CN109188529B - 多极子阵列声波测井仪及其发射控制电路 - Google Patents

多极子阵列声波测井仪及其发射控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于多极子阵列声波测井仪的发射控制电路，该发射控制电路包括控制模块、高压DC‑DC模块、充电模块和驱动模块，控制模块与上位机连接，所述控制模块包括FPGA芯片，FPGA芯片分别与所述高压DC‑DC模块、充电模块和驱动模块连接。本发明的发射控制电路，能够同时实现对发射换能器的激励信号的频率以及发射换能器的发射功率的调节，从而具有适应不同井眼以及各种复杂底层的测量要求的可调性和灵活性，非常适用于实际测井工作。

Description

多极子阵列声波测井仪及其发射控制电路
技术领域
本发明涉及声波测井领域，具体涉及一种多极子阵列声波测井仪及其发射控制电路。
背景技术
井孔中各种波动模式波的声速是石油勘探、开发中的极其重要参数。岩石的纵、横波波速和密度等资料可用来计算岩石的弹性参数(杨氏模量、体积弹性模量、泊松比等)、非弹性参数(单轴抗压强度、地层张力等)；估算地层最大、最小主应力；估算破裂压力和坍塌压力；进行储层评价和产能评估；估算地层孔隙内流体的弹性模量、从而形成独立于电学方法的、解释结果不依赖于矿化度的孔隙流体识别方法；与斯通利波波速、衰减资料相结合用以估算地层的渗透率；为地震勘探多波多分量问题、AVO问题、合成地震记录问题等提供输入参数。
多极子阵列声波测井仪已成为测井中的主要方式，其利用多种组合模式，在裸眼和套管井中进行声波单、偶极阵列测井，测量得到的数据可以直接提取软硬地层中的纵波、横波和斯通利波慢度参数来进行储层的地质评价，包括：岩性识别；岩石机械特性预测；地层孔隙度求取和渗透率估算等。
发射控制电路用于驱动相应的发射换能器产生不同模式的声波信号，是声波测井仪器的关键部件之一。现有的发射控制电路一般采用变压器激励的方式，产生单一频率的激励信号，以及大小固定的发射电能，因此无法满足复杂的井层测量需求，导致其适用范围较窄。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应用于多极子阵列声波测井仪的发射控制电路，旨在解决现有测井仪的发射控制电路所产生的激励信号单一、发射电能固定，导致该测井仪无法满足较复杂的井层测量要求的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种应用于多极子阵列声波测井仪的发射控制电路，该发射控制电路包括控制模块、高压DC-DC模块、充电模块和驱动模块，所述控制模块与上位机连接，所述控制模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片分别与所述高压DC-DC模块、充电模块和驱动模块连接；
所述高压DC-DC模块还与低压电源和充电模块连接，所述高压DC-DC模块用于将所述低压电源逆变为高压电源，并根据所述FPGA芯片输出的控制电压向所述充电模块输出高压电源；
所述充电模块用于接收所述高压电源和所述FPGA芯片输出的充电控制信号，以向所述发射换能器充电；
所述驱动模块用于接收所述控制模块的放电控制信号，并根据所述放电控制信号依次向所述多极子阵列声波测井仪中的多个发射换能器输出放电激励信号；
所述驱动模块包括单极低频电路、单极高频电路、偶极X低频电路和偶极Y低频电路，所述单极低频电路包括与单极换能器并联的第一电感和第一控制开关，所述单极高频电路包括与单极换能器并联的第二电感和第二控制开关，所述偶极X低频电路包括与偶极X换能器并联的第三电感和第三控制开关，所述偶极Y低频电路包括与所述偶极Y换能器并联的第四电感和第四控制开关。
优选地，所述第一电感的电感值为200uH，所述第二电感、第三电感和第四电感的电感值为1.6mH。
优选地，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关分别与所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感串联，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关均包括IGBT管，所述IGBT管分别与所述FPGA芯片连接。
