1、隨鉆電阻率測井儀器的實現黃忠富黃瑞光(武漢華中科技大學陳鵬(江漢測井研究所摘要介紹最新研制的隨鉆電阻率測井儀器的測量原理、實現方法,并具體分析電路硬、軟件的設計以及元器件選擇中應注意的問題。多次模擬運行試驗表明,該儀器達到了設計指標,性能良好,穩定可靠。關鍵詞:隨鉆測井電纜測井電阻率測井儀器原理設計ABSTRACTH u ang Zhongfu ,H u ang R uigu ang ,Chen Peng.Development of MW D R esistivity Logging T ool.W LT,2002,26(2:172-175A new MW D resistivity log

2、ging tool has been developed.Its measurement principle ,im plementation ,hardware and s oftware designs are introduced.Problems to be n oticed in circuit design and com ponents selection are als o indi 2cated.Simulating tests sh ow this toolis up to the design standards ,better in performance and m

3、ore reliable in quali 2ty.Subjects :MW D cable logging resistivity logging instrument principle design引言隨鉆測井(Measurement While Drilling 是一種比較新的技術,和傳統的電纜測井相比較,隨鉆測井具有實時性好、測井精度高、節省測井成本等優點1,并且當一些井不能用電纜測井,或者在某些特殊地層條件下操作困難、花費鉆井時間過多的時候,就必須用隨鉆測井代替電纜測井。 測量原理圖1為電阻率測井探頭結構示意圖。圖1中T c 為發射線圈,Rc 為接收線圈,P 為鉆桿。這種結構形成了

4、2個變壓器,對發射線圈而言鉆桿相當于變壓器的次級,而對接收線圈而言鉆桿又相當于變壓器的初級。在鉆井過程中進行電阻率測井時,給發射線圈供以交變激勵電流,會在作為變壓器次級的鉆桿上感生出一定的電動勢,該感生電動勢通過鉆桿和地層構成的回路形成感生電流。從發射線圈到鉆頭之間的感生電流可分為2部分,接收線圈和發射線圈之間鉆桿上流出的電流稱為聚焦電流,接收線圈到鉆頭之間所流出的感生電流稱為測量電流。在測量電流的激勵下,接收線圈上會產生出和測量電流成比例的電動勢,接收線圈上所產生的電動勢與發射線圈在鉆桿上所激勵的感生電動勢有關,與鄰近鉆頭的地層電阻率有關。測量鉆桿上所感生的電動勢和接圖1電阻率測井探頭結構示

5、意圖收線圈上所感生的電壓即可得到近鉆頭電阻率R a=KV T/I R=Kf(I T/g(V R式中R a近鉆頭電阻率;K儀器常數;V T發射線圈在鉆桿上所產生的感生電壓;I T發射線圈的激勵電流;I R通過鉆桿流經接收線圈的電流;V R在接收線圈上所產生的感生電壓;f(I T發射電流在鉆桿上發射線圈的兩端產生感生電動勢的函數關系;g(V R測量電流在接收線圈上產生感生電動勢的函數關系。探頭的結構可根據地質要求和技術條件進行選擇,目前國外地質導向鉆井中近鉆頭電阻率測量大多采用一發一收或一發多收的結構及一個或多個電扣電極的輔助測量。電阻率測井的實現1.電阻率測井的實現方法隨鉆測量系統的測量儀器安裝

6、在接近鉆頭的幾節特制的鉆桿內,它的探頭采用一發雙收的結構,由在鉆桿上安置的1個發射線圈(相當于發射變壓器T c和2個接收線圈(相當于接收變壓器Rc組成,其中發射線圈用來激勵電流進入地層,接收線圈用來測量接收線圈到鉆頭部分鉆桿上流出的電流。發射變壓器T c將鉆桿分割為上下2個部分,對應為發射電級和回路電極,接收變壓器Rc安裝在發射電極上,流過接收變壓器Rc的電流就是經過地層返回的電流,測量流過接收變壓器Rc的這個電流,即可得到距鉆桿一定距離的地層電阻率。將接收線圈Rc置于不同的位置,測量的電流就是流經這個位置的電流,因而具有不同的探測深度。通過測量3個物理量:發射線圈上的電極電位V i;靠近發射

7、線圈的接收線圈上的測量電流I n(稱為近電流;遠離發射線圈的接收線圈上的測量電流I f (稱為遠電流,由上面的公式即可獲得近鉆頭電阻率。部件尺寸及相互位置會影響電阻率的測量結果,將各部件尺寸及相互位置定義為探頭的結構因素,則本儀器采用的電阻率探頭的結構因素有以下幾項:發射線圈寬度;發射線圈與接收線圈之間的距離;接收線圈的寬度;遠離發射線圈的接收線圈與鉆頭底面之間的間距。探頭的結構確定以后,儀器常數K值就隨之 確定了。圖2測井儀器的工作原理框圖發射線圈發射的交變激勵電流頻率對測量結果也有影響,對于近鉆頭電阻率測量儀一般采用1152kH z 頻率。由于隨鉆測井的特殊性,存在以下一些關鍵技術問題,測

