2.1 发射电路设计2.1.1 发射电路原理框图
发射电路原理框图如图1所示。发射电路的主要功能是完成对换能器的激励，实现单极、四极声波发射。单极\四极发射换能器示意图如图2所示，它由多条柱状压电陶瓷按圆周排列拼接而成，然后分成X1、X2和Y1、Y2四个部分，四组晶体之间使用聚四氟乙烯绝缘片进行电绝缘隔离。当加在X1、X2的激励信号和加在Y1、Y2的激励信号相位相同时，晶体激发的是单极信号，当相位相反时，晶体激发的是四极子信号。换能器使用的激励信号 有筋网
为Blackmanharris 波形，四极子一般采用4 kHz 的发射频率[3]，单极子使用10 kHz 的发射频率。四极子和单极子发射激励信号的频率可控，因此可以根据不同的地层选择合适的频率进行测井。
2.1.2 驱动电路设计
测控系统驱动电路主要由半波整流电路、开关电路、反馈电路和乙类推挽功率放大电路四部分组成。半波整流电
路利用二极管的单向导电特性取出输入激励信号的正、负半周作为发射信号使用；开关电路使用三极管的开关特性，只有在Fire 信号的控制下才能将整流后的信号送入功放的输入端，避免电路干扰引起误发射；反馈电路可以调整功放电路的输出，减小功放电路的非线性失真。其中半波整流电路、开关电路和反馈电路已经由青岛智腾做成厚膜电路，可以在175 ℃下工作。
0 引言
随着已探明油藏的不断开发以及老油田的衰竭，石油勘探已转向隐蔽与复杂的圈闭，这就要求石油测井技术必须向探测和评价复杂储层目标发展。地层横波携带了较多的地层信息，在确定地层弹性模量、孔隙度、流(含气)体饱和度和裂缝以及各向异性等参数上具有重要意义[1]。常规的单极子声波测井很难测到横波。因此，人们提出了利用多极源(偶极源和四极源)实现直接横波速度测井。在多极源激发的声场中，在低频区域纵波部分受到压抑，而横波部分得到加强且受其他分波的影响较小，从而使得横波成为首波实现直接横波速度测井。本文介绍一种用四极子源测量地层横波的测井仪器的研制。该仪器具有单极子纵波测量、四极子横波测量测井功能，利用其横波测量功能可以对地层弹性模量、孔隙度、流体饱和度和裂缝等参数进行精细准确的解释和评价。 zyzq1 工作原理
四极子源在井孔中激发四极子波，四极子波引起井壁质点
振动呈交替的长椭圆/扁椭圆，振动图像如螺旋状，所以四极子波又被称为扭曲波或螺旋波(screw wave)。四极子源是由两个无限接近的强度相等、相位相反的偶极子源构成[2]。四极源能够比偶极源更有效地抑制P 波，此外，四极源能够在高频段工作，因此四极源能产生高分辨率的S 波信号，从而使用四极源可以实现短源距直接横波测井。
一种四极子声波测井仪的研制与应用
刘峰1，林毓宸2(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453000；
2.中石化西南石油工程有限公司测井分公司，四川 成都 610000)
摘要：在声波测井仪器中，由单极子源辐射的全波列声波测井理论和技术已经得到了快速发展。但是全波列测井对纵横波的波形分离极为困难，处理方法非常复杂，而且在软地层中，岩石横波速度小于井内流体纵波声速，无法激发折射横波，从而无法测量地层横波速度，人们提出了利用多极源(偶极源和四极源)实现直接横波速度测井。文章介绍一种利用四极子源测量横波的声波测井仪的研制与应用，包括硬件设计、软件设计。 关键字：声波测井；四极子；横波测井中图分类号：TE35
文献标志码：A
文章编号：1008-4800(2021)04-0144-03
DOI:10.19900/jki.ISSN1008-4800.2021.04.071
The Design and Application of a Quadrupole Acoustic Logging Tool
LIU Feng 1, LIN Yu-chen 2
(1. No.22 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Xinxiang 453000, China; 2. Sinopec Southwest Petroleum Engineering Well Logging Branch Co., Ltd., Chengdu 610000, China)
Abstract: Among sonic logging tools, the theory and technology of full-wave sonic logging radiated by a monopole source has been rapidly developed. However, full-wave logging is extremely diff i cult to separate the longitudinal and longitudinal waves, and the processing method is very complicated. Moreover, in soft formations, the rock shear wave velocity is less than the fluid longitudinal wave sound velocity in the well, and refracted shear waves cannot be excited, so the formation shear wave velocity cannot be measured. It is proposed to use multi-pole sources (dipole and quadrupole sources) to realize direct shear wave velocity logging. This article introduces the development and application of an acoustic logging tool using quadrupole source to measure shear waves, including hardware design and software design.Keywords: sonic logging; quadrupole;shear wave logging