优选地，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关分别包括两个反向并联设置的二极管，和两个IGBT管晶体管，每个所述二极管分别与一个IGBT管晶体管串联。
优选地，所述控制模块还包括电源转换模块，所述电源转换模块与所述低压电源连接，用于转换所述低压电源以为所述FPGA芯片供电。
优选地，所述电源转换模块包括LM2576芯片、TPS73733芯片和TPS73701芯片，所述LM2576芯片用于将所述低压电源转换为5V，所述TPS73733芯片用于将所述5V电源转换为3.3V，所述TPS73701芯片用于将所述3.3V电源转换为1.5V。
优选地，所述控制模块还包括与上位机连接的CAN总线端口。
优选地，所述高压DC-DC模块包括相互连接的可编程高压模块FH30H和PWM控制模块，所述PWM控制模块与所述FPGA芯片连接，所述可编程高压模块FH30H与所述低压电源和充电模块连接；所述可编程高压模块FH30H用于将所述低压电源逆变为高压电源，所述PWM控制模块用于根据所述FPGA芯片输出的控制电压，控制所述可编程高压模块FH30H输出至所述充电模块的高压电源大小。
优选地，所述低压电源为60V，所述高压电源为300V-600V，所述FPGA芯片输出的控制电压为0V-2.5V。
本发明还提出一种多极子阵列声波测井仪，包括发射换能器和与所述发射换能器连接的发射控制电路，所述发射控制电路为如上任一项所述的发射控制电路。
本发明通过FPGA芯片调整输出至高压DC-DC模块的控制电压以调节高压DC-DC模块向发射换能器输出的高压电源大小，同时，FPGA芯片控制充电模块切换给不同发射换能器进行充电，两者结合，能够实现对不同发射换能器的声波发射功率和频率调节。驱动模块中设置的四个电路在FPGA芯片的控制下分别向对应的发射换能器发出不同频率和宽度的激励信号。也就是说，本发明的发射控制电路，能够同时实现对发射换能器的激励信号的频率以及发射换能器的发射功率的调节。从而具有适应不同井眼以及各种复杂底层的测量要求的可调性和灵活性，非常适用于实际测井工作。
附图说明
图1为本发明一实施例中发射控制电路的的功能框图；
图2为本发明又一实施例中驱动模块产生激励信号的原理图；
图3为本发明又一实施例中驱动模块产生的激励信号示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种应用于多极子阵列声波测井仪的发射控制电路，如图1所示，该发射控制电路包括控制模块10、高压DC-DC模块20、充电模块30和驱动模块40，所述控制模块10与上位机连接，所述控制模块10包括FPGA芯片，所述FPGA芯片分别与所述高压DC-DC模块20、充电模块30和驱动模块40连接；
所述高压DC-DC模块20还与低压电源和充电模块30连接，所述高压DC-DC模块20用于将所述低压电源逆变为高压电源，并根据所述FPGA芯片输出的控制电压向所述充电模块30输出高压电源；
所述充电模块30用于接收所述高压电源和所述FPGA芯片输出的充电控制信号，以向所述发射换能器50充电；
所述驱动模块40用于接收所述控制模块10的放电控制信号，并根据所述放电控制信号依次向所述多极子阵列声波测井仪中的多个发射换能器50输出放电激励信号；
所述驱动模块40包括单极低频电路、单极高频电路、偶极X低频电路和偶极Y低频电路，所述单极低频电路包括与单极换能器并联的第一电感和第一控制开关，所述单极高频电路包括与单极换能器并联的第二电感和第二控制开关，所述偶极X低频电路包括与偶极X换能器并联的第三电感和第三控制开关，所述偶极Y低频电路包括与所述偶极Y换能器并联的第四电感和第四控制开关。
