CN102505935A

CN102505935A - 三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路

Info

Publication number: CN102505935A
Application number: CN2011103203269A
Authority: CN
Inventors: 卢俊强; 鞠晓东
Original assignee: China University of Petroleum Beijing; China National Petroleum Corp
Current assignee: China University of Petroleum Beijing; China National Petroleum Corp
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102505935B

Abstract

本发明提供一种三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，所述电路由多个位于发射声系内部的密封多通道高电压电子单元组成，所述多通道高电压电子单元包括：总线接口电路，与三维井下仪器中的发射总控电子单元相连接，用于接收所述发射总控电子单元发送的控制命令；命令接收及发射控制电路，与所述总线接口电路相连接，用于对接收的控制命令进行译码，并根据接收的控制命令产生发射控制逻辑信号；多个激励通道，并联于所述命令接收及发射控制电路与发射换能器阵列之间，用于产生驱动信号实现对换能器阵列的激励。本发明解决了井下高温和狭小空间条件下三维声波测井激励电子系统与发射换能器阵列的连接，并解决了与发射总控电子单元命令接口的问题。

Description

三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路

技术领域

本发明涉及换能器阵列的激励电路，尤其涉及一种用于石油井下三维声波仪器换能器阵列的激励电路。

背景技术

三维声波测井能够对井下地层进行径向、周向和轴向上的更准确地描述，而采用具有任意指向性的相控阵声波发射和阵列化的接收传感器是实现三维探测能力的关键技术。用于三维声波测井的相控阵声波发射换能器单元由多个换能器(如45度分布的8换能器)组成，发射声系中安装有多组发射换能器单元(3个或更多)，这样可以实现在周向和轴向上对声波辐射的能量进行控制，进而增强有用信号，提高信噪比。与现有的功能较为复杂的多极子声波仪器相比，三维声波测井发射声系激励电路将具有的特点是从发射声系到发射激励电子舱(短节)的多通道(如24通道：3x8)发射激励引线需要多条(如48条：24x2)，而且这些引线都传输高电压信号(可达500V或更高)，这就要求这些引线的接线端子需要承受高压(大于100MPa)并具有好的高电压绝缘特性，在当今石油测井技术领域还未能实现这一技术。

目前声波测井仪器各个短节之间的承压电气连接最多允许引线数小于70，且引线较多时的情况只是用于逻辑信号和声波接收换能器阵列信号的电气连接，此时不需要考虑高电压时的绝缘性能，而发射激励电路与发射声系之间的引线数则是小于等于32，因此按照常规方式根本无法完成三维发射换能器阵列与发射电子系统的连接。同时，采用较长距离的大量连线传输瞬间变化率较大的高电压信号将不可避免的引入干扰，可能造成井下仪器系统总线和局部总线出现错误，甚至于对其它电路产生严重损毁。

因此，实现多组发射换能器阵列与发射激励电子系统的连接，以及电子系统高质量的实现使换能器阵列按照相控方式工作的多通道高电压激励信号，就成为三维声波发射激励的关键性技术问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种三维声波井下仪器换能器激励电路，以实现在井下高温和狭小空间条件下三维声波测井相控发射换能器阵列与多通道激励电子系统连接、解决多通道高电压发射激励的技术难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维声波井下仪器换能器激励电路，所述电路由多个位于发射声系内部的密封多通道高电压电子单元组成，该多通道高电压电子单元包括：

总线接口电路，与三维井下仪器中的发射总控电子单元相连接，用于接收所述发射总控电子单元发送的控制命令；

命令接收及发射控制电路，与所述总线接口电路相连接，用于对接收的控制命令进行译码，并根据接收的控制命令产生发射控制逻辑信号；

多个激励通道，并联于所述命令接收及发射控制电路与发射换能器阵列之间，用于产生驱动信号实现对换能器的激励。

其中，每个激励通道包括：

电平转换电路，与所述命令接收及发射控制电路相连接，用于将控制逻辑电平转换为适合于驱动电路控制端的电压；

互补驱动电路，与所述电平转换电路相连接，用于产生能够驱动大功率VMOS器件或者IGBT器件快速切换的驱动信号；

大功率开关激励电路，与所述互补驱动电路相连接，通过控制大功率VMOS器件或者IGBT器件实现正高压开关端与公共端的通断，再与发射换能器阵列相连接，从而实现对换能器阵列的激励。

