一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法及装置

摘要

本发明主要属于信号激励领域，具体涉及一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法及装置。利用信号处理器生成N个周期的正弦波信号，利用功率放大器将正弦波信号放大成高压正弦激励信号并输出至发射换能器，其特征在于，信号处理器同时产生使能信号，所述使能信号包括瞬态放电使能信号，功率放大器连接有瞬态放电电路，在信号处理器生成N个周期的正弦波后，瞬态放电使能信号使瞬态放电电路放电释放功率变压器的储能电流，消除高压振铃效应，提高换能器激发效率。

权利要求

1.一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，所述方法利用信号处理器生成N个周期的正弦波信号，利用功率放大器将正弦波信号放大成高压正弦激励信号并输出至发射换能器，其特征在于，信号处理器同时产生使能信号，所述使能信号包括瞬态放电使能信号，功率放大器连接有瞬态放电电路，在信号处理器输出N个周期的正弦波后，瞬态放电使能信号使瞬态放电电路放电释放功率变压器的储能电流，消除高压振铃效应，提高换能器激发效率；所述N为正整数；

瞬态放电电路包括栅极驱动芯片、两个大功率MOS管，两个MOS管并联，并联MOS管的栅极与栅极驱动芯片的输出相连，并联MOS管的源极连接一个电阻，漏极分别与功率放大器的两初级端口相连，电阻的另一端接地；

使能信号在信号处理器输出N个周期的正弦波后，经过栅极驱动芯片后，控制两MOS管的栅极使MOS管立刻导通，功率变压器的储能电流，通过电阻快速放电。

2.如权利要求1所述一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，其特征在于，功率变压器连接有高压生成电路，高压生成电路为功率放大器提供高压驱动；所述高压生成电路包括高压电源模块和高压蓄能电容，高压电源模块将低压转换为高压输出至高压蓄能电容对高压蓄能电容充电，高压蓄能电容与功率放大器相连为功率放大器提供高压驱动；

所述使能信号还包括高压电源使能信号；

所述高压电源模块包括使能控制端，所述使能控制端与信号处理器相连，高压电源使能信号控制使能控制端，在信号处理器输出N个周期的正弦波后，快速关断高压电源模块的输出。

3.如权利要求1-2任一所述一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，其特征在于，所述功率放大器包括乙类推挽放大电路和功率变压器，所述功率变压器带中心抽头，有一个初级端口一个次级端口，所述初级端口带中心抽头，所述功率变压器的电感量与发射换能器发射电路的阻抗匹配。

4.如权利要求3所述一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，其特征在于，根据功率变压器的磁芯材料，匝数比，换能器的峰值电压调节瞬态放电使能信号的有效时间。

5.如权利要求1所述一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，其特征在于，电阻R8的阻值在1欧姆以下。

6.如权利要求1-2任一所述一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，其特征在于，所述信号处理器为带模拟信号输出功能的信号处理器或者为数字信号处理器与数模转换器的组合。

7.一种多极子随钻声波测井的正弦激励装置，其特征在于，所述装置采用如1-2任一权利要求所述激励方法,所述装置包括信号处理模块、高压生成模块、功率放大模块及瞬态放电模块；

所述高压生成模块包括高压生成电路及高压生成电路闭合模块，所述瞬态放电模块包括瞬态放电电路和瞬态放电电路导通模块；

所述信号处理模块生成正弦信号和使能信号，所述使能信号控制高压生成闭合模块和瞬态放电电路导通模块的开启。

说明书

一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法及装置

技术领域

[0001] 本发明主要属于信号激励领域，具体涉及一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法及装置。

背景技术

[0002] 上世纪80年代以来，随钻测井技术发展迅猛，相比较于常规电缆测井，随钻测井可以及时准确地提供石油勘探开发过程中的重要信息，为提高作业效率提供可靠的技术支持。随钻测井涉及声学、电法学、核磁学、放射性等多学科，近几年相关的随钻测井仪器推陈出新，其中随钻声波仪器经历了单极子，偶极子发展过程，目前正向多极子方向发展。多极子随钻声波可实现地层横波和纵波速度、地层孔隙度、渗透率和井壁稳定性测量。

[0003] 比较于常规电缆声波测井仪器，随钻声波测量过程中受钻具噪声，钻井液循环噪声和钻铤波的影响较大，宽频带和大功率高效率的激励方式对于获得高质量的声波测井数据至关重要。传统的声波激励方式普遍采用矩形脉冲激励方式，脉冲的宽度与发射换能器的谐振频率有关，通常情况下，其宽度是谐振频率的二分之一。但是，这种工作方式下，其主频选择受限，要求功率变压器和发射换能器阻抗匹配，严格工作于发射换能器的谐振主频上。对于多极子不同的频率工作点，如采用这种方法，就需要多个功率变压器和发射换能器（以达到不同频率点下的谐振）选择使用。这将很大地增加仪器的设计难度、体积和研发成本。

