（控制理论与控制工程专业论文）油田组合测井仪的研制与应用.pdf

摘要 随着能源问题的日益突出，石油成为国家发展国力的命脉。石油测井由于能 够提供井下的各种动态参数，为发现油气藏和评价油气及产量提供科学依据，就 越来越受到石油工业界的重视。从本油区实际出发，应用组合测井技术开发研制 性价比更高的组合测并仪，对于提高测井效率和降低测井成本具有重要意义。 本论文在充分研究国内外同类仪器的基础上，结合本油田应用设备的具体情 况下，首先完成了两种组合测井仪的研制：( 一) 电极、微电极、井径、连斜组 合测井仪器是研制符合多种仪器并测要求的脉冲编码调制器( p c i ) ，采用标准的 双极性归零码传输格式，使其能对十五个测量信号同时进行输出，确保各信号之 间无干扰，实现电缆的功能复用；( 二) 研制的组合c b l 仪器是利用对测井信号 的时分、频分技术、声波测量信号与放射性测量信号的叠加分离技术以及测井仪 器电路高度集成技术，使目前使用的七芯测井电缆满足声放磁组合测井的需求。 不仅提高了设备的集成度和智能化，而且具有很高的实用价值。其次，最重要的 项目进行了现场实验，从实验结果验证了仪器的有效性和可行性，为其它测量仪 器的组合设计和应用铺平了道路。 关键词：组合测井仪脉冲编码调制器时分频分双极性归零码 a b s t i 沮c t p e t r o l e u mb e c o m e st h el i f el i n ef o rc o u n t r yd e v e l o p m e n tw i t i lt h es h o r to f e n e r g y b e c o m i n gs e r i o u si n c r e a s i n g l y w e l ll o g g i n g ，w h i c h c a l l p r o v i d et h ed y n a m i c p a r a m e t e r si nt h ew e l lt h a t c a r lo f f e rs c i e n t i f i c i n f o r m a t i o n ，i sb e i n gp a i dm o r e a t t e n t i o nb yt h eo i li n d u s t r y i ti so fm o r ei m p o r t a n c et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d r e d u c et h ec o s t b ym e a n so fd e v e l o p i n gh i g h e rc o s tp e r f o r m a n c e i n s t r u m e n t s a p p l y i n gt h ec o m b i n e dt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h ec o n g e n e ra p p a r a t u so fd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，f i r s t l y t w oi n s t r u m e n t so fc o m b i n e dw e l ll o g g i n gh a v eb e e nd e v e l o p e dc o m b i n e dw i t ho u r a p p a r a t u ss i t u a t i o ni nt h ep a p e r o n ei sc o m p o s e do fe l e c t r o d e 、m i c r o e t e c t r o d e 、 c a l i p e r 、o d e n t a t i o n ，w h i c hi sa l s oc a l l e dt h ep u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n i tc a l la c c o r d w i t hc o l l a t e r a lm e a s u r i n gr e q u i r e m e n ta n da d o p tt h es t a n d a r d3 5 0 6t r a n s m i t t a lf o r m a t w h i c he n a b l e sf i f t e e nm e a s u r i n go