過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器發(fā)射電路設(shè)計(jì)*

*本課題為中國(guó)石油集團(tuán)公司項(xiàng)目“多模式過(guò)鉆具成像測(cè)井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”項(xiàng)目編號(hào)2021ZS03。

過(guò)鉆具測(cè)井系統(tǒng)(FITS，F(xiàn)ast Imaging Thru-drilling tool logging System) 是中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井技術(shù)研究院自主研發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一套雙模式（電纜模式和存儲(chǔ)模式）過(guò)鉆具測(cè)井系統(tǒng)。這套系統(tǒng)是為了滿(mǎn)足頁(yè)巖氣小井眼、大位移、超長(zhǎng)水平井等高難度復(fù)雜井況而設(shè)計(jì)的測(cè)井系統(tǒng)。陣列感應(yīng)儀器是這套系統(tǒng)中測(cè)量地層電阻率的重要測(cè)井成像儀器，在常規(guī)電纜測(cè)井系統(tǒng)中，陣列感應(yīng)儀器就是發(fā)射功率較大的儀器之一。為了適應(yīng)過(guò)鉆具測(cè)井系統(tǒng)，就需要對(duì)陣列感應(yīng)儀器進(jìn)行優(yōu)化，尤其是在存儲(chǔ)測(cè)井模式時(shí)，測(cè)井系統(tǒng)采用72 V電池供電，因此對(duì)這支儀器的功耗提出了更高的要求。陣列感應(yīng)儀器要向地層發(fā)射交流信號(hào)，信號(hào)越強(qiáng)，地層感應(yīng)信號(hào)就越大。電纜測(cè)井系統(tǒng)中的感應(yīng)發(fā)射模塊采用線性功放設(shè)計(jì)，隨著溫度的升高，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(dǎo)致儀器的工作溫度指標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)，且與存儲(chǔ)式的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(tǒng)設(shè)計(jì)的整體低功耗設(shè)計(jì)要求。

1   過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器

過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器是適用于復(fù)雜井況、小尺寸的存儲(chǔ)式電阻率成像測(cè)井儀器，是滿(mǎn)足過(guò)鉆具測(cè)井工藝和保護(hù)套測(cè)井工藝的石油勘探開(kāi)發(fā)的高端成像測(cè)井儀器，儀器外徑只有55 mm，較傳統(tǒng)的裸眼井電纜測(cè)井儀器設(shè)計(jì)難度更大。過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器的原理是由發(fā)射線圈向地層發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，由接收線圈接收來(lái)自地層的二次感應(yīng)信號(hào)，提取地層有用信息，用于分析泥漿侵入和石油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)等^[1-2]。

過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器采用DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)合成多頻發(fā)射數(shù)據(jù)^[3]，該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DAC（數(shù)字- 模擬轉(zhuǎn)換器）輸出給驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈的功率模塊，放大輸出。過(guò)鉆具陣列感應(yīng)儀器的信號(hào)合成功能框圖如圖1 所示。發(fā)射電路負(fù)載是發(fā)射線圈，發(fā)射線圈等效為一個(gè)RLC（電阻R、電感L、電容C）串聯(lián)發(fā)射回路，要想提高接收線圈信號(hào)的信噪比，就必須提高發(fā)射模塊的輸出功率。在電纜測(cè)井傳統(tǒng)AFIT（陣列感應(yīng)儀器）中，我們采用線性功率器件實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的功率驅(qū)動(dòng)。如圖2 所示，PA（功率放大器）Positive 和PA Negative為兩個(gè)線性功率驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈的兩極，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(duì)大功率達(dá)林頓開(kāi)關(guān)管組成，開(kāi)關(guān)管的靜態(tài)電流導(dǎo)致儀器的整體功耗非常大，該方案對(duì)存儲(chǔ)式過(guò)鉆具測(cè)量系統(tǒng)并不適用。所以，我們?cè)谶^(guò)鉆具感應(yīng)儀器中應(yīng)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(yīng)儀器中所使用的B 類(lèi)線性功放。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性區(qū)域內(nèi)，因此交越失真較大^[5]。

圖4 為AFIT 陣列感應(yīng)儀器線路功率放大電路設(shè)計(jì)的電路原理圖。圖中集成電路我們選用軌對(duì)軌高壓運(yùn)算放大器AD823（U4）和達(dá)林頓功率管2N6388（Q3）和2N6668（Q2）實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率放大，該電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。

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

圖5 AFIT中B類(lèi)功率放大器輸出波形信號(hào)

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?cè)谶^(guò)鉆具陣列感應(yīng)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(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)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(jié)構(gòu)，可分為三個(gè)部分：調(diào)制器，把輸入發(fā)射波形信號(hào)調(diào)制成一個(gè)與輸入信號(hào)幅度相關(guān)的脈寬調(diào)制信號(hào)。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(diào)制信號(hào)變成高電壓、大電流的大功率脈寬調(diào)制信號(hào)。低通濾波電路把大功率脈寬調(diào)制信號(hào)波形中的原始信息還原出來(lái)^[8]，結(jié)構(gòu)和原理如圖6、圖7 所示。

4   D類(lèi)功放在AFIT儀器中的應(yīng)用

在過(guò)鉆具陣列感應(yīng)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(shè)定。16 腳外部電流（R_lim）用作調(diào)節(jié)限制電流。17 腳上的輸入

電壓（V_ms）用作模式選擇：即待機(jī)、靜噪抑制（無(wú)聲）和導(dǎo)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(yīng)儀器應(yīng)用中，振蕩器的頻率計(jì)算公式為：

R_OSC 取10 kΩ，即振蕩頻率為500 kHz，遠(yuǎn)離感應(yīng)儀器的工作頻率。圖9 為D 類(lèi)功放感應(yīng)信號(hào)發(fā)射波形。

在D 類(lèi)功放設(shè)計(jì)中需要考慮的主要難點(diǎn)是輸出級(jí)的保護(hù)和儀器高溫環(huán)境下LC 低通濾波器的設(shè)計(jì) [9]。在本應(yīng)用中，采用大電流熔斷器件實(shí)現(xiàn)功率模塊和電源模塊的過(guò)載保護(hù)，在濾波器設(shè)計(jì)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(jié)合發(fā)射電子線路的溫度刻度，實(shí)現(xiàn)儀器穩(wěn)定可靠工作。

圖9 D類(lèi)功放輸出波形圖（20 kHz）

5   結(jié)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(dá)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(hào)的信噪比。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）