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多功能超声成像测井系统研究 王国平( 地质工程) 指导老师：范宜仁教授 摘要 研究的多功能超声成象测井系统( m u i s - m u l t i f u n c t i o nu l l x a s o n i c i m a g i n gl o g g i n gs y s t e m ) 集成了超声成象测井仪、温度探测器、x y 井 径仪及方位陀螺仪。该系统扩展了超声成象测井方法的应用范围，是国 内超声成象技术的重大突破。在系统开发过程中，对井下各种探测器重 新进行了设计，并对作为发射器和接收器的高分辨率聚焦换能器进行了 功能性改进。多功能超声成象测井系统用于识别天然裂缝、分析地层应 力、测量井眼几何形状。在进行裸眼井测量或套管井管柱几何形状检测 过程中，多功能超声成象测井系统同时提供高精度井壁图像以及井温、 并径和方位角等辅助测量数据。 关键词：多功能，超声成象，套管管柱几何形状测量，裂缝识别，陀螺 仪 m u l t i f u n c t i o nu l t r a s o n i ci m a g i n g l o g g i n gs y s t e m r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t w a n g g u o p i n g ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rf a ny i - f e n a b s t r a c t t h en e wd e v e l o p e dm u l t i f u n c t i o nu l t r a s o n i c i m a g i n gl o g g i n gs y s t e m ( m u i s ) i sas i g n i f i c a n tb r e a k t h r o u g ho fu l t r a s o n i ci m a g i n gt e c h n o l o g y t h e d o w n h o l et o o ls t r i n gi n t e g r a t e du l t r a s o n i ci m a g i n gl o g g i n gt o o l ，t e m p e r a t u r e s e n s o r , x yc a l i p e ra n dd i r e c t i o n a lg y r o s c o p e i tg r e a t l ye x p a n d e dt h er a n g e o f b o r e h o l e i m a g i n ga p p l i c a t i o n s d u r i n g t h em u i sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ，m o r ee f f o r t sh a db e e n l a u n c h e dt or e d e s i g ns e n s o r sa n dt o i m p r o v ef u n c t i o n so ft h ef u c u s e dt r a n s d u c e r t h em u i sh a v eb e e nu s e d s u c c e s s f u l l y f o rn a t u r a l f r a c t u r e i d e n t i f i c a t i o n ，b o r e h o l eg e o m e t r y i n f o r m a t i o na n di n s i t us t r e s sa n a l y s i s f o ro p e n h o l em e a s u r e m e n t sa n df o r c a s i n g i n t e m a l g e o m e t r ym e a s u r e m e n t s ，t h em u i s c a l l p r o v i d e h i g h - r e s o l u t i o ni m a g e s a n da c c u r a t ed a t aa b o u t b o r e h o l ea z i m u t h t e m p e r a t u r ea n db o r e h o l es i z e k e yw o r d s ：m u l t i f u n c t i o n ，u l t r a s o n i ci m a g i n g ，c a s i n gi n t e r n a lg e o m e t r y m e a s u r e m e n t ，f r a c t u r ei d e n t i f i c a t i o n ，g y r o s c o p e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名： z 6 每i 2 勇0b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 卯年 ；神每 l z 其 i 土月 i o 日 沁日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 本文研究目标是开发出具有井下电视测井功能、井温、井径、方位 测量等综合检测能力的多功能井下超声成像测井仪、成像测井地面系统 及超声成象测井资料分析系统。 