u t p u ts i g n a l sa n dr e a l i z e st h em u l t i f u n e t i o no ft h e c a b l e o fc o u r s e ，t h e r ei sn oi n t e r f e r e n c eb e t v c e e nt h e m t h eo t h e ro n ei sc o m b i n e d c b la p p a r a t u s i te n a b l e st h es e v e nc o r ec a b l ef o rm e a s u r i n gt h ew e l lt os a t i s f yt h e n e e df o rt h et e c h n o l o g yo fc o m b i n e dw e l ll o g g i n gt h r o u g hm a g n e t i s mb ys o u n d e m i s s i o n ，u s i n gt h et e c h n o l o g y o ft i m es e p e r a t i o n ，f r e q u e n c ys e p e r a t i o n ，t h e t e c h n o l o g yo fa s s e m b l i n ga n ds e p a r a t i n gf o rs i g n a l sb e t w e e ns o u n dm e a s u r i n ga n d e m i s s i o nm e a s u r i n ga n dh i g l li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ea p p a r a t u sc i r c u i tf o rt h e w e l l l o g g i n gt h i sn o to n l ye n h a n c e st h ei n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n c e ，b u ta l s oh a s h i 曲p r a c t i c a lv a l u e s e c o n d l y , t h em o s ti m p o r t a n t l y , t h ep r o j e c ti se x p e r i m e n t e di n t h el o c a l t h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ea p p a r a t u si sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t r e s u l t s t h et w oa p p a r a t u s e sp a v et h ew a yf o ro t h e rc o m b i n e di n s t r u m e n t s d e s i g na n d a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c o m b i n e dw e l ll o g g i n gi n s t r u m e n t ；p u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n ；t i m e s e p e r a t i o n ，t r e q u e n c ys e p e r a t i o n ，d o u b l e p o l ei e t u r n - t o - z e r oc o d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一周工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名杂耐签字日期：o 帕占年占月弓。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生态鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 签字日期缈佩月7 伯 铲乃 日 悫 如巅 名 年 潞 擗 者 狲 雠 “ 淦 刚 剿 磷 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 石油存在于地层的孔隙中，它的存在将给岩石的物理特性带来若干变化。