新一代聲波測井儀系統(tǒng)設(shè)計

鞠曉東，喬文孝，趙宏林，盧俊強(qiáng)，門百永，吳文河

（中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室，北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京 102249）

0 引 言

以斯倫貝謝公司為代表的新一代多維掃描成像即Scanner系列[1－5]，預(yù)示著測井方法和探測技術(shù)的重大進(jìn)步，其中聲波測井儀器的代表是SonicScanner。我國的聲波測井儀器研發(fā)水平已經(jīng)從學(xué)習(xí)模仿為主提升到了具有較全面的自主創(chuàng)新階段。為此，國家油氣重大專項和中國石油天然氣集團(tuán)公司重大科技項目中均設(shè)立了具有三維探測能力的新一代聲波測井儀器的研發(fā)課題，為我國聲波測井技術(shù)的發(fā)展提供了巨大契機(jī)。

新一代聲波測井儀需要實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)：由大功率發(fā)射振子組成的三維相控發(fā)射器陣列；由高靈敏度寬帶接收振子組成的相控接收器陣列；聲系內(nèi)部與傳感器組合并以高密度集成的耐高溫、高壓電子單元；儀器系統(tǒng)實時控制和多節(jié)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

要實現(xiàn)對井周三維空間的探測，必須將探測器元件大規(guī)模陣列化，使聲波波束能夠沿著井周和井軸方向進(jìn)行可控式掃描激勵和接收，從而得到較高分辨率和信噪比的地層聲波波形參數(shù)成像。

當(dāng)儀器中具有被獨(dú)立激勵或接收的傳感器單元接近甚至超過100個時，就屬于探測器的大規(guī)模陣列化。本文所涉及的聲波儀器的三維發(fā)射陣列為32單元，接收陣列為64單元并可進(jìn)一步擴(kuò)展，此外還包括與傳統(tǒng)聲波成像儀器的兼容部分，故屬于大規(guī)模陣列化儀器。由于新一代測井儀探測器元件的大規(guī)模陣列化，對系統(tǒng)設(shè)計提出了完全不同于以往傳統(tǒng)儀器的要求：①傳統(tǒng)的傳感器與電子系統(tǒng)通過短節(jié)間連線的方式已變得不可能，必須采用創(chuàng)新的機(jī)電一體化探測器形式；②強(qiáng)（發(fā)射）、弱（接收）信號通道眾多，控制復(fù)雜，電磁兼容設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)系到儀器的性能甚至研發(fā)的成??；③高溫、高壓環(huán)境下的高密度、高可靠設(shè)計被提高到前所未有的高度。本文所涉及的聲波儀器的模擬信號處理、數(shù)據(jù)采集、控制傳輸?shù)囊?guī)模相當(dāng)于典型的交叉偶極聲波儀器XMACII中1671＋1677＋1678規(guī)模的4～8倍，且這些電子系統(tǒng)的絕大部分要在很小的空間內(nèi)與傳感器陣列緊密集成在一起。

聲波儀器系統(tǒng)組成方案見圖1。系統(tǒng)的7個模塊均密封于各自的承壓短節(jié)內(nèi)，串行連接成為完整的聲波測井儀。由于采用了聲系內(nèi)部與傳感器組合、高密度集成的耐高溫高壓智能化電子單元的創(chuàng)新設(shè)計方式，模塊間能夠采用業(yè)界通用31芯貫穿式電氣連接（只有32個接收陣子8通道采集的XMACII為實現(xiàn)互聯(lián)采用了特殊的67芯承壓和45芯非標(biāo)準(zhǔn)電氣接頭），發(fā)射模塊的位置可以根據(jù)需要互換，通過調(diào)整隔聲體長度能夠獲得不同源距，實現(xiàn)三維掃描聲波測井和超長源距的方位掃描遠(yuǎn)探測聲波測井。

圖1 新一代聲波測井儀系統(tǒng)組成示意圖

2 主要功能模塊設(shè)計

2.1 三維聲波發(fā)射模塊

三維聲波發(fā)射聲系作為儀器的主發(fā)射模塊由4組8向共32個獨(dú)立換能器振子的組合圓弧陣列組成，激勵電路集成在聲系內(nèi)的發(fā)射陣列附近，每組的電路結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 儀器三維發(fā)射模塊電路示意圖

三維發(fā)射模塊電路以1片2萬門的高容量CPLD為核心完成與儀器主控系統(tǒng)通訊和發(fā)射控制邏輯。每組電路占用1個子模塊地址，接收主控模塊發(fā)來的模式選擇和激勵參數(shù)（脈沖寬度和延遲量），設(shè)置內(nèi)部各個功能寄存器、定時器和振子陣列選擇邏輯。