超声成象测井技术的研究在国内开展较早，几乎与国外同时起步。 研究的水平，国内外也各有特点。国内研究的仪器分辨率高于国外，国 外仪器泥浆适应性好于国内，而工艺性能整体优于国内。但前期国内外 的研究都主要是裸眼井裂缝识别的检测方面m 。二十世纪九十年代开 始，超声成象测井技术逐渐被用于套管工程检测，应用较多的是大庆油 田和华北油田，在应用过程中发现存在一定的局限性，国外未见有套管 井中应用的报道。目前，国内外具有代表性的超声成像测井仪包括国内 华北测井公司的超声成象测井仪和大庆测井公司的超声成象测井仪；国 外斯仑贝谢公司的超声成像仪u s i 和超声井眼成像仪u b i 、阿特拉斯公 司的井周声波成像测并仪c b i l 及哈里伯顿公司的井周声波扫描仪 c a s t 等“。 目前国内研制的井下超声电视测井仪在使用过程中发现存在一定 的局限性，从而限制了它的使用和性能的充分发挥。主要存在以下两个 方面的问题：在套管井中不能确定方位；在检测套管漏点时，如套 管本身不干净，容易出现误判。因此，有必要开展多功能超声成象测井 系统的研究，解决目前国内超声成象仪器普遍存在的功能单一、在套管 井中不能确定方位、测井速度较慢及测井时效较低等问题。 超声成象作为工程检测方面一种直观、准确、可靠的手段，解释结 论从定性走向定量、从粗略走向精细，从单一走向综合是必然的发展趋 势，所有这些都依赖于测井仪器的不断改进和发展。近年来，节约成本， 增储上产成为老油气田重要的研究方向，因此超声成象测井仪在工程井 方面的应用也越来越多，也解决了不少工程问题，但在检测套管腐蚀、 变形时，不能确定套管腐蚀方位和变形方向，从而影响了其使用效果。1 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 同时由于超声成象测速较慢，在长井段找漏时，效率极低，如超声成象 资料与井温资料解释相结合，将大提高测井时效。随着新增功能的不断 开发，将在工程检测应用方面得到更广泛地应用。 随着油气田的开发生产进入中后期，套管腐蚀变形越来越严重。过 去的主要检测手段是机械井径仪和磁测井方法，检测精度不高，局限性 很大，存在一定的缺陷“1 。而近几年来开始应用的超声成象测井技术虽 然较过去的方法有很大提高，但它要求的井眼条件太苛刻，例如并身必 须洗得很干净，仪器要居中等，否则就发挥不了它的优势，反而会出现 误判嘲。 研制在套管井中可确定方位的超声成象专用陀螺仪，有利于确定套 管的腐蚀、破损和变形方位，可以确定地层应力的方向，对工程上采取 有效地防范和修井措施有着重要的意义；研制超声成象专用井温检测仪 和专用x - y 井径仪，通过井温、井径与超声成像测井资料结合，可以 提高对套管腐蚀和井漏的检测能力，从而提高超声成像测井仪在套管井 中的综合服务能力；研制与成像测井地面系统配接的专用接口技术，可 以扩大其应用范围，增强在国内外市场上的竞争能力，也必将带来显著 的经济效益和社会效益。 本文采取的研究方法及技术路线如下：多功能井下超声成象测井 系统立足于对原超声成像测井仪的完善，一次下井可挂接多种仪器，实 现并测。挂接陀螺仪，给电视图像提供在套管井内相对的北极方向， 以确定套管的腐蚀、破损和变形方位，同时还测量套管井的井斜及倾斜 方向。挂接专用井温检测仪和专用x y 井径仪，通过井温、井径与超 声成像测井资料结合，进一步增强对套管腐蚀和井漏的检测能力，确定 地层应力的方向。研究与多功能井下超声成象测井仪配接的地面接口 模块。在井下仪器机械结构设计中，采用新材料和新工艺，提高井下 仪器的耐温耐压性能。在电路设计中注重电路的集成化和同一部件的 多用途化，降低仪器长度和重量，提高测量精度。 本文主要研究内容包括：开发具有数据综合处理功能的传输短 节。研制在套管井内确定方位的超声成象专用陀螺仪，解决超声成象 在套管并不能确定方位的问题，使超声成象在套管井的检测优势充分发 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 挥，确定套管变形的方位，为研究地应力方向提供依据。研制超声成 象专用井温检测仪，与超声成象资料结合可准确确定套管的漏点位置。 研制超声成象专用x v 井径仪，解决由于套管椭圆变形严重和仪器不 居中造成的声波井径出现误差而g i 起误判的问题，提高井下电视测井资 料的适用性和准确性。研制与成像测井地面系统配接的专用接口技 术，实现与国内最新研究的地面系统的配接，扩大井下多功能超声成象 仪器串的应用范围，充分发挥超声成象的功能。研究开发套管井工程 检测综合解释软件，提高套管工程检测综合服务能力，提高裸眼井测井 解释的符合率和解释时效。