过钻杆阵列声波信号处理电路的设计与实现

曾凡亚 刘峰

（中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南省新乡市 453000）

多极子阵列声波测井作为地球物理勘探测井的方法之一，在提取地层纵、横波和斯通利波信息，评价地层孔隙度、渗透率、各向异性方面具有不可替代的作用[1]。随着页岩油、气资源的开发利用，大斜度井、水平井不断增加，传统的电缆测井方式已不适用，钻具输送方式存在风险高、成功率低的缺点，也无法满足使用需求。过钻杆工艺由于其自身较高的安全性和时效性，在此期间取得了巨大的发展，但其工艺特点对仪器的外径、功耗提出了更高的要求[2]。为适应这一新的测井施工工艺，我们推出了Φ60多极子阵列声波测井仪，本文针对小直径阵列声波四分量接收信号微弱、通道数量多、动态范围大、功耗要求严格的特点，设计并实现了相应的信号处理电路，并在仪器应用中取得了良好的效果。

1 多极子阵列声波测井仪构成及工作原理

Φ60 多极子阵列声波测井仪具有1 个高频单极声源、1个低频单极声源和1 个正交偶极声源，高频单极声源用于测量地层纵、横波和斯通利波信息，低频单极声源用作软地层中提取斯通利波信息的补充，偶极声源用于提取地层横波信息，并依据其接收的方位特性，对地层各向异性信息进行评价[3]。接收端由8 个接收换能器组成，相邻接收间隔0.152m，每个换能器具有4 个接收方位，共32 个接收信号。

仪器工作周期为1s，每个周期产生4 次发射，依次为高频单极、偶极X、偶极Y 和低频单极，每次发射间隔100ms。单极发射时，每个接收换能器4 个方向上信号X1、X2、Y1、Y2 进行求和，最终形成8 道高频或低频单极信号；偶极X 发射时，X 方向上的接收X1、X2 和Y 方向的接收Y1、Y2 分别相减，得到8 通道XX 信号和8 通道XY 信号，偶极Y 发射时，X 方向上的接收X1、X2 和Y 方向的接收Y1、Y2 分别相减，得到8 通道YX 信号和8 通道YY 信号。

针对不同声源信号的特点，信号处理电路将32 路接收信号滤除干扰后进行运算合成，通过自动增益功能，使信号幅度保持在合理范围，避免信号出现饱和失真，处理好的信号送至采集模块数字化后上传或存储，使用相关算法处理和分析波形数据，即可得到相应的地层信息。

2 信号处理电路整体设计

图 1 所示为单个接收换能器信号处理电路框图，仪器有8 个相同的信号处理单元，共16 个采集通道，每个单元主要包括前置放大、高通滤波、模拟运算、信号选择、程控增益和低通滤波等6 个部分。电路将接收换能器4 个方向上的信号X1、X2、Y1、Y2 处理为偶极X 方向（DPX）、偶极Y 方向（DPY）、高频单极（MP）和低频单极(ST)4 个接收信号，并将其划分为2 组，DPX、DPY 一组，MP、ST 一组，分别送至2 路采集通道中，实现信号的干扰抑制、运算合成、程控增益和抗混叠滤波等功能。各信号处理通道增益如表1 所示（相对于单个方向接收信号的增益，假设各个方向上接收信号幅度相同），偶极通道动态范围69dB，单极通道动态范围最大可达75dB。

图1：信号处理电路框图

表1：信号处理通道增益(dB)

3 电路的设计与分析

3.1 前置放大电路

前置放大电路主要作用是将压电陶瓷换能器的高输出阻抗转换为运放的低输出阻抗，增强信号的抗干扰能力，因此其增益无需很大，且电路需布置在近接收换能器的位置，通过设计专用的承压封装，将前置放大电路安装于接收声系中，可获得到良好的抗干扰性能。前置放大电路采用同相放大电路，增益设计为2 倍，利用其高输入阻抗特性，可获得更大幅度的接收信号，同时在接收换能器两端并联一个电荷泄放电阻，避免在非工作时由于温度、振动等原因积累电荷而损坏前置放大电路。

3.2 高通滤波电路

高通滤波电路用来滤除测井过程中仪器与井壁碰撞及晃动产生的干扰，同时消除基线直流偏移，电路如图 2 所示，采用2 级Sallen‐Key 电路实现4 阶Butterworth 滤波器，每一级‐3dB 截止频率由式：

图2：高通滤波电路

计算，第一级396Hz，第二级401Hz，通带总增益0dB。

3.3 模拟运算电路

求和电路用于对高、低频单极4 个方向上的信号进行合成，以获得完整的接收信号，电路如图 3(a)所示，令R1=R2=R3=R4=R，R5=0.25R，依据运放的“虚短”和“虚断”特征，当vX1单独作用，其它输入接地时，输出电压：

则依据线性叠加原理，电路总输出：

改变R6的值可调整求和后的增益。对于高频单极，接收信号幅度较大，为避免求和电路出现饱和，R6取值10k，实现1/4 衰减求和；对于低频单极，接收信号幅度稍小，为有效利用输出电压范围，R6取值40k，实现单位增益求和。

