瞬變電磁測井低壓大功率發(fā)射電路設計

張守偉，臧德福，劉思慧

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257096)

瞬變電磁測井低壓大功率發(fā)射電路設計

張守偉，臧德福，劉思慧

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司，山東 東營 257096)

基于瞬變電磁法的過套管電阻率測井技術要求發(fā)射電路提供大功率發(fā)射信號，且發(fā)射信號能穿透套管。因此，必須在套管外側建立電磁環(huán)境，然后測量地層二次場信號以獲取電阻率信息。為滿足大功率發(fā)射需求，分別選取大功率、低導通內阻的三極管和MOS管器件進行發(fā)射電路的設計，并接入放置在鋼套管內的大功率發(fā)射線圈進行發(fā)射測試。發(fā)射電路中采用放電電阻對發(fā)射線圈存儲的無用功進行功率消耗，放電電阻的存在使得在發(fā)射停止時刻發(fā)射線圈尖峰電壓幅值非常大，因此試驗中低壓直流發(fā)射電源最大值為10 V。在信號發(fā)射過程中，隨著發(fā)射電源電壓幅值逐漸增加，發(fā)射過程線圈兩端的電壓值隨之逐漸增加，使得發(fā)射功率也逐漸增加。通過試驗，獲得了發(fā)射線圈兩端電壓值和發(fā)射電源電壓值的線性關系；驗證了在低壓發(fā)射電源條件下，通過提升三極管發(fā)射電路和MOS管發(fā)射電路的電源電壓，實現(xiàn)大功率電磁信號的發(fā)射。

電磁檢測； 瞬變電磁法； 測井技術； 發(fā)射電路； 三極管； MOS管； 低壓發(fā)射電源

0 引言

瞬變電磁法的實施技術之一是通過對發(fā)射線圈加載直流電，斷電后測量接收線圈感應電動勢，并記錄波形特性，以獲取地層介質信息[1]。瞬變電磁法在地面探礦、煤礦巷道探水[2]等場合發(fā)揮了良好的應用。在石油測井領域，使用這種方法對套管質量狀況進行檢測的儀器被稱為電磁探傷儀器[3]。

近年來，測井瞬變電磁探測技術逐步向套管外延伸。過套管電阻率測井技術得到了發(fā)展，其目標是針對管外的地層進行電阻率測量[4]，研究方向是大功率信號發(fā)射。本次研究是在充分借鑒眾多瞬變電磁發(fā)射電路的基礎上，在低電壓發(fā)射條件下重新設計發(fā)射電路。通過試驗，驗證了發(fā)射電路在低壓發(fā)射電源條件下，可實現(xiàn)大功率信號的發(fā)射需求。

1 測井系統(tǒng)全橋發(fā)射電路關鍵技術

測井瞬變電磁儀器的發(fā)射波形可設定為雙極性矩形波，雙極性發(fā)射波形由全橋(H橋)發(fā)射電路產生[5]。全橋電路發(fā)射原理如圖1所示。

圖1 全橋電路發(fā)射原理圖

發(fā)射直流電源通過四個電子開關(S1、S2、S3、S4)實現(xiàn)閉合回路的通斷，S1和S3閉合在發(fā)射線圈(L)產生I+電流(正向發(fā)射)，S2和S4閉合產生I-電流(反向發(fā)射)。在負載不變的情況下，發(fā)射電流值越大，則發(fā)射的電磁信號功率越大。四個電子開關都斷開時發(fā)射線圈不發(fā)射信號。由于全橋發(fā)射電路的控制，使發(fā)射線圈在井周圍的介質中產生瞬變電磁場。

四個電子開關全部斷開后，儀器開始記錄接收線圈的二次場信號。套管介質是非常優(yōu)良的導體，接收線圈信號的持續(xù)時間可達上百毫秒，瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)一般采用占空比相同的雙極性矩形波[6]，所以發(fā)射時間也在100 ms以上，即電子開關閉合后的開通時間持續(xù)100 ms以上，這需要電源系統(tǒng)提供足夠大的功率。

