CN118008268A - 一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路和激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路，包括：FPGA主控芯片、驱动电路、H桥电路、LC滤波电路、发射变压器和发射回路，FPGA主控芯片、驱动电路和H桥电路构成D类放大器，FPGA芯片连接驱动电路，用于生成PWM正弦调制波，并将PWM正弦调制波输出到驱动电路中转换为高频调制方波；驱动电路输出的高频调制方波用于控制H桥电路中四个MOSFET的开关状态，输出功率放大后的高频调制方波；LC滤波器连接H桥电路，用于对功率放大后的高频调制方波滤波得到功率放大后的正弦波发射信号；发射变压器用于将功率放大后的正弦波发射信号隔离耦合至发射回路。本方案能够实现测井仪发射信号的频率可变性和发射功率的精确可控，提高测井精度。

Description

一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路和激励方法

技术领域

本发明涉及石油勘探技术领域，具体涉及一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路、微电阻率扫描成像测井仪及其激励方法。

背景技术

微电阻率扫描成像测井是一种用于地层成像的技术，通过测量油气井壁上的微小电阻率变化来获取地层信息，如地层构造、裂缝分布等，广泛应用于石油勘探开发。为了减少或避免井眼缩径或坍塌导致的卡钻风险并提高钻井效率，钻井泥浆越来越多地采用高盐度泥浆。由于高盐度泥浆的高导电性，使发射电流更多地通过泥浆通道回流，更少部分流入地层，从而影响微电阻率扫描成像测井资料的质量，因此，发射电路是影响微电阻率扫描成像测量资料质量的关键因素之一。

对于发射电路来说，需要解决以下问题：一是传统的LC振荡器在高温下会出现较大的频率波动，不适用于特高温测量环境；二是传统的功率放大电路转换效率低，自发热严重。

发明内容

为了解决高导电率环境中发射电路存在的技术问题，本方案提出一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路、微电阻率扫描成像测井仪及其激励方法，能够提供更大功率的发射电流及可变的发射频率，以适于在高盐度泥浆的井眼中进行微电阻率扫描成像。

根据本发明的第一方面，提供了一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路，包括：FPGA主控芯片、驱动电路、H桥电路、LC滤波电路、发射变压器和发射回路，FPGA主控芯片、驱动电路和H桥电路构成D类放大器。

其中，FPGA芯片连接驱动电路，用于生成PWM正弦调制波，并将PWM正弦调制波输出到驱动电路中转换为高频调制方波；驱动电路输出的高频调制方波用于控制H桥电路中四个MOSFET的开关状态；

LC滤波器连接H桥电路，用于对功率放大后的高频调制方波滤波得到功率放大后的正弦波发射信号；发射变压器用于将功率放大后的正弦波发射信号隔离耦合至发射回路。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路中，FPGA主控芯片用于通过改变PWM正弦调制波中的频率和脉冲宽度控制H桥电路中MOSFET的开关时间。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路中，发射电路还包括供电电源监控模块、发射信号监控模块，发射信号监控模块用于实时测量发射功率，供电电源监控模块用于实时测量供电电源的供电功率，通过比较发射功率和供电功率，在发射功率和供电功率大于设定的最大功率时对发射电路进行限流保护，以免发射功率超出测井仪最大供电功率导致系统供电异常。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路中，发射变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比根据不同井眼地层特征所需的发射功率要求进行调整。

根据本发明的第二方面，提供了一种微电阻率扫描成像测井仪，包括：电源短节、主电路短节、测量探头、连接在电源短节与测量探头之间的根据本发明第一方面所述的发射电路以及设置在电源短节与主电路短节之间和/或设置在仪器上端与电源短节之间和/或测量探头与仪器下端之间的一个或多个绝缘短节。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪中，当仪器上端仅连接通讯短节，不连接其他测量仪器时，电源短节与仪器上端的通讯短节之间不安装绝缘短节；当仪器下端不连接其他测井仪器，则测量探头的下端不安装绝缘短节；当泥浆电导率超出预设阈值或者井眼尺寸超出预设尺寸时，电源短节与主电路短节之间不安装绝缘短节，而保留仪器上端的其他测井仪与电源短节之间安装的绝缘短节。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪中，测量探头的部分金属壳体和主电路短节的金属壳体上包裹玻璃钢。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪中，微电阻率扫描成像测井仪还包括设置在测量探头上下两端的橡胶扶正环。