偶极接收信号因其声源特性，相对方位的信号相位相反，通过对信号进行差分放大，可在增强信号的同时抑制干扰，显著提高信噪比。差分放大电路如图 3(b)所示，U1 为ADI公司一款低噪声仪表放大器，支持最大±17V 电源供电，当G=100 时，共模抑制比高达126dB，带宽可达1.2MHz，非常适合偶极声波测井信号处理使用。由于偶极接收信号与单极信号存在量级上的差异，图中R3取值665Ω，电路输出：

图3：模拟运算电路

即10 倍差分增益。同时，在输入端加入差模抑制网络R1、R2和C1，其差模截止频率：

可有效衰减偶极接收信号中的纵波成份，实现更高的信噪比。

3.4 信号选择电路

信号选择电路在每次发射时，依据信号选择电平，从32 个合成信号中选择对应的16 个信号接入到采集通道中。电路采用ADI 公司双电源模拟开关集成电路，每片包含4个单刀双掷开关，兼容3V 逻辑输入，且支持轨到轨工作。开关导通电阻典型值为4.5Ω，平坦度小于1Ω。

3.5 程控增益电路

程控增益电路实现仪器井下工作时的自动增益功能，以适应软、硬不同的地层使用情形，扩展仪器的测量范围，由衰减级和放大级构成。衰减级包含8 个档位，每档3dB，用ADI 公司一款8 选1 多路复用器，其导通电阻最大值小于4.7Ω，平坦度小于0.5Ω，且具有轨到轨工作特性，通过控制引脚电平，可选择不同的电阻衰减网络，实现‐21～0dB 的衰减。

增益级电路如图 4 所示，同样采用8 选1 多路复用器，A2 接高电平，当A1=0，A0=0 时，S5 被选通，电路为跟随器电路，具有单位增益；当A1=0，A0=1 时，S6 被选通，电路为同相放大电路，交流增益为12dB，直流增益为0dB；当A1=1，A0=0 时，S7 被选通，电路为同相放大电路，交流增益为24dB，直流增益为0dB。电容C1 的引入，可限制直流增益，避免最大增益时输出基线产生偏移，影响输出电压可用范围。使用两级级联的方式，增益级可实现0dB、24dB和48dB三种增益，与衰减级结合，即可实现‐21dB～48dB的增益控制范围，共24 档，每档3dB。

图4：程控增益电路

3.6 低通滤波电路

低通滤波电路对输入信号进行抗混叠滤波，高频单极采样频率为100kHz，低频单极和偶极采样频率为50kHz，因此抗混叠滤波频率设计为20kHz 即可满足使用要求。压控电压源VCVS(Voltage Controlled Voltage Source)滤波器，结构简单，使用元器件种类少，调整各级增益系数即可实现高阶滤波[5]，根据VCVS 低通滤波器设计表格，若要设计4 阶巴特沃斯滤波器，则第一级增益值K1=1.152，第2 级增益值K2=2.235，通带总增益为2.57 倍（即8dB），电路如图 5 所示，当R1=R2=R5=R6=R，C1=C2=C3=C4=C 时，滤波器‐3dB 截止频率为：

图5：低通滤波电路

4 电路的仿真

使用Pspice 对以上信号处理电路进行了仿真测试，由于是分部分进行，仿真结果众多，下面仅列出高通滤波器电路的仿真结果。Pspice 交流分析是计算电路的交流小信号频率响应特性，能够获得电路的幅频响应和相频响应[6]。在Pspice 仿真电路中加入交流电压源，建立仿真配置文件，设置分析类型为交流分析，频率范围为100～100kHz，坐标类型对数，每十倍频记录点为100 个。结果显示，高通滤波器电路‐3dB 截止频率约为400Hz，对于200Hz 以下的干扰，具备20dB 以上的抑制作用，与设计目标一致。

5 电路的测试与应用

为满足小直径仪器的体积要求，信号处理电路所有元器件均采用贴片封装，印制板宽度设计为40mm，使用印制板堆叠的方式，电路长度仅225mm。仪器整体调试完毕之后，将整支多极子阵列声波测井仪放置于充满水的铝套管中，配置仪器工作于上传模式，地面采集软件获取的接收信号波列波形形态清晰，特征明显。使用慢度时间相关（STC：Slowness‐Time Coherence）算法对单极8 道接收信号进行处理，得到铝套管中纵波慢度为185us/m，与理论值一致。随后，仪器完成了孤古八井、川庆测井实验井等外场实验，与对比仪器具有良好的一致性。

6 结论

（1）设计的信号处理电路，高频单极通道增益‐7～62dB，低频单极通道增益‐1～68dB，偶极信号通道增益19～88dB，动态范围69dB，可同时处理32 路接收信号；

（2）采用4 阶高通加4 阶低通滤波器，通带频率范围400Hz～20kHz，可对测井过程的干扰进行良好地抑制，处理的接收信号具有较高的信噪比；

（3）电路体积小、可靠性高，满足过钻杆工艺测井使用需求。目前，相关仪器所测井次已超过60 口，均取得了合格的资料。