過(guò)鉆具陣列感應儀器發(fā)射電路設計*

*本課題為中國石油集團公司項目“多模式過(guò)鉆具成像測井系統現場(chǎng)試驗”項目編號2021ZS03。

過(guò)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(shù)研究院自主研發(fā)的具有完全知識產(chǎn)權的一套雙模式（電纜模式和存儲模式）過(guò)鉆具測井系統。這套系統是為了滿(mǎn)足頁(yè)巖氣小井眼、大位移、超長(cháng)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(fā)射功率較大的儀器之一。為了適應過(guò)鉆具測井系統，就需要對陣列感應儀器進(jìn)行優(yōu)化，尤其是在存儲測井模式時(shí)，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(fā)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(fā)射模塊采用線(xiàn)性功放設計，隨著(zhù)溫度的升高，功率開(kāi)關(guān)管的靜態(tài)電流和交越失真增大，功率管發(fā)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(shí)現，且與存儲式的設計理念相悖。因此，我們提出了采用D 類(lèi)功率放大器進(jìn)行發(fā)射模塊設計，D 類(lèi)功率放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)際功耗小、效率高，滿(mǎn)足系統設計的整體低功耗設計要求。

1   過(guò)鉆具陣列感應儀器

過(guò)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(mǎn)足過(guò)鉆具測井工藝和保護套測井工藝的石油勘探開(kāi)發(fā)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(guò)鉆具陣列感應儀器的原理是由發(fā)射線(xiàn)圈向地層發(fā)射激勵信號，由接收線(xiàn)圈接收來(lái)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(jià)等^[1-2]。

過(guò)鉆具陣列感應儀器采用DDS（直接數字合成）技術(shù)合成多頻發(fā)射數據^[3]，該數據經(jīng)過(guò)DAC（數字- 模擬轉換器）輸出給驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈的功率模塊，放大輸出。過(guò)鉆具陣列感應儀器的信號合成功能框圖如圖1 所示。發(fā)射電路負載是發(fā)射線(xiàn)圈，發(fā)射線(xiàn)圈等效為一個(gè)RLC（電阻R、電感L、電容C）串聯(lián)發(fā)射回路，要想提高接收線(xiàn)圈信號的信噪比，就必須提高發(fā)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(xiàn)性功率器件實(shí)現對激勵信號的功率驅動(dòng)。如圖2 所示，PA（功率放大器）Positive 和PA Negative為兩個(gè)線(xiàn)性功率驅動(dòng)模塊，用于驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈的兩極，具體電路圖如圖4 所示。

圖中2 可見(jiàn)，AFIT[4] 發(fā)射單元由兩對大功率達林頓開(kāi)關(guān)管組成，開(kāi)關(guān)管的靜態(tài)電流導致儀器的整體功耗非常大，該方案對存儲式過(guò)鉆具測量系統并不適用。所以，我們在過(guò)鉆具感應儀器中應用本文的新型發(fā)射電路，通過(guò)提高發(fā)射效率來(lái)解決此問(wèn)題。

2   B類(lèi)功率放大器

下面簡(jiǎn)單介紹AFIT 陣列感應儀器中所使用的B 類(lèi)線(xiàn)性功放。圖3 為B 類(lèi)功率放大器的基本原理框圖，主要包括兩個(gè)線(xiàn)性功率管組成。

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

圖4 為AFIT 陣列感應儀器線(xiàn)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(shí)現對驅動(dòng)信號的功率放大，該電路復雜，調試困難。

圖5 為加載到發(fā)射線(xiàn)圈兩端的實(shí)際激勵信號。黃色波形和綠色波形分別為PA Positive 和PA Negative 兩個(gè)線(xiàn)性功率驅動(dòng)模塊輸出的示波器測量波形，加載到發(fā)射線(xiàn)圈的兩極，驅動(dòng)線(xiàn)圈向地層發(fā)射激勵信號。

圖5 AFIT中B類(lèi)功率放大器輸出波形信號

3   D類(lèi)功率放大器

為了解決B 類(lèi)功放存在的一些問(wèn)題，我們在過(guò)鉆具陣列感應儀器中采用D 類(lèi)放大器，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)放大器。放大器由輸入信號處理電路、開(kāi)關(guān)信號形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路和低通濾波器等四部分組成^[6][7]。

D 類(lèi)功率放大器的基本結構，可分為三個(gè)部分：調制器，把輸入發(fā)射波形信號調制成一個(gè)與輸入信號幅度相關(guān)的脈寬調制信號。D 類(lèi)功率放大器是一個(gè)脈沖控制的大電流開(kāi)關(guān)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(lái)^[8]，結構和原理如圖6、圖7 所示。

4   D類(lèi)功放在A(yíng)FIT儀器中的應用

在過(guò)鉆具陣列感應儀器中， 我們選用D 類(lèi)功率放大器件TDA8920， 放大器采用差動(dòng)音頻輸入，振蕩器頻率由腳1 外部電阻R_OSC 設定。16 腳外部電流（R_lim）用作調節限制電流。17 腳上的輸入

電壓（V_ms）用作模式選擇：即待機、靜噪抑制（無(wú)聲）和導通進(jìn)入正常操作。電路原理如圖8 所示。

在過(guò)鉆具陣列感應儀器應用中，振蕩器的頻率計算公式為：

R_OSC 取10 kΩ，即振蕩頻率為500 kHz，遠離感應儀器的工作頻率。圖9 為D 類(lèi)功放感應信號發(fā)射波形。

在D 類(lèi)功放設計中需要考慮的主要難點(diǎn)是輸出級的保護和儀器高溫環(huán)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(shí)現功率模塊和電源模塊的過(guò)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(fā)射電子線(xiàn)路的溫度刻度，實(shí)現儀器穩定可靠工作。

圖9 D類(lèi)功放輸出波形圖（20 kHz）

5   結論

由圖5 可以看出，B 類(lèi)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(lèi)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(lèi)功放的效率較B 類(lèi)功放的效率更高，從而減小發(fā)射模塊的發(fā)熱量，同時(shí)提高儀器信號的信噪比。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）