研 究岩石的物理特性，如岩石的电学特性、声学特性、核物理特性、热力学特性， 就构成了各种各样测井方法的物理基础。于是就形成了几个主要的勘探测井方 法，如电阻率测井、声波测井、自然伽马测井、密度测井等，它们变成硬件就是 测井仪器。每一种勘探测井方法都是从一个侧面反映储集层，若要全面反应地层 情况，就需要在测井时要组合多种测井仪器下井测量，测井分析家需要用多条测 井曲线进行“综合”解释，来获得地层中的油气含量。 课题来源原因之一是由于传统测量方式一次测量数据少，信号存在严重干 扰。在油田主要采用常规裸眼测井，其项目有普通视电阻率测井、自然电位测井、 微电极测井、井径和连斜测井；套管井测井项目有自然伽马、套管接箍、声波幅 度、声波变密度、中子伽马或补偿中子，这些项目一直沿袭传统的测量方式，既 由地面系统通过缆心为井下仪器提供其所需的低频方波电源信号或工频交流电 源，然后由固定缆心将测量的原始信号传输至地面系统进行处理计算。由于电缆 缆心数目限制及存在的严重相互干扰，传统的测量方式决定了一次下井只能进行 有限的组合测量。例如裸眼测井一次电缆起下一趟最多只能测量两条电极曲线或 两条微电极曲线；套管井测井中子伽马或补偿中子只能与声波幅度及声波变密度 分别测量。 课题来源原因之二国产常规测井仪器的组合能力较差。近年来新发展起来的 连斜测井，由于仪器生产厂家的原因，其地面要配备一套专用的硬件和软件系统， 根本不具备与其它仪器组合并测的能力。以油田经常采用的单孔隙度完井测井项 目为例，要完成一口井的完井测井作业需进行0 4 5 m 梯度视电阻率+ s p 、0 4 m 电 位视电阻率+ s p 、微电极+ 井径、连续井斜、自然伽马+ 声波+ 感应五趟测量才能 完成。特别是进口的地面系统根本不具备测量国产常规电极、微电极等项目的能 力，所以一次完井测井需要两个队才能完成。由于不能减少仪器下井次数，无法 从根本上提高测井作业时效，也就无法有效地减少宝贵的钻机占用时间。不但测 井施工小队人员作业时间长劳动强度大，并且增加了施工作业的风险。 课题来源原因之三目前引进的测井系统均不具备测量国产常规电极、微电极 等项目的能力，而这些测量项目又是油田开发所必须，因此适合油区组合测井的 系统必须由我们自己研发课题来源原因之四由于常规下井仪器机械结构的限 第一章绪论 制，导致一些复杂井经常发生测井遇阻现象。在综合考虑到目前国内和油区的技 术能力、仪器成本、钻井成本及施工安装条件，为此提出了组合测井仪的研制与 应用，来解决这些问题。此课题的提出对于提高测井效率和降低测井成本具有重 要意义。 1 2 课题意义 油区现有引进能组合测量三孔隙度和三电阻率的快测平台系统设备存在以 下重大问题。第一，由于这些仪器相对技术含量较高，因此其价格极其昂贵，大 量使用经济效益不会很高；第二，由于本油区地质情况较为复杂，相当一部分井 的井眼状况存在一定问题，测井遇阻遇卡现象时有发生，在井况不明的情况下将 带有放射性源的仪器直接下井存在着重大安全风险；第三，目前在用的组合测井 系统在仪器长度方面还存在一定的问题，无法满足漏测资料在规定范围的要求。 随着国产数控测井技术的发展，我油田使用的国产数控测井地面系统已具备 较强的功能，特别是高智能的电缆通讯卡，能够与井下仪器进行多种格式的双向 通讯，这为我油田国产常规测井项目进行组合测量提供了较好的基础条件。欲实 现国产常规测井项目的组合测量功能，只需完成全等诸多因素，我们决定在不增 加钻井口袋深度而漏测资料控制在规定范围内的情况下，在裸眼井内实现声感伽 马( 或声波侧向伽马) 组合和电极、微电极、井径、连斜组合测井，将单孔隙度 完井测井由原来的五趟或六趟测完减少至两趟测完；在套管井内实现自然伽马、 磁性接箍、声波幅度、声波变密度、中子伽马或补偿中子组合测井，使套管井的 常规声放磁测井由原来的两趟测完减少至一趟测完。由于声感伽马组合测井已是 广泛应用的成熟技术，因此实现上述目标，只需进行电极、微电极、井径、连斜 组合测井仪器及组合c b l 仪器的研制和相应配套软件的开发，即可实现测井项 目组合并测的目的。 1 3 本论文的研究内容和结构 本课题属于实际工程应用问题，在充分研究国内外仪器的基础上，根据本油 田的地层情况，利用自身技术优势，完成了电极、微电极、井径、连斜组合测井 仪器的研制和组合c b l 仪器组合测井仪器的研制工作，随后在油井进行现场实 验得出较为理想的测井曲线，从而验证仪器的可行性。 本课题以测井仪为研究对象，利用双位归零码实现电极、微电极、井径、连 斜组合仪的设计，还进一步对声幅变密度组合测井仪进行设计并实施实验测试。 