第6章 多极子阵列声波测井仪,2015 (2).

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6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理

6.1.2 多极子横波测量特点


偶极子声源：振动相位相同的两个声源组成 四极子声源：相邻振动相位相反的四个声源组成 特点

均为频散模式波，截止频率内等于S波速 截止频率与介质有关，如软地层偶极截止频率仅为数百Hz 抑制P波，使S波成为首波便于处理
单位:dB
24 24 21 18 15 12 9 6 3 48 48 45 42 39 36 33 30 27
衰减器从0dB到-21dB共八级，3dB步进 放大电路0dB，24dB和48dB三级， 24dB步进 通频带250Hz~20kHz 边带80dB/dec（四阶）衰减率
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL
MPAL仪器结构示意
下电子短节 上电子短节
仪器控制命令总线
发射激励
6路发射激励脉冲
高速SPI局部总线
8×4路声波接收信号 发射换能器阵列 隔声体 接收换能器阵列
多级子阵列声波测井仪声系
MPAL仪器电子系统组成示意
测井仪器原理（一）
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井下高速传输总线CAN
信号合成 放大滤波


SLB：DSI，Sonic Scanner；Atlas：XMAC；Hlbdn： LFD，WaveSonic； 国产：MPAL

6.1.1 软地层中单极测量的局限性

单极全波测量的特点


硬地层：cp＞cs＞c0，β＞γ＞α 软地层：cp＞c0而cs＜c0，γ ＜ α而β＞α，不再有沿井壁 传播的滑行横波 α α
时钟 串行 命令
命令接收 及译码
FIFO 清零
采集 允许 锁存 控制
时钟 分频
采集时钟 速率 参数 深度 参数
采集启动及 采集速率 控制器
采集 完成 ADC 转换启动
采集参数
采集深度 及速率参 数锁存器
采集深度 控制器
ADC读 FIFO写
ห้องสมุดไป่ตู้
ADC 状态
ADC状态检测 读转换结果及 存储控制逻辑
m
测井仪器原理（一）
温度传 感器
数据/地址总线
高速数据 总线
高速数据接收 控制器
FIFO
接口控 制逻辑
RAM
MPAL系统控制电路原理图
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

6.2.4 数据采集电路


8路同步高速高精度数据采集 分为板级两个子系统 由DSP设定，CPLD控制，本地FIFO缓存
RAM 48×16
匹配ID
TMS320x240xA CAN模块框图
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

2. 仪器控制命令总线TCB

通过TCB，控制单元向发射电路、接收电路和采集电路等发 送控制命令和参数设置命令

发射模式选择，启动激励 接收模式选择 数据采集速率，采集深度
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

6.2.3 系统控制电路


以TI的16位定点DSP（TMS320LF2407A）为核心 主要功能

井下仪器总线（CAN）接口 局部高速串行数据总线 数据缓存 控制仪器工作：发射，接收，数据采集和处理…
命令总线 DSP CAN驱 动器 至遥测 接口电路
Y方向 接收 器
X方向接收器
X方向 接收器
Y方向 接收器
慢
波 横
面
井 轴
快横波面
X方向源 θ 快横波 慢横波 Y方向源
u sin
u cos
u
θ
X方向源
交叉偶极工作原理
各向异性地层中的横波分裂
测井仪器原理（一）
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6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理
X发射时在接收器可得到的XX和XY分量
2 2 xx(t ) u g f cos u g s sin xy(t ) u g f sin cos u g s sin cos
P S ST
单极换能器及其振动模式
XX41.98 m
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4
X17.24m
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
t(ms)
t(ms)
不同地层时单极全波测井的典型波形：硬地层，软地层
测井仪器原理（一）
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

5、信号选择电路

多路选择模拟开关MUX

开关类型：8选1、2x4选1、4x2选1 MSEL1~3，通道信号类型选择 MSEL4~5，偶极信号组合（同侧8路，交叉4路） MSEL6~7，单站信号选择

通道控制命令，信号MSEL1~7（7bit）
测井仪器原理
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主讲人：卢俊强 2015年11月
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第6章 多极子阵列声波测井仪
6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理 6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL
6.2.1 MPAL仪器结构 6.2.2 仪器连接总线 6.2.3 系统控制电路 6.2.4 数据采集电路 6.2.5 模拟信号接收处理 6.2.6 发射电子线路 6.2.7 数据采集组合模式
CANL
CPU
CPU接口 存储器管理单元
R mailbox0 R mailbox1 T/R mailbox2 T/R mailbox3 T mailbox4 T mailbox5
CAN 内核
GR测井仪
RXD TXD 数字信号处 理器
暂时接收缓冲器 数据 标识符 控制 逻辑 接收 滤波器
测井仪与遥测电路接口

8路信号通道组合选择

单极，偶极，交叉偶极，四极，单站，自检
调节动态范围-21~48dB，总计69dB，3dB步进

8路程控放大


8路有源带通滤波
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测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

1、通道构成及原理
第一组换能器阵 第二组换能器阵 第三组换能器阵 第四组换能器阵 四通道声波 信号接收板1
数据采集通道1 数据采集通道2 数据采集通道3 数据采集通道4 串行命令总线
第五组换能器阵 第六组换能器阵 第七组换能器阵 第八组换能器阵 四通道声波 信号接收板2
数据采集通道5 数据采集通道6 数据采集通道7 数据采集通道8
单极 信号合成
4
4
缓冲 放大
4
偶极 信号合成 四极 信号合成
偶极X 偶极Y
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

