一种应用于核磁共振测井仪中的发射链路设计

一种应用于核磁共振测井仪中的发射链路设计

作者：张嘉伟宋公仆王光伟薛志波

来源：《科技视界》 2013年第12期

（中海油田服务股份有限公司，中国北京 101149）

【摘要】本文提出一种应用于核磁共振测井仪中的发射链路设计，通过该发射链路的设计，实现有效激发地层回波信号的作用。本文首先对核磁共振发射序列进行简要的介绍，然后

针对核磁共振测井仪的特点提出一种发射链路设计，该发射链路包括功率放大板、天线驱动板、高能量泄放板三个部分。分别对三个电路部分进行简要分析说明，最后给出该发射链路的实际

测试结果。目前该发射链路已经成功应用于核磁共振测井仪器中，取得了很好的应用效果。

【关键词】核磁共振；核磁回波；功率放大；能量泄放

0 引言

核磁共振测井可直接测量地层孔隙中可动流体的信息，可定量确定自由流体、束缚水、渗

透率及孔径分布，其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响。在过去的近20年里，核磁共振测井仪器研制和资料应用一直是石油测井领域的热点和前沿领域，受到广泛关注[1]。本文针对核磁共振测井地层流体的特点，提出了一种可适用于井下核磁共振测井仪的发射链路设计[2]。首先对核磁共振发射序列进行简要的介绍，然后针对核磁共振测井仪的特点提出一种发射链路设计，该发射链路包括功率放大板、天线驱动板、高能量泄放板三个部分。分别对三个电路部分

进行简要分析说明，最后给出该发射链路的实际测试结果。目前该发射链路已经成功应用于核

磁共振测井仪器中，取得了很好的应用效果。

1 核磁共振发射序列介绍

核磁共振测井主要采用图1方式发射激励信号并产生相应的回波信号。如图1所示的这种

典型的核磁共振工作方式称为CPMG序列。首先需要D0的激化时间来完成地层的磁激化，使其

探测深度范围内的地层中氢原子的核磁矩能够朝着静磁场方向激化，然后发射90度脉冲信号使其核磁矩扳倒90度，其后每隔D2时间发射180度脉冲使其在同一平面的两个速度不同的矢量

重合产成回波信号，这种激励接受方式称为CPMG序列[3]。

图 1 核磁共振CPMG发射序列

核磁共振测井主要采用CPMG序列来进行工作，采集一系列回波信号，并计算回波的幅值与相位，以此来制作相应的指数衰减曲线从而进行T2谱反演标定底层的孔隙度、渗透率、束缚水等信息。相关发射链路的设计对地层回波信号的起振显得尤为重要[4]。

２发射链路设计

2.1 核磁共振测井仪发射链路整体结构设计

核磁共振发射链路整体结构设计框图如下图2所示。将实验采集板输出的控制信号按照图2所示分别与泄放、内桥和外桥功率放大板进行连接，内桥与外桥功放板的输出信号连接至天线驱动板，两个10欧姆45W的大功率电阻串入TK+/-天线回路中，泄放功放板输出连接高能量泄放电路，并将高能量泄放板输出端通过两个40欧姆45W的大功率电阻连接至天线回路中以作为发射信号残余能量泄放。通过此发射链路的结构设计，达到以弱信号控制高压发射脉冲，同时在发射完高压激励脉冲时对天线回路中的残余能量进行有效泄放[5]。

２．２功率放大电路设计

功率放大电路的设计主要由两部分组成：死区时间调节电路与功率驱动电路两部分。其中死区调节电路设计结构框图如下图3所示。死区时间调节电路主要是为了产生一宽一窄两路脉冲，确保功率放大电路上下桥臂的两个功率场效应管不能同时导通，从而产生一个高压控制信号来控制天线驱动板上的MOSFET管通断。

图3 死区时间调节电路的逻辑关系框图

功率放大电路的后半部分功率驱动电路设计图如下图4所示，主要完成将上述死区时间调节电路输出的两路一宽一窄控制脉冲进行升压驱动，其中窄脉冲经过升压驱动后通过变压器T1耦合到上部MOSFET管Q3的G、S极两端控制Q3的D、S极导通，而另外一个宽脉冲信号被升压

驱动输入到下部MOSFET管Q9的G、S极两端控制Q9的D、S极导通。通过上述两路脉冲的变换，从而成功将由采集实验板发出的弱控制信号转换成175V的高压脉冲控制信号有效驱动天线驱动电路进行发射脉冲的控制。

图4 功率驱动电路部分设计图

２.3 高能量泄放电路设计

核磁共振测井中能量泄放电路是保证核磁共振仪器能够有效进行信号放大滤波预处理的关

键环节，它的设计好坏直接影响到后面对回波信号的接收信噪比[6]。它主要作用是在仪器进行高压激励脉冲发射完成后能够快速有效的泄放掉天线探头上多余的残留能量，以保证地层回波

信号到来时候天线探头上保持一个低噪声的状态，从而在接收回波信号时保证其输入信噪比[7]。其原理图见图5所示。

图5由两个相同的电路组成，它们相应地接到天线探头与前放输入并联的两端。背靠背的

场效应管Q9/Q10和Q11/Q12通过RES3、RES4端连接R3和R4两个10欧姆功率电阻后与天线探头与前放输入的并联端相连。这两个电阻体积很大，功率在45w，需要安装在仪器骨架上以尽

快散热。从功率放大(主泄放)电路出来的幅值为175V的脉冲经过变压器T1～T4转变成17.5V，这样电流增加了10倍提高了电流驱动能力，可以很快使功率场效应管导通。由于这四路并联电路原理一样，因而以其中一路来分析加以说明。当DumpOn信号有效进入HI1、LO1与HI2、LO2时，一路信号经过二极管D1，使场效应管Q1导通，给功率场效应管Q9的栅极充电并使之导通。当DumpOn信号无效时，由于二极管D1的存在，Q9将继续保持导通。当DumpOff信号有效加载

到输入端时，晶体管Q5导通，使得Q9的栅极放电而断开。二极管D2用来防止Q9的栅极重新

充电，这样Q9保持断开直到下一个DumpOn信号的到来。二极管D9和D10的作用是起到嵌位电平防止电压幅度超过15V以有效保护Q9/Q10和Q11/Q12这四个MOS管，通过此嵌位管作用后17.5V被嵌位到15V的安全范围内。经过以上操作后，可以很好的在天线发射后有效地泄放还