大功率發(fā)射線圈電感存儲能量[7]較大，關斷時刻發(fā)射線圈存儲的無功消耗是一個很大的難題，電路設計中應盡快消耗線圈中存儲的無功。在發(fā)射電源電壓比較低的前提下，實施方案之一是在發(fā)射線圈兩端并聯(lián)放電電阻(R)以實現(xiàn)無功消耗[8]。放電電阻的引入增加了整個發(fā)射電路的功耗，對發(fā)射線圈的電性會有一定影響。上述種種缺陷使得電路中存在放電電阻并非最優(yōu)設計方案，但是該設計方案較簡單。考慮在放電過程中電路系統(tǒng)的承壓極限，放電電阻的阻值不能過大；而放電電阻的阻值過小又會使放電時間加長，一般放電時間控制在幾個毫秒之內。盡管放電時間較長(幾個毫秒)，但接收信息測量時間在100 ms以上[9]，故放電過程對接收有用信號的影響可以忽略。

實現(xiàn)大功率信號的發(fā)射，要求電子開關選用大功率器件，同時要求器件的開關速率較高。大功率器件的選型可為三極管、MOS管、可控硅IGBT等。發(fā)射線圈的直流電阻一般為幾個歐姆，這要求電子開關的導通內阻越小越好，否則發(fā)射電源的電壓在電子開關兩端存在很大的壓降，使得發(fā)射線圈兩端電壓值較低，無法實現(xiàn)大功率發(fā)射。隨著通過自身電流數(shù)值的改變，IGBT器件內阻也相應改變。與發(fā)射線圈的內阻相比，它的內阻相對偏大。IGBT器件不適用于低電壓發(fā)射電路，故電路設計主要通過三極管和MOS管實現(xiàn)。

由上述分析得知，實現(xiàn)測井系統(tǒng)全橋電路的難點在于：如何在低電壓發(fā)射條件下，滿足大功率電磁信號的發(fā)射；與之配套的關鍵技術為大功率、低內阻器件的選型及控制電路的設計，發(fā)射線圈無功釋放方法等。

2 電路設計

2.1 三極管發(fā)射電路

大功率開關采用三極管發(fā)射電路[10]，原理如圖2所示。

圖2 三極管發(fā)射電路原理圖

由于大功率三極管功放器件所需的控制電流較大，電路采用了三級驅動的方式。微處理器端口提供的控制電流較弱，控制信號進入模擬開關芯片U1(第一級)；模擬開關驅動小功率三極管(第二級)；驅動大功率的功放三極管(第三級)。發(fā)射線圈(L1)接在兩個橋臂之間，發(fā)射線圈兩端并聯(lián)放電電阻(Rt)。

控制信號由A1、A2、A3、A4端輸入，由微處理器產生。圖2中：U1器件使用了高速的四路單刀單擲模擬開關(HI201芯片)，芯片的A1、A2、A3、A4為四個控制信號引腳，分別控制著芯片內部四路開關(K1、K2、K3、K4)的閉合和斷開。HI201(最高電源18 V)的開關效果是控制前置NPN驅動管(Q5、Q8)、PNP驅動管(Q6、Q7)的開通和關閉，進而驅動大功率功放NPN三極管(Q2、Q3)、PNP三極管(Q1、Q4)的開通和關閉。

電路中，Q1、Q2、Q3、Q4滿足10 A以上的大功率器件，可在音頻功放管和達林頓管這兩種類型中進行選擇。器件選型過程發(fā)現(xiàn)音頻功放管導通內阻比達林頓管小很多，電路設計中最終選擇大功率音頻功放管，器件分別是TIP35C(NPN型)、TIP36C(PNP型)，耐壓100 V，電流25 A，功率125 W。在四個大功率開關關斷瞬間，因通過發(fā)射線圈L1電流不能突變，在線圈兩端產生了極高的自感電壓。而功放三極管雖然具備大功率發(fā)射能力，但不具備反向瞬間高壓承受能力。因此，在橋臂中串入四個大電流的二極管(D1、D2、D3、D4)抑制瞬間高壓脈沖，對功放管和發(fā)射電源加以保護。

在四個功放管導通期間，發(fā)射的電流通路串入二極管，使得發(fā)射電源有一部分電壓值消耗在功放管和二極管上，致使加載到發(fā)射線圈的電壓比發(fā)射電源電壓值小。圖2發(fā)射電路的發(fā)射電源VCC電壓最大值為U1芯片的供電電壓(一般18 V以下)。在發(fā)射線圈不變的條件下，隨著發(fā)射電源VCC電壓的提升，發(fā)射電流逐漸增大。考慮到線圈放電尖峰、磁場飽和等因素，實際測試過程芯片U1電源給定為±12 V，發(fā)射電源VCC電壓為0～10 V可調。

