在贴井壁侧向仪器中关于微弱信号精确采集电路的设计方法

经 过 电压 和电流检 测模块 电路 的 电压和 电流信
号， 其 它成 分是 工频 噪声和高 频干扰 噪声 ， 采用 二 阶
多路 反馈带 通滤 波 器 以抑 制 噪声 提 高 信 噪 比 ， 以实 现信 号 的准确检 测 。
３ 现 场 测 试 及 结 论
为验 证 微 弱信 号 采集 电 路 的实验 效 果 ， 两 支 贴
［ ２ ］谢荣华 、 陈 国华 等 ， 贴 井 壁 侧 向 测井 在 大庆 油 田薄差 层 解 释 中的
应用［ Ｊ ］ ， 大 庆 油 田有 限 责 任 公 司核 心 技 术 论 文 集 ， ２ ０ ０ ９ ， １ ： ３ ４ ０
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３４５
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他 山之 石 ・
中国外包需谨慎选择 Ｂ Ｙ ＯＤ
在 贴 井 壁侧 向仪器 中关 于微 弱信 号精 确 采集 电路 的设 计 方法
梁 晓成 张 海 苑 娜
大 庆 钻 探 工 程 公 司 测 井公 司
摘
要 ：针 对贴 井壁侧 向仪 器在检 测 中微 弱信 号难 于精确 采 集的 特 点 ， 提 出 了一 种 用 于微 弱信 号
的精 确采 集方 法。通 过优化 电极连 线 ， 选择 合 适 的工作 频 率和 工 作模 式 ， 做 好 信 号屏 蔽 ， 主 电流检
２ ０ １ ３年 ９ 月
设计 以保 证 主 电极 与屏 蔽 电极 等位 。采集 的 电流 信 号非 常小 ， 可 小到 纳伏级 ， 前放 电路板 上 的工频 噪声 和其 它 干扰成 分稍 大 即会 湮没 有 用 信号 ， 因此 前 放
井 壁侧 向仪器进行 了 多次 上 井 现场 实 验 和测 试 ， 实 验 结果表 明 ： 重 复性 、 一致性很好， 仪器 工 作 状态 稳 定（ 见图 ４ 、 图５ ） 。贴井 壁侧 向测 井仪器 主 电流属于 微 弱信号 ， 与 常规侧 向类 （ 例 如 高分 辨 率三 侧 向） 相 比， 小１ 个 数量级 左 右 ， 通 过 现 场 实验 表 明 ， 贴井 壁 侧 向微弱 信号采 集 电路设计 方法 可行 。
图 １ 贴 井 壁 侧 向连 线 图
作 者 简 介 ：梁晓成（ １ ９ ７ ８ 一） ， 男， 硕十， 在大庆测井公 司地球物理研究所从事电法仪器研制工作 。
２ ０ １ ３年 第 ３期
梁 晓成 。 等： 在 贴 井 壁 侧 向 仪 器 中 关 于 微 弱 信 号 精 确 采 集 电路 的设 计 方 法
电路 包括 电流 电压 检测 变压 器 、 电压检 测 模块 、 电 流 检测 模块 、 电流滤波 模块 和 电压 滤波 等模 块 。
放大 电路 组成 ， 由于 电流信 号小 ， 电流 变压器 的设 计 直接关 系 到仪器 的测 量精度 ； 取样 电 阻进 行理 论 优化
４ ４
石 油 工 业 计 算 机 应 用
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则 等 效输入 阻抗 Ｒｓ 如下 所 示 ：
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当变压器加 工完 成后 ， ｎ为 定值 ， 则 取样 电阻 Ｒ ｓ 与Ｒ 。 ， 成 正 比， 如 果增 加 Ｒ Ｉ ． ， 则 能 够 线性 地 提 高 信 号 幅度 ， 但是 会 导 致 Ｒ ｓ 上 压 降过 大 ， 聚焦 条 件 难 以保 证， 也就是说 ， 信 号幅度 与聚焦条 件是 矛盾 的 ， 因此 在
① 以 Ａ１ 表 面为等 电位 点［ ２
１ 电路 设 计 总体 思 路
针对 贴井壁 侧 向测井 仪器 主 电流信号微 弱 的特
点， 在 电路设计 中应 该考 虑 以下 因素 ： （ １ ） 工作 频率 的 选择 ， 工 作 频率 选择 多大 ， 充 分 考 虑信 号线与 发射 线之 间 的干扰 ； 地层容抗 的影 响 。 （ ２ ） 工作模 式 选 择 ， 对 于 侧 向类 测井 仪 器 而 言 ， 工作模 式可 以分 为恒压 式 、 恒 流式 、 恒功率 式 以及 自 由式 。对 于恒压 式 ， 当地层 电阻率 变化 时 ， 前者 只有
势， 在大 多数 中国外包 企业 中这一 点并不 太重要 ， 需
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图 ５ 仪 器 的 一 致 性 对 比 图
确定 Ｒ ｓ 的过程 中， 必须综合 考虑这 两个 因素 。
２微 弱 信 号 采 集 电 路 设 计
在 贴 井壁 侧 向测井 仪 器研 制 中， 变压 器 起 着 至
关 重要 的作 用 ， 电压 、 电流检 测变压 器是 采集 信号 的 第 一关 ， 直接 影 响仪 器 的测 量精 度 。检 测 变 压 器 都
４ ３
发射 信号 通过 功 率 放 大 器放 大后 ， 由发 射 变 压