现场测井应用实例分析。 本论文共分6 章，包括系统总体方案设计、系统各组成单元的设计 路线、电路实现方法、机械结构设计、现场应用实例及测井资料分析等。 第2 章的主要内容是多功能井下超声成象测井系统的总体方案设计，并 对多功能井下仪器结构设计及电路实现方法进行了描述，。第3 章主要 讨论了地面系统设计方案及硬件实现方法，对模块式现场测控软件的设 计方法与实现过程进行了描述。第4 章描述了系统软件各功能模块及算 法。第5 章选择典型的现场测井实例，对多功能超声成象测井系统在油 气田中的实际测井资料进行了分析。第6 章对多功能超声成象测井系统 研究工作进行了总结。 本文从理论与实践两个方面介绍了多功能超声成象测井系统的研 究过程及研究结果。通过对大量的现场测井资料进行分析，展示出该系 统的多功能、多任务等优点。该系统采用最新电子集成技术，模块式设 计，进一步改进了采集软件，使系统和仪器更加紧凑，增强了可靠性， 提高了作业效率和测井质量。 中国右油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 2 1 系统总体方案设计 多功能超声成像测井系统包括地面系统、资料分析处理系统和集成 化多功能井下超声成象测井仪。地面系统包括软件和硬件两部分。软件 包括现场测试和资料解释部分，硬件为超声成像测井信号处理设备。多 功能井下超声成象测井仪集成了数据传输短节、井下超声成像测井仪、 x y 电动井径仪、陀螺仪和井温仪( 参见图2 - 1 ) 。 图2 1 多功能超声成象测井系统整体结构 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 2 + 2 多功能井下超声成象测井仪 多功能井下超声成象测井仪集成了井下超声成像测井仪、x y 电动 井径仪、陀螺连续测斜仪、井温仪及数据传输短节。图2 2 所示为多功 能井下超声成象测井仪信号连线示意图。自然伽马测量探头和前端信号 处理部分均包含在传输短节内。井温的探头部分为外接，前端信号处理 部分包含在短节内。 图2 - 2 多功能井f 超声成象测井仪信号连接不意图 传输短节：其主要功能是完成数据的编码、上传、接收命令下传； 并包括自然伽马，仪器加速度，井温测量功能：同时还要为井径仪供电。 陀螺连续测斜仪：提供井斜、井斜方位及仪器相对北方向的转动 角度( 工具面角) 。 电动推靠井径短节：提供x 叫井径信号。 超声成像测井仪：测量套管内壁幅度信号，时间信号编成两路串 行码，供传输短节提供同步信号。 多功能井下超声成象测井仪一次下井可同时获得电视图像、井径、 井斜和方位、井温以及伽马测量信号，也可以根据用户要求单独测量其 中任意一项。由这些资料可以对套管进行综合分析，通过井壁3 6 0 。扫 描图像，能够观察射孔、判断套管腐蚀情况，通过x y 井径的变化能够 初步判断井眼变形，根据井温的变化判断套管内某部位是否有溢出物， 此外还可获得套管井本身的连续斜度和方位，通过对数据的综合处理， 可以校正并确定电视图像和x 叫井径的方位，使得对套管内壁了解的更 加清楚，通过变形方向还能够准确判断地应力的方向。 5 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 多功能井下超声成象测井仪主要技术指标： 工作频率：1 5 m h z0 5 m h z 双探头切换 耐温：1 5 0 耐压：1 0 0 m p a 测量井眼范围：1 1 0 m m 3 0 0 m m 裂缝分辨率：l m m 、3 m m 井径检测精度： l m m 地磁方位检测精度：5 。 适应泥浆：1 2 5 9 c m 3 ( 8 5 英寸井眼，砂岩地层) 2 3 超声成象测井仪结构设计 超声成象测井影响因素 与微电阻率扫描成象测井方法相比，超声成象测井方法不受泥浆电 阻率的影响，即超声成象测井仪可以在油基钻井泥浆中测井。但是，超 声成象测井仪对裸眼井壁细小的裂缝分辨率不高，而细小的裂缝对裂缝 几何特性的统计分析具有重要作用。 影响超声波衰减和成像分辨率的主要因素包括：工作频率。换能 器的形状、频率以及与目的层的距离决定声束的光斑大小。尺寸越小， 频率越高，则光斑越小。但是，尺寸越小，功率就越小；频率越高，声 衰减就越大。泥浆引起的声衰减会降低信号分辨率，要求工作频率尽可 能低；然而降低频率会对测量结果的空间分辨率产生不利影响。井内 泥浆。由泥浆的固有吸收和固相颗粒( 或气泡) 散射衰减两部分组成。 泥浆密度越大，声波衰减越大，探测灵敏度则下降。测量距离。目 的层的表面结构。不同类型岩石具有不同的表面结构。钻井过程造成的 非自然表面结构。目的层的倾角。当仪器偏心或井眼不规则时，图 象中呈现出遮掩显著特征的垂直条纹。岩石的波阻抗差异。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 2 3 2 井下超声成像测井仪设计方案 为了减小对超声成象测井的影响因素，提高测井质量，多功能井下 超声成像测井仪除具有原井下仪器的功能外，还从结构、同步方式、超 声换能器等方面重新进行设计改进，提高了仪器的整体性能。重新设计 的多功能井下超声成像测井仪具有如下技术特点：同步方式采用固定 方式和换能器轴线重合。新设计的扶正器，使其能够在斜井中使用。 