2.2 MOS管發(fā)射電路

大功率開關選用MOS管器件時，MOS管柵極控制信號為電壓型。柵極控制電路提供的控制電壓滿足電平需求即可實現(xiàn)MOS管的開通和關閉，相比而言其發(fā)射電路比三極管電路更簡單。MOS管發(fā)射電路采取兩級驅動方式，原理如圖3所示。

圖3 MOS管發(fā)射電路原理圖

圖3中，處理器控制信號驅動前置小功率NPN三極管(第一級)，然后NPN三級管驅動大功率的MOS管(第二級)。將發(fā)射線圈(L1)和放電電阻(Rt)一起接入橋臂。

控制信號A1、A2、A3、A4由微處理器提供，通過四個前置三極管(Q5、Q6、Q7、Q8)來實現(xiàn)四個MOS管(Q1、Q2、Q3、Q4)柵極電平信號的控制。MOS管器件選型為N溝道增強型IRL3803，最大耐壓VDSS=30 V，導通電流ID=140 A，導通電阻RDS(on)=0.006 Ω。MOS管內部具有一個反向穩(wěn)壓二極管，當發(fā)射電路橋臂上不加四個二極管(D1、D2、D3、D4)時，MOS管關斷時發(fā)射線圈自感瞬間高壓脈沖由MOS管的源極流向漏極，不會損壞MOS管功率器件，發(fā)射線圈放電過程產生的高壓脈沖經過MOS管進入電源系統(tǒng)，可由電源系統(tǒng)的內置電容進行濾除。出于保護電源的需求，該電路在橋臂上仍然保留四個二極管(型號與三極管電路相同)，以抑制瞬間高壓；MOS管發(fā)射電路無用功消耗仍然采用在發(fā)射線圈兩端并聯(lián)放電電阻的方法。發(fā)射電路的發(fā)射電源VCC電壓為0～10 V可調。電路要求VCC1>VCC，以保證四個MOS管的開通和關閉，試驗過程VCC1設定為12 V。

3 試驗測試

試驗過程中，大功率發(fā)射線圈(L1)的直流電阻為3.3 Ω，電路中放電電阻(Rt)都為91 Ω。大功率發(fā)射線圈放置在鋼套管內，此發(fā)射線圈分別接入三極管發(fā)射電路和MOS管發(fā)射電路進行測試。設置發(fā)射時間為200 ms，大功率開關全部斷開時間為200 ms，發(fā)射電源VCC分別設置為3～10 V這八種狀態(tài)，示波器記錄發(fā)射線圈兩端(即L1和Rt兩端)的實時發(fā)射波形，如圖4所示。

圖4 實時發(fā)射波形

從圖4可以看出，在大功率開關閉合后，發(fā)射線圈加載電源電壓。正向發(fā)射和反向發(fā)射剛開始處出現(xiàn)短暫的微小尖峰后，電壓維持一定值。正向發(fā)射和反向發(fā)射過程發(fā)射線圈波形對稱，幅值相等。在大功率開關斷開后，正向發(fā)射和反向發(fā)射結束時，發(fā)射線圈兩端瞬間出現(xiàn)很強的反向尖峰，然后由放電電阻進行功率消耗，尖峰很快消失，發(fā)射線圈兩端電壓保持為零。隨著發(fā)射電源電壓值的增加，關斷時的尖峰幅值增加非常劇烈，為保障發(fā)射電路的正常工作，試驗中設置發(fā)射電源最大為10 V。

試驗中，發(fā)射線圈定型后直流電阻即為固定值，線圈發(fā)射功率大小最終體現(xiàn)為發(fā)射線圈波形穩(wěn)定后兩端電壓幅值的高低。在發(fā)射過程，隨著發(fā)射電源(VCC)電壓幅值逐漸增加，發(fā)射線圈兩端的電壓值隨之逐漸增加，使得發(fā)射功率也逐漸增加。發(fā)射電源與發(fā)射線圈電壓值關系如圖5所示。

