胡凱利，余厚全，魏勇，秦玉坤，段俊東，陳亮

（1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

超聲波反射回波測(cè)距方法在隨鉆井徑測(cè)量中仍然存在一些問(wèn)題。超聲波在泥漿密度較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的衰減，以致無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)到回波到達(dá)的時(shí)間。隨鉆井徑參數(shù)是油田開(kāi)發(fā)中重要決策參數(shù)［1］，研究隨鉆大密度泥漿條件下超聲回波信號(hào)檢測(cè)技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。本文分析了超聲波在泥漿中的衰減特性并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于時(shí)變壓控放大器的回波信號(hào)補(bǔ)償方法，并進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償?shù)姆椒梢院芎玫匮a(bǔ)償超聲回波在泥漿中的衰減，便于準(zhǔn)確地提取回波到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而估計(jì)出油井井徑。該方法對(duì)超聲井徑測(cè)量具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 超聲波在泥漿中的衰減特性及補(bǔ)償方法

超聲波在泥漿中的衰減是一個(gè)很復(fù)雜的物理過(guò)程，它與傳輸距離、泥漿黏度、泥漿密度、泥漿中固相含量等因素有關(guān)。超聲波在泥漿中傳播時(shí)，其聲幅會(huì)隨著傳播距離的增加按指數(shù)規(guī)律衰減［2］，故檢測(cè)到的超聲反射回波電壓幅值V與回波往返旅行的距離2l之間的函數(shù)關(guān)系為

式中，α為泥漿對(duì)超聲波的吸收系數(shù)；K為反射界面對(duì)超聲波的反射系數(shù)；Vi為超聲波發(fā)射信號(hào)電壓幅值；l為發(fā)射源與反射面之間的距離。

為了考察不同密度泥漿條件下對(duì)超聲回波聲幅衰減的影響，采用頻率250kHz、幅值±15V的超聲激勵(lì)信號(hào)，在2種不同比重的泥漿環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同泥漿密度條件下V－l關(guān)系

圖1表明，在同一泥漿密度條件下，超聲回波聲幅隨著距離l增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減；在l相同的條件下，泥漿密度越大，超聲回波聲幅衰減越大。由此可見(jiàn)，超聲波在泥漿密度大、傳播距離較遠(yuǎn)的情況下，衰減增大，所檢測(cè)到的回波信號(hào)非常微弱。這對(duì)超聲回波時(shí)間檢測(cè)非常不利。為了解決超聲波在密度較大的泥漿中衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，根據(jù)其衰減規(guī)律提出了基于時(shí)變壓控增益補(bǔ)償方法。已知在不同距離l上，泥漿對(duì)超聲波的衰減為e－2αl，首波到達(dá)時(shí)間為t＝2l／v，其中v為泥漿聲速，故對(duì)t時(shí)刻到達(dá)的回波首波聲幅的衰減為e－αvt。為了補(bǔ)償超聲信號(hào)在泥漿中的衰減，乘以一個(gè)時(shí)變的補(bǔ)償因子P＝Ceαvt，其中，C為常數(shù)。補(bǔ)償后的回波聲幅電壓為

如果補(bǔ)償增益曲線選擇的恰當(dāng)，則經(jīng)過(guò)時(shí)變壓控增益補(bǔ)償后的回波聲幅只與反射面的反射系數(shù)K有關(guān)，而與超聲波在傳播介質(zhì)中旅行的距離無(wú)關(guān)。

2 時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償放大器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償放大器由壓控放大器、增益控制電路2部分組成，其時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償放大器的增益是隨時(shí)間變化的函數(shù)［3］（見(jiàn)圖2）。壓控放大器的增益由增益控制電路的輸出電壓控制；增益控制電路根據(jù)不同界面回波到達(dá)時(shí)間產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)變?cè)鲆婵刂齐妷海?］，壓控放大器時(shí)變放大回波信號(hào)，以補(bǔ)償不同界面回波在介質(zhì)中傳播時(shí)所受到的衰減。