课题的主要任务是： 第一章绪论 1 概括介绍测井技术的发展，各种测井仪的应用与目的。 2 着重进行电极、微电极、井径、连斜组合仪的设计，设计了脉冲编码调 制器中的电源电路、中央处理电路、声波逻辑信号接收驱动电路，并进行调试与 修改。 3 对双极性归零码传输格式进行研究，利用此种数据格式传输，实现组合 测井仪十个参数同时测量，提高测井效率降低测井成本。 4 对声幅变密度组合测井仪进行设计，完成逻辑控制、发射控制、信号通 道、自然伽马的电路设计，并对信号进行组合。 5 进行室内实验和下井测试，同时测出多条数据曲线，依据测井解释分析， 验证了数据的准确性和仪器的可行性。 第二章测井技术及测井仪简介 第二章测井技术及测井仪简介 石油是当代最重要的能源，也是最重要的化工原料。石油及石油工业，对当 代人类社会的经济生活有着深远的影响。石油埋藏在地下深处，可开采的油气储 集层一般深度为几百米或几千米，有的甚至更深。这种情况，使石油勘探成为一 种高投资的事业，一口井的投资高达数百万元。因此，石油业界特别重视从储集 层获得最大的产量和建立最经济的管理储量的手段。石油测井，由于能够提供井 下的各种动态参数，对油井的生产和管理起重要的指导作用，就越来越受到石油 工业界的重视。 测井是一门比较年轻的学科，是一种井下油气勘探方法，用于发现油气藏， 为评价油气及产量提供科学依据。测井是用各种专门的井下仪器放入井内，测量 沿井身剖面上岩层的各种物理参数随井身的变化并制成曲线，并根据测量结果进 行综合解释来判断岩性，确定油气层位置及其它矿藏的一种间接手段u ，。 2 1 测井技术的发展 最早利用现场资料进行处理出现于一百多年前，1 8 6 9 年与d r a k e 在美国首 次发现油气的同时，l o r e lk e l v i n 在英国通过测量地温随深度的变化，对浅井中 的热流进行解释。后来c o n r a n c ls c h l u m b e r g e r 对地下岩石的电阻进行了地面测 量，并和兄弟一起对井眼进行大量类似测量，1 9 2 7 年，s c h l u m b e r g e r 兄弟在法 国试用了他们的电测方法来识别岩层。随后，测井技术开始遍布全世界。自1 9 2 7 年发明了测井技术以来，测井仪器经历了四次更新换代，分别是早期、中期、近 期和晚期。 2 1 1 早期( 1 9 2 9 - - 1 9 4 9 年) 普通电阻率测井是当时主要使用的测井方法，其他的测井项目还有自然电 位、井径、井温、自然伽马测井。公认的第一份测井解释论文发表于1 9 3 4 年， 是由s c h l u m b e r g e r 兄弟和e g l e o n a r c l o n 共同完成的。这篇论文是关于电阻率 测井的，9 年后g e a r c h i e 得出了孔隙度、电阻率测井数据和岩石含水饱和度的 关系式，这是测井解释的革命，把以前的定性分析发展到了定量水平，这一时期 的测井资料主要用地层评价一地层对比，寻找并确定油气在井中的位置，估计储 层的油气含量。 4 第二章测井技术及测井仪简介 2 1 2 中期( 1 9 4 卜1 9 6 8 年) 这期间，声波、感应、侧向、补偿中子、补偿密度等测井方法相继问世。测 井解释已经根据几种孔隙度测井资料和几种电阻率测井资料进行综合解释来判 断注水层。随着感应测井的问世，克服了普通电阻率测井需要往并中注入导电液 的弱点。侧向测井的诞生，提高了咸水泥浆中电阻率测井水平。1 ) 5 6 年m j w , a u e 提出了在声波测井中运用平均议程计算孔隙度的方法。直到今天，这种方法仍普 遍使用。在解释方面，声波一电阻率交会图在声波测井问世不久后就出现了，这 样，对于孔隙度和含水饱和度上的描述就变得较直观。另外，一些快速直观地分 辨油气层的方法也随着声波测井的出现而出现了，如重叠法等。 2 1 3 近期( 1 9 6 卜1 9 7 9 年) 进入2 0 世纪7 0 年代，计算机技术在测井作业中得到了应用。数控测井技术 发展起来，提高了测井效率，车载计算机能在井场及时为用户提供快速直观的解 释成果，还可以通过卫星把测井资料传送到计算中心，为用户进行数字处理。这 一时期的主要特点是： 地面仪器是由车载计算机和外围设备组成的人机联作的地面测井系统，完成 对井下仪器测量数据的采集，实时控制和实时记录，并能在井场进行快速分析， 以保证测井资料的质量。 并下仪器的特点，一是出现了一些测量储层新物理参数的仪器，如电磁波传 播、高分辨率地层倾角、长源距声波、岩性等测井仪器；二是采用多传感器具、 大信息量的办法，改进原有仪器，提高分辨能力和测量的准确性；三是可根据测 量的结果实时监控测井仪的工作状态，使其能在最佳状态下工作，从而保证测井 资料的准确性和精度。 