过钻具阵列感应仪器发射电路设计*

*本课题为中国石油集团公司项目“多模式过钻具成像测井系统现场试验”项目编号2021ZS03。

过钻具测井系统(FITS，Fast Imaging Thru-drilling tool logging System) 是中国石油集团测井有限公司测井技术研究院自主研发的具有完全知识产权的一套双模式（电缆模式和存储模式）过钻具测井系统。这套系统是为了满足页岩气小井眼、大位移、超长水平井等高难度复杂井况而设计的测井系统。阵列感应仪器是这套系统中测量地层电阻率的重要测井成像仪器，在常规电缆测井系统中，阵列感应仪器就是发射功率较大的仪器之一。为了适应过钻具测井系统，就需要对阵列感应仪器进行优化，尤其是在存储测井模式时，测井系统采用72 V电池供电，因此对这支仪器的功耗提出了更高的要求。阵列感应仪器要向地层发射交流信号，信号越强，地层感应信号就越大。电缆测井系统中的感应发射模块采用线性功放设计，随着温度的升高，功率开关管的静态电流和交越失真增大，功率管发热量变大，效率较低，只有60% ～ 70%，大部分的电源损耗以热量的形式释放，导致仪器的工作温度指标很难实现，且与存储式的设计理念相悖。因此，我们提出了采用D 类功率放大器进行发射模块设计，D 类功率放大器工作于开关状态，实际功耗小、效率高，满足系统设计的整体低功耗设计要求。

1   过钻具阵列感应仪器

过钻具阵列感应仪器是适用于复杂井况、小尺寸的存储式电阻率成像测井仪器，是满足过钻具测井工艺和保护套测井工艺的石油勘探开发的高端成像测井仪器，仪器外径只有55 mm，较传统的裸眼井电缆测井仪器设计难度更大。过钻具阵列感应仪器的原理是由发射线圈向地层发射激励信号，由接收线圈接收来自地层的二次感应信号，提取地层有用信息，用于分析泥浆侵入和石油储层评价等^[1-2]。

过钻具阵列感应仪器采用DDS（直接数字合成）技术合成多频发射数据^[3]，该数据经过DAC（数字- 模拟转换器）输出给驱动发射线圈的功率模块，放大输出。过钻具阵列感应仪器的信号合成功能框图如图1 所示。发射电路负载是发射线圈，发射线圈等效为一个RLC（电阻R、电感L、电容C）串联发射回路，要想提高接收线圈信号的信噪比，就必须提高发射模块的输出功率。在电缆测井传统AFIT（阵列感应仪器）中，我们采用线性功率器件实现对激励信号的功率驱动。如图2 所示，PA（功率放大器）Positive 和PA Negative为两个线性功率驱动模块，用于驱动发射线圈的两极，具体电路图如图4 所示。

图中2 可见，AFIT[4] 发射单元由两对大功率达林顿开关管组成，开关管的静态电流导致仪器的整体功耗非常大，该方案对存储式过钻具测量系统并不适用。所以，我们在过钻具感应仪器中应用本文的新型发射电路，通过提高发射效率来解决此问题。

2   B类功率放大器

下面简单介绍AFIT 阵列感应仪器中所使用的B 类线性功放。图3 为B 类功率放大器的基本原理框图，主要包括两个线性功率管组成。

从图3 可以看出B 类放大器用两管推挽工作，而且放大器有一段工作在非线性区域内，因此交越失真较大^[5]。

图4 为AFIT 阵列感应仪器线路功率放大电路设计的电路原理图。图中集成电路我们选用轨对轨高压运算放大器AD823（U4）和达林顿功率管2N6388（Q3）和2N6668（Q2）实现对驱动信号的功率放大，该电路复杂，调试困难。

图5 为加载到发射线圈两端的实际激励信号。黄色波形和绿色波形分别为PA Positive 和PA Negative 两个线性功率驱动模块输出的示波器测量波形，加载到发射线圈的两极，驱动线圈向地层发射激励信号。

图5 AFIT中B类功率放大器输出波形信号

3   D类功率放大器

为了解决B 类功放存在的一些问题，我们在过钻具阵列感应仪器中采用D 类放大器，也称为开关放大器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器等四部分组成^[6][7]。

D 类功率放大器的基本结构，可分为三个部分：调制器，把输入发射波形信号调制成一个与输入信号幅度相关的脉宽调制信号。D 类功率放大器是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把脉宽调制信号变成高电压、大电流的大功率脉宽调制信号。低通滤波电路把大功率脉宽调制信号波形中的原始信息还原出来^[8]，结构和原理如图6、图7 所示。

4   D类功放在AFIT仪器中的应用

在过钻具阵列感应仪器中， 我们选用D 类功率放大器件TDA8920， 放大器采用差动音频输入，振荡器频率由脚1 外部电阻R_OSC 设定。16 脚外部电流（R_lim）用作调节限制电流。17 脚上的输入

电压（V_ms）用作模式选择：即待机、静噪抑制（无声）和导通进入正常操作。电路原理如图8 所示。

在过钻具阵列感应仪器应用中，振荡器的频率计算公式为：

R_OSC 取10 kΩ，即振荡频率为500 kHz，远离感应仪器的工作频率。图9 为D 类功放感应信号发射波形。

在D 类功放设计中需要考虑的主要难点是输出级的保护和仪器高温环境下LC 低通滤波器的设计 [9]。在本应用中，采用大电流熔断器件实现功率模块和电源模块的过载保护，在滤波器设计中，选用高温磁芯绕制电感和高温COG 电容组成的滤波电路，并结合发射电子线路的温度刻度，实现仪器稳定可靠工作。

图9 D类功放输出波形图（20 kHz）

5   结论

由图5 可以看出，B 类功放的输出最大峰值为22 V，电源供电电压为±15 V，其效率为75%；由图9 所示D 类功放输出波形可以看出，其输出最大峰值为26.7 V，电源供电电压为±15 V，效率达到90%。由此可以看出D 类功放的效率较B 类功放的效率更高，从而减小发射模块的发热量，同时提高仪器信号的信噪比。

参考文献：

[1] 闫敏杰.三分量感应测井系统的理论研究[J].石油仪器,2009,23(1):9~12.

[2] 原宏壮.测井技术新进展综述[J].地球物理学进展,2005,20(3):786~795.

[3] 殷勤.基于CPLD控制的时序正弦信号发生器[J].电子测量技术,2007,30(11):123~125.

[4] 肖加奇.新一代网络化测井系统LEAP80[J].石油仪器,2012,26(1):26~29.

[5] 刘长学.D类功放的交越失真[J].电声技术,2002(7):50~51.

[6] 蒋锟林.一种发送超声波的D类功率放大器的设计[J].电声技术,2011,36(1):33~36.

[7] 叶强.一种新颖的D类音频功率放大器驱动电路[J].半导体学报,2007,28(9):1477~1481.

[8] 姚福安.D类音频功率放大器设计[J].山东大学学报(工学版),2003,33(6):665~669.

[9] 诺伍德.GAALAAS E.D类音频放大器设计:概念、原理和方法[A].诺伍德:美国模拟器件公司,2007.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年3月期）