SDZ-7000雙側向信號干擾問題原因及其解決策略探討

郭江濤,嚴磊,于新海

南婷婷,史冊,田玉璽 (中石化中原石油工程有限公司測井公司數控中心,河南濮陽 457001)

SDZ-7000雙側向信號干擾問題原因及其解決策略探討

郭江濤,嚴磊,于新海

南婷婷,史冊,田玉璽 (中石化中原石油工程有限公司測井公司數控中心,河南濮陽 457001)

對SDZ-7000恒功率雙側向儀在測井過程小信號干擾大、大信號誤差大等典型故障進行了探討。通過延遲函數,使電路達到穩定狀態實現功率調整、增強功率調整連續性、電路中濾波電路的改變,提高抗干擾能力等3個方面解決淺側向小信號0.2Ω值跳變的問題;通過增大輸出功率,提高信噪比、電路中調整反饋電阻,增大輸出電壓等2方面解決淺側向30、40kΩ高阻值誤差大的問題。

SDZ-7000恒功率雙側向;恒功率;延遲函數;濾波電路;淺側向;監督電極

SDZ-7000恒功率雙側向儀是SDZ-70系列快速測井平臺中一種用于完成測量深淺側向測井功能的電法儀器。SDZ-7000恒功率雙側向儀器由電極系和電路裝置2部分組成。為了能更好地適應低阻泥漿環境,電極極棒采用整體壓膠方式,電路裝置放置在電極系內部使儀器的長度大大縮短。

SDZ-7000快速測井平臺是新一代測井技術,具有測井時效高,儀器集成化高,測井數據精確度高等優點。但在測井過程中,儀器也逐步出現一些故障。筆者針對SDZ-7000恒功率雙側向在實際測井過程中發生小信號干擾大、大信號誤差大等典型故障現象的維修進行分析探討,旨在提高測井穩定性和精度。

1 淺側向小信號0.2Ω值跳變問題的解決策略

1.1 加延遲函數,使電路達到穩定狀態實現功率調整

淺側向小信號0.2Ω值跳變的原因是,當儀器供電初始時刻,供電電路還沒達到穩定狀態,這時,測量信號是隨機的,功率調整電路需要的測量電壓、電流達不到穩定狀態,對信號進行采集,影響測量最小值,造成淺側向小信號0.2Ω值跳變。

為了解決上述問題,首先對SDZ-7000恒功率雙側向信號處理電路MCU模塊內的程序進行調整。在程序中供電初始時,加上延遲函數,然后再對信號進行采集、調整、輸出。其中,對程序代碼增加Delay函數,延遲函數延長了信號采集的時間,使電路達到穩定狀態實現功率調整,不影響其他信號的輸出,使淺側向小信號0.2Ω值的輸出達到穩定狀態。

電路硬件實施過程如下:利用Microchip ICD 3 MPLAB(微芯片在線調試器)對信號處理電路的MCU模塊的數據端口(MCLR、3.3V、DGND、PGD、PGC)實現數據更改,保證程序的實施,從而在電路上實現這一過程,達到電路的輸出效果?中國電子科技集團第22研究所.SDZ-3000快速測井平臺(電氣篇、結構篇),2009.。信號處理電路的MCU模塊如圖1所示。

圖1 信號處理電路MCU模塊

1.2 增強功率調整連續性

深、淺側向功控電流源發射屏流與主流,監控電路使地層電流場達到動態平衡;電流測量電路測量電流Id(深側向)、Is(淺側向),電壓測量電路測量電流經過目的層的壓降Ud(深側向)、Us(淺側向)。所測得的Ud、Us、Id、Is送到信號處理電路進行數據采集,MCU采用一定的算法控制深、淺側向功控電流源的功率輸出[1]。

深、淺側向供電功率由軟件控制,采用新算法,較以前更加快速、穩定。使得儀器測量動態范圍大,測量精度高。根據電路原理,雙側向功率調整在整個過程中起著重要的作用。在軟件中,功率調整的連續性差將影響小信號的輸出,因此在淺側向小信號0.2Ω增強功率調整的連續性;在算法中,功率變化幅度較小的情況下,實現功率調整,提高功率控制算法的穩定性,使小信號輸出趨于穩定。

1.3 電路中濾波電路的改變,提高抗干擾能力

濾波電路具有抗干擾能力強和良好的頻率特性。一個理想的帶通濾波器具有一個完全平坦的通帶,在通帶內沒有放大和衰減。并且在通帶外所有頻率都被完全衰減掉,并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠將期望的頻率范圍外的所有頻率完全衰減掉,尤其是在通帶外還有一個被衰減但沒有被隔離的范圍。因此相對來講帶通濾波器的抗干擾能力差[2]。

在原來的儀器中的電壓測量電路應用交流信號變直流信號,帶通濾波器、相敏檢波器來實現濾波、放大等功能,抗干擾能力強。SDZ-7000電壓測量電路選用的CX0604(N1)模塊是一個低噪聲、精密控制的可變增益放大器,具有溫度穩定性高,增益誤差(0.5dB)精度高,其增益與控制電壓呈線性關系。便于對放大器的精確控制,同時可以降低干擾和噪聲。