可选地，在本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪中，测量探头包括多个极板和内部电路，当进行微电阻率扫描成像测井时，发射电路产生的发射电流通过测量探头的主体和极板外壳注入地层，再通过井眼内的泥浆柱和周围地层构成的回路达到电源短节外壳体；内部电路用于记录每个极板纽扣电池的电流强度和施加在极板上的电压。

根据本发明的第三方面，提供了一种微电阻率扫描成像测井仪的激励方法，，基于本发明第二方面所述的微电阻率扫描成像测井仪实现，包括：

将测量探头的极板紧贴井壁，发射电路产生的正弦波发射信号通过测量探头的主体和极板外壳注入地层，经井眼内的泥浆柱和周围地层构成的回路到达电源短节外壳体；

通过测量探头内部电路记录极板上每个纽扣电极的电流强度和施加在纽扣电极上的电压，通过计算电压和电流之间的比例得到井壁地层四周的微电阻率变化情况。

根据本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路、微电阻率扫描成像测井仪及其激励方法，通过FPGA主控芯片、驱动电路和H桥电路构成D类放大器，可实现更低的功耗和更好的高温性能；

通过实时调整生成的PWM正弦调制波的频率及占空比来调整发射电路输出电流的频率和幅值，能够提供更大功率的发射电流及可变的发射频率，以适于在高盐度泥浆的井眼中进行微电阻率扫描成像，不受电感及电容温漂的影响，提高了测井测量精度；

在进行微电阻率扫描成像测井的激励时，可以根据井下不同的测井仪器组合和井眼环境，灵活配置绝缘短节的位置和数量，使发射电流不能通过仪器的自身金属壳体回流，能够避免对发射电流环路产生影响。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的微电阻率扫描成像测井仪的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的PFGA主控芯片生成的PWM正弦调制信号功率放大后的波形示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的在175℃温度下发射电路输出的发射信号波形示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一个实施例的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路结构示意图。如图1所示，该发射电路包括FPGA主控芯片、驱动电路、H桥电路、LC滤波电路、发射变压器和发射回路。FPGA主控芯片、驱动电路和H桥电路构成D类放大器。H桥电路包括4个MOSFET组成的桥臂。

其中，FPGA主控芯片由电源输入转换（5V转换为3.3V，再转换为1.5V）后的电源供电，并可以通过通讯模块与测井仪器的主控制系统进行数据传输。

FPGA主控芯片连接驱动电路，用于生成PWM正弦调制波，并将PWM正弦调制波输出到驱动电路中。驱动电路可以将FPGA主控芯片生成的PWM正弦调制波进行电平转换和放大，转换为高频调制方波，以驱动H桥电路，具有电平转换、隔离、保护等功能，确保PWM正弦调制波能够有效地驱动H桥电路。H桥电路是D类放大器的核心部分，驱动电路输出的高频调制方波用于控制H桥电路中四个MOSFET的开关状态，实现高频调制方波的功率放大。

LC滤波器连接H桥电路，用于对H桥电路的输出信号滤波，以去除MOSFET开关过程中的高频噪声，得到平滑的正弦波发射信号。

发射变压器用于将功率放大后的正弦波发射信号隔离耦合至发射回路，从而实现正弦波发射信号注入井眼地层中。发射变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比可以根据不同的井眼地层特征所需的发射功率要求进行适应性调整。

可见，本方案利用D类放大器将调制的PWM信号进行功率放大，再将其恢复为模拟正弦信号输出。由于传统的A类、B类或AB类放大器通过线性放大来放大输入信号，会导致能量损耗和热量产生，而D类放大器利用开关器件的工作原理，在输入信号的周期内，只有开和关两个状态，从而减少了功率损耗和热量产生。正弦发射信号的频率精准稳定，不受电感和电容温漂的影响，有利于提高测井测量精度。

FPGA是一种灵活的可编程逻辑器件，可以实现数字信号处理、逻辑控制和时序同步等功能，可以通过RS485或RS232通讯模块与测井仪器的主控制系统通讯。在本发明的一个实施例中，FPGA主控芯片可用于通过改变PWM正弦调制波中的频率和脉冲宽度（占空比）控制H桥电路中MOSFET的开关时间，从而调整发射回路输出的正弦波发射信号的频率和幅值，便于主控芯片对发射波形频率的实时配置。

可以选用ACTEL公司的基于非易失性flash技术的A3P系列器件，此器件采用反熔丝工艺，具有抗辐射、耐高低温、功耗低等特点，时钟频率最高倍频至350 MHz，满足频率合成控制电路对高速运算的要求。

