第6章 多极子阵列声波测井仪,2015 (2)

1、.测井仪器原理测井仪器原理主讲人：卢俊强主讲人：卢俊强2015年年11月月.测井仪器原理（一）2第第6 6章章 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪6.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列声波测井仪测量原理6.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPAL6.2.1 MPAL6.2.1 MPAL仪器结构仪器结构6.2.2 6.2.2 仪器连接总线仪器连接总线6.2.3 6.2.3 系统控制电路系统控制电路6.2.4 6.2.4 数据采集电路数据采集电路6.2.5 6.2.5 模拟信号接收处理模拟信号接收处理6.2.6 6.2.6 发射电子线路发射电子线路

2、6.2.7 6.2.7 数据采集组合模式数据采集组合模式6.3 6.3 交叉多极子阵列声波测井仪交叉多极子阵列声波测井仪XMAC II XMAC II 6.3.1 XMAC II6.3.1 XMAC II性能指标性能指标6.3.2 6.3.2 仪器总体结构仪器总体结构6.3.3 6.3.3 控制采集电路控制采集电路6.3.4 6.3.4 串行命令设置原理串行命令设置原理6.4 6.4 小结小结.测井仪器原理（一）36.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列声波测井仪测量原理n6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列声波测井仪测量原理l现代声波成像测井仪器体系的主要类型，典型代

3、表现代声波成像测井仪器体系的主要类型，典型代表pSLB：DSI，Sonic Scanner；Atlas：XMAC；Hlbdn：LFD，WaveSonic；p国产：国产：MPALu6.1.1 软地层中单极测量的局限性软地层中单极测量的局限性l单极全波测量的特点单极全波测量的特点p硬地层：硬地层：cpcsc0，p软地层：软地层：cpc0而而csc0， 而而，不再有沿井壁，不再有沿井壁传播的滑行横波传播的滑行横波 pcc0sinsin-入射角；-纵波折射角-横波折射角 液体固体井壁s0sinsincc声波在液固界面的传播模式.测井仪器原理（一）46.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列

4、声波测井仪测量原理 0.40.81.21.62.02.42.83.23.64.04.4XX41.98 m t(ms)PSST 1.01.52.02.53.03.54.04.5X17.24m t(ms)单极换能器及其振动模式 液体固体井壁pcc0sinsin声波在液固界面的传播模式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）56.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列声波测井仪测量原理u6.1.2 多极子横波测量特点多极子横波测量特点l偶极子声源：振动相位相同的两个声源组成偶极子声源：振动相位相同的两个声源组成l四极子声源：相邻振动相位相反的四个声源组成四极子

5、声源：相邻振动相位相反的四个声源组成l特点特点 p均为频散模式波，截止频率内等于均为频散模式波，截止频率内等于S波速波速p截止频率与介质有关，如软地层偶极截止频率仅为数百截止频率与介质有关，如软地层偶极截止频率仅为数百Hzp抑制抑制P波，使波，使S波成为首波便于处理波成为首波便于处理偶极子和四极子声源的指向性曲线.测井仪器原理（一）66.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理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挠曲波波速与频率关系曲线测井使用的偶极和四极压电换能器.测井仪器原理（一）76.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列声波测井仪测量原理u6.1.3 正

6、交偶极各向异性测量原理正交偶极各向异性测量原理p各向异性探测是目前解决复杂储层问题的主要手段之一各向异性探测是目前解决复杂储层问题的主要手段之一p声波测井中各向异性测量采用水平声波测井中各向异性测量采用水平TI模型（模型（HTI）p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）性（如判断地层最大主应力方向）p发射器与接收器的关系发射器与接收器的关系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）86.1 6.1 多极子阵列声波测井仪测量原理多极子阵列声波测井仪测量原理利用交叉偶极求取地层各向异性实例

7、22( )cossin( )sincossincosfsfsxx tugugxy tugug 2222cos)(cossin)()(sin)()(sin)(cossin)()(cos)()(tyytyxtxytxxtStyytyxtxytxxtFppX发射时在接收器可得到的XX和XY分量由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.测井仪器原理（一）96.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALn6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALu6.2.1 MPAL仪器结构仪器结构l仪器主要包括仪器主要包括5个部分个部分p发射电