由于测井资料的分辨率和准确性提高，加上新的岩石物理参数可供利用，测 井资料可以更加精细进行油气藏描述。 2 1 4 现代( 1 9 7 9 年至今) 从1 9 7 9 年至今，随着电子学和计算机技术在测井中的广泛应用，测井技术 有了突飞猛进的发展，主要表现在测井仪器不断向智能化、高精度、便携式方向 发展，随着国产数控测井技术的发展，油田使用的国产数控测井地面系统已具备 较强的功能，特别是高智能的电缆通讯卡，能够与井下仪器进行多种格式的双向 通讯，实现常规测井项目的测量“钉 第二章测井技术及测井仪简介 2 2 测井仪原理 2 2 t 电极、微电极测量原理 测井时，由电子线路内的振荡器产生一定频率的正弦交流信号，经分频和相 关电路处理输出两路不同频率的恒定方波信号，分别送至电极系和微电极的供电 电极，在井下产生人工电场。测量回路的测量电极之间因地层电阻率的不同，在 人工电场的作用下产生不同的电位差。通过测量这个电位差并消除两个供电电流 之间相互之间的干扰，由下面公式即可计算出地层视电阻率 胄。= k 竿 式中：r a 地层视电阻率，单位：欧姆。 v 一两个测量电极之间的电位差，单位：伏。 i 供电电流，单位：安培。 l ( _ 电极系系数( 由电极系本身结构决定) 2 2 2 声幅、变密度测井原理 声幅测井的基本原理是利用水泥和泥浆( 或水) 其声阻抗的较大差异对沿套 管轴向传播的声波的衰减影响来反映水泥与套管间的胶结质量。声幅测井仪的声 探测装置是由位于井轴上相隔一段距离的一对声发射器和声接收器构成。当发射 器发出声波后，接收器上接收到的声信号包括有套管波、水泥波、地层波和泥浆 波的贡献。套管壁的厚度很薄，钢套管内充满泥浆，套管外是水泥，由于钢、水 泥、泥浆三种材料的声阻抗各不相同，因此套管实际上构成了一个内、外壁具有 不同阻抗界面的声波导。套管波由波导中的不同模式波组成，各模式波的轴向传 播速度也不尽相同，因而在传播过程中由于通过阻抗边界向两侧介质辐射能量而 引起的衰减也各不相同。理论和实际测量表明，套管波的首波主要来自于沿套管 的滑行纵波和一次反射纵波的贡献。在井内泥浆不变的条件下，套管波的首波向 外层介质辐射能量的多少取决于介质的声阻抗。因此，对套管波的幅度或衰减测 量可以显示水泥与套管的胶结状况，以及指示水泥的返高“。 在工程测井中变密度测井用于检查水泥固结后的套管井中第一胶结面和第 二胶结面的胶结质量。同声幅测井一样，变密度测井仪也是采用位于井轴上的一 个声发射器和一个声接收器测量套管井中沿井轴方向传播的声波信号。为了对水 泥环的两个胶结面进行评价，套管波和地层波都是测量中的有用信息。在作变密 度测井时，仪器的源距通常比声幅测井时的源距取得大，一般选为5 英尺或1 5 米，目的是使地层波变得易于识别。在很多情况下可以利用裸眼井中测量声波时 6 第二章测井技术及测井仪简介 差的声波测井仪来代替它，其中短源距测量波形用于声幅测井，长源距测量波形 用于变密度测井n n 。 2 2 3 自然伽马测井与中子伽马测井原理 1 、自然伽马测井原理 自然伽马测井是测量地层总的天然放射性。地层的自然放射性是由岩石中所 含的铀，钍、钾等放射性核素引起的。这些放射性核素在地层中的聚集与地层的 沉积环境有密切的关系。自然伽马测井可以用来探测和评价放射性矿床；在沉积 地层中，自然伽马测井读数一般反映地层的泥质含量；在数控测井中，自然伽马 测井曲线作为各种曲线深度取齐时的标准曲线。伽马射线探测器采用闪烁技术 器，为了提高技术率，减小统计涨落误差，在自然伽马测井仪中通常采用尺寸较 大的n a l 晶体“1 。 2 、中子伽马测井原理 当热中子在地层中扩散时，将不断地被某些核素( 如氢、氯) 吸收，并发生 俘获辐射核反应放出伽马射线，在这一核反应过程中产生的伽马射线称为中子伽 马射线。由于中子伽马射线的强度与地层的含氢量有关，所以可以用中子伽马计 数率的多少来反映地层含氢量的变化。中子伽马测井就是采用同位素中子源发射 快中子连续照射钻井剖面，在离源一定距离的仪器中设置伽马射线探测器，并用 高密度材料屏蔽中子源的直接辐射，沿井身连续记录从地层到达探测器的中子伽 马射线的强度的。中子伽马测井一般在套管井中进行，它通常与自然伽马及磁定 位组合测量。 7 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 第三章电极、微电极、井径、连斜组合测并仪 3 1 设计思路和方案 研制电极、微电极、井径、连斜组合测井仪器的设计思路是将原先电极、微 电极、井径、连斜所需的特定地面电源信号由井下仪器产生，而由地面系统为井 下仪器提供标准的1 8 0 v 交流电源，同时将地面系统的信号预处理部分电路的功 能由井下仪器完成，并通过信号传输板对测量信号进行编码分时输出。