發(fā)射電路采用高壓脈沖直接激勵方式，能精確控制對每個元件的激勵脈寬、延遲，還可方便地改變振動極性。該模塊能夠在多種發(fā)射模式工作。

（1）相控方位模式。以3×4組合進(jìn)行周向45°和軸向偏轉(zhuǎn)的三維聲波掃描發(fā)射，這是儀器典型的發(fā)射模式（目前國內(nèi)外還未見到采用同類技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜掃描測量的報道）。

（2）多極仿真模式。通過對多個換能器振子的不同選擇和極性組合實現(xiàn)單級、偶極和四極激勵模式，如進(jìn)行四極激勵時每組的1、3、5、7號被選擇，對1、5號施加正極性高壓脈沖而3、7號為負(fù)極性。

以上所有周向激勵模式中均可進(jìn)行（井）軸向相控式激勵（俗稱線控方式）使聲束有效輻射向接收陣列一側(cè)偏轉(zhuǎn)。最多時，全部32片發(fā)射振子可為1次聲波發(fā)射全部被激勵（線控仿單極模式）獲得最大聲波功率輸出。

儀器在以三維聲波發(fā)射聲系作為激勵主模塊的同時，還設(shè)計有一個常規(guī)聲波發(fā)射聲系作為輔助激勵模塊，該模塊接有自身專用的發(fā)射電子短節(jié)，能夠以線控單級、交叉偶極方式工作。通過對壓電振子和激勵電路的優(yōu)化設(shè)計，可使儀器能夠在更長的源距和更寬的頻帶下工作，以獲得高質(zhì)量的井筒模式波或遠(yuǎn)距離反射波信號。

2.2 三維聲波接收模塊

三維聲波接收聲系作為系統(tǒng)的信號接收模塊由8組等間距的環(huán)狀換能器陣列（子模塊）組成，每組為呈45°均分的8片寬帶振子，被置于聲系內(nèi)部的特殊密封艙室內(nèi)[6]，電路組成見圖3。

圖3 三維聲波接收模塊分組電路示意圖

設(shè)計上，64個接收振子的任何一路均可被獨(dú)立進(jìn)行放大、濾波等模擬處理和數(shù)據(jù)采集，配合不同發(fā)射模式，主要有4種組合接收模式。①與三維激勵同（周向）方位的相控合成接收，使用3片振子，中間為主振子；②單極模式，使用4片振子，同相位疊加合成一路信號；③交叉偶極模式，使用4片振子，以正交差分方式合成2路信號；④四極模式，使用4片振子，正交疊加形成1路差分信號。

8組環(huán)陣（俗稱圓弧陣）同步工作，獲得接收陣列的時域波形信號序列。儀器設(shè)計的實際數(shù)據(jù)采集能力是32路（最高48路）16bit高速全并行同步數(shù)據(jù)采集通道，通過至少4倍過采樣和數(shù)字濾波進(jìn)一步提高信噪比，前端和公共放大器提供80dB量程、以6dB步進(jìn)的程控放大能力，每個通道均可獨(dú)立受控。通過實時增益控制和多級有源濾波，在較大動態(tài)范圍內(nèi)（理論上超過160dB）獲得最佳信噪比。

每個接收子模塊以一片百萬門規(guī)模的FPAG作為控制核心，片內(nèi)固化NIOS嵌入式操作系統(tǒng)，多個硬乘法單元和可配置RAM能夠在模塊內(nèi)實現(xiàn)多種波形實時處理方法和數(shù)據(jù)緩沖操作，極大地減輕主控單元的負(fù)擔(dān)和降低了儀器內(nèi)互聯(lián)總線的帶寬占用率。

接收聲系內(nèi)部采用上述智能化集成傳感器子模塊和貫穿式儀器內(nèi)多節(jié)點(diǎn)高速互聯(lián)總線，根據(jù)實際需要能夠設(shè)計組合成具有更大規(guī)模接收陣列的三維聲系模塊，比如達(dá)到12或16組甚至更多。

2.3 系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng)主控模塊是儀器的控制中心，采用典型的嵌入式架構(gòu)（見圖4）。

