TA2022在过钻具阵列感应测井仪中的应用

作者简介：吴志刚（1982—），男，工程师，硕士，从事硬件研发相关工作。

朱瑞明（1980—），男，工程师，硕士，从事机械设计相关工作。

梁小兵（1978—），男，高级工程师，硕士，从事硬件研发相关工作。

0   引言

随着钻井技术的迅速发展，水平井和大斜度井的测井需求越来越多，为了满足这些需求，就产生了一种新的测井方式，过钻具存储式测井技术。根据过钻具测井的特点，便要求过钻具存储式阵列感应测井仪具有较高的集成度，较低的功耗以及较大的输出功率。目前，常规的阵列感应测井仪器多采用达林顿管推挽的方式将发射信号送入地层，这种方式功耗大，电路复杂。本文提出了一种利用T- 类功放TA2022 的信号发射方法，本方法结构简单，功耗低，能够以较低的复杂度获得较高的性能。

1   过钻具阵列感应仪器原理介绍

过钻具存储式测井仪是利用钻杆下钻的方式将悬挂在钻杆水眼内的测井仪器送到井底，下到测量段时利用泥浆压力将仪器泵出水眼后开始起钻测井，这就要求过钻具存储式测井仪器只能用电池供电，而且仪器的外径必须小，一般要小于60 mm，属于小直径测井仪器。过钻具式阵列感应测井仪器是过钻具式测井仪器中的一支非常重要的仪器，它是在常规阵列感应测井仪器的基础上设计出来的，测井原理与常规阵列感应测井仪器一样，通过发送多个不同频率的信号，在发射线圈周围的介质中产生感应电动势，进而产生与介质电导率成正比的涡流。感应涡流会激发二次场，在接收线圈中产生二次感应电动势。由一系列不同线圈距的接收线圈系对同一地层进行测量，然后通过硬件或软件聚焦处理获得不同径向探测深度的地层电导率，从而有效的识别油气层^[1-2]。

过钻具式阵列感应测井仪器电子线路框图如图1 所示：由1 个发射线圈和6 个接收线圈组成仪器的探头部分，发射板将来自主控板的发射信号推挽放大后由发射线圈将信号送入地层，发射信号是由16 kHz，24 kHz，40 kHz 和48 kHz 四个正弦信号叠加组合而成的4 频复合信号。6 个接收线圈将收到的不同源距的接收信号送入采集板进行放大和滤波，主控板负责对信号进行模数转换以及信号处理，并将处理后的信号存储起来，最后由地面系统读取存储数据^[3-4]。

可见，发射信号的质量和功耗直接决定了整支仪器的工作性能。

2   功率放大器的工作原理

随着微电子技术及半导体工艺的快速发展，功率放大器也伴随着制造工艺和技术的快速发展而不断得到创新。功率放大器主要可以分为模拟功率放大器和数字功率放大器。

2.1 模拟功率放大器实现电路

模拟功率放大器又可以分为A 类，B 类，AB 类功率放大器。模拟功放属于线性功率放大器，可以是单管单端结构，也可以是双管推挽结构，功放管工作在线性放大区，通过调整外围器件，便可有效地控制偏置电压和动态工作范围，从而使非线性失真达到最小。模拟功率放大器虽然工作性能可靠，但同时也有利用率低，发热大，体积大，成本高等缺点[5]。目前常规阵列感应仪器多采用达林顿管推挽的模拟功放方式实现功率放大，如图2 所示。

发射信号经过单端转差分的放大器，送入达林顿管电路实现功率放大。这种方式电路复杂，功耗大，发热也很大，还需要很大的散热片以保证电路的安全。

2.2 数字功率放大器实现电路

伴随着各种高性能的场效应管的出现，数字功率放大器即D 类功率放大器得以迅速发展，有别于模拟功放的工作方式，D 类功放的工作原理是将输入信号变换成PWM 信号，然后利用该信号来控制晶体管的导通与关断以得到放大后的信号，D 类功放的输出级始终在完全导通或关断状态下工作，当工作在导通状态时，虽然有电流流过晶体管，但因为晶体管两端几乎没有电压差，所以就几乎没有功率消耗；当工作在截至状态时，虽然晶体管两端有电压差，但由于管子的内阻很大导致流过的电流很小，所以也几乎没有功率损耗，这种特性使得其工作效率远高于其他类的功率放大器^[6]。

TA2022 是一款由Tripath 公司开发的T 类功率放大芯片，T 类功率放大器的功率输出电路和采用脉冲宽度调制的D 类功率放大器基本一样，晶体管也是工作在导通或者截至状态，因此工作效率也和D 类功率放大器相当。但它和D 类功率放大器不一样的地方是，它并没有采用脉冲宽度调制的方法。Tripath 公司发明了一种名为DPP（Digital Power Processing）的数字功率处理技术，这种技术的工作原理是利用了一个Σ-Δ 调制方式的模数转换器，该模数转换器是以12.5 MHz 的采样频率对输入信号进行采样，通过这种过采样方式能够快速有效地把输入信号的处理成一个1 位的数字信号，通过该模数转换器输出的1 位数字信号直接去控制功率晶体管的导通和截至。这种方式使得T 类功放具有更宽的动态范围，更小的群延迟以及更平坦的频率响应^[7]。而且数字功率处理技术的介入也减小了热噪声的影响，使得信号的信噪比，总谐波失真等指标也得以提高。鉴于TA2022 的众多优点，以及作为过钻具式测井仪器，其测井方式决定了过钻具式阵列感应仪器的电源只能用电池供电，而且仪器尺寸小，因此本文采用了T 类功率放大器TA2022 来实现功率放大，如图3 所示。

发射板电路只需要一个单端转差分的放大器和一个TA2022 就可以实现，这种方式结构简单，功耗低，散热少，方便调试并且性能可靠。

2.3 应用实例

本方案采用±15 V 为TA2022 供电，每一路电压的电流消耗基本在200 mA 左右，发射板的输入信号峰峰值约为2 V，如图4 所示。

图4 发射板的输入信号波形

通过示波器采集到的TA2022 输出信号的波形如图5 所示。

图5 发射板的输出信号波形

单通道输出峰峰值可以达到24 V，放大增益将近22 dB，而且比较输入输出波形，几乎没有非线性失真。经过测试，发射板的输出信号质量可以满足过钻具式阵列感应仪器的设计要求。

3   结语

本文根据过钻具阵列感应测井仪器的工程需求，采用模块化的设计方法，设计开发了基于T 类功放TA2022 的发射电路。经过测试，该电路可以很好地达到设计要求，具有集成度高，可靠性强，功耗低等特点，并且对其他功放模块的电路设计提供了一个切实可行的解决方案。

参考文献：

[1] 冯启宁,鞠晓东,柯式镇,等.测井仪器原理[M].北京:石油工业出版社,2010.

[2] 刘春雅,程旭.阵列感应测井技术发展状况综述[J].甘肃科技,2009,25(3):32-34.

[3] 游畅,孙伟,梁大黎,等.过钻具存储式感应测井仪的设计与研究[J].石油管材与仪器,2015(1):12-15.

[4] 黄争志,余厚全,魏勇,等.完全基于FPGA的过钻具阵列声波测井主控电路设计[J].长江大学学报(自然科学版),2020,17(1):32-38.

[5] 李挥,罗勇,邹传云.数字音频功率放大器远离及实现[J].器件与电路,2003(4):32-35.

[6] 肖宁.基于DSP的D类功放控制系统的研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011.

[7] 刘举平.基于TA2022的T类数字功率放大器的设计[J].音响技术,2009(7):61-63.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年2月期）