新设计的高效聚焦换能器，提高了测井图象质量及分辨率。 井下超声成像测井的声源为圆片状压电陶瓷。假定声源的声场是圆 片上无限多个点声源产生声场叠加的结果。通常定义声压幅度值衰减为 声轴方向声压幅度7 0 ( - - 3 d b ) 的方位角旧。这一角度对应的波场宽度 又称为三分贝射束宽度，该参数反映超声成像的空间分辨率。换能器的 设计原则是尽量使更多的能量汇集在一块较小的面积内。发射信号的性 质主要取决于换能器的直径和频率“1 。 井下超声成象测井仪使用频率分别为1 5 m h z 和o 5 m h z 的耐高温 高效聚焦换能器。根据被测量井眼的条件( 井径大小、泥浆比重等) 选择 使用不同工作频率的换能器。超声探头由同步电机带动，每秒旋转5 圈， 每转一圈向井壁发射5 1 2 个超声探测脉冲。1 。 为了与陀螺仪配合使用，改变同步产生方式。原同步方式有两种， 一种是地磁同步，限于裸眼井测试( 有方位) ；另一种是电源同步，用 于套管井测试( 无方位) 。当仪器在套管井检测时，同步是取电源与5 0 周信号，经l o 分频后，形成脉冲，用于行同步。而仪器采集的井壁数 据，即井壁图像是没有方位，起始位置是随机的，因此所测得的套管井 壁图像不能标定方位9 1 。多功能井下超声成像测井仪应用陀螺仪定轴性 的特点来确定方位，解决了上一代井下超声成像测井仪在套管井不能标 方位的问题，但同步方式需作修改。从电路及机械结构上进行了重新设 计，行同步电路框图如图2 - 3 所示。 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 图2 3 行同步方式电路框图 机械结构设计过程中，在换能器旋转轴线上定一点，此点与换能器 同步旋转即换能器扫描一周，有一个脉冲出现，脉冲位置与探头对应， 将脉冲送入线路中进行调整，整形成2 0 0 m s 为周期的行同步。这样， 套管中采集数据始终与换能器同位，用陀螺仪的产生的数据进行修正后 就可以确定套管井壁图像方位。声波在传输过程中对仪器居中要求比较 严格，为提高仪器在斜井中的检测效果，对扶正器结构重新设计，并在 试验中得到验证，测量斜度扩大了一倍“。此外，为了提高仪器分辨率， 换能器采用高效聚焦探头，同时对激励、前置处理电路做了调整，增大 其发射效率，使换能器尽可能在其固有的频率下工作( 图2 4 ) 。 图2 _ 4 聚焦换能器激励前置处理电路示意图 2 3 3 多功能井下超声成像测井仪电路实现 超声成象测井仪主要由发射接收电路、可变增益放大电路、对数放 大电路、回波幅度检测电路、四相码调制电路、同步系统及电源组成。 换能器接收超声脉冲回波信号，测量回波幅度和传播时间，数字化后调 制为四相码，传送到数据传输短节中，然后经电缆传送到地面系统( 参 见2 5 ) 。 为与数据传输短节配接，修改了信号编码方式、4 p s k 放大电路及 数据上传部分电路。改进设计后的上传电路部分直接向上输出a c o d 、 b c o d 、l s y + 、p + 、t b 、6 1 k 六种信号。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 2 3 4 技术改进 图2 - 5 井下超声成象测井仪电路框图 多功能井下超声成像测井仪从结构、同步方式、换能器等方面重新 做了改进，提高了仪器的整体性能。重大技术改进包括以下几个方面： 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 ( 1 ) 在声系探头设计中使用耐高温的高效聚焦换能器，提高了仪器 的分辨率和泥浆适应性。解决了在高密度泥浆井眼和软地层( 如砂泥岩 剖面) 测井的技术难点，扩大了超声成象测井的应用范围。新设计的井 下超声成象测井仪采用两种工作频率( 0 5 m h z 和1 5 m h z ) 的声系探头， 探头采用耐高温1 7 5 。c 的聚焦换能器，既能减少在较高密度泥浆中的信 号损失，又能在井壁与井内泥浆之间声阻抗差异较小时增加井壁反射信 号的信噪比，提高分辨能力。 ( 2 ) 在仪器结构设计中采用动密封声系结构，以减少换能器与井壁 之间的传播介面，可以有效地减少探头的拖尾，改善了换能器系统检测 功能，提高测量精度。 ( 3 ) 在井下仪器电路设计中使用单片机控制技术实现数字软件控 制。单片机下井后对井径扩大段及由于井壁地层与井内泥浆声阻抗差异 较小因而信号弱的条件下，改善了井下采集系统的性能。 2 4 数据传输短节结构设计 2 4 1 设计路线 ( 1 ) 电视信号模拟器需产生l s y + p + t b 6 1 ka c o db c o d 六种固定电视模拟信号，在有外部电视信号输入时，处于休眠状态，在 没有外部电视信号输入时，硬件自动切换到模拟电视信号源工作。 ( 2 ) 传输短节采用单片机系统，完成数据存储、串行信号接入以及 产生多种控制信号。单片机软件要求运行实时，6 小时不死机，上电自 启动。 ( 3 ) 其余硬件部分完成模拟信号处理，a d 转换，伽玛脉冲计数，插 位，调制等功能。 2 4 2 数据传输短节设计方法 传输短节基本保持原电视系统的工作模式，利用原帧同步传输方 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 式，不改变原有数据格式和传输速率，将新增加仪器产生的信息嵌入到 原格式的数据中。 