圖2 時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償放大器原理框圖

2.1 放大電路

壓控放大器是超聲回波時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部件。根據(jù)補(bǔ)償方法可知，放大電路時(shí)變?cè)鲆娴脑黾討?yīng)該滿足補(bǔ)償超聲回波聲幅在介質(zhì)中時(shí)變衰減的要求。因此，選用ADI公司的壓控增益（VGA）放大器AD8336［5］，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。該芯片由前置放大電路、衰減網(wǎng)絡(luò)、固定增益放大電路、偏置級(jí)和增益控制接口等5部分組成。總的增益是前置放大器增益（dB）、衰減網(wǎng)絡(luò)增益（dB）和固定增益放大器增益（34dB）之和。芯片的前置放大級(jí)采用差分輸入，具有較好的共模抑制能力，通過(guò)外接一個(gè)反饋電阻，放大倍數(shù)可在0～20dB范圍內(nèi)調(diào)整。該芯片通過(guò)調(diào)節(jié)增益控制接口輸入端的電壓控制衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減因子，實(shí)現(xiàn)可調(diào)增益放大。若前置放大器增益為1，則壓控增益放大器的增益方程式為

圖3 AD8336功能框圖

式中，Again為壓縮增益放大器增益量，dB；Vgain為增益控制電壓，Vgain＝VGPOS－VGNEG，V。當(dāng)增益控制接口的GPOS和GNEG端的增益控制電壓從－0.5V到＋0.5V變化時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)放大器的放大倍數(shù)從－26～34dB范圍內(nèi)變化。另外，在該芯片的前置放大級(jí)輸出和衰減網(wǎng)絡(luò)的輸入提供了片外連接端，以便用戶根據(jù)實(shí)際情況在外部串接濾波電路。

考慮到該儀器工作在高溫環(huán)境和節(jié)省功耗等因素，使用功耗調(diào)整引腳PWRA可以將靜態(tài)功耗降低一半。電路中GNEG接地，整個(gè)放大電路的增益控制調(diào)節(jié)直接通過(guò)GPOS引腳所提供的電壓控制。據(jù)。這樣就得到了在儀器探測(cè)距離范圍內(nèi)若干個(gè)不同距離反射界面所對(duì)應(yīng)的離散時(shí)間點(diǎn)上的最佳壓控增益數(shù)據(jù)，再利用這些值進(jìn)行線性插值，即可得到對(duì)整個(gè)超聲回波波列時(shí)間范圍內(nèi)的壓控增益曲線。壓控增益曲線刻度流程如圖4所示。

2.2 增益控制電路及增益控制曲線的刻度

增益控制電路產(chǎn)生壓控放大器的增益控制電壓。它由壓控增益曲線地址計(jì)數(shù)器、壓控增益曲線存儲(chǔ)器、D／A轉(zhuǎn)換電路和壓控增益曲線調(diào)整邏輯4個(gè)主要部分組成，電路原理框圖如圖2虛線框所示。當(dāng)激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲波時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)壓控增益曲線地址計(jì)數(shù)器，順序提供增益曲線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)地址［6］，增益曲線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸出相應(yīng)的壓控增益數(shù)據(jù)，通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換和低通濾波后，產(chǎn)生對(duì)整個(gè)回波波列時(shí)變放大的增益控制電壓。

為了實(shí)現(xiàn)壓控放大電路對(duì)回波信號(hào)在泥漿中衰減的最佳自動(dòng)補(bǔ)償，需要獲取在實(shí)際隨鉆測(cè)井泥漿環(huán)境中的壓控增益曲線數(shù)據(jù)。這就要在與實(shí)際隨鉆測(cè)井相同的泥漿環(huán)境中對(duì)壓控增益曲線進(jìn)行刻度。因此，增益控制電路模塊設(shè)置了回波首波峰值檢測(cè)電路和時(shí)間檢測(cè)電路。刻度時(shí)，初始?jí)嚎卦鲆媲€設(shè)置為一水平直線，其值為將激發(fā)聲波聲幅電壓放大（或衰減）到儀器滿量程的壓控增益值；初始反射界面距離設(shè)為最近探測(cè)距離。回波首波峰值檢測(cè)電路檢測(cè)該距離反射界面的回波首波聲幅峰值，回波首波時(shí)間檢測(cè)電路檢測(cè)回波首波的到達(dá)時(shí)間。如果回波首波的聲幅峰值小于0.8倍的滿刻度量程，表明該時(shí)刻壓控放大器的增益過(guò)小。增益調(diào)整邏輯根據(jù)比較器的輸出結(jié)果，自動(dòng)增加該時(shí)刻及其后續(xù)時(shí)間壓控增益數(shù)據(jù)值1個(gè)增量單位，直到調(diào)整到該距離上的回波首波聲幅峰值不小于0.8倍的滿刻度量程為止。然后反射界面距離增大1個(gè)單位，重復(fù)上述過(guò)程，反射界面距離由近到遠(yuǎn)，逐步遞增，一直到將最遠(yuǎn)反射界面的回波首波聲幅峰值放大到上述預(yù)定的范圍為止。