器 Ｔ１ 发 射 到 Ａｌ ， 最 后 由 Ａ１经 过 电流 测 量 变 压 器
Ｔ ２发射 到 Ａ０ ， 两路 发射信 号统 一 回到 回路 电极 Ｂ，
电压 测量 变压 器测 量 Ａｌ和 Ｎ 电极 之 间 的 电位 差 ， 电流 测量 变压 器测 量 Ａ１和 Ａ０之 间 电位 差 ， 经过标
噪声 ， 有 效提 高了仪 器的信 噪 比 。
（ ４ ） Ａ１与 Ａ ０等 电位 实现方 式 侧 向类 测井仪 器 的等电位 是难 点 ， 也 是关键 点 。 由于贴井 壁屏流 比高 （ １ １ ０ ９ ． ６ ） ， 导致 仪 器 Ａ１与 Ａ０ 的等 电位实 现更加 困难 ， 因此 采用 如下 两 个途 径 实 现最 优 的等电位 。
电流检测有 三种方 式 ： 取 样 电阻式 、 变压 器 以及
电流放 大器 。针 对贴 井 壁 侧 向微 弱信 号 的 特 点 ， 采
了变仪 器心柱 直径 及贴 井壁极 板 组合方案 ［ １ ］ 。与 传
统 的侧 向测 井仪 器相 比 ， 贴 井 壁 侧 向测 井 仪 器具 有 以下 特点 ： 主 电极 面积 小 、 分 层能 力强 。 贴井 壁侧 向仪 器其 独 特 的结 构 ， 决 定 了主 电流
对 于本 来 就 是 国 际化 程 度 很 高 的 Ｉ Ｔ 行 业 之一 ， 外包 服 务 行 业 其 被 Ｂ ＹＯＤ趋 势 影 响 在 所 难 免 。不 过 ， 笔 者认 为 ， 出于 下 面这些 原 因 ， 这 个移 动
原因 ２ 、 中 国外包 企业 大都 在 政 府 扶 持 的园 区 或 者办公楼 宇 内 ， 办 公 区域 大 小 的差 别 并不 是 决 定 企 业营运成 本高低 的关 键 因素 ， 而人 力成本 、 企 业税 负、 公关营 销才是 更 重 要 的决 定 因素 。Ｂ ＹＯＤ能 带 来 企业整 体 工 作 空 间 的 节 约 与 员 工 办 公 便 利 的优
图 ３ 仪 器 线 路 总体 框 图
用放大 器 ， 可以保 证 检测微 弱信号 时 的测 量精 度 ， 满 足贴井 壁侧 向的仪器 设计要 求 。
电流 检 测模 块 由电 流检 测变 压 器 、 取样 电阻 和
以微 弱 信 号检 测 为 核 心完 成 信 号 采集 、 处 理 和
控制 任务 ； 采用 先 进 技 术 满 足技 术 指标 要 求 。采集
采用高 磁导 铁镍坡 莫合 金铁 芯 ， 变 压器加 磁屏 蔽 、 线
圈之 间加静 电屏 蔽 。
电压检 测模 块 由电压测 量变压 器 和差分 放 大器 组成， 变压 器具有 隔 直 作 用 减少 电路 中的 干扰 ； 差 分放 大器采 用一 种 高输 入 阻抗 ， 高增 益 低 噪 声 的仪
图 ４ 仪 器 的 自身 重 复 性 对 比 图
从 等 效 电阻上检 测 主电 流信 号 ， 即在输 出端 （ 次
级） 上 并联 电阻 Ｒ¨如 图 ２所 示 ：
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图 ２ 电流 检 测 变 压 器 等 效 阻抗 分 析 示 意 图
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２ ０ １ ３ 年 第 ３期 ４ ２ 总第 ７ ９期
石 油 工 业 计算 机 应 用
Ｃｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ
Ｓ ｅ ｐ ． ２ ０ １ ３ Ｔｏ ｒ ａ ｌ ７ ９
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开发 应用 ・
０引 言
贴 井壁 侧 向龟 阻率 测井 ， 是一 种薄 层 测井 新 方
法 。依 据侧 向测井 原 理 及 非 轴对 称 测 量模 式 ， 采 用
的需 求 以及 微弱信 号 的特点 ， 采用 自由式 ， 也就 是测 量 电压与 电流 的幅度 ， 利 用差 分放 大 电路实现 。 （ ３ ） 电流检测 方式
参 考 文献 ：
［ １ ］ 吕晶 、 杨青 山 、 卢艳 ， 贴 井 壁侧 向 测 井 在 大 庆 油 田的 应 用 ［ Ｊ ］ ， 国
外 测 井技 术 ， ２ ０ １ １ ， １ ： ３ ９ —４ １ ．
电路对微 弱信 号 检测性 能 的好 坏成 为贴井 壁侧 向仪
器 准确 测量 地层 电阻率 的关键 。
用 电 流检测 变压器 ， 不仅可 以有效 实现 Ａ１ 与 Ａ０的
等 电位 ， 更为 重要 的是 实 现 了地 层 信 号 与检 测 电路 的物理 隔离 ， 而且变 压器 为无源 器件 ， 不会 产生 附加
信号 属于微 弱信 号 ， 甚 至达 到几百 个纳伏 ， 其检 测精
度将 直接 影响 到后续 的 曲线质 量 。
准 电阻 的换算 得到 主 电极 Ａ０的供 电 电流 ， 由 Ａ１和
Ａ０两个 电极 发射 的 电流分别 为 Ｉ ＡＩ和 Ｉ Ａ０ ， 且有 如
下 关 系成 立 ； （ ａ ） 总 的发射 电流 为 ：Ｉ —Ｉ ＡＩ ＋Ｉ Ａ０ ；
（ ｂ ） Ｉ Ａ１ ＞ ＞ Ｉ Ａ０