一種應用于核磁共振測井儀中的發射鏈路設計

張嘉偉 宋公仆 王光偉 薛志波

（中海油田服務股份有限公司，中國 北京 101149）

0 引言

核磁共振測井可直接測量地層孔隙中可動流體的信息，可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布，其孔隙測量不受巖石骨架礦物成分的影響。在過去的近20年里，核磁共振測井儀器研制和資料應用一直是石油測井領域的熱點和前沿領域，受到廣泛關注[1]。本文針對核磁共振測井地層流體的特點，提出了一種可適用于井下核磁共振測井儀的發射鏈路設計[2]。首先對核磁共振發射序列進行簡要的介紹，然后針對核磁共振測井儀的特點提出一種發射鏈路設計，該發射鏈路包括功率放大板、天線驅動板、高能量泄放板三個部分。分別對三個電路部分進行簡要分析說明，最后給出該發射鏈路的實際測試結果。目前該發射鏈路已經成功應用于核磁共振測井儀器中，取得了很好的應用效果。

1 核磁共振發射序列介紹

核磁共振測井主要采用圖1方式發射激勵信號并產生相應的回波信號。如圖1所示的這種典型的核磁共振工作方式稱為CPMG序列。首先需要D0的激化時間來完成地層的磁激化，使其探測深度范圍內的地層中氫原子的核磁矩能夠朝著靜磁場方向激化，然后發射90度脈沖信號使其核磁矩扳倒90度，其后每隔D2時間發射180度脈沖使其在同一平面的兩個速度不同的矢量重合產成回波信號，這種激勵接受方式稱為CPMG序列[3]。

圖1 核磁共振CPMG發射序列

核磁共振測井主要采用CPMG序列來進行工作，采集一系列回波信號，并計算回波的幅值與相位，以此來制作相應的指數衰減曲線從而進行T2譜反演標定底層的孔隙度、滲透率、束縛水等信息。相關發射鏈路的設計對地層回波信號的起振顯得尤為重要[4]。

圖2 核磁共振發射鏈路設計整體結構框圖

2 發射鏈路設計

2.1 核磁共振測井儀發射鏈路整體結構設計

核磁共振發射鏈路整體結構設計框圖如下圖2所示。將實驗采集板輸出的控制信號按照圖2所示分別與泄放、內橋和外橋功率放大板進行連接，內橋與外橋功放板的輸出信號連接至天線驅動板，兩個10歐姆45W的大功率電阻串入TK+/-天線回路中，泄放功放板輸出連接高能量泄放電路，并將高能量泄放板輸出端通過兩個40歐姆45W的大功率電阻連接至天線回路中以作為發射信號殘余能量泄放。通過此發射鏈路的結構設計，達到以弱信號控制高壓發射脈沖，同時在發射完高壓激勵脈沖時對天線回路中的殘余能量進行有效泄放[5]。

2.2 功率放大電路設計

功率放大電路的設計主要由兩部分組成:死區時間調節電路與功率驅動電路兩部分。其中死區調節電路設計結構框圖如下圖3所示。死區時間調節電路主要是為了產生一寬一窄兩路脈沖，確保功率放大電路上下橋臂的兩個功率場效應管不能同時導通，從而產生一個高壓控制信號來控制天線驅動板上的MOSFET管通斷。

圖3 死區時間調節電路的邏輯關系框圖

功率放大電路的后半部分功率驅動電路設計圖如下圖4所示，主要完成將上述死區時間調節電路輸出的兩路一寬一窄控制脈沖進行升壓驅動，其中窄脈沖經過升壓驅動后通過變壓器T1耦合到上部MOSFET管Q3的G、S極兩端控制Q3的D、S極導通，而另外一個寬脈沖信號被升壓驅動輸入到下部MOSFET管Q9的G、S極兩端控制Q9的D、S極導通。通過上述兩路脈沖的變換，從而成功將由采集實驗板發出的弱控制信號轉換成175V的高壓脈沖控制信號有效驅動天線驅動電路進行發射脈沖的控制。

圖4 功率驅動電路部分設計圖

2.3 高能量泄放電路設計

核磁共振測井中能量泄放電路是保證核磁共振儀器能夠有效進行信號放大濾波預處理的關鍵環節，它的設計好壞直接影響到后面對回波信號的接收信噪比[6]。它主要作用是在儀器進行高壓激勵脈沖發射完成后能夠快速有效的泄放掉天線探頭上多余的殘留能量，以保證地層回波信號到來時候天線探頭上保持一個低噪聲的狀態，從而在接收回波信號時保證其輸入信噪比[7]。其原理圖見圖5所示。

圖5由兩個相同的電路組成，它們相應地接到天線探頭與前放輸入并聯的兩端。背靠背的場效應管Q9/Q10和Q11/Q12通過RES3、RES4端連接R3和R4兩個10歐姆功率電阻后與天線探頭與前放輸入的并聯端相連。這兩個電阻體積很大，功率在45w，需要安裝在儀器骨架上以盡快散熱。從功率放大(主泄放)電路出來的幅值為175V的脈沖經過變壓器T1～T4轉變成17.5V，這樣電流增加了10倍提高了電流驅動能力，可以很快使功率場效應管導通。由于這四路并聯電路原理一樣，因而以其中一路來分析加以說明。當DumpOn信號有效進入HI1、LO1與HI2、LO2時，一路信號經過二極管D1，使場效應管Q1導通，給功率場效應管Q9的柵極充電并使之導通。當DumpOn信號無效時，由于二極管D1的存在，Q9將繼續保持導通。當DumpOff信號有效加載到輸入端時，晶體管Q5導通，使得Q9的柵極放電而斷開。二極管D2用來防止Q9的柵極重新充電，這樣Q9保持斷開直到下一個DumpOn信號的到來。二極管D9和D10的作用是起到嵌位電平防止電壓幅度超過15V以有效保護Q9/Q10和Q11/Q12這四個MOS管，通過此嵌位管作用后17.5V被嵌位到15V的安全范圍內。經過以上操作后，可以很好的在天線發射后有效地泄放還殘留在天線上的剩余發射能量，從而有效地保證儀器正常接收回波信號的時候能夠有很好的信噪比。圖6是未加入能量泄放電路與加入能量泄放電路后天線上信號對比測試抓圖。