原井下电视数据格式为：( 1 ) a c o d 为超声回波幅度，字长8 b i t ， 前四位0 1 1 0 是字同步码，每行的第一个字是井下仪器温度( 8 b i t ) ，以 后的5 1 1 个字是幅度值。( 2 ) b c o d 为超声回波时间，字长1 1 b i t ，首 位为0 ，每行的第一字固定为行标识码( 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 x ) 其中的x 位表 示井下仪器的行同步方式，x = 0 时为井下仪器工作在地磁同步方式， x = i 时为电源同步方式。以下5 1 1 字均为回波时间值。( 3 ) 4 p s k 为 a c o d 、b c o d 经过调制后的合成码，传输速率为6 1 4 4 0 b i t s 。 传输短节保留了原超声电视的基本格式和传输速率，利用b c o d 每字的最高位，每行计5 0 0 b i t ，传输新组合进来的井下仪器的数据。 传输短节为井下仪器组合提供5 个模拟通道，一个脉冲道，二个数 字道。在一行2 0 0 m s 内，需采集2 8 个字，接到传输申请后，按顺序读 出数据送到插位电路，在插位电路中按序置换b c o d 中每字的首位。 采用单片机系统，快速、高精度a d 转换器，以及常规集成电路。 由于短节是基于井下电视信号方式传输的，在没有电视测井仪器接入时 便失去了同步的基础，因此，短节中需设置一电视信号模拟器。鉴于集 成电路较为复杂，占用印制板面积较大，采用e p l d 器件来实现。 2 4 3 数据传输短节电路设计 2 4 3 1 数据传输短节电路结构及主要功能 如图2 - 6 所示，数据传输短节包括电源、传输电路板和控制电路板 三部分。 ( 1 ) 电源：输入2 2 0 v ，5 0 h z 交流电，输出+ 5 v ，1 2 v 稳定直流 电。 ( 2 ) 传输电路板：产生井温、x y 井径、加速度模拟信号，接入开 关器件。对4 p s k 信号进行放大，上传。对下传命令码脉冲接收、整形。 ( 3 ) 控制电路板：产生选通开关的控制信号，完成模拟信号的a d 转换，并将转换后的数字信号存储，在规定时刻将存储的数据送出，经 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 过并串变换，由插位电路完成信号的合成，最后以4 p s k 格式输出。 由于井下温度很高，许多高温电子元器件的耐温指标都无法满足。 因此除少量器件外，大部分都放到保温瓶内。根据实践经验，除变压器 和整流稳压部分电路放在保温瓶外，其余部分在保温瓶内。 图2 - 6 数据传输短节电路结构图 2 4 3 2 主要电路设计 ( 1 ) 传输电路板 模块1 ：由于不改变原超声成像测井仪的传输方式，因此仍采用 传输变压器设计，输出上传4 p s k 信号，并可同时接下传命令码。功率 放大器件选用o p a 5 4 4 。命令脉冲放大选用o p 3 7 。电源输入为1 5 v ， 外围器件选择参考主器件的说明，根据需要调整参数获得合适的放大倍 数。 模块2 ：井径输入为x y 方向上两个拉杆电位器电阻值，井温仪 输入为1 0 0 0 欧左右随温度变化的一个铂电阻的阻值，将井径、井温阻 值变为电压模拟量，需要使用恒流源，接入等效电阻后，输出随电阻变 化的电压值。恒流源由标准6 v 稳压二极管、运算放大器l m l 2 4 ，p n p 三极管及一些电阻电容等构成。调整发射极电阻参数，根据实践经验选 择所需恒定电流，井径为4 m a ，井温为1 m a 。 模块3 ：加速度计的使用按照其器件的要求设计电路，采用一个 可调电阻( 校正输出值) 和一片l m l 2 4 及外围电阻电容，输出与仪器 运动所产生的加速度成正比的电压模拟量，输出电压范围由可调电阻控 制，调整在0 5 v 。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 模块4 ：由模块2 和3 所产生的电压模拟量值的大小和变化范围 都不相同，各部分电路的输出阻抗也有差异，需要进行调整，由两片 l m l 2 4 及一些外围电阻电容来完成，使最终各电压输出最大值基本等 于5 v ，输出电压接入c d 4 0 5 l ，由控制信号选通输出。输出端接到一由 o p 0 7 构成的跟随器，以增加驱动能力。 ( 2 ) 信号处理与控制电路板 如图2 7 所示，信号处理与控制电路板包括：伽马脉冲计数采样。 井径、井温和加速度模拟量的a d 转换。接收陀螺仪串行数据。 控制信号产生电路。存储电路。插位电路。信号调制电路。 电视信号发生器，满足任意组合测井测井的需要，即在没有连接井下超 声电视的情况下，产生传输数据所需要的固定电视信号。 图2 - 7 信号处理与控制电路框图 伽玛脉冲计数 对伽玛脉冲计数。接入由自然伽玛产生的伽玛脉冲信号，根据最大 脉冲数为2 0 0 0 次，秒，2 0 0 m s 读取一次伽马脉冲计算，一次计数最大为 4 0 0 次，用一片1 2 位计数器c d 4 0 4 0 和两片缓冲器l s 2 4 5 即可以满足 要求，控制信号由单片机发出，同时对数据存储。 