四极子接收信号是首先分别对接收晶体X 方向的接收信 号X1、X2相加得到X ，同理对接收晶体Y 方向的接收信号Y1、Y2进行相加得到Y ，然后用差分电路相减X-Y 获得四极子接收信号。差分电路的增益也可根据反馈电阻进行调节。单片信号由多路选择开关ADG1409构成，使用2片ADG1409，便可以将换能器四个方位的信号分别选择出来。此功能主要是用来检查声系用的，把仪器放到模拟井里，把每个接收晶体4个方向的信号分别传上来，根据信号的一致性可以检验声系的好坏。(3)模式选择电路。模式选择电路可以控制电路在单极子、四极子、单独和测试四种状态工作，它主要由模拟开关ADG1409组成。在A1、A0信号的控制下，使用2片ADG1409就可以实现在单极、四极、单独和测试状态下测井。(4)测试信号产生电路。测试信号产生电路由CD14538及电阻、电容、稳压二极管构成。其主要作用是产生一个脉宽为1 ms 的矩形脉冲，用来检验四路滤波电路的一致性。
2.2.3 滤波和自动增益控制电路
滤波和自动增益电路实现对信号的滤波、放大处理和自动增益控制。由于电路空间有限，带通滤波器使用较为常用的Sallen-Key 四阶低通滤波器和四阶高通滤波器组成。根据单极子和偶极子信号的频率，带通滤波器通带范围设置为2～18 kHz 。电阻和电容的取值可根据Sallen-Key 滤波器的设计方程
自动垃圾桶来求取。滤波器运放选用适合传感器信号放大的ADA4004-2。Sallen-Key 滤波器的截止频率为式(1)：
c f (1)
一般设计滤波器，为方便计算，元件值使用相等的数值，所
以滤波器的截止频率可简化为式(2)：
1
2πc f RC
=
(2)自动增益电路选用可变增益放大器AD8336。AD8336是一款低噪声、单端、线性、通用型可变增益放大器，可以在较大的电源电压范围内工作。它内置一个非专用前置放大器，可用增益范围为6～26 dB ，采用传统方式通过外部电阻确定。VGA 增益范围为0～60 dB ，绝对增益限制为-26 dB 至+34 dB 。当前置放大器增益调整为12 dB 时，前置放大器与VGA 的合并3 dB 带宽为100 MHz ，该放大器在80 MHz 内完全可用。采用±5 V 电源时，
2.2 接收电路设计2.2.1 接收电路原理框图
接收电路原理框图如图3所示。由接收声系输入的16路模拟信号经电荷放大电路放大后送入信号运算电路，生成单极子信号、四极子信号及单独信号，然后在模式选择电路的控制下根据电路设置将信号送入滤波电路和AGC 电路，最后输出4路
信号送入采集电路。
图3 接收电路原理框图
2.2.2 预处理和模式控制电路
(1)差分放大电路。接收信号预处理电路使用差分放大电路，可以有效放大换能器的差模信号，抑制共模干扰。
加法器电路
差分放大电路使用仪表放大器AD8226。AD8226是一款低成本、宽电源电压范围仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1 000。它被设计为可工作于各种信号电压的情况下。宽输入范围和轨到轨输出使信号可充分利用供电轨。由于输入范围能够降到负电源电压以下，因此无需双电源便可放大接近地电压的小信号。该器件采用±1.35 V 至±18 V 的双电源供电或2.2 V 至36 V 单电源供电。
(2)信号运算电路。信号运算电路包括单极子接收信号产生电路、四极子接收信号产生电路和单独信号产生电路。
单极子接收信号是接收晶体4个方向的接收信号相加而成，即X1+X2+Y1+Y2。它采用反相加法器电路将每组接收换能器上的4路信号进行相加，放大倍数可以通过反馈电阻进行调节。
电路中的运放采用的是四通道精密、JFET 放大器AD8531。该放大器具有低失调电压、低输入偏置电流、低输入电压噪声和低输入电流噪声特性。低失调、低噪声和极低输入偏置电流这些特性相结合，
隐蔽式水箱特别适合高阻抗传感器信号放大。
Y1
Y2
图1 发射电路原理框图 图2 单极\四极发射换能器示意图
3 现场实验
仪器研制完成后，在孤古八井进行了实验验证，现场实验
时单极和四极都测到了良好的波形，波形图如图6、图7
所示。
图6 单极子信号波形图
图7 四极子信号波形图
4 结语
本文介绍了一种利用四极子源的声波测井仪的研制，是
四极子源在常规声波测井仪器中的国内首次应用。该仪器样机通过在孤古八井实验，测得了单极子信号和四极子信号，验证了仪器功能，为下一步在油田的应用与推广打下了良好的基础。
参考文献：
[1]唐晓明，郑传汉.定量测井声学，赵小敏译：第1版[M].北京：石油工业出版社，2004.
[2]唐晓明，王婷，帕特森D.随钻多极声波测井[C]// SEG.SEG 国际博览会暨第72届年会. Salt Lake City: SEG 国际博览会暨第72届年会，2002: 6-11.
[3]卫建清，何晓，陈浩，等.随钻四极源声波测井多模式采集测量TTI 地层各向异性的研究[J].地球物理学报.2018, 61(2): 792-802.
作者简介：①刘峰(1984-)，男，河南商丘人，硕士研究生，工程师，主要从事声波测井仪的研制。
②林毓宸(1988-)，男，湖北宜昌人，本科，测井操作工程师，从事测
井操作。
最大输出摆幅为7 V 峰值。采用可变增益放大器可以有效减小电路尺寸，同时VGA 的各项技术指标也满足实际使用要求。
2.3 MCU模块设计
2.3.1 MCU模块电路原理框图
MCU 模块是井下通用模块，芯片使用的是Actel 公司的
A3P1000。MCU 模块框图如图4所示，主要完成信号采集、激励信号产生、AGC 控制、
控制信号产生和上传通讯的功能。
图4 MCU原理框图
2.3.2 MCU程序设计
MCU 模块一方面要在网络接口模块的控制下进行数据上传和装表；另一方面，也要对接收电路和发射电路进行控制，完成数据采集、滤波和自动增益控制等功能。MCU 模块完全受网络接口模块控制，响
应网络接口模块下发的各种命令，当收到取数令后，便按照此前收到的服务表内容对电路和软件进行配置，其配置过程发生在每个子周期执行之前，然后完成数据的采集和整理，程序流程图如图5
所示。
图5 MCU程序流程图
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