過鉆具陣列感應儀器發射電路設計

梁小兵 陳文 張炳軍 宋宇 陳泉林 朱瑞明

摘要：過鉆具陣列感應儀器是一種在過鉆具施工工藝中測量地層電導率的陣列感應測井儀器。過鉆具陣列感應測井儀器采用泵出工藝，使用電池供電，因此對儀器功耗要求更高。傳統感應采用線性功放，效率低，交越失真大。本文利用D類功率放大器工作于開關狀態的特點，實際功耗小，效率高，實現低功耗過鉆具陣列感應測井儀發射電路。該電路采用DDS技術合成多頻發射信號，用D類功率放大器驅動發射線圈，解決了過鉆具陣列感應電池供電與儀器發射效率互相矛盾的難題。

關鍵詞：過鉆具;陣列感應儀器;D類功放;交越失真

過鉆具測井系統（FITS，Fast Imaging Thru-drilling tool logging System）是中國石油集團測井有限公司測井技術研究院自主研發的具有完全知識產權的一套雙模式（電纜模式和存儲模式）過鉆具測井系統。這套系統是為了滿足頁巖氣小井眼、大位移、超長水平井等高難度復雜井況而設計的測井系統。陣列感應儀器是這套系統中測量地層電阻率的重要測井成像儀器，在常規電纜測井系統中，陣列感應儀器就是發射功率較大的儀器之一。為了適應過鉆具測井系統，就需要對陣列感應儀器進行優化，尤其是在存儲測井模式時，測井系統采用72 V電池供電，因此對這支儀器的功耗提出了更高的要求。陣列感應儀器要向地層發射交流信號，信號越強，地層感應信號就越大。電纜測井系統中的感應發射模塊采用線性功放設計，隨著溫度的升高，功率開關管的靜態電流和交越失真增大，功率管發熱量變大，效率較低，只有60%～70%，大部分的電源損耗以熱量的形式釋放，導致儀器的工作溫度指標很難實現，且與存儲式的設計理念相悖。因此，我們提出了采用D類功率放大器進行發射模塊設計，D類功率放大器工作于開關狀態，實際功耗小、效率高，滿足系統設計的整體低功耗設計要求。

1??? 過鉆具陣列感應儀器

過鉆具陣列感應儀器是適用于復雜井況、小尺寸的存儲式電阻率成像測井儀器，是滿足過鉆具測井工藝和保護套測井工藝的石油勘探開發的高端成像測井儀器，儀器外徑只有55 mm，較傳統的裸眼井電纜測井儀器設計難度更大。過鉆具陣列感應儀器的原理是由發射線圈向地層發射激勵信號，由接收線圈接收來自地層的二次感應信號，提取地層有用信息，用于分析泥漿侵入和石油儲層評價等[1-2]。

過鉆具陣列感應儀器采用DDS（直接數字合成）技術合成多頻發射數據[3]，該數據經過DAC（數字-模擬轉換器）輸出給驅動發射線圈的功率模塊，放大輸出。過鉆具陣列感應儀器的信號合成功能框圖如圖1所示。

發射電路負載是發射線圈，發射線圈等效為一個RLC（電阻R、電感L、電容C）串聯發射回路，要想提高接收線圈信號的信噪比，就必須提高發射模塊的輸出功率。在電纜測井傳統AFIT（陣列感應儀器）中，我們采用線性功率器件實現對激勵信號的功率驅動。如圖2所示，PA（功率放大器）Positive和PA Negative為兩個線性功率驅動模塊，用于驅動發射線圈的兩極，具體電路圖如圖4所示。

圖中2可見，AFIT[4]發射單元由兩對大功率達林頓開關管組成，開關管的靜態電流導致儀器的整體功耗非常大，該方案對存儲式過鉆具測量系統并不適用。所以，我們在過鉆具感應儀器中應用本文的新型發射電路，通過提高發射效率來解決此問題。