a d 转换 由于设计要求量化数据要与原井下超声成像测井仪的a 、b 码格式 相同，精度为1 2 b i t ，因此需选用一1 2 位的a d 转换器。然后考虑采 集速度的要求，最后决定采用一片快速高精度a d 转换器a d s 7 8 0 6 p ， 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 按照a d 要求设计外围电路，控制信号由单片机发出，对传输板产生 的五路模拟信号进行a d 转换，生成1 2 位数字量后。由于每组数据没 有单独的标识，必须按照规定顺序的存储到固定单元中，由单片机完成 此项工作。 单片机系统功能及构成 i ) 产生控制信号，控制模拟信号的选通，计数器的启停，a d 转换， 将所产生的数字量按序读入单片机的r a m 中，进行适当处理后，保存。 i i ) 接收串行数据，并保存。 i i i ) 在读中断信号控制下，将保存的数据按照规定次序读出。 由一片内含8 kr o m 的a t 8 9 c 5 2 及外围时钟和复位电路以及一片 用于对外部器件寻址的t 1 3 8 译码器构成。系统设计将在后面的章节中 专门介绍。 并串移位电路：在移位脉冲和单片机产生的使能信号控制下，对单 片机输出的并行信号进行并串变换。 由两片l s l 6 5 设计构成。方案设计要求插入每个字的最高位，即一 个字插入一位，因此移位脉冲应使用点同步脉冲。为了同步的需要，单 片机产生的读出数据的使能信号必须与点同步信号有一种固定时序关 系，同时还要满足读出数据应在一行中固定时刻发生，读使能信号由 单片机读中断程序产生，产生读中断信号应是行同步和点同步信号共同 作用的结果。 插位和调制电路：产生读中断信号，将串行数据插到b 路码的最高 位。 串行数据的读中断控制数据读出的发生时刻。要连续读出1 2 个字 才组成一个量的数据，单片机执行读出功能需要一定时间，因此可设计 每1 3 个字产生读中断一次，用一个计数器来完成，计数脉冲为点同步， 为了实现读数据发生在一行中的固定时刻，计数器的开始时刻应由行同 步信号控制。中断产生后，单片机执行读中断序，数据读出后，经过并 串变换，将数据移位输出。数据读出后，需要将中断清除。插位采用 两个三态门，一个输入串行数据，一个输入b 路码，在信号的控制下 实现b 路码最高位的插入。控制信号的作用是在b 路码每个字的最高 1 4 中国石油大学( 华东) 工稃硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 位时间段关闭b 路码，导通串行码。电路设计中，计数器选用l s l 9 1 ， 触发器选用l s 7 4 ，三态触发器选用7 4 l s l 2 5 。 调制电路同原超声成像测井仪，由一片l s 7 4 和一片l s l 5 3 构成， 控制信号由超声成像测井仪或图象信号模拟发生器提供，在位同步和 6 4 k 信号的控制下，完成a 、b 两路码合成4 p s k 的工作。 电视信号模拟发生器 由振荡电路和一片e p l d 器件( e p m 7 0 3 2 ) 构成，在没有接入井下 超声成像测井仪时，产生图象信号。振荡电路同原超声成像测井仪，由 一个2 9 4 9 1 2 m 的晶体，一片l s l 4 ，两片l s 7 3 组成，产生4 9 1 5 2 k h z 的信号，输入到e p l d 中。e p l d 的程序设计在下面的章节中专门介绍。 波形处理与选通电路 井下超声成像测井仪上传的信号中点同步信号的宽度为3 u s 左右， 由于插位电路中要求点同步宽度应为一位的宽度3 2 u s ，因此需要对输 入的点同步进行处理，使用一单稳态触发器延时。上传信号与电视模拟 信号的选通由两片c d 4 0 5 3 来完成，选通控制信号由上传位同步信号经 过一单稳态触发器处理后产生。单稳态触发器采用一片l s l 2 3 。 2 4 3 3 技术创新点 ( 1 ) 井下多种测量数据的综合处理。在数据传输短节设计过程中解决了 大数据量传输问题，使多种仪器能与超声成象并测，增加功能，同 时弥补各类仪器的不足，提高超声成象在套管工程检测中的综合测 试能力，解决实际生产问题。 ( 2 ) 单片机系统控制伽马信号计数器的启停、模拟信号的选通、a d 转 换、上传串行信号的接收，将所得的数据存储，并按时读出。 ( 3 ) 为实现任意组合测井，在不测井下超声成象，即在没有井下超声成 象测量信号时，需要产生模拟超声成象信号源。设计时通过场可编 程逻辑器件( e p l d ) 作为图像信号模拟发生器实现这一功能。 2 5 多种测量数据综合处理方法 将井下多种仪器并测时需要处理的测量信号分为三类：脉冲、模拟 1 5 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 量、数字量( 4 p s k 和串行码) ，由于最终的输出信号只能采用一种数据 格式，因此首先要对各种仪器输出的测量信号进行处理。为了将上传数 据数字化，需要发送端将所有上传传送信息量化。对脉冲信号可使用计 数器；对模拟量可以使用a d 转换器。