所述总线接口电路采用串行差分总线与所述三维井下仪器中的发射总控电子单元相连接，所述串行差分总线由时钟线、数据线和地线组成。

所述高电压电子单元装载在密封壳体内部，该密封壳体安装有绝缘且承载高电压和高压力的连接端子，实现命令线和发射激励信号线的电气连接。

本发明实施例提供的三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，实现了多个密封高电压激励电子单元与发射换能器阵列在发射声系内部的高效和可靠的连接，解决了在井下高温和狭小空间条件下三维声波测井发射换能器阵列与激励电子系统的连接，并解决了与发射总控电子单元命令接口的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路的功能框图；

图2为本发明三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路与发射总控电子单元相连接的示意图；

图3为本发明三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路中位于发射声系内部的密封高电压电子单元示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路的功能框图如图1所示，该电路由多个位于发射声系内部的密封多通道高电压电子单元组成，该密封多通道高电压电子单元包括：

总线接口电路110，与三维井下仪器中的发射总控电子单元相连接，用于接收所述发射总控电子单元发送的控制命令；

命令接收及发射控制电路120，与所述命令总线接口电路110相连接，用于对接收的控制命令进行译码，并根据接收的控制命令产生发射控制逻辑信号；

多个激励通道130，并联于所述命令接收及发射控制电路120与发射换能器阵列之间，用于产生驱动信号实现对换能器阵列的激励。

其中，每个激励通道130包括：

电平转换电路131，与所述命令接收及发射控制电路120相连接，用于将控制逻辑电平转换为适合于驱动电路控制端的电压；

互补驱动电路132，与所述电平转换电路131相连接，用于产生能够驱动大功率VMOS器件或者IGBT器件快速切换的驱动信号；

大功率开关激励电路133，与所述互补驱动电路132相连接，通过控制大功率VMOS器件或者IGBT器件实现正高压开关端与公共端的通断，再与发射换能器阵列相连接，从而实现对换能器阵列的激励。

其中，总线接口电路110采用串行差分总线与所述三维井下仪器中的发射总控电子单元相连接，所述串行差分总线由时钟线、数据线和地线组成。

完成多个密封高电压电子单元和发射总控电子单元之间的高效、可靠的数据通讯也是实现本发明的关键，如图2所示，该通讯具有以下特点：

(1)数据传输线路占用连线资源少，且必须为所有单元公用(即只能采用总线型拓扑而不宜采用星形或其它类型的拓扑)；

(2)信号传输路径是从发射总控电子单元向各密封电子单元之间的单向一主对多从的传输，无需各个密封电子单元之间的通讯；

(3)根据三维声波测井作业中一个完整工作循环所需要的时间以及每次发射设置所需要的最大命令字长度，可采用500kbps串行通讯速率，链路的最大连接长度小于15m，就能保证三维声波井下仪器的工作时序要求。

为此，设计了仪器内部串行差分命令互联总线，其硬件接口由串行时钟线和串行数据线组成，串行时钟线和串行数据线都由发射总控电子单元驱动，从单元命令接口控制器始终处于监听状态。图2所示为采用该串行差分命令互联总线实现密封电子单元模块(从单元)与发射总控电子单元(主单元)通讯连接的示意图。

实现该互联总线的通讯协议要高效、可靠，且易于在井下电路中实现，通讯协议具有以下特点：

(1)静噪(不依赖于本地时钟)，字长32b，D31-D0，串行高位在先，设计一个特殊命令实现同步复位，进行命令串起点标示，但不进行内部数据寄存器操作；

(2)命令字包括识别位和地址场，所有通讯都由主控单元发起，从单元接收到与其地址相同的地址场数据后即被有效寻址，进而对接收到的数据场进行译码处理，产生发射控制参数；