这样，将 使有限的电缆缆心传送多个井下测量信号。 研制电极、微电极、井径、连斜组合测井仪器的设计方案包括如下几部分内 容： l 、研制电极与微电极的井下供电和测量线路短节。其关键技术是能分别为电极 和微电极测井的供电电极提供不同频率的恒定电流，同时分别将其测量信号进行 有效的分离，确保其之间无干扰并保证测井过程中恒定供电电流的稳定性。 2 、研制符合多种仪器并测要求的脉冲编码调制器，将其非标准的数据采集与 r s 2 3 2 的传输格式改进为标准的双极性归零码传输格式，使其能对十五个测量信 号同时进行传输，确保各信号之间无干扰，并保证其有较长的可靠工作时间。 3 、研究重力传感器和地磁传感器的六个姿态量的信号处理技术及连斜仪器地面 刻度和校验方法。 3 2 电极、微电极供电测量短节的设计 3 2 1 设计原则 电极、微电极、井径、连斜组合仪将由马笼头电极系及以下三个仪器短节组 成：电极、微电极供电测量线路短节、井径微电极综合仪、连续测斜仪。该仪器 串一次下井可以完成9 条曲线的测量，这9 条曲线依次为：2 5 m 梯度视电阻率、 0 4 5m 梯度视电阻率、0 4 m 电位视电阻率、自然电位、微梯度、微电位、井径、 井斜、井斜方位角。在必要时还可连接自然伽马仪器完成自然伽马曲线的并测。 除自然电位由傩缆心直接送地面记录外，其余井下测量信号均经过连斜短节中 的信号传输板以双极性归零码格式传输至地面系统处理记录。 第三章电极、井径、连斜组合测井仅 ( 一) 电极、微电极供电测量短节的设计原则 电极、微电极、井径、连斜组合测井仪主要实现与现用国产及进口数控地面 测井系统的挂接，在采用前述方案的基础上，电极、微电极供电测量短节总体设 计的关键是保证该组合仪的测量结果达到或超过单测仪器的性能指标，同时以不 增加或简化地面系统硬件为总体设计原则。在具体的电路设计、信号传输、刻度 方式等方面要以适应现用数控地面测井系统为原则睫”1 。 ( 二) 电极、微电极供电测量短节的性能保证设计 在油区内部砂泥岩剖面，电极和微电极的测量信号都比较微弱，低阻层的长 电极信号甚至在1 毫伏以下，这些微弱信号极易受到包括工频交流在内的干扰信 号影响，同时欲对上述信号进行编码输出必须使用高增益放大器。而高增益放大 器又必然受到噪声及其它干扰信号的影响，因此必须采取各种措施来提高系统的 稳定性和抗干扰能力。在电极、微电极供电测量短节的设计中，我们采取了如下 措施： ( 1 ) 工作频率设计 为了使电极和微电极测井组合后，同时工作的三个电极通道和两个微电极通 道的五个高增益放大器尽量减小两个工作频率的相互影响，同时避开5 0 h z 工频 交流的干扰，设计1 1 2 h z 为电极的工作频率，微电极采用电极工作频率的4 倍频 即4 4 5 h z 为其工作频率，这样，就可保证具有较好选频性能的测量电路有效消除 工频交流的干扰，同时确保电极和微电极两种测量信号的有效分离m 1 。 ( 2 ) 隔离变压器的应用 电极与微电极的两个发射电路及三个电极测量通道和两个微电极测量通道 是7 个相互联系的独立工作系统，为消除其之间的相互影响，特别是井下直流信 号的干扰，7 个系统的电流发射输出和测量输入我们均设计采用专用的隔离变压 器进行隔离，形成相互之间悬浮的供电和测量输入方式，即各系统对其电源地是 悬浮的。 ( 3 ) 有源滤波技术的应用 电极、微电极供电测量短节的每个测量通道，我们都设计了包括相敏检波器 在内的两级有源滤波器，使其对带宽外的其它信号有着极强的衰减能力，同时设 计足够的带宽和坪特性，保证因温度变化而引起的工作频率及带宽变化不导致对 系统的明显影响，从而确保测量信号的测量精度。 9 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 ( 三) 电极、微电极供电测量短节的信号传输 在电极、微电极供电测量短节中由于需要传输的上行和下行信号很多，测量 信号必须采用p c m 脉冲编码将全部测量信号变换成二进制脉冲编码形式才能上 传至地面测量系统；下行信号( 组合仪器的电源供电、电极、微电极供电测量短 节的刻度、测井换档电源、井径的推靠电源等) 采用电磁继电器通过时分的方式 ( 如刻度时可通过继电器使l 号缆心传输换档电源，井径推靠时使1 号缆心传输 推靠电源) 实现缆心复用和仪器共用形式“”。 ( 四) 电极、微电极供电测量短节的刻度设计 由于电极和微电极的供电及测量信号均由测量短节提供和处理，为保证测量 精度必须在井下仪器中设计其独立的刻度系统。