8、量設備應能夠安裝在鉆桿內狹小的密封空間中,并能承受深井的高溫高壓和鉆井時的震動;特制鉆桿應具有與實鉆所用鉆桿同樣的機械強度;電源應有足夠的功率容量和使用時間。因此在測井儀器的具體實現中需要考慮它的體積、功耗、可靠性等因素。2.電阻率測井儀的工作原理儀器工作的原理框圖如圖2所示,它主要由發射通道、3個測量通道、采樣和控制電路、時鐘電路、存貯器電路、串行通信接口電路及電源等幾部分組成。由于下井儀器用電池組供電,為了節省電力,延長工作時間,儀器采用間歇工作方式2。電池組和電路之間的壓力開關用來保證儀器到達井下一定深度后開始工作,當外部壓力達到一定值時,壓力開關接通,儀器控制器部分首先開始工作。單片機

9、上電初始化,打開電源,完成一次測量后,關閉電源,單片機進入掉電方式。經過一定時間以后(該時間可以在下井之前由井上軟件設置,看門狗電路喚醒單片機又進行下一次測量,如此循環。當記錄的數據占滿全部存儲空間后,認為測量已經全部完成,關閉大部分電源,并使看門狗復位功能失效,整個系統處于休眠之中。儀器中沒有采用通常的泥漿信道隨鉆測量方式,而是將測量的數據直接存入大容量的存儲器中,完鉆后隨鉆頭一起取出,然后通過串口傳到計算機上進行后續處理。但是為了確定當前測量地層的準確深度,測量數據時必須將測量時的時間同時記錄,以此時間為標準,將地面儀器中的記錄和它相對比,由此確定測量數據的準確深度。時鐘電路的作用就是幫助

10、我們建立測量數據與深度之間的聯系。3.電阻率測井儀的電路設計 單片機采用Atmel 公司的A T89C52,它有256B 的內部RAM ,8kB 的F LASH ROM ,并提供3個16bit 定時/計數器,性價比高。為提高系統的抗干擾能力,選用了X icor 公司的看門狗電路X25045,芯片的看門狗定時器和電源電壓監視器都對微處理器提供了獨立的保護。此外,X25045內部還有采用C M OS 工藝的4096位串行EEPROM 存儲器,用來保存重要的參數信息。該芯片使用簡單的三線總線的串行外設接口(SPI 進行讀寫操作,占用口線資源少。其它需要注意的關鍵電路如下:功放電路采用一般的音頻功放集

11、成塊即可滿足要求。但是需要具有外部控制的、低功率消耗的關斷模式,以及內部過熱關斷保護機制。電源采用單一5V 供電,與單片機電源兼容,內部電路采用BT L 結構。 測量前向通道前置放大器采用Analog Devices 公司的測量放大器AD623,它具有共模抑制比高、低功耗、滿電源電壓擺幅輸出、單電阻設置增益等特點。AD623輸入采用差分方式,若直接與接收線圈相連,因為線圈浮地,AD623輸入端將不能為輸入偏置電流提供直流通路,輸出將呈現“調幅波”的效果。因此,輸入端采用如圖3所示的結構。存儲器電路存儲器選用8Mbit 串行F LASH 芯片,它包含1個非易失性的主存儲體和2個264B 的靜態R

12、AM 緩沖頁,主存儲體采用頁編程模式,共有4096頁,每頁264B ,適合批量讀寫數據。2個緩沖頁使得寫存儲器頁的同時讀另一頁的數據成為可能,硬件數據保護引腳又能有效地保護數據不被破壞。另外,該串行F LASH 存儲器芯片采用三線總線的串行外設接口(SPI ,SC LK 、S DI 和S DO 可以共用,儀器中看門狗、串行F LASH 存儲器和12bit 串行A/D 芯片的3根總線就是 圖3前向通路電路結構掛到一起的,這樣大大節省了單片機有限的口線資源。電源電路電源是儀器的心臟,必須穩定可靠。加上儀器采用間歇工作方式,要經常開關電源,因此顯得更為重要。電池組供電電壓是712V ,不能直接給系統

13、供電,故采用了低壓差線性穩壓器,它的噪聲低,并具有電源關斷引腳,壓差可以低至180m V ,這樣就可以大大延長電池組的使用壽命。值得注意的是,在關斷使能之圖4單片機與計算機的串行接口電路圖5單片機間歇工作方式的軟件流程圖圖6單片機與計算機的串行通信軟件流程圖前,必須對單片機與電路相連的口線進行相應的處理,例如開關切換控制引腳置低、使芯片片選失效等等,否則電源芯片關斷使能后由于單片機引腳的泄漏電流會使得電路的電源不能有效關斷。串行通信接口電路利用A T89C52的串行口,選用Analog Devices公司的ADM202E構成RS232C串行通信接口,具體電路如圖4所示。該芯片只需配用幾個外接電