[0004] 现阶段，对于多极子的随钻声波仪器，普遍采用正弦波脉冲激励源。

[0005] 显而易见，由于矩形脉冲在频域占有较宽的频带，相比较于正弦脉冲激励方式，其系统功耗和激发效率较低。采用正弦脉冲的随钻声波发射换能器激励方式较矩形脉冲激励方式具有较高的效率，并且采用正弦波激励方式无需改变功率放大器和发射换能器的谐振频点，只需要简单改变正弦波的频率即可实现最高效率的激发发射换能器。

[0006] 现阶段普遍采用三个周期的正弦波作为发射换能器的激励脉冲。对于多极子随钻声波仪器，三个周期的正弦波需要至少两个频率点激励发射换能器工作（单极子、偶极子、偏极子和四极子不是工作在一个频率点上）。实际工作中，采用正弦波激励方式的随钻声波仪器有如下两个问题：

[0007] 1.激励产生的高压源始终工作，对之后的蓄能电容始终保持充电状态，造成功耗浪费。

[0008] 2.功率变压器和发射换能器如果不是工作于谐振频点（一般情况下，多极子声波激励至少可以工作于两个频点），或者两者匹配不是很好的情况下。在三个周期正弦波激励过程中，功率变压器内部的磁体会有储能效应，一旦三周期的正弦波激励结束，功率变压器会释放能量，在三周期的正弦波激励信号后加入震荡拖尾，即所谓的高压振铃效应，这对发射换能器的激发效果产生很大影响。

[0009] 这两个问题的存在会增大系统功耗、降低换能器的激发效率。

发明内容

[0010] 针对上述问题，本发明提供了一种多极子随钻声波测井的正弦波激励方法及装置，在正弦波脉冲激励的基础上，提出采用可控高压电源和瞬态功率变压器放电的方式，在降低系统功耗的同时提高了发射效率。

[0011] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0012] 一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，所述方法利用信号处理器生成N个周期的正弦波信号，利用功率放大器将正弦波信号放大成高压正弦激励信号并输出至发射换能器，信号处理器同时产生使能信号，所述使能信号包括瞬态放电使能信号，[0013] 功率放大器连接有瞬态放电电路，在信号处理器生成N个周期的正弦波后，瞬态放电使能信号使瞬态放电电路放电释放功率变压器的储能电流，消除高压振铃效应，提高换能器激发效率。

[0014] 进一步地，瞬态放电电路包括栅极驱动芯片、两个功率MOS管，两MOS管并联，并联MOS管的栅极与栅极驱动芯片相连，并联MOS管的源极连接一个电阻，并联MOS的漏极分别与功率放大器的两初级端口相连；

[0015] 电阻的另一端接地；

[0016] 使能信号在信号处理器生成N个周期的正弦波后，经过栅极驱动芯片后，控制两ＭＯＳ管的栅极使ＭＯＳ管立刻导通，功率变压器的储能电流，通过电阻快速放电。

[0017] 进一步地，功率变压器连接有高压生成电路，高压生成电路为功率放大器提供高压驱动；所述高压生成电路包括高压电源模块和高压蓄能电容，高压电源模块将低压转换为高压输出至高压蓄能电容对高压蓄能电容充电，高压蓄能电容与功率放大器相连为功率放大器提供高压驱动；

[0018] 所述使能信号还包括高压电源使能信号；

[0019] 所述高压电源模块包括使能控制端，所述使能控制端与信号处理器相连，[0020] 高压电源使能信号控制使能控制端，在信号处理器生成N个周期的正弦波后，快速关断高压电源模块的输出。

[0021] 进一步地，所述功率放大器包括乙类推挽放大电路和功率变压器，所述功率变压器带中心抽头，有一个初级端口一个次级端口，所述初级端口带中心抽头，所述功率变压器的电感量与发射换能器发射电路的阻抗匹配。