8、子线路发射电子线路p发射声系发射声系p隔声体隔声体p接收声系接收声系p主控电子线路主控电子线路MPAL仪器结构和系统组成.测井仪器原理（一）106.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALMPAL仪器结构示意MPAL仪器电子系统组成示意.测井仪器原理（一）116.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALlMPAL的主要技术指标的主要技术指标p极限工作环境：极限工作环境：175/140MPap遥测通信方式：遥测通信方式：CAN总线总线 p近单极（最小）源距：近单极（最小）源距：2.591m；p偶极源距：偶极源距：3.124m；p全波单极源距

9、：全波单极源距：3.658m；p接收换能器：压电陶瓷，接收换能器：压电陶瓷，8组组32个，间距个，间距0.152mp发射换能器：压电陶瓷，单极个，四极发射换能器：压电陶瓷，单极个，四极(可工作于单极可工作于单极)个，偶极个，偶极2组；组；p最高测速：最高测速：600m/hp数据采集：数据采集：A/D分辨率分辨率16位，采样时间位，采样时间4us - 32us，8通通道并行道并行p工作模式：单站，单极全波，偶极，交叉偶极，四极全波工作模式：单站，单极全波，偶极，交叉偶极，四极全波.测井仪器原理（一）126.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6.2.2 仪器连接

10、总线分析仪器连接总线分析l1. 井下仪器互连总线井下仪器互连总线p控制器局域网控制器局域网CANp传输速率（降速）传输速率（降速）800kbps测井仪与遥测电路接口 TMS320 x240 xA CAN模块框图 .测井仪器原理（一）136.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl2. 仪器控制命令总线仪器控制命令总线TCBp通过通过TCB，控制单元向发射电路、接收电路和采集电路等发，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送控制命令和参数设置命令n发射模式选择，启动激励发射模式选择，启动激励n接收模式选择接收模式选择n数据采集速率，采集深

11、度数据采集速率，采集深度p串行传输，差分时钟，自复位，设备随机寻址串行传输，差分时钟，自复位，设备随机寻址控制命令总线与受控单元接口.测井仪器原理（一）146.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl3. 板间高速局部数据传输总线板间高速局部数据传输总线HLBp两个两个4通道数据采集板到系统主控板的专用接口通道数据采集板到系统主控板的专用接口p多源单目，多源单目，SPI串行传输方式，速率串行传输方式，速率5MbpspCPLD自动控制自动控制高速串行数据传输接口原理图.测井仪器原理（一）156.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6

12、.2.3 系统控制电路系统控制电路l以以TI的的16位定点位定点DSP（TMS320LF2407A）为核心）为核心l主要功能主要功能p井下仪器总线（井下仪器总线（CAN）接口）接口p局部高速串行数据总线局部高速串行数据总线p数据缓存数据缓存p控制仪器工作：发射，接收，数据采集和处理控制仪器工作：发射，接收，数据采集和处理MPAL系统控制电路原理图.测井仪器原理（一）166.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6.2.4 数据采集电路数据采集电路l8路同步高速高精度数据采集路同步高速高精度数据采集l分为板级两个子系统分为板级两个子系统l由由DSP设定，设定，CP

13、LD控制，本地控制，本地FIFO缓存缓存数据采集系统组成结构图 MPAL数据采集原理框图.测井仪器原理（一）176.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl基于基于CPLD的数据采集控制器原理的数据采集控制器原理p串行命令接收及译码串行命令接收及译码p采集参数寄存器组采集参数寄存器组p采集启动及速率控制器采集启动及速率控制器p采集深度控制器采集深度控制器pADC状态检测和状态检测和FIFO读取控制器读取控制器.测井仪器原理（一）186.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl基于基于CPLD的数据采集控制器原理的数据采集控制器原理AD

14、C工作时序 .测井仪器原理（一）196.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6.2.5 模拟信号接收处理模拟信号接收处理l处理处理8X4共共32个接收站信号个接收站信号l分为两个板级子系统分为两个板级子系统l主要功能主要功能p32路信号通道接口路信号通道接口p8路模式信号合成路模式信号合成n单极，偶极，四极单极，偶极，四极p8路信号通道组合选择路信号通道组合选择n单极，偶极，交叉偶极，四极，单站，自检单极，偶极，交叉偶极，四极，单站，自检p8路程控放大路程控放大n调节动态范围调节动态范围-2148dB，总计，总计69dB，3dB步进步进p8路有源带通滤波路有源