(3)命令字包括参数设置识别码，用于对从单元内部的各种参数分别设置时进行参数类型的识别；

(4)为了对所有从单元进行同步控制，命令字中设计了特殊地址用于实现同步广播设置功能，可以实现对所有从单元共用工作参数以广播的方式进行高效设置；

(5)串行时钟停止4个周期后所有从单元的接收逻辑自动复位，监听新的工作循环的设置命令。

串行差分命令总线用于传输发射总控电子单元发送的控制命令；命令接收及发射控制电路用于接收命令并对接收到的命令进行译码，根据接收到的命令产生发射控制逻辑电平(换能器选择和定时)；电平转换电路及互补驱动电路用于将控制逻辑电平转换为适合于驱动电路控制端的电压信号，并产生能够驱动大功率VMOS器件或者IGBT器件快速切换的驱动信号；大功率开关激励电路通过控制大功率VMOS器件或者IGBT器件实现正高压开关端与公共端的通断。命令接收及发射控制电路等功能由CPLD完成，其作为多通道发射控制的共用控制器件，控制多个发射通道的发射延迟参数和发射脉冲宽度参数，使其按照相控的方式工作。发射延迟参数从0us到255us以0.1us的步进量连续调节，发射脉冲宽度参数从0us到511us以1us的步进量连续调节。

密封高电压电子单元装载在密封壳体内部，该密封壳体安装有绝缘且承载高电压和高压力的连接端子，实现命令线和发射激励信号线的电气连接。图3所示为本发明三维声波井下仪器换能器激励电路中位于发射声系内部的密封高电压电子单元示意图。图中所示模块主要由承压外壳E、密封端盖C、密封连接器A、密封压盘B和电子线路D等部分组成。为每组环形排列的发射换能器阵列配有一个本发明的小型密封电子单元模块，该单元模块处于发射声系内部的充油高压环境中，承压外壳、密封端盖和密封连接器为单元内部的耐高温(大于155℃)精密电子线路提供了常压工作环境和与外部的电气连接端子。在每个发射换能器阵列由8个传感器元件组成的情况下，发射高压供电、发射控制、数据通讯和低压供电等连接端子很容易通过一端或者双端(图3给出的是一端出线，双端出线的另一端的机械原理与该端完全相同)接线完成。为了避免高压对通讯和电源供电造成干扰，可以采用双端接线方式实现，一端用于连接通讯信号和低压供电，另一端则用于连接高压激励信号。

对于传统的声波测井发射声系，本发明从以下方面进行改进：

(1)为了解决发射声系和发射接口控制电子短节之间承压(高电压和高压力)连接引线数量的限制，必须将多通道高压发射电子系统分解形成若干个相对独立的承压电子单元模块(密封电子单元)，将该单元模块安装到发射声系内部，每个电子单元模块为单个环形发射换能器阵列提供发射激励连接；

(2)所有单元模块必须受控于发射总控电子单元，且尽可能占用较少的连线资源，这就需要设计一种高效、可靠的一点对多点通信的硬件接口和通信协议。

本发明实施例提供的三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，实现了多个密封高电压激励电子单元与发射换能器阵列在发射声系内部的高效和可靠的连接，解决了井下高温和狭小空间条件下三维声波测井发射换能器阵列与激励电子系统的连接问题，并解决了与主控电路命令接口的问题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，其特征在于，所述电路由多个位于发射声系内部的密封多通道高电压电子单元组成，所述多通道高电压电子单元包括：

多个激励通道，并联于所述命令接收及发射控制电路与发射换能器阵列之间，用于产生驱动信号实现对换能器阵列的激励。

2.根据权利要求1所述的三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，其特征在于：

每个激励通道包括：

3.根据权利要求1或2所述的三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的三维声波井下仪器换能器阵列的激励电路，其特征在于：

所述多通道高电压电子单元装载在密封壳体内部，该密封壳体安装有绝缘且承载高电压和高压力的连接端子，实现命令线和发射激励信号线的电气连接。