本实施例中，多极子阵列声波测井仪包括单极换能器、偶极X换能器、偶极Y换能器，其中偶极X换能器和偶极Y换能器位于两相互垂直方向。多极子阵列声波测井仪的供电系统与发射控制电路中的控制模块10、高压DC-DC模块20连接，向控制模块10、高压DC-DC模块20提供低压电源。其中，高压DC-DC模块20将该低压电源逆变为高压电源(≥300V)，同时，高压DC-DC模块20与控制模块10连接，用于接收FPGA芯片输出的控制电压，并根据该控制电压调节输出的高压电源大小。控制模块10中的FPGA芯片为现场可编辑门阵列，可读取上位机指令并根据该指令，输出相应的控制电压和多组控制信号，如向充电模块30输出充电控制信号，以打开高压DC-DC模块20与发射换能器50之间的通道；向驱动模块40输出放电控制信号，以使驱动模块40向发射换能器50发射激励信号。
高压DC-DC模块20的输出端与充电模块30连接，用以将该经调控的高压电源输出至充电模块30。充电模块30相当于一个开关，当接收到FPGA芯片输出的充电控制信号时，开始根据该充电控制信号将高压电源输出至单极换能器、偶极X发射换能器50或偶极Y发射换能器50。每一发射换能器50内部均设有储能电容，充电模块30向某发射换能器50输出高压电源时，发射换能器50通过该储能电容充电，该储能电容中储蓄的电能直接影响发射换能器50的声波发射功率和频率。
驱动模块40包括四块电路板，分别为单极低频电路、单极高频电路、偶极X低频电路和偶极Y低频电路。其中，单极低频电路、单极高频电路均与单极换能器并联，偶极X低频电路与偶极X换能器并联，偶极Y低频电路与偶极Y换能器并联。四块电路板分别通过FPGA芯片输出的放电控制信号向其对应连接的发射换能器50发射激励脉冲，其中，第一控制开关用于接收所述FPGA芯片的控制信号以控制其所在电路板与对应的发射换能器50之间导通或截断；第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关同理。
本实施例中，决定驱动模块40向发射换能器50发射激励脉冲频率的有两个因素：驱动模块40中电感(第一电感、第二电感、第三电感、第四电感)的电感值和FPGA芯片控制负电压的保持时间。具体为：如图2和3所示，驱动模块40中某一电路板(如单极低频电路)发射激励信号的放电时间为
Figure BDA0001785984620000051
其中L为该电路板上电感(如第一电感)的感值，C为该电路板所连接的发射换能器50中的储能电容的电容值，FPGA芯片控制负电压的保持时间为th；tr和th之和决定了激励信号的频率f＝1/(2tr+th)的值。
本实施例中，发射控制电路的工作周期为：当上位机向控制模块10发出控制命令，该控制命令包括激励信号的频率和强度等信息，控制模块10的FPGA芯片根据该控制命令，控制单极高频电路向单极换能器发射单极高频激励信号，以激发单极换能器产生单极高频声源；然后FPGA芯片向高压DC-DC模块20输出一定大小的电流，使高压DC-DC模块20产生额定的高压电源并输送至充电模块30，同时，FPGA芯片控制充电模块30向偶极X换能器充电；偶极X换能器充电完成后，FPGA芯片控制偶极X低频电路偶极X换能器发射偶极X低频激励信号，使之产生偶极X低频声源；同理地，FPGA芯片在依次控制高压DC-DC模块20输出一定大小的电流、控制充电模块30向偶极Y换能器充电，以及控制偶极Y低频电路向偶极Y换能器发射偶极Y低频激励信号；再后，FPGA芯片在依次控制高压DC-DC模块20输出一定大小的电流、控制充电模块30向单极换能器充电，以及控制单极低频电路向单极换能器发射单极低频激励信号；完成后再给单极换能器充电，并准备下一个与前述相同的工作周期。
上述工作周期中的四个发射激励信号的步骤，为便于描述，可按序称为“单极高频模式”、“偶极X模式”、“偶极Y模式”和“单极低频模式”四种模式，两相邻模式之间间隔的时间，优选100毫秒，以减小两相邻模式之间的深度偏差。上述工作周期总时长优选1秒。