在上述調(diào)整過(guò)程中，如果對(duì)于來(lái)自某一距離反射界面的回波首波聲幅峰值，增益控制電路輸出控制電壓達(dá)到最大值，壓控放大器仍然未能將其放大到預(yù)定的范圍，則將該距離回波首波到達(dá)對(duì)應(yīng)時(shí)刻及其后續(xù)時(shí)間壓控增益數(shù)據(jù)更新為最大壓控增益數(shù)

圖4 壓控增益曲線刻度流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)將超聲換能器放入密度為1.3g／mL的油基泥漿環(huán)境中，在頻率為250kHz、3個(gè)時(shí)鐘周期的脈沖信號(hào)激發(fā)下對(duì)壓控增益曲線進(jìn)行刻度，利用所產(chǎn)生的壓控增益曲線控制壓控增益放大器的增益，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行時(shí)變補(bǔ)償放大得到在不同距離上回波首波聲幅電壓峰峰值。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 補(bǔ)償前后的回波首波聲幅峰峰值對(duì)比

圖6 不同距離下的增益回波補(bǔ)償

圖5給出了在不同距離下的回波首波電壓幅值補(bǔ)償前后的結(jié)果。圖6給出了在4種不同反射距離條件下，補(bǔ)償前后的回波信號(hào)的波形曲線（黃色為時(shí)變補(bǔ)償放大前的回波信號(hào)，藍(lán)色為經(jīng)過(guò)補(bǔ)償放大后的回波信號(hào)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放大補(bǔ)償前，回波首波聲幅電壓隨著發(fā)射點(diǎn)與反射界面距離的增加迅速衰減；放大補(bǔ)償后，回波首波聲幅電壓隨著距離增加變化很小。從圖6（d）可見(jiàn)，如果直接對(duì)未經(jīng)補(bǔ)償?shù)幕夭ㄟM(jìn)行回波首波到達(dá)時(shí)間檢測(cè)，很可能將激發(fā)信號(hào)的拖尾誤判為回波首波，導(dǎo)致時(shí)間檢測(cè)錯(cuò)誤，但經(jīng)過(guò)時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償后，對(duì)前期到達(dá)的強(qiáng)回波首波進(jìn)行抑制，對(duì)后期到達(dá)的弱回波首波進(jìn)行放大，就能夠保證回波首波時(shí)間檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于泥漿的衰減，當(dāng)超聲換能器的發(fā)射面與井壁的反射面相距較遠(yuǎn)時(shí)，檢測(cè)到的回波信號(hào)幅值很小，嚴(yán)重影響時(shí)間參數(shù)提取的準(zhǔn)確性［7］。根據(jù)超聲波在泥漿介質(zhì)中傳播的衰減特性，提出了時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)時(shí)變?cè)鲆嫜a(bǔ)償后的回波首波的電壓幅值不再隨距離的增加而急劇衰減，而是基本保持穩(wěn)定，從而保證采用統(tǒng)一的門檻電平檢測(cè)回波首波到達(dá)時(shí)間的準(zhǔn)確性。該方法電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，根據(jù)不同泥漿的衰減特性，測(cè)井前對(duì)壓控增益曲線進(jìn)行刻度，獲取實(shí)際測(cè)井環(huán)境的增益控制曲線，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際測(cè)井時(shí)對(duì)泥漿中傳播的超聲回波聲幅電壓的最佳補(bǔ)償，對(duì)超聲波測(cè)井系統(tǒng)具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 阮玉柱，陳凡，胥召，等.超聲波測(cè)徑在鉆井過(guò)程的應(yīng)用 ［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010，36（23）：130－131.

［2］ 楚澤涵.聲波測(cè)井原理 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1989：49－55.

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［7］ 張珂，俞國(guó)華，劉鋼海.超聲波測(cè)距回波信號(hào)處理方法的研究 ［J］.測(cè)控技術(shù)，2008，27（1）：48－50.