如图1所示，发射电路还供电电源监控模块、发射信号监控模块，发射信号监控模块用于实时测量发射功率，供电电源监控模块用于实时测量供电电源的供电功率，通过比较发射功率和供电功率，在发射功率和供电功率大于设定的最大功率时对发射电路进行限流保护，以免发射功率超出测井仪最大供电功率导致系统供电异常。

本发明还提供了一种微电阻率扫描成像测井仪，包括：电源短节、主电路短节、测量探头、连接在电源短节与测量探头之间的如上所述的发射电路以及设置在电源短节与主电路短节之间和/或设置在仪器上端与电源短节之间和/或测量探头与仪器下端之间的一个或多个绝缘短节。

也就是说，根据井下不同的测井仪器组合和井眼环境，绝缘短节的配置位置可灵活调整。

图2示出了根据本发明一个实施例的微电阻率扫描成像测井仪的结构示意图。如图2所示，微电阻率扫描成像测井仪从上至下依次包括绝缘短节1、电源短节、绝缘短节2、主电路短节、橡胶扶正环1、测量探头、橡胶扶正环2、绝缘短节3以及通过仪器内部线路连接至电源短节外壳体和测量探头外壳体之间的发射电路两端（TX-L、TX-H）。

利用三个绝缘短节，使得仪器上端与电源短节、电源短节与主电路短节、测量探头与仪器下端各个之间的金属壳体相互绝缘，发射电流不能通过仪器的自身金属壳体回流。

根据井下不同的测井仪器组合和井眼环境，图2中三个绝缘短节的配置位置可灵活调整：

1）当仪器上端只配接通讯短节，不配接其他测量仪器，则绝缘短节（绝缘短节1）可以不用安装；

2）当仪器下端空置，不接其他测井仪器时，则绝缘短节3可以不用安装；

3）当泥浆电导率非常高超出预设阈值，或者井眼尺寸比较大超出预设尺寸时，为降低泥浆柱对发射电流环路的泄流影响，可以不安装绝缘短节2，电源短节的金属外壳包裹玻璃钢，并且需要将发射回路的TX-H通过内部线路连接至仪器上端其他仪器的金属壳体。

测量探头的部分金属壳体和主电路短节的金属外壳上包裹玻璃钢，以使其外壳与井眼泥浆绝缘。测量探头上下两端配置的橡胶扶正环主要用于仪器下放或仪器上提过程中仪器保持居中，减小测量探头的极板外壳与井壁之间磨损，由于其采用耐高温橡胶材质，因此不会对发射回路产生影响。

测量探头包括多个极板和内部电路，当进行微电阻率扫描成像测井时，发射电路产生的发射电流通过测量探头的主体和极板外壳注入地层，再通过井眼内的泥浆柱和周围地层构成的回路达到电源短节外壳体。内部电路用于记录每个极板纽扣电池的电流强度和施加在极板上的电压，从而通过计算得到井壁地层四周的微电阻率变化情况。

基于上述的微电阻率扫描成像测井仪，本发明实施例还提供了一种微电阻率扫描成像测井仪的激励方法，包括：将测量探头的极板紧贴井壁，发射电路产生的正弦波发射信号通过测量探头的主体和极板外壳注入地层，经井眼内的泥浆柱和周围地层构成的回路到达电源短节外壳体；

通过测量探头内部电路记录极板上每个纽扣电极的电流强度和施加在纽扣电极上的电压，通过计算电压和电流之间的比例得到井壁地层四周的微电阻率变化情况。

图3示出了根据本发明一个实施例的PFGA主控芯片生成的PWM正弦调制信号功率放大后的波形示意图。如图3所示，将微电阻率扫描成像测井仪连接功率电阻作为地层模拟负载，PFGA主控芯片输出基频128KHz的PWM调制波，测试输出数字合成的4KHz正弦激励信号。

图4示出了根据本发明一个实施例的在175℃温度下发射电路输出的发射信号波形示意图。如图4所示，发射电路输出4KHz正弦功率激励信号，发射功率的转换效率高于85%，发射信号频率误差小于1Hz@175℃。

根据本发明提供的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路、微电阻率扫描成像测井仪及其激励方法，通过FPGA主控芯片、驱动电路和H桥电路构成D类放大器，可实现更低的功耗和更好的高温性能；