本实施例中，FPGA芯片通过调整输出至高压DC-DC模块20的控制电压以调节高压DC-DC模块20向发射换能器50输出的高压电源大小，同时，FPGA芯片通过控制充电模块30以切换给不同发射换能器50进行充电，两者结合，能够实现对不同发射换能器50的声波发射功率和频率调节。驱动模块40的四个电路板在FPGA芯片的控制下分别向对应的发射换能器50发出不同频率和宽度的激励信号。也就是说，本发明的发射控制电路，能够同时实现对发射换能器50的激励信号的频率以及发射换能器50的发射功率的调节。从而具有适应不同井眼以及各种复杂底层的测量要求的可调性和灵活性，非常适用于实际测井工作。
在一较佳实施例中，所述第一电感的电感值为200uH，所述第二电感、第三电感和第四电感的电感值为1.6mH。
根据上一实施例中所述的激励信号频率的公式可知，改变驱动模块40中电感的电感值，可相应的改变激励信号的频率，本实施例中，单极高频激励信号的中心频率择优设置为12K，其余三种激励信号的中心频率为4K。
在一较佳实施例中，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关分别与所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感串联，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关均包括IGBT管，所述IGBT管分别与所述FPGA芯片连接。
IGBT管，即绝缘栅双极型晶体管，每个IGBT管均由FPGA芯片控制其导通与截断，当IGBT管导通时，则该IGBT管所在的与发射换能器50并联的支路导通，从而令发射换能器50的储能电容开始放电，从而产生发射换能器50所需的激励脉冲。
在一较佳实施例中，如图2所示，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关分别包括两个反向并联设置的二极管，和两个IGBT管晶体管，每个所述二极管分别与一个IGBT管晶体管串联。反向并联的二极管，能够将IGBT管在关断瞬间，其两端产生的自感反相电压短路，防止该电压击穿IGBT管，从而起到续流作用。
在一较佳实施例中，所述控制模块10还包括电源转换模块，所述电源转换模块与所述低压电源连接，用于转换所述低压电源以为所述FPGA芯片供电。
FPGA芯片的输入电压一般为3.3V或5V，而多极子阵列声波测井仪的供电系统所提供的低压电源较之较大，本实施例中控制模块10包含电源转换模块，其作用就是将该低压电源转换为适于FPGA芯片所需的3.3V或5V电压，以令FPGA芯片正常工作。
在一较佳实施例中，所述电源转换模块包括LM2576芯片、TPS73733芯片和TPS73701芯片，所述LM2576芯片用于将所述低压电源转换为5V，所述TPS73733芯片用于将所述5V电源转换为3.3V，所述TPS73701芯片用于将所述3.3V电源转换为1.5V。根据低压电源转换的各电压值，可为控制模块10中的各用电部件进行供电。
在一较佳实施例中，所述控制模块10还包括与上位机连接的CAN总线端口，该端口通过CAN控制器和收发器，接收上位机(即多极子阵列声波测井仪的主控制器)发送的各项命令，如激励模式、激励脉冲宽度和发射开始等命令。
在一较佳实施例中，所述高压DC-DC模块20包括相互连接的可编程高压模块FH30H和PWM控制模块，所述PWM控制模块与所述FPGA芯片连接，所述可编程高压模块FH30H与所述低压电源和充电模块30连接；所述可编程高压模块FH30H用于将所述低压电源逆变为高压电源，所述PWM控制模块用于根据所述FPGA芯片输出的控制电压，控制所述可编程高压模块FH30H输出至所述充电模块30的高压电源大小。
本实施例中，FPGA芯片通过向PWM控制模块发送不同大小的控制电压，以使PWM控制模块产生相应的脉冲宽度，从而调节可编程高压模块FH30H向充电模块30输出的电压大小。
在一较佳实施例中，所述低压电源为60V，所述高压电源为300V-600V，所述FPGA芯片输出的控制电压为0V-2.5V。
即，FPGA芯片向PWM控制模块输入2.5V-0V的控制电压以使PWM控制模块产生相应的脉冲宽度，使可编程高压模块FH30H向充电模块30输出的电压在300V-600V之间变化。
本发明还提出一种多极子阵列声波测井仪，包括发射换能器50和与该发射换能器50连接的发射控制电路，所述发射控制电路为以上任一实施例中所述的发射控制电路。