14、容就可簡單方便地實現電平轉換,構成通信接口。在上位機中編程與單片機系統實現各種功能,如設定測量時間間隔、讀存儲器數據、校正系統時鐘和各種參數、儀器的自檢等等。4.電阻率測井儀的軟件設計包括井下間歇測量工作方式的實現程序和井上串行通信程序2部分。其流程圖分別如圖5和圖6所示。圖5中第1次上電標志位(POF用來區分單片機是第1次上電運行還是看門狗喚醒的復位運行,由此確定測量的數據應該放入存儲器的哪個位置。此外,因為看門狗的復位定時器最大只有114s,而測量的時間間隔是1060s,所以用定時次數來表示要經過幾次復位才開始測量。定時次數=測量的時間間隔/看門狗的復位時間。圖6中的儀器刻度是為了保證測量

15、的精度和對儀器進行標定,分為低刻度、高刻度和零刻度,分別接電阻網絡的不同位置。元器件選擇的考慮隨鉆測井儀安裝在鉆頭上,一邊鉆進一邊測量,并且只能用電池供電,對儀器的體積、功耗和溫度都有很嚴格的限制。必須對元器件的選用提出相應要求,主要考慮以下幾個方面。(1集成電路必須是C M OS工藝制造,最好以串行方式工作,有關斷引腳,或者是有閑置工作模式或掉電模式;(2電阻電容和集成電路都要選用溫漂系數小的器件。電容最好用專用的耐高溫電容器,像聚四氟乙烯電容器、滌綸電容器、聚碳酸脂電容器、獨石電容器等。集成電路則要用軍品器件(-55125。總結隨鉆電阻率測井儀器的電路功能實現雖然不是很難,但是要求在如此惡

16、劣的環境中可靠運行,必須注意工藝。比如上面提到的元器件的選擇、儀器與線圈等各部分之間的可靠聯接、儀器骨架的抗振設計及其可靠密封等。多次模擬運行試驗表明,該儀器能夠完成各項設計指標要求,性能良好,穩定可靠。參考文獻安石油學院學報,1996,11(32000,24(23劉西林等.SST有線隨鉆測斜儀在勝利油田超深鉆井中應用.石油鉆探技術,1994,22(14戴永壽,雷國江.一種高分辨率大存儲量油井生產測控系統.電子技術應用,1999(1(收稿日期:20010822本文編輯劉洪仕 作者簡介王方雄1973年生。1998年畢業于江漢石油學院石油地質專業。現為江漢石油學院地球科學系碩士研究生。主要從事儲層

17、地質學與計算機應用研究。(地址:湖北省荊州市江漢石油學院地球科學系郵編:434102趙亮博士生,1975年生。從事地球物理探測與信息處理的理論、方法研究。(地址:北京市昌平區石油大學資源與信息學院博99郵編:102249電話:01089733113姜恩承高級工程師,1932年生。1961年畢業于莫斯科石油學院。1992年離休,2001年9月不幸因病去世。柯式鎮副教授,1967年生。1999年獲得博士學位。從事巖石物理性質和測井儀器與方法研究。(地址:北京市昌平區石油大學地科系郵編:102200喬文孝博士,教授,1956年生。現在石油大學(華東從事應用地球物理專業教研工作。(地址:山東省東營市石

18、油大學資源與信息學院郵編:257061電子郵件:趙國瑞1968年生。1991年畢業于大慶石油學院測井專業。從事低電阻率油層解釋研究。(地址:河北省任丘市華北油田分公司勘探開發研究院地球物理室郵編:062552電話:03172723067或2722789史曉鋒博士研究生,1974年生。現在北京航空航天大學攻讀博士學位,主要研究通訊與信息系統、石油測井技術等。(地址:北京航空航天大學207教研室郵編:100083電話:01082317217司馬立強高級工程師。現從事測井科研及管理工作,任四川石油管理局測井公司副總工程師。(地址:重慶市江北區大石壩四川石油管理局測井公司研究所郵編:400021電話:

19、0236740049周燦燦高級工程師,1962年生。現攻讀中科院長沙大地構造研究所博士學位。現任冀東油田公司勘探開發研究院院長。(地址:湖南省長沙市中科院長沙大地構造研究所郵編:410013譚成仟副教授,1964年生。從事測井解釋與油藏描述。(地址:陜西省西安市電子二路東段西安石油學院石油工程系郵編:710065李洪奇教授,博士生導師,1960年生。1998年獲中國科學院固體地球物理專業理學博士學位。現從事應用地球物理專業的教研工作。(地址:山東省東營市石油大學郵編:257061張麗艷高級工程師。1984年畢業于華東石油學院測井專業,長期從事測井解釋與儲量計算研究工作。(地址:山東省東營市勝利油田有限公司地質科學研究院郵編:257015電話:05468715413羅菊蘭工程師,1967年生。1991年畢業于成都地質學院數學地質專業。現從事測井資料解釋與方法研究。(地址:甘肅省慶陽長慶石油勘探局測井工程處測井研究所郵編:745100電話:09348592381羅安銀高級工程師,1964年生。1997年畢業于石油大學(北京地球科學系,獲碩士學位。從事測井解釋評價工作。(地址:河北省任丘市華北石油管理局測井公司解釋計算中心郵編:062552李厚義教授級高級工程師,1935年生。近年研究復電阻率測井及陸相油藏測井解釋方法。(地址:河北省任丘市華北油田