2??? B類功率放大器

下面簡單介紹AFIT陣列感應儀器中所使用的B類線性功放。圖3為B類功率放大器的基本原理框圖，主要包括兩個線性功率管組成。

從圖3可以看出B類放大器用兩管推挽工作，而且放大器有一段工作在非線性區域內，因此交越失真較大[5]。

圖4為AFIT陣列感應儀器線路功率放大電路設計的電路原理圖。圖中集成電路我們選用軌對軌高壓運算放大器AD823（U4）和達林頓功率管2N6388（Q3）和2N6668（Q2）實現對驅動信號的功率放大，該電路復雜，調試困難。

圖5為加載到發射線圈兩端的實際激勵信號。黃色波形和綠色波形分別為PA Positive和PA Negative兩個線性功率驅動模塊輸出的示波器測量波形，加載到發射線圈的兩極，驅動線圈向地層發射激勵信號。

3??? D類功率放大器

為了解決B類功放存在的一些問題，我們在過鉆具陣列感應儀器中采用D類放大器，也稱為開關放大器。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路和低通濾波器等四部分組成[6][7]。

D類功率放大器的基本結構，可分為三個部分：調制器，把輸入發射波形信號調制成一個與輸入信號幅度相關的脈寬調制信號。D類功率放大器是一個脈沖控制的大電流開關放大器，把脈寬調制信號變成高電壓、大電流的大功率脈寬調制信號。低通濾波電路把大功率脈寬調制信號波形中的原始信息還原出來[8]，結構和原理如圖6、圖7所示。

4??? D類功放在AFIT儀器中的應用

在過鉆具陣列感應儀器中，我們選用D類功率放大器件TDA8920，放大器采用差動音頻輸入，振蕩器頻率由腳1外部電阻R設定。16腳外部電流（Rllim）用作調節限制電流。17腳上的輸入電壓（Vms）用作模式選擇：即待機、靜噪抑制（無聲）和導通進入正常操作。電路原理如圖8所示。

在過鉆具陣列感應儀器應用中，振蕩器的頻率計算公式為：

R取10kΩ，即振蕩頻率為500 kHz，遠離感應儀器的工作頻率。圖9為D類功放感應信號發射波形。

在D類功放設計中需要考慮的主要難點是輸出級的保護和儀器高溫環境下LC低通濾波器的設計[9]。在本應用中，采用大電流熔斷器件實現功率模塊和電源模塊的過載保護，在濾波器設計中，選用高溫磁芯繞制電感和高溫COG電容組成的濾波電路，并結合發射電子線路的溫度刻度，實現儀器穩定可靠工作。

5??? 結論

由圖5可以看出，B類功放的輸出最大峰值為22 V，電源供電電壓為±15 V，其效率為75%;由圖9所示D類功放輸出波形可以看出，其輸出最大峰值為26.7 V，電源供電電壓為±15 V，效率達到90%。由此可以看出D類功放的效率較B類功放的效率更高，從而減小發射模塊的發熱量，同時提高儀器信號的信噪比。

參考文獻：

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[2]原宏壯.測井技術新進展綜述[J].地球物理學進展，2005，20（3）：786～795.

[3]殷勤.基于CPLD控制的時序正弦信號發生器[J].電子測量技術，2007，30（11）：123～125.

[4]肖加奇.新一代網絡化測井系統LEAP80[J].石油儀器，2012，26（1）：26～29.

[5]劉長學.D類功放的交越失真[J].電聲技術，2002（7）：50-51.

[6]蔣銀林.一種發送超聲波的D類功率放大器的設計[J].電聲技術，2011，36（1）：33～36.

[7]葉強.一種新穎的D類音頻功率放大器驅動電路[J].半導體學報，2007，28（9）：1477～1481.

[8]姚福安.D類音頻功率放大器設計[J].山東大學學報（工學版），2003，33（6）：665～669.

[9]諾伍德.GAALAAS E.D類音頻放大器設計：概念、原理和方法[A].諾伍德：美國模擬器件公司，2007.