目前国产及进口数控测井系统的 电阻率测井仪器采用由地面系统以正负脉冲电压形式控制下井仪器的磁保持继 电器的动作来实现仪器的刻度。为此，我们在电极、微电极供电测量短节的刻度 系统中设计了l o 个继电器和刻度电阻网络来实现视电阻率及微电极五个测量信 号的刻度。在操作工程师的控制下，地面仪器经缆心1 、5 、1 0 先后传送三组不 同极性组合的刻度电压到仪器内部的刻度继电器线包上，控制电极和微电极的供 电及测量短节处于低刻、高刻和测井状态。当仪器处于低刻状态时，各测量电路 的输入端短路，模拟0 电阻率；当仪器处于高刻状态时，各测量电路的输入端分 别接入一串联的电阻网络中的标准电阻中，由其分别提供模拟地层5 0 欧姆米的 视电阻率信号和模拟2 0 欧姆米的微电极信号；当仪器处于测井状态时，测量电 路与刻度电阻网络断开，与各相关电极接通，各测量道测量出对应地层的的视电 阻率和微电阻率“。 3 2 2 电路设计 电极、微电极供电测量短节主要由发射板、刻度测量板、测量板及井径恒 流源组成，图3 1 、图3 - 2 分别是其组成框图和电路原理框图。 1 0 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 图3 - l电极、微电极供电测量短节组成框图 图3 - 2 电极、微电极供电测量短节电路图 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 电极、微电极供电测量短节主要设计电路为： ( 1 ) 发射板电路 发射板的主要作用是将地面供往井下的正弦交流电转换成不同频率的方波，分别 供给电极和微电极的a 、b 电极。图3 3 为发射板的结构组成框图。 晶振 1 b 4 3 2 h h z 蠹誊熟赧燕 概| 一一 一错， 。o 轰ii 跟 ；相。；随 ：器；器 箩 ”“ 。二 。； 带通前置功率 滤波器放大器放大器 等南=o 图3 3 发射板的组成框图 为了使用频分技术有效区分电极和微电极测量信号，同时也为提高整机的信 噪比，有效抑制大地5 0 h z s e 频干扰，电极测井采用1 1 2 h z 的方波发射信号，微 电极测井采用1 1 2 h z 的4 倍频即4 4 8 h z 的方波发射信号。其工作流程为：由 晶体振荡器产生的1 8 4 3 2 m h z 的信号经分频器分频输出l1 2 h z 和4 4 5 h z 两路方 波，其中4 4 5 h z 方波经反向器反向后一路送测量板的相敏检波器，另一路经跟随 器、带通滤波器、前置放大，功率放大器后再经刻度测量转换电路后，为微电极 提供供电电源。微电极的发射电流应用恒压方式，发射变压器初级v p p 为2 4 v ， 次级v p p 为1 3 5 v ，为了能够恒流，次级输出串了一个5 k 电阻。而1 1 2 h z 的方波 经反向器反向后一路送测量板的相敏检波器，另一路经跟随器、带通滤波器、前 置放大、功率放大器后再经刻度测量转换电路后，为电极提供供电电源。因电极 供电电流较大，故采用恒流发射方式。图3 - 4 为发射板电路图。 b j l 为一晶体振荡器，所产生的1 8 4 3 2 m h z 信号经i c l 分频、i c i - l 输出 4 5 0 h z 方波、i c i 3 输出1 1 2 h z 方波。此两个方波经i c 2 六级反相器输出f a f b 分 别送五块测量板控制完成相敏检波。4 5 0 h z 方波经跟随器i c 3 a 输出经i c 3 b 带通 滤波器变换为正弦波，此信号送i c 4 、q i 、q 2 构成功放前置放大器。q 1 、q 2 集 电极r 2 4 、r 2 5 两个电阻上信号分别送功放管q 3 、q 4 的b 3 、b 4 基板，1 1 2 h z 信号放 大与4 5 0 h z 完全相同 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 图3 - 4 发射板电路图 图3 5 测量刻度板的电路图 第三章电极，井径、连斜组合测井仪 ( 2 ) 刻度板电路 刻度测量电路主要由继电器组和标准电阻组成。标准电阻用于产生标准的低刻 和高刻信号来对电极和微电极测井进行内部刻度，继电器的作用是完成电极和微 电极低刻、高刻、测井三种状态之间的转换。刻度电路主要由磁保持继电器k l 、 k 2 、k 3 、k 4 、k 5 、k 6 、k 7 、k 8 、k 9 和电磁继电器k 1 0 和稳压二极管d i 、d 2 、 d 3 、d 4 ( t v 5 0 9 ) 组成。图3 5 为测量陔0 度板的电路图。 ( 3 ) 测量电路 测量板由五个基本相同的测量电路组成。其中三个测量电路用于电极视电阻 率测量，两个测量电路用于微电极的测量。