從圖6中可以清晰地看到當加入能量泄放電路后天線上發射信號殘余能量快速衰減，有利于后續天線上微弱核磁共振回波信號的接收，提高了信號接收到信噪比。而當未加入能量泄放電路時，天線上殘余發射信號能量衰減緩慢，由于殘余能量與接收信號頻率相同這樣可能導致后續接收信號淹沒在殘余的發射信號中而不能提取。

2.4 天線驅動電路設計

圖5 能量泄放電路原理圖

如下圖7所示為天線驅動電路結構設計框圖，它是由內橋驅動和外橋驅動組成的大功率全橋電路，其中Q1、Q2、Q7、Q8四個MOSFET管作外橋驅動，Q3、Q4、Q5、Q6 作內橋驅動，C1、C2 容值為 500nF，R1與R2阻值為5M歐姆，R3與R4阻值為30K歐姆。由功率放大板輸出的175V控制脈沖經過10:1的變壓器降壓后輸入到天線驅動板8個MOSFET的G、S極實現控制其各自的D、S極通斷的作用。天線驅動電路HV+與HV－端接600V直流電源正負兩端相接，且將HV+端接地。它通過功率放大電路輸出的射頻控制脈沖將600V的直流高壓斬波生成正負600V的高壓脈沖，并同時作用于天線，這樣就相當于1200V，因此，天線兩端電壓的峰峰值為2400V。

圖6 加入能量泄放電路對天線上信號的測試抓圖

圖7 天線驅動電路框圖

如上圖 7 所示，當 Q1～Q8 處于常開狀態時，因 R1＞＞R3,R2＞＞R4，因此由HV+與HV－兩端600V直流電壓加載到C1與C2電容上；當由功放板輸出的控制信號控制Q1與Q8導通后，此時Q3的D極上電壓極為600V；當控制信號控制Q3與Q6導通時，此時TK+為600V，而TK－為－600V，而TK+與TK－直接與天線兩端相連，此時等同于在天線兩端加載一個1200V的高壓信號；此后斷開Q1～Q8后，TK+與TK－所連天線兩端作自由振蕩，當天線兩端信號自由振蕩當－1200V時， 在控制 Q2、Q7、Q4、Q5 閉合時， 此時 TK+為－600V， 而 TK－為600V，此時相當于天線兩端接了一個反相1200V的電壓，此后再斷開Q1～Q8后，天線兩端電壓繼續做自由振蕩從而產生幅值為1200V的高壓發射脈沖信號。

3 天線驅動電路實驗測試

按照圖1所示結構搭建發射鏈路測試環境，為了便于安全測試，將HV+與HV－兩端接22V直流電壓模擬真實工作環境下的600V直流高壓，由實驗采集板產生控制信號經過功率放大電路后輸出到天線驅動電路從而產生發射脈沖信號，發射完后再由實驗采集板產生相應的泄放控制信號經由功率放大電路輸出到高能量泄放電路從而完成有效泄放天線上殘余發射能量的作用。用示波器測試抓圖如下圖8所示:

圖8 發射脈沖信號測試抓圖

上圖8中CH3與CH4通道分別為實驗采集板輸出的原始發射脈沖控制信號，MATH道波形為天線兩端所產生的發射脈沖波形。從圖8中可以清晰地看到本文所設計的發射鏈路成功完成了發射脈沖的發射，并能夠有效地泄放發射后的殘余能量。

4 結束語

本文重點介紹了一種核磁共振測井儀發射鏈路的設計，并對該發射鏈路的各個組成部分進行了簡要介紹，從實驗測試效果來看該發射鏈路能夠有效產生測試所需的發射激勵信號，為下一步地層回波信號的激勵提供了必要的激發條件。核磁共振測井技術是目前世界上最先進的石油探測技術之一[8]。在勘探階段可為流體性質、儲層性質及可采儲量等地層評價問題的解決提供有效信息；在開發階段，能為油層剩余油、采收率以及增產措施效果等問題的評價和分析提供定量數據[8]。具備該技術已經成為衡量一個公司甚至一個國家測井技術水平的一個標志[8]。

［1］George Coates,肖立志，Manfred Prammer.核磁共振測井原理與應用[M].孟繁瑩，譯.北京:石油工業出版社，2007.

［2］邵維志，莊升，丁娛嬌.一種新型核磁共振測井儀:MREx[J].石油儀器，2004.

［3］Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments,1966.

［4］華中科技大學.微弱信號檢測技術資料[Z].

［5］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京:科學出版社,1998.

［6］劉光祜，饒妮妮.模擬電路基礎[M].成都:電子科技大學出版社，2001.

［7］肖立志.核磁成像測井[J].測井技術，1995,19(4):284－293

［8］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京:科學出版社,1998.