圖4 系統(tǒng)主控模塊電路示意圖

系統(tǒng)采用具有32bit定點(diǎn)和32bit浮點(diǎn)功能的高速DSP作為主控元件，運(yùn)行ucLinux實時操作系統(tǒng)，完成儀器控制和本地數(shù)據(jù)處理。采用百萬門級FPGA作為膠粘控制邏輯，實現(xiàn)儀器系統(tǒng)內(nèi)互聯(lián)總線主控節(jié)點(diǎn)的功能和井下儀器總線接口控制。儀器可通過CAN接口引擎和以太網(wǎng)（IEEE802.3）接口與EILog06或LEAP800地面系統(tǒng)相掛接實現(xiàn)井下儀器串的系統(tǒng)互聯(lián)。

儀器采用多個數(shù)字化功能子模塊（如三維發(fā)射，三維接收等）的系統(tǒng)組成模式，儀器內(nèi)部電子系統(tǒng)互聯(lián)是實現(xiàn)研究目標(biāo)的重要一環(huán)，為此設(shè)計了一種專用的儀器模塊互聯(lián)總線（Tool Module Bus，TMB）。TMB采用一主多從的總線式多點(diǎn)互聯(lián)方式，主控節(jié)點(diǎn)由儀器主控單元承擔(dān)。工作時主節(jié)點(diǎn)與某從節(jié)點(diǎn)形成一對一的連接，其余的從節(jié)點(diǎn)處于掛起狀態(tài)，這種主節(jié)點(diǎn)主動的方式能夠完全避免總線競爭從而有效地利用信道帶寬。主控節(jié)點(diǎn)可通過廣播方式（特殊地址）同時對所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，以獲得系統(tǒng)內(nèi)多個子模塊對激勵和采集的時間同步。TMB采用同步時鐘和數(shù)據(jù)雙差分鏈路方式，通過合理的切換實現(xiàn)由發(fā)送方驅(qū)動時鐘以獲得高的傳輸帶寬，實驗表明在測井溫度范圍內(nèi)能夠在30m長度內(nèi)實現(xiàn)20 Mb it／s的可靠數(shù)據(jù)傳輸。為儀器的運(yùn)行功能擴(kuò)展設(shè)計了專用通訊協(xié)議，每個數(shù)據(jù)幀包括同步、儀器單元尋址、命令字、狀態(tài)字、數(shù)據(jù)域和CRC校驗等。由于主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)都具有很強(qiáng)的邏輯功能并在嵌入式操作系統(tǒng)下運(yùn)行，因此，能夠采用復(fù)雜的可變幀結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)多種測量模式和有效地利用帶寬。

3 結(jié) 論

（1）新一代聲波測井儀采用模塊化架構(gòu)，能夠根據(jù)需要靈活實現(xiàn)不同的功能組合。

（2）通過電子系統(tǒng)與傳感器陣列的緊密集成化，改變了傳統(tǒng)的探測器與電子線路短節(jié)分離的模式（短節(jié)間連接困難，并會導(dǎo)致信噪比降低），實現(xiàn)具有復(fù)雜傳感器陣列的三維聲波發(fā)射和接收功能。

（3）由于所有的模擬信號處理和數(shù)據(jù)采集均在子模塊內(nèi)完成，傳感器與低噪聲前置電路之間僅有很短的并經(jīng)過良好屏蔽的連線，因此能夠獲得最佳的信噪比和降低系統(tǒng)連接的難度。

（4）通過貫穿整個儀器的高速數(shù)據(jù)傳輸總線（TMB）完成了各個子模塊間的有效互聯(lián)，并能夠方便地擴(kuò)展規(guī)模（如采用更大規(guī)模的接收子陣列）。

[1]鞠曉東，喬文孝，李玉霞，等.多極子陣列聲波測井儀電子系統(tǒng)設(shè)計[J].測井技術(shù)，2008，32（1）：61-64.

[2]盧俊強(qiáng)，鞠曉東，喬文孝，等.方位聲波測井儀電子系統(tǒng)設(shè)計[J].測井技術(shù)，2011，35（3）：284－287.

[3]喬文孝，鞠曉東，車小花，等.聲波測井技術(shù)研究進(jìn)展[J].測井技術(shù)，2011，35（1）：14－19.

[4]王克協(xié)，崔志文.聲波測井新理論和方法進(jìn)展[J].物理，2011，40（2）：89－98.

[5]喬文孝，鞠曉東，車小花，等.從換能器技術(shù)的變化看聲波測井技術(shù)的發(fā)展[J].物理，2011，40（2）：99－106.

[6]鞠曉東，喬文孝，盧俊強(qiáng).用于石油井下三維聲波信號接收傳感器陣列的電路：中國，CN 101691841A[P].2010－04－07.