随钻声波测井仪高效电源设计

　　1 引 言

　　随钻声波测井技术是准确评价地层、进行地层对比以及储层描述的有效手段之一。随钻声波测井仪的电子系统主要由发射部分和接收采集控制处理部分组成，包含模拟电路、数字电路、模拟数字混合电路，通常采用多路供电。与其它随钻测井仪器相比，随钻声波测井仪的电子系统复杂、功耗较大。例如，目前国际上较为先进的 Baker HughesINTEQ 公司的 APX(Acoustic Property Explorer)仪器包括大功率宽带声源、六个接收器阵列、复杂的井下数据采集和实时处理系统，系统功耗为 18W(低速测量方式)或 30W(高速测量方式)[1-3]。APX 系统复杂、功能强，因此电子系统功耗较大，但即使功能简单的随钻声波测井仪，例如仅仅实现地层纵波波速测量功能，其平均功耗也可达数瓦以上。若采用相控线阵发射、接收技术，以改变换能器的辐射指向性，使得声波能量更多地辐射向地层，并改善接收到的信号的资料质量[4]，则需采用多个大规模FPGA 或新型 CPLD 芯片[5]，平均功耗会更大。

　　国外随钻测井仪器一般采用泥浆发电机和高温锂(Li)电池供电，由于技术原因，目前国内随钻测井仪器仍然采用高温锂电池供电，一般采用多节锂电池串联组成电池短节。锂电池的指标如下3.45V/29Ah@150℃，额定放电电流 400mA，耐温150℃。在随钻声波测井仪中，由于安装空间限制，电池短节不能做得太长，因此其能量有限，例如采用 8 节锂电池串联组成电池短节，根据电池指标，同时考虑到多路放电的不均衡性和使用余量，电池短节的能量约为 2.4×106J，仪器连续工作时间仅能维持 4 天左右，无法满足实际钻井需要。因此，受电池能量所限，随钻声波测井仪不能像电缆声波测井仪器那样采用长时间连续工作方式。

　　由于在钻井过程中，钻进速度不快，与电缆测井相比，随钻声波测井仪的测量速度较慢，因此在保证地层分辨率的前提下，随钻声波测井仪可以采用间歇工作方式，这样就能够降低系统的平均功耗，大幅度提高电源的工作寿命。为实现随钻声波测井仪器的间歇工作方式，需控制随钻声波电子系统的供电电源，以保证仪器能够根据测量需要可靠地开启和关断。

　　2 电源控制电路设计

　　随钻声波测井仪受控于 MWD(MeasurementWhile Drilling)系统，根据钻井作业特点和随钻测井的需要，MWD 系统实时改变随钻声波仪器的工作时序，通过井下通讯总线，将指令传给随钻声波仪器，使其在钻井过程中间歇工作。随钻声波电源系统控制方式如图 1 所示。

　　整个电子系统由 8 节锂电池供电，并从中间引出线作为电源地，得到±14V 电池电压。电源控制MCU、通讯接口电路和电源开关组成电源控制电路，工作电压为+14V 和5V，其中5V 电压由主5V 电源产生。电源控制MCU通过通讯接口电路与MWD系统通讯，并控制电源开关的导通和关闭。声波发射部分和接收采集控制部分所需电源由±14V 经电源开关之后，再经相应的电源变换模块得到。因此，整个电子系统中只有电源控制电路始终处于工作状态，使电子系统中功耗大的声波发射部分和在接收采集控制部分则处于受控状态，实现间歇工作方式，从而可以最大限度地降低电池能耗。