15、带通滤波.测井仪器原理（一）206.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl1、通道构成及原理、通道构成及原理模拟信号接收及处理原理框图.测井仪器原理（一）216.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl2、缓冲放大电路、缓冲放大电路p同相放大，高频提升，输入保护同相放大，高频提升，输入保护l3、信号合成电路、信号合成电路p单极，单极，Mn=(X1+X2)+(Y1+Y2)p偶极，偶极，RnX=（X2-X1），）， RnY=（Y2-Y1）p四极，四极，Qn=(X1+X2)-(Y1+Y2) l4、测试信号发生器、测试信号发生器偶极、单极、

16、四极信号合成电路原理.测井仪器原理（一）226.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl5、信号选择电路、信号选择电路p多路选择模拟开关多路选择模拟开关MUXn开关类型：开关类型：8选选1、2x4选选1、4x2选选1p通道控制命令，信号通道控制命令，信号MSEL17（7bit）nMSEL13，通道信号类型选择，通道信号类型选择nMSEL45，偶极信号组合（同侧，偶极信号组合（同侧8路，交叉路，交叉4路）路）nMSEL67，单站信号选择，单站信号选择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）236.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪M

17、PALMPAL信号选择电路原理图.测井仪器原理（一）246.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl6、程控增益调节、程控增益调节p衰减器从衰减器从0dB到到-21dB共八级，共八级，3dB步进步进p放大电路放大电路0dB，24dB和和48dB三级，三级，24dB步进步进l7、有源滤波器、有源滤波器p通频带通频带250Hz20kHzp边带边带80dB/dec（四阶）衰减率（四阶）衰减率有源滤波器电路原理图02448002448-3-32145-6-61842-9-91539-12-121236-15-15933-18-18630-21-21327增益组合表 单位:

18、dB.测井仪器原理（一）256.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6.2.6 发射电子线路发射电子线路l发射电子线路主要包括：串行命令接口、发射逻辑控发射电子线路主要包括：串行命令接口、发射逻辑控制器、驱动电路、大功率激励电路、高压脉冲变压器制器、驱动电路、大功率激励电路、高压脉冲变压器组、储能电路、供电电源等组、储能电路、供电电源等.测井仪器原理（一）266.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALl命令译码及发射逻辑控制器由命令译码及发射逻辑控制器由CPLD实现实现l发射电路采用互补发射电路采用互补VMOS推动大功率推动大功率

19、VMOS通过脉冲通过脉冲变压器升压后激励压电换能器变压器升压后激励压电换能器储能电路和单极发射电路原理图.测井仪器原理（一）276.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6.2.7 数据采集组合模式数据采集组合模式MPAL数据采集组合模式表.测井仪器原理（一）286.2 6.2 多极子阵列声波测井仪多极子阵列声波测井仪MPALMPALu6.2.8 采集控制软件采集控制软件MPAL地面采集控制软件功能与与CNPC的的EILog成像测井系统兼容成像测井系统兼容测井时必须深度驱动，测试时可为时间或深度驱动测井时必须深度驱动，测试时可为时间或深度驱动 .测井仪器原理（一

20、）296.3 6.3 交叉多极子阵列声波测井仪交叉多极子阵列声波测井仪XMAC IIXMAC IIn6.3.1 交叉多极子阵列声波测井仪交叉多极子阵列声波测井仪XMAC IIuAtlas多极子声波发展轨迹多极子声波发展轨迹lMAC，XMAC，XMAC-II，XMAC-F1XMAC-II仪器外形图：发射声系，接收声系，隔声体.测井仪器原理（一）306.3 6.3 交叉多极子阵列声波测井仪交叉多极子阵列声波测井仪XMAC IIXMAC IIlXMAC-II与与MPAL相比各自的特点相比各自的特点p更高的耐温耐压指标更高的耐温耐压指标p每个通道都采用独立的每个通道都采用独立的DSP控制控制n采集控制

21、，数据处理，数据缓存采集控制，数据处理，数据缓存pADC性能：性能：16bit/5usp采用了独立的采用了独立的1678XE前置信号处理短节前置信号处理短节p发射电路发射电路n储能电路采用了有源泵电路改善放电特性储能电路采用了有源泵电路改善放电特性n激励宽度靠单稳态电路延迟控制激励宽度靠单稳态电路延迟控制p井下系统互连采用井下系统互连采用Atlas专有的专有的WTSn使用使用M2下行命令通道和可选的下行命令通道和可选的M5、M7上行传输通道上行传输通道p仪器内部控制命令总线仪器内部控制命令总线n采用简单的移位寄存器序列模式，每次设置必须完成所有采用简单的移位寄存器序列模式，每次设置必须完成所有bit后才能有效后才能有效.测井仪器原理（一）316.3 6.3 交