勘探限制了天线的立体结构。所以最终采用平面螺旋天线的形式。

第一级放大器为仪表放大器，它高精度差分电压放大器[6]，在高增益的情况下噪声小，因此把仪表放大器作为前置放大器，并设置高增益，以降低噪声。仪表放大电路如图3所示，选择芯片AD8429，该芯片的输入输出电压噪声密度低，最高只有几十nV，并且共模抑制比和电源噪声抑制比高，对噪声的抑制性能好，同时该芯片的增益设置简单，利用单个电阻可控制增益。对应的增益公式见式1，设置RG=6Ω，则增益为1001倍。

滤波器可以分为有源滤波器和无源滤波器，其中无源滤波器仅由电感、电阻和电容来实现，相对于有源滤波器来说不够稳定，同时噪声也大，因此选择有源滤波器。有源滤波器的芯片选择ADA4084-4，它的单位增益稳定，噪声小，功耗低，并且该芯片为四通道，可以用一块芯片设计一个八阶滤波器，节省了PCB板的空间资源。电路为八阶压控电压源带通滤波电路，由四阶低通滤波电路和四阶高通滤波电路组成。此带通滤波器在电路板上共有两个，分别接在第一级放大电路和第二级放大电路后面，通带为15kHz-35kHz，用于滤除带外噪声。低通和高通滤波器结构如图4所示。

第二级和第三级放大电路为同向放大电路，如图5所示，芯片选择AD8672，它电压噪声密度低，增益带宽积满足设计要求。设置增益为20dB，主要对信号进行再次放大，并对滤波器产生的信号衰减进行补偿。三级放大电路的设计不仅将当前实验中微弱的震电信号进行放大，也方便后续实验中增益的调整。

图3 AD8429仪表放大电路

图4 滤波器结构图

图5 同向放大电路

模数转换部分的芯片选择是AD7980，其转换速率高，位宽为16位，电压分辨率见式(2)。FPGA选型为Xilinx公司的spartan3E系列的XC3S250E-4VQ100C，PROM为同一公司的XCF02SVOG20C芯片。

由于AD7980是单极性的，即输入部分只能是非负信号，而经过放大滤波后的震电信号是双极性的，因此在模数转换电路前面还需要添加一个电压调理电路，将双极性的信号变成单极性信号，该电路为减法电路，电路图如图6所示。

3 实验室测试

测试环境如图7所示，将压电陶瓷换能器和天金属骨架放在U型石槽中，骨架下方是天线阵列，天线阵列紧贴油石放置。天线和骨架接口处做好密封防水措施，骨架内包含接收电路和导线，导线通过防水接头引出并与上位机相连。当开启发射系统时，发射系统激励换能器产生声波信号，声波信号与震电信号同频，同时发射系统会产生同步信号，该信号传输到通信板上，它的作用是通知接收电路开始对模数转换后的震电信号进行采集并准备传输，此时通信板开始工作，负责选择不同的信号采集板开始数据上传。

图7 测试环境图

4 实验测试结果

震电信号的原始波形如图8所示，可以看到直耦信号几乎是是同时到达的，而随着换能器与对应通路的天线距离逐渐变远，震电信号与直耦信号的距离也在逐渐变远。

图8 震电信号原始波形

将测得的数据保存到上位机中，并进行速度时间相关算法的处理，得到如图9所示结果。横轴表示的是时间，纵轴表示信号速度，颜色越深表示速度和时间的相关性越大。声波在传输过程中有纵波、横波以及斯通利波，其中纵波最快，斯通利波幅度最大。图中纵波波速为3700m/s，横波波速为3100m/s，斯通利波波速为1500m/s，根据第一个天线到换能器的距离进行计算，测试结果满足预期设计。

图9 速度时间相关算法图

5 结语

本文通过研究震电效应理论，设计了基于震电测井的接收电路，并通过该电路完成了对震电效应的验证，为后续仪器的制作提供了思路。该电路也存在不足：一方面是信号在传输过程中不可避免会带有噪声，提高信噪比是需要解决的问题；另一方面，该电路只能将原始模拟信号转换成数字信号传到上位机中，由上位机进行处理。因此，最好在电路板上完成对数字信号的处理，设计出的仪器才更加方便。