圖5 發(fā)射電源與發(fā)射線圈電壓值關系圖

在電磁信號發(fā)射過程中，全橋橋臂電路上有二極管的存在，大功率器件導通時也存在微小電阻，使得發(fā)射電源有部分消耗，最終發(fā)射線圈兩端所施加的電壓總是小于當前的發(fā)射電源的電壓。從圖5可以看出，縱坐標數(shù)值總比橫坐標數(shù)值偏小2 V左右；隨著發(fā)射電源電壓值升高，發(fā)射線圈的電壓增加明顯，使得電源電壓大部分加載于發(fā)射線圈上。總體來看，兩種電壓變化呈線性關系。在相同發(fā)射電壓條件下，MOS管電路發(fā)射線圈電壓值略高，對比兩種電路發(fā)射效果，發(fā)射線圈兩端電壓差異不是太大。但從設計難度來看，MOS管電路更有優(yōu)勢，主要體現(xiàn)為：MOS管電路使用器件少，控制方式簡單，低導通內阻的大功率器件種類繁多，選型較為容易。

發(fā)射電源電壓不變時，減小發(fā)射線圈的直流電阻可提升發(fā)射電路的電流值，從而增加發(fā)射功率。大功率發(fā)射線圈定型后，線圈的直流電阻值就成為固定值，電路的發(fā)射功率直接體現(xiàn)為發(fā)射電源電壓的高低。從圖4、圖5發(fā)射線圈兩端的電壓幅度變化趨勢來看，在低壓供電條件下，兩種發(fā)射電路都實現(xiàn)了大功率信號的發(fā)射。

4 結束語

功放開關選擇音頻功放三極管器件、MOS管器件時可使導通內阻降低，在發(fā)射過程中發(fā)射線圈能獲取較大電壓，使得電源電壓大部分加載于發(fā)射線圈上。大功率發(fā)射線圈兩端電壓值隨著發(fā)射電源的增加而逐漸增加。試驗驗證了在低壓供電條件下，三極管發(fā)射電路和MOS管發(fā)射電路可通過提升電源電壓實現(xiàn)大功率電磁信號的發(fā)射。

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Design of the Low Voltage and High Power Transmitting Circuit for Transient Electromagnetic Logging

ZHANG Shouwei,ZANG Defu,LIU Sihui

(Logging Company of Shengli Petroleum Engineering Co.,Ltd.,SINOPEC,Dongying 257096,China)

High power transmitting signal is requested for transmitting circuit in the implementation of through-casing resistivity logging technology，which is based on the transient electromagnetic method.So,the transmitting signal can penetrate the casing,and the electromagnetic environment can be established outside casing the ground secondary field signal can be measured,thus the information of resistivity can be obtained.To meet the demand for high power transmission,the transmitting circuits are designed,in which transistors with the characteristics of high power and low conduction resistance,and MOS tubes are selected respectively;the high-power transmitting coil in the steel casing is connected to the circuits,for carrying on the transmitting test.The discharge resistor in transmitting circuit is adopted to consume the unuseful power which is stored in the transmitting coil.Because of the resistance of the discharge resistor,the peak voltage amplitude is very large at the moment of transmission stops;so,in the test,the maximum value of low voltage DC transmitting power supply is 10 V.In the transmitting process of signal,along with the amplitude of the transmitting voltage raises,the voltage value of both ends of the transmitting coil increases gradually,so the transmitting power is increasing gradually.The linear relationship between the voltages at both ends of the transmitting coil and the transmitting voltage value is obtained in the test.It is verified that the transistor transmitting circuit and MOS tube transmitting circuit can achieve high power electromagnetic signal transmission by upgrading the voltage of power supply under the condition of using low voltage transmitting power supply.

Electromagnetic detection; Transient electromagnetic method; Logging technique; Transmitting circuit; Transistor; MOS tube; Low voltage transmitting power supply

中國博士后科學基金資助項目(2017M612343)、中石化集團公司基金資助項目(JP14043)

張守偉(1977—)，男，博士，高級工程師，主要從事電磁測井理論、測井地面軟件及井下儀器的研究和開發(fā)。 E-mail:zhangswww@163.com。

TH71;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708015

修改稿收到日期:2017-02-07