基于CPLD的数据采集控制器原理
ADC工作时序
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

6.2.5 模拟信号接收处理


处理8X4共32个接收站信号 分为两个板级子系统 主要功能

32路信号通道接口 8路模式信号合成

单极，偶极，四极
串行数据总线
Vin1
4道波形 前置 信号 接收 电路 4道波形 信号
高速采集板1
缓冲1 缓冲2 缓冲3 缓冲4
ADC1 ADC2 ADC3 ADC4
ADC 状态 读 数 转 换 启 动 写 入 复 位
低字节 FIFO
读低 字节
DSP 控制 电路 串行命令总线
Vin2
数据传送 接口
串行数据 总线
Vin3

两个4通道数据采集板到系统主控板的专用接口 多源单目，SPI串行传输方式，速率5Mbps CPLD自动控制
发送 控制 器1 数据1 源选择1 时钟 系统主 控制器
发送 控制 器2
源选择2 数据2
电 平 匹 配 电 路
驱 动 器
接 收 控 制 器
存储器
高速串行数据传输接口原理图
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

2、缓冲放大电路

同相放大，高频提升，输入保护
单极，Mn=(X1+X2)+(Y1+Y2) 偶极，RnX=（X2-X1）， RnY=（Y2-Y1） 四极，Qn=(X1+X2)-(Y1+Y2)

3、信号合成电路


4、测试信号发生器
偶极、单极、四极信号合成电路原理
高速采集板2
Vin4
高字节 FIFO
读高 字节
数据采集系统组成结构图
命令译码 采集控制
串行命令总线
MPAL数据采集原理框图
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

基于CPLD的数据采集控制器原理


串行命令接收及译码 采集参数寄存器组 采集启动及速率控制器 采集深度控制器 ADC状态检测和FIFO读取控制器
数据采集
系统控制
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

MPAL的主要技术指标





极限工作环境：175℃/140MPa 遥测通信方式：CAN总线 近单极（最小）源距：2.591m； 偶极源距：3.124m； 全波单极源距：3.658m； 接收换能器：压电陶瓷，8组32个，间距0.152m 发射换能器：压电陶瓷，单极１个，四极(可工作于单极)１ 个，偶极2组； 最高测速：600m/h 数据采集：A/D分辨率16位，采样时间4us - 32us，8通 道并行 工作模式：单站，单极全波，偶极，交叉偶极，四极全波

串行传输，差分时钟，自复位，设备随机寻址
阻抗 匹配 电路
SCLK 系统 主控 DATA 制器 RST
驱动 电路
采集 单元1
采集 单元2
模拟 处理 单元1
模拟 处理 单元2
发射 控制
控制命令总线与受控单元接口
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

3. 板间高速局部数据传输总线HLB

偶极信号选择真值表 采集信号选择真值表
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL
信号选择电路原理图
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

6、程控增益调节

增益组合表
0 0 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -21 0 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -21
偶极子和四极子声源的指向性曲线
测井仪器原理（一）
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6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理
偶极子和四极子声源的振动模式
测井使用的偶极和四极压电换能器
挠曲波波速与频率关系曲线
测井仪器原理（一）
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6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理

6.1.3 正交偶极各向异性测量原理


各向异性探测是目前解决复杂储层问题的主要手段之一 声波测井中各向异性测量采用水平TI模型（HTI） 正交偶极测井通过对快慢横波参数的提取获取地层各向异 性（如判断地层最大主应力方向） 发射器与接收器的关系
由X、Y交替发射可得到交叉偶极的四个测 量分量，进而获取地层的快、慢横波数据
2 2 Fp (t ) xx(t ) cos [ xy(t ) yx(t )]sin cos yy(t ) sin 2 2 S p (t ) xx(t ) sin [ xy(t ) yx(t )]sin cos yy(t ) cos
sin c0 sin c p
sin c0 sin γ cs
液体 固体
β γ
井壁
α-入射角；β-纵波折射角 γ-横波折射角
测井仪器原理（一）
声波在液固界面的传播模式
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6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理
α α
sin c0 sin c p
井壁
β γ
液体 固体
声波在液固界面的传播模式
6.3 交叉多极子阵列声波测井仪XMAC II
6.3.1 XMAC II性能指标 6.3.2 仪器总体结构 6.3.3 控制采集电路 6.3.4 串行命令设置原理
6.4 小结
测井仪器原理（一）
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6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理
6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理

现代声波成像测井仪器体系的主要类型，典型代表
利用交叉偶极求取地层各向异性实例
测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL
6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

6.2.1 MPAL仪器结构

仪器主要包括5个部分

发射电子线路 发射声系 隔声体 接收声系 主控电子线路
MPAL仪器结构和系统组成
测井仪器原理（一）
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测井仪器原理（一）
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6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL

6.2.2 仪器连接总线分析

1. 井下仪器互连总线

控制器局域网CAN 传输速率（降速）800kbps
240xA
终端匹 配电阻 CAN收发器
CAN模块 控制/状态寄存器 中断逻辑
控制 总线
CANH 测井电缆 遥测 短节
发送缓冲器 CANTX CAN 收发器 芯片 CANRX CAN Bus
低通 滤波器 通道 信号 多路 选择 电路
程控增益 调节电路
带通 滤波器
数据采 集通道1
第一通道 第二通道 数据采 集通道2 数据采 集通道3 数据采 集通道4
第一通道
4 4 4
第二通道 第三通道 第四通道 测试信号
4
第三通道
第四通道
通道控制器
串行控制命令
模拟信号接收及 处理原理框图
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测井仪器原理（一）