所述发射换能器50包括单极换能器、偶极X换能器、偶极Y换能器，其中偶极X换能器和偶极Y换能器位于两相互垂直方向。本发明的发射控制电路，能够同时实现对发射换能器50的激励信号的频率以及发射换能器50的发射功率的调节。因此本多极子阵列声波测井仪，具有适应不同井眼以及各种复杂底层的测量要求的可调性和灵活性，非常适用于实际测井工作。
需要说明，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。
以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (6)

1.一种应用于多极子阵列声波测井仪的发射控制电路，其特征在于，包括控制模块、高压DC-DC模块、充电模块和驱动模块，所述控制模块与上位机连接，所述控制模块包括FPGA芯片，所述FPGA芯片分别与所述高压DC-DC模块、充电模块和驱动模块连接；
所述高压DC-DC模块还与低压电源和充电模块连接，所述高压DC-DC模块用于将所述低压电源逆变为高压电源，并根据所述FPGA芯片输出的控制电压向所述充电模块输出高压电源；
所述充电模块用于接收所述高压电源和所述FPGA芯片输出的充电控制信号，以向发射换能器充电；
所述驱动模块用于接收所述控制模块的放电控制信号，并根据所述放电控制信号依次向所述多极子阵列声波测井仪中的多个发射换能器输出放电激励信号；
所述驱动模块包括单极低频电路、单极高频电路、偶极X低频电路和偶极Y低频电路，所述单极低频电路包括与单极换能器并联的第一电感和第一控制开关，所述单极高频电路包括与单极换能器并联的第二电感和第二控制开关，所述偶极X低频电路包括与偶极X换能器并联的第三电感和第三控制开关，所述偶极Y低频电路包括与偶极Y换能器并联的第四电感和第四控制开关;
所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关分别与所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感串联；所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关和第四控制开关分别包括两个反向并联设置的二极管，和两个IGBT管晶体管，每个所述二极管分别与一个IGBT管晶体管串联，所述IGBT管晶体管与所述FPGA芯片连接；
所述控制模块还包括电源转换模块，所述电源转换模块与所述低压电源连接，用于转换所述低压电源以为所述FPGA芯片供电；
所述高压DC-DC模块包括相互连接的可编程高压模块FH30H和PWM控制模块，所述PWM控制模块与所述FPGA芯片连接，所述可编程高压模块FH30H与所述低压电源和充电模块连接；所述可编程高压模块FH30H用于将所述低压电源逆变为高压电源，所述PWM控制模块用于根据所述FPGA芯片输出的控制电压，控制所述可编程高压模块FH30H输出至所述充电模块的高压电源大小。
2.如权利要求1所述的发射控制电路，其特征在于，所述第一电感的电感值为200uH，所述第二电感、第三电感和第四电感的电感值为1.6mH。
3.如权利要求1所述的发射控制电路，其特征在于，所述电源转换模块包括LM2576芯片、TPS73733芯片和TPS73701芯片，所述LM2576芯片用于将所述低压电源转换为5V，所述TPS73733芯片用于将所述5V的电源转换为3.3V，所述TPS73701芯片用于将所述3.3V的电源转换为1.5V。
4.如权利要求1所述的发射控制电路，其特征在于，所述控制模块还包括与上位机连接的CAN总线端口。
5.如权利要求1所述的发射控制电路，其特征在于，所述低压电源为60V，所述高压电源为300V-600V，所述FPGA芯片输出的控制电压为0V-2.5V。
6.一种多极子阵列声波测井仪，包括发射换能器和与所述发射换能器连接的发射控制电路，其特征在于，所述发射控制电路为权利要求1-5中任意一项所述的发射控制电路。
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