对于4 p s k 的处理存在很大问题， 虽然它也属于数字信号，但它是一种合成码，不能从它直接得到原始信 号数字量，而且，图像信号的传输实时性较强，两点之间延迟只有不到 几十微秒时间】。为此，最简单的方法就是对超声成像测井仪电子线路 做一些修改，使其直接上传原始数字量。 将各路信号数字化后，如果采用分时复用方式传输，多路信号在采 样处理后暂存起来，按照控制命令要求在规定时刻发送，保证输出码的 格式一致，只是在不同时刻携带不同信息。这种方式与通信领域中时分 多路传输t d m 的基本原理相同，所有道都使用相同的频段，但不在同 一时刻，每个道中的信号由转换开关顺序采样，当所有道都已采样完后， 采样序列又从第一道重新开始，因此，对一个特定道的采样与其他道在 时间上是间隔开的。在时分多路传输系统中没有一个道是连续被监视 的，所以采样速度必须足够快，以便该道的信号幅度在两次采样之间变 化不致太大。如果在本次项目中采用时分复用技术，下井仪需要对信号 重新编码，地面也需要设计专门的解码系统“”。这个工作量很大，难度 也比较大。 通过对超声成像测井仪的输出码分析，发现其中一路码中还存在一 定量的信息空间，并且可以满足需要，这就是解决问题的突破口。传输 短节的设计思想就是以此为依据，采用了单片机应用系统、可编程控制 逻辑电路设计等电子设计新技术，实现了数据的综合处理，同时还使各 仪器具有灵活的组合功能，既可以并测，也可以单测。 2 6 综合测试方法研究 多种测量参数探测器的综合不仅仅是简单的结构性组合，综合仪 器的作用也不是单只仪器测量结果的叠加“”，而是经过综合测试获得 的，互相关联的，以及同时对测试结果的比较分析。 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 确定系统应具备的功能后，选择合适的挂接仪器尤为重要。每只仪 器的功能都影响综合测试方法。井温仪比较简单，因为井温数据不涉及 到方位问题，可直接输出显示。陀螺连续测斜仪能够提供定向和井的斜 度和方位数据，但是在仪器中如何利用这些数据为井径和井下超声成像 测井仪服务，发挥综合作用需要仔细研究。为了得到在套管井中图像的 方位，对井下超声成像测井仪的同步产生方式必须重新设计，因为原来 的电源同步信号加电后即产生，起始方位是随机的。改造后，同步的产 生与仪器壳体关系固定，并在外壳相应位置上引出一标记。由于系统中 各仪器来接起来，各外壳的相对位置可以保证不改变，因此，各仪器也 只有通过这种关系发生联系。井径仪的x - y 探测臂与外壳的机械位置 不会改变。如果将陀螺仪的外壳上做一标记，可以测量出此标记与井径 的探测臂以及与井下超声成像测井仪同步标记之间的角度差。现场测井 时，连接好所有仪器，下放前，在井口通电，这时陀螺输出定向数据， 如果将陀螺外壳上的标记对准某一方向，并以此时的定向值作为该方向 的相对值，则通过地面软件的校正，便可得到井径与井下超声成像测井 仪图像的方位。 2 7 综合系统结构设计 多种测井仪器连接在一起，涉及到信号的远距离传输，贯穿线的设 计，仪器的排列次序，各仪器输出信号的调整等问题。 井下超声成像测井仪电路部分比较复杂，不适于穿贯穿线，其声系 部分也根本无法穿线，因此，只能安排在整套仪器的最下面。传输短节 也只能在最上面，由于采用了功能强大的单片机以及可编程控制逻辑器 件，短节内的电子线路部分所占空间较小，因此，可与伽马测量部分合 并，装在同一保温瓶内。由于井温短节很短，直接装在传输短节外壳下 端，其机械结构简单，通过的贯穿线最多。剩下陀螺仪和井径仪，电动 井径的机械结构相对于陀螺来说比较复杂，应尽量减少贯穿线的数量， 因此，将其安排在陀螺的下面。 在综合测井系统中，为了适应整体要求，需对各仪器的输出信号进 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 行调整。超声电视不再向上传输4 p s k ，为了满足传输短节的需要，直 接向上发送a c o d e 、b c o d e 、6 1 k 、t b 、p + 、l s y + 六种数字信号。 井径仪与井温仪直接输出模拟电阻，由传输短节部分线路完成处理任 务。陀螺仪通过串口与传输短节中的单片机进行通信。 确定系统仪器的排列以及各仪器的输出信号后，对各仪器的许多结 构进行了重新设计和制造。由于仪器接体连接起来，长度约1 2 米。超 声成像测井仪在仪器串的最下面，其输出信号要发送到最上面的传输短 节，信号也比较多，全部为数字量。在信号输送中，需经过多只仪器， 多个接头。因此，信号是否能够可靠传输是一个很重要的问题。通过大 量模拟试验，采取许多措施。如在对仪器的结构重新设计时，不仅要考 虑信号线如何穿过仪器，还要重点分析布线中的干扰问题，以及对发 送和接收部分的电路和元件进行了调整等等。此外，由于陀螺仪连续测 斜和超声成像测井仪对仪器的居中要求较高，为此，对扶正器进行了重 新设计，以加强扶正效果。 2 8 陀螺仪结构设计 方位陀螺仪的核心是三自由度陀螺。在陀螺仪结构设计中利用了陀 螺的定轴性和进动性。陀螺框架结构原理是把陀螺电机悬挂在由内环 ( 陀螺房) 和外环( 外框架) 所组成的方向支架上，陀螺电机可以围绕 彼此垂直的并交于一点的三条轴线作任意转动，各转轴均有高级精密轴 承作支撑，将磨擦减至最小，这时陀螺电机高速度旋转后，其它轴方向 将保持不变“，其测量部分结构如图2 8 所示。 