[0022] 进一步地，根据功率变压器的磁芯材料，匝数比，换能器的峰值电压调节瞬态放电使能信号的有效时间。

[0023] 进一步地，电阻R8的阻值在1欧姆以下。

[0024] 进一步地，所述信号处理器为带模拟信号输出功能的信号处理器或者为数字信号处理器与数模转换器的组合。

[0025] 4、一种多极子随钻声波测井的正弦激励装置，所述装置采用上述激励方法；所述装置包括信号处理模块、高压生成模块、功率放大模块及瞬态放电模块；

[0026] 所述高压生成模块包括高压生成电路及高压生成电路闭合模块，所述瞬态放电模块包括瞬态放电电路和瞬态放电电路导通模块；

[0027] 所述信号处理模块生成正弦信号和使能信号，所述使能信号控制高压生成闭合模块和瞬态放电电路导通模块的开启。

[0028] 本发明的有益技术效果：

[0029] （1）本发明激励方法采用外接放电电路的方式，快速放掉功率变压器的储能电流，消除功率变压器的高压振铃效应。

[0030] （2）本发明采用可控高压电源的方式，降低非工作状态下的系统功耗。

附图说明

[0031] 图1、多极子随钻声波测井的正弦激励结构示意图；

[0032] 图2、多极子随钻声波测井的正弦激励电路示意图；

[0033] 图3、实施例中瞬态放电电路的SW使能信号有效时间为100us时正弦激励信号与加载到换能器的X1p和X1n点上的信号示意图；

[0034] 图4、实施例中瞬态放电电路的SW使能信号有效时间为200us时正弦激励信号与加载到换能器的X1p和X1n点上的信号示意图；

[0035] 图5、实施例中瞬态放电电路的SW使能信号有效时间为400us时正弦激励信号与加载到换能器的X1p和X1n点上的信号示意图。

具体实施方式

[0036] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

[0037] 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

[0038] 实施例1

[0039] 一种多极子随钻声波测井的正弦激励方法，多极子随钻声波测井的正弦激励结构如图1所示，利用DSP信号处理器生成三个周期的幅度3.3v峰峰值的正弦波信号SIN，采用乙类推挽放大电路，将信号处理器DSP输出的低压正弦波（3.3V峰值）放大成400V的正弦激励信号，利用匝数比为 1：5的功率变压器，将推挽放大电路输出的400V峰值的正弦激励信号放大到2000V，由高压生成电路将低电压10V-15V，生成400V的直流高压电源，输出功率控制在10瓦以内，为功率变压器提供高压。根据声波发射换能器的等效电路，设定功率变压器的电感量，以达到发射电路的阻抗匹配，将信号输出至发射换能器。

[0040] 功率变压器带中心抽头，有两个输入端口一个输出端口

[0041] 高压生成电路包括高压电源模块和高压蓄能电容C1，高压电源模块将低压转换为高压输出至高压蓄能电容C1对高压蓄能电容C1充电，高压蓄能电容C1与功率放大器相连为功率放大器提供高压驱动。

[0042] 其中，信号处理器DSP同时产生瞬态放电使能信号SW，功率放大器连接有瞬态放电电路，在信号处理器生成三个周期的正弦波后，瞬态放电使能信号SW使瞬态放电电路放电释放功率变压器的储能电流，消除高压振铃效应，提高换能器激发效率。

[0043] 瞬态放电电路包括栅极驱动芯片U3、两个二极管Q3、Q4，两二极管并联，并联二极管的栅极与栅极驱动芯片U3相连，并联二极管的源极连接一个电阻R8，并联二极管的漏极分别与功率放大器的两输出端相连；电阻R8的另一端接地；使能信号在信号处理器生成N个周期的频率为f的正弦波后，经过栅极驱动芯片U3后，控制Q3、Q4两二极管的栅极使二极管立刻导通，功率变压器的储能电流，通过电阻R8快速放电。电阻R8的阻值在1欧姆以下，电阻R8的阻值越小，放电越快速。

[0044] 信号处理器DSP同时产生高压电源使能信号CNRL；

[0045] 所述高压电源模块包括使能控制端EN，所述使能控制端EN与信号处理器相连，[0046] 高压电源使能信号CNRL控制使能控制端EN，在信号处理器生成三个周期的正弦波后，快速关断高压电源模块输出。高压电源模块U1，在控制信号CTRL的使能下，将低压15V的直流电源，转换成400V的直流高压+HV，然后经过限流电阻R1（输出功率控制在10W），对高压蓄能电容C1充电。其中的D1是限流二极管，避免电流过大，损坏高压电源模块和后面的放电电路。

[0047] 多极子随钻声波测井的正弦激励的电路示意图如图2所示。

[0048] 一种多极子随钻声波测井的正弦激励装置，采用上述激励方法。

[0049] 瞬态放电电路的SW使能信号有效时间为100、200、400us时正弦激励信号与加载到换能器的X1p和X1n点上的信号关系如图3-图5所示。

[0050] 由图3可知，有效时间为100us时三个周期的正弦脉冲激励后，振铃的幅度降低，但不明显，振铃的拖尾较长。说明这种状态下，瞬态放电电路的作用不明显。没有很好地消除功率变压器的高压振铃效应。

[0051] 由图4可知，瞬态放电电路的SW使能信号有效时间为200us时，可以看到三个周期的正弦脉冲激励后，拖尾还有一些。但是瞬态放电电路的作用明显，大部分释放了功率变压器的蓄能电流，减少其振铃效应。

[0052] 由图5可知，取瞬态放电电路的SW使能信号有效时间为400us时，可以看到三个周期的正弦脉冲激励后，拖尾没有。说明瞬态放电电路的作用明显，基本释放了功率变压器的蓄能电流，限制其振铃效应。

[0053] 同时提供一种多极子随钻声波测井的正弦激励装置,所述激励装置采用上述激励方法；

[0054] 所述装置包括信号处理模块、高压生成模块、功率放大模块及瞬态放电模块；

[0055] 所述高压生成模块包括高压生成电路及高压生成电路闭合模块，所述瞬态放电模块包括瞬态放电电路和瞬态放电电路导通模块；

[0056] 所述信号处理模块生成正弦信号和使能信号，所述使能信号控制高压生成闭合模块和瞬态放电电路导通模块的开启。