電壓測量電路由模塊N1和外圍電路組(見圖2)。模塊完成對輸入深淺側向電壓信號的放大和濾波,模塊對深淺側向電壓信號的增益均為5.85;深、淺側向電壓信號經變壓器接到電壓測量電路N1模塊的21腳,另一端接地;淺側向電壓輸出為N1的20腳,深側向電壓輸出為N1的24腳;電阻R1、R3和R3*用于調節模塊N1深側向電壓通道濾波器的中心頻率,R4和R4*用于調節深側向電壓通道的增益;電阻R2、R5和R5*用于調節淺側向電壓通道的中心頻率,R6和R6*用于調節淺側向電壓通道的增益,通過調整R*6的大小來改變淺側向的輸出電壓。

圖2 電壓測量放大電路模塊

2 淺側向30、40kΩ高阻值誤差大問題的解決策略

2.1 增大輸出功率,提高信噪比

地層電阻率與地層巖性,地層孔隙內的流體性質、孔隙結構等因素有關,在不同地區,甚至1口井內,地層與地層之間的因素差別大,地層電阻率變化范圍也很大。通常地層電阻率的變化范圍為0.5～50000Ω·m(有的地層電阻率可高達105Ω·m)。所以儀器的測量地層電阻率的變化范圍需要有105倍。測量沖洗帶電阻率的儀器,動態范圍可以小些,一般103～104倍。一般不僅要求儀器有一定的測量動態范圍,而且有一定的測量精度。根據測井的視電阻率公式:

可以導出儀器測量電阻率的相對誤差:式中,ΔV為測量V0的絕對誤差;ΔI為測量I0的絕對誤差。

從上式可以看出,相對誤差不僅與絕對誤差ΔV、ΔI有關,而且與被測量的V0、I0的大小有關。被測量V0、I0越大,相對誤差越小。因此提高V0、I0的數值,對提高測量精度是有利的。

對SDZ-7000恒功率雙側向功率控制算法的程序中,在高、低阻端,功率的大小是分段設計的。在淺側向高阻端,增大輸出功率,提高儀器的信噪比,從而提高儀器的測量精度。通過程序的功率調整,監測淺側向功放電路(見圖2)輸出端TP3的輸出電壓由原來的5V增大為12V,來滿足要求。

2.2 電路中調整反饋電阻,增大輸出電壓

在集成電路的輸出級,往往要求有較高的輸出功率或要求具有較大的輸出動態范圍以驅動下一級負載,功率放大器應在輸出不失真的情況下給出最大的交流輸出功率P0以推動負載工作。功率放大器的效率為功率放大器的輸出信號功率P0與直流電源供給功率放大器功率PE之比,用η表示,即:

功率放大器要求高效率地工作,一方面是為了提高輸出功率,另一方面為了降低管耗。直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外,剩余部分變成晶體管的管耗PC(PC=PE-P0)。管耗過大將使功率管發熱損壞,所以,必須提高功率放大器的效率。

恒功率雙側向在測量過程中保持IV乘積不變,只要選定最高和最低電阻率的2個極點保持功率不變,就使測量電壓和電流始終處在可測量范圍之內。也就不會出現電壓和電流被限幅的情況。因此恒功率雙側向有更寬的測量動態范圍。

淺側向功放電路如圖3所示,主要由帶通濾波模塊N1和功率放大器件N2及外圍電阻組成,用于產生280 Hz淺側向工作總電流。來自信號處理電路幅度受控的280 Hz方波信號Ps,首先由帶通濾波模塊N1濾波為280Hz正弦波信號,再經過功率放大器件N2驅動和放大。

圖3 淺側向功放電路

帶通濾波模塊N1的13腳輸出為放大和濾波后的280Hz正弦波信號,該信號經過R4接到功率放大器N2的5腳,N2的1腳為功率放大電路的輸出信號;功率放大器N2的3腳和6腳分別接+24V和-24V供電,通過調整R4和R5的阻值可以調節N2的輸出幅度;R6和R7為N2的限流電阻。因此要增大輸出功率,在電路中,調整反饋電阻R5的阻值。因為:

V0的值由5V增大為12V,所以R5的阻值由100kΩ調整到240kΩ。

3 實際效果

通過對陜西宜君地區的宜5-04向1井、陜西韓城地區韓10-07井和山西保德地區保5-04井等高阻層層位進行試驗應用。解決了SDZ-7000恒功率雙側向在實際測井過程中淺側向小信號干擾大、大信號誤差超出范圍大的現象,檢測結果顯示,低阻值0.2Ω小信號干擾得到抑制,信號輸出穩定,為0.194Ω,誤差為2.8%,改變了原來的跳變現象,高阻值40kΩ大信號輸出47524.7Ω,誤差為18.8%,精度符合誤差小于20%的要求,滿足儀器的測井工程需要。

4 結語

通過對SDZ-7000恒功率雙側向在實際測井過程中發生小信號干擾大、大信號誤差大的異常現象,進行分析研究,解決儀器典型故障。該現象復雜,解決問題涉及面廣,對出現的現象有一個準確的判斷,需要熟悉電子線路原理、每個元器件的作用和軟件的設計,才能較快地排除故障。

[1]尚作源.地球物理測井方法原理[M].北京:石油工業出版社,1987.

[2]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京:高等教育出版社,2008.

[編輯] 辛長靜

TE 2 4 2

A

1673-1409(2014)22-0058-03

2014-03-15

郭江濤(1978-),男,工程師,現主要從事測井數控方面的研究工作。