1 8 中国右油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 图2 8 陀螺仪测量部分结构示意图 方位陀螺仪的主要特点：测角传感器采用了石英挠性加速度计其 线性范围大，精度高，闭环输出稳定时间短。测角框采用半捷联式结 构，即两个互成9 0 。的加速度计，与外壳固联，没有活动测角框及相 应的导电环，两个加速度计输入轴组成的仪器坐标系随仪器外壳转动， 失去了固定的位置，因此必须由计算机将其任意瞬问的坐标位置换算到 原始参考坐标位置，其结果就好像测角框在空间方位始终不变一样。 陀螺定向部份是普通框架式陀螺，由于测角框不由它来稳定，因此它的 负载大大减小，这对陀螺的方向稳定是一个很有效的措施。增加一个 3 6 0 。测量机构，它由移相器或精密电位计组成。当它与陀螺配合单独 应用时( 即不需要测角加速度计时) ，可以测定向方位，即通过测量工 具面角测得定向用的斜向器( 或弯接头) 的方位。 如图2 - 9 所示，陀螺连续测斜仪测量电路陀螺仪、两路电容伺服加 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测升系统结构设计 速度计、温度传感器、电源模块、陀螺电源板和数据采集及信号调制发 送接收板组成。单片机系统将传感器采集到的信号进行模数转换 ( a d c ) ，然后计算出井轴的倾斜角和方位角。计算的数据通过串口发送 到数据传输短节中。 图2 - 9 陀螺连续测斜仪电子线路框图 2 9 自然伽马测量 由于自然伽马曲线幅度的大小与地层孔隙中液体的性质无关，与地 层水、泥浆的矿化度无关，且自然伽马曲线的标准层容易获得，同时， 自然伽马曲线即可在裸眼井中测量也可在套管井中测井，且在下套管前 后仅曲线幅度降低其形状基本不发生变化，因此，自然伽马曲线是井下 电视测井不可缺少的校深曲线。 自然伽马测量探头和前端信号处理部分均包含在传输短节内；探头 由耐温1 5 0 的g d b 3 8 g 型光电倍增管和n a i ( t a ) 闪烁晶体组成：前端处 理电路包括：射极跟随器、幅度鉴别器、脉冲整形器组成；整个前端处 理电路全部在一块电路板上，脉冲整形器输出的+ 5 v 脉冲信号直接输出 到短节的信号采集板。伽马测量部分解决的技术问题包括： ( 1 ) 探头的抗干扰问题：为了保证仪器的温度指标，短节的全部电 路及其自然伽马的探头和前端信号处理均由金属保温瓶内，而端节的下 部又有大量的信号线和电源线需要向下连接，为了减小对探头部分的干 2 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 扰，探头部分采用倒装方式，同时，为光电倍增管提供高压的d c d c 变 换器用环氧树脂封装在一个金属壳内，既减小了振荡器对伽马探头的辐 射干扰，又提高了d c d c 变换器的可靠性。 ( 2 ) 套管井测井的磁场干扰：光电倍增管对磁场非常敏感，电子在 电场的作用下由阴极经打拿极向阳极飞行过程中，由于磁场的影响，部 分电子可能发生偏移无法到阳极，从而使输出的电脉冲幅度大幅度降低 甚至消失，在套管井中，如果不采取磁场屏蔽措施，因此，需要对光电 倍增管进行磁场屏蔽，由于到装的探头为抗震结构，采用传统的用玻莫 合金带缠绕的方法无法安装，经实际试验对比，将探头筒体材料改为 d t 4 型电工纯铁，达到了非常好的屏蔽效果。 ( 3 ) 仪器的抗震性能及可维修性：玻璃材料制成的光电倍增管非常 脆弱，在使用中如果不小心很容易损坏，采用探头倒装结构的仪器，由 于闪烁晶体较重，更容易出现上述问题，如果，不采取措施将严重影响 施工时效，因此，在仪器的结构设计上，使用了多项抗震措施，并专门 设计了橡胶安装筒。考虑到自然伽马测量是与井下电视测井仪配套的辅 助参数，因此，在仪器的设计上除了提高仪器的可靠性，还应该方便维 修，仪器的总体结构上采用了模块化设计。 2 1 0 井温测量 井温的探头部分为外接，前端信号处理部分包含在短节内。井温 测量部分的技术改进内容包括两个方面： ( 1 ) 温度探头采用高精度的铂电阻传感器，独立短节结构，可根据 需要更换不同性能的探头，以适应实际测井的需要。从而解决测量稳定 性与分辨率之间的矛盾。 ( 2 ) 信号处理电路及抗干扰性能：为提高探头的稳定度，取消了原 恒流供电方式，改为零电流负反馈结构，使得测量精度和稳定性有了大 幅度提高。同时由于采用负反馈结构，并对探头引线进行了双绞处理， 因此大幅度提高了探头的抗干扰性能。 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章多功能超声成象测井系统结构设计 2 1 1 电动推靠井径短节 井径臂可电动收张，输出x 、y 井径信号。同陀螺仪并测可测出某 方向的井径变形。其测量原理是电源( 恒压或恒流) 经过镇流电阻后以 恒流方式为拉杆电位器供电( 参见图2 1 0 ) 。井径臂的收张带动拉杆电 位器的阻值变化。因此，电位器两端电压的变化既反应井径的变化情况。 ，井径短节的技术改进包括两个方面： ( 1 ) 该仪器推靠装置采用了独特的丝杠传动及压力平衡活塞；采 用独特的内外压力平衡