通过实时调整生成的PWM正弦调制波的频率及占空比来调整发射电路输出电流的频率和幅值，能够提供更大功率的发射电流及可变的发射频率，以适于在高盐度泥浆的井眼中进行微电阻率扫描成像，不受电感及电容温漂的影响，提高了测井测量精度；

在进行微电阻率扫描成像测井的激励时，可以根据井下不同的测井仪器组合和井眼环境，灵活配置绝缘短节的位置和数量，使发射电流不能通过仪器的自身金属壳体回流，能够避免对发射电流环路产生影响。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种微电阻率扫描成像测井仪的发射电路，其特征在于，包括：FPGA主控芯片、驱动电路、H桥电路、LC滤波电路、发射变压器和发射回路，所述FPGA主控芯片、驱动电路和H桥电路构成D类放大器，

所述FPGA芯片连接所述驱动电路，用于生成PWM正弦调制波，并将所述PWM正弦调制波输出到所述驱动电路中转换为高频调制方波；所述驱动电路输出的高频调制方波用于控制所述H桥电路中四个MOSFET的开关状态，得到功率放大后的高频调制方波；

所述LC滤波器连接所述H桥电路，用于对所述功率放大后的高频调制方波滤波得到功率放大后的正弦波发射信号；所述发射变压器用于将功率放大后的正弦波发射信号隔离耦合至所述发射回路。

2.根据权利要求1所述的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路，其特征在于，所述FPGA主控芯片用于通过改变PWM正弦调制波中的频率和脉冲宽度控制所述H桥电路中MOSFET的开关时间。

3.根据权利要求1所述的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路，其特征在于，所述发射电路还包括供电电源监控模块、发射信号监控模块，所述发射信号监控模块用于实时测量发射功率，所述供电电源监控模块用于实时测量供电电源的供电功率，通过比较所述发射功率和供电功率，在所述发射功率和供电功率大于设定的最大功率时对发射电路进行限流保护，以免发射功率超出测井仪最大供电功率导致系统供电异常。

4.根据权利要求1所述的微电阻率扫描成像测井仪的发射电路，其特征在于，所述发射变压器的初级线圈与次级线圈的匝数比根据不同井眼地层特征所需的发射功率要求进行调整。

5.一种微电阻率扫描成像测井仪，其特征在于，包括：电源短节、主电路短节、测量探头、连接在所述电源短节与测量探头之间的如权利要求1-4任一项中所述的发射电路以及设置在电源短节与主电路短节之间和/或设置在仪器上端与电源短节之间和/或测量探头与仪器下端之间的一个或多个绝缘短节。

6.根据权利要求5所述的微电阻率扫描成像测井仪，其特征在于，当仪器上端仅连接通讯短节，不连接其他测量仪器时，所述电源短节与仪器上端的通讯短节之间不安装绝缘短节；当仪器下端不连接其他测井仪器，则测量探头的下端不安装绝缘短节；当泥浆电导率超出预设阈值或者井眼尺寸超出预设尺寸时，所述电源短节与主电路短节之间不安装绝缘短节，而保留仪器上端的其他测井仪与电源短节之间安装的绝缘短节。

7.根据权利要求5所述的微电阻率扫描成像测井仪，其特征在于，所述测量探头的部分金属壳体和所述主电路短节的金属壳体上包裹玻璃钢。

8.根据权利要求5所述的微电阻率扫描成像测井仪，其特征在于，所述微电阻率扫描成像测井仪还包括设置在测量探头上下两端的橡胶扶正环。

9.根据权利要求5所述的微电阻率扫描成像测井仪，其特征在于，所述测量探头包括多个极板和内部电路，当进行微电阻率扫描成像测井时，发射电路产生的发射电流通过测量探头的主体和极板外壳注入地层，再通过井眼内的泥浆柱和周围地层构成的回路达到所述电源短节外壳体；所述内部电路用于记录每个极板纽扣电池的电流强度和施加在极板上的电压。

10.一种微电阻率扫描成像测井仪的激励方法，其特征在于，基于如权利要求5-9任一项中所述的微电阻率扫描成像测井仪实现，包括：

将测量探头的极板紧贴井壁，所述发射电路产生的正弦波发射信号通过测量探头的主体和极板外壳注入地层，经井眼内的泥浆柱和周围地层构成的回路到达电源短节外壳体；

通过测量探头内部电路记录极板上每个纽扣电极的电流强度和施加在纽扣电极上的电压，通过计算电压和电流之间的比例得到井壁地层四周的微电阻率变化情况。