这五个测量电路的作用是将电极和微 电极测量信号进行有效分离并放大，然后送信号传输板进行a d 转换和编码。 其工作流程基本相同，电极和微电极测量信号分别由各自的输入变压器进入测量 板，经无源滤波器滤波去除干扰由测量放大器进行放大后，由带通滤波器和相敏 检波器对电极和微电极信号进行有效分离，再经放大滤波后送信号传输板进行 a d 转换和编码。电极和微电极测量板除电路参数不同外，电路结构完全相同。 图3 - 6 分别为电极和微电极单个测量电路的电路图。另外，该短节中的电源板除 为该短节提供电源外，还为井径仪器提供恒流源 2 0 l 。 图3 - 6 电极和微电极测量电路的电路图 1 4 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 3 3 脉冲编码调制器设计 连续测斜仪器是连续测量钻井井身轨迹的精密仪器，所用下井仪器均采用磁 通门和重力加速度计做为传感器敏感元件，敏感出传感器在井下的姿态量通过计 算得出井身的倾斜角和方位角啪1 。 3 3 1 连续测斜仪器及信号传输 连续测斜仪器主要由传感器及辅助电路、多路转换开关及a d 转换器、脉冲 编码及输出驱动接口电路、标准电源、防磁金属隔热保温瓶及防磁承压外壳等组 成。 连续测斜仪的传感器包括由三只重力加速度计构成的敏感地球引力场重力 矢量正交坐标系和三只磁通门构成的敏感地磁场磁力矢量正交坐标系组成井身 倾角和井斜方位角的探测传感器。另有一个环境温度检测传感器作为传感器温度 补偿的温度探测器“o 嘲。 连续测斜仪中的七个传感器将下井仪器的运动姿态( 井身倾角和方位角) 及 保温瓶内的温度转换成相应的电压信号，然后送脉冲编码调制器，由其进行编码 输出传输到地面，通过地面系统的解码，由计算机依据计算方法得出井身倾角和 倾斜方位角。图3 - 7 连斜测井仪器及信号传输组成框图。图中0 4 5 为0 4 5 m 梯度 视电阻率；2 5 为2 5 m 梯度视电阻率；o 4 为0 4 m 梯度视电阻率；c a l 为井径信 号；c h v 为电缆头电压：变压器的输出2 和5 是指七芯电缆的缆芯号( 4 5 1 。 3 3 2 脉冲编码调制器的设计要点 由于以前我公司使用的连斜仪器信号传输采用r s 2 3 2 串行方式，与目前地 面系统的脉冲编码解调电路不相匹配，同时它也不能够同时传输伽马脉冲信号和 多路的数字信号，因此连续测斜仪器改造的主要内容就是将其与地面系统不相匹 配的r s 2 3 2 数据传输格式改进为标准的3 5 0 6 传输格式，并且在编码传输连斜传 感器信号的同时，对组合测井的电极、井径及缆头电压测量信号同时进行编码传 输。这就要求研制符合多种仪器并测要求的脉冲编码调制器( p c m ) ，使其能对 十五个测量信号同时进行传输，确保各信号之间无干扰，并保证其有较长的可靠 工作时间。 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 图3 7 连斜测井仪器及信号传输组成框图。 1 ) 脉冲编码调制器的用途 用来编码分时传输组合测井仪器中的六个连斜传感器信号、一个瓶温传感器 信号、三个电极测量信号、两个微电极信号、一个井径测量信号，一个缆头电压 监测信号，及一个与组合仪并测的自然伽马测量信号，达到使用两根电缆缆心分 时传输多个测井信号的目的”2 列。 2 ) 脉冲编码调制器设计要点 为保证组合测井仪器的脉冲编码调制器具有符合测量精度要求的测量转换 精度并能够与现用的地面系统完全匹配，井下脉冲编码调制器的电路设计必须具 备如下特点： 多道采样与传输格式 为保证组合测井仪器测量信号正常分时传输，脉冲编码调制器应具有包括同 步道、脉冲道及模拟道在内的1 6 道信号通道。同时为保证所传输信号被地面系 统正常接收，传输格式采用虽然传输速率不是很高但电路简单，传输稳定性较强 的3 5 0 6 格式。 高转换精度 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 为保证组合测井仪器测量信号特别是连斜测量信号的测量精度，小信号的 a d 转换精度达到1 2 毫伏，大信号的a d 转换精度达到l 。 较宽的动态范围和双极性输出 同样为保证连斜的测量精度和电极有较大的测量范围，必须保证脉冲编码调 制器有较宽的动态a d 转换范围和双极性输出。 3 3 3 脉冲编码调制器的电路设计及数据格式 1 ) 电路设计：脉冲编码调制器是将组合仪器中的多个模拟测量信号进行二进制 数字编码，同时将与组合仪并测的自然伽马脉冲进行二进制计数，然后按阿特拉 斯3 5 0 6 串行格式进行调制输出”1 。图3 8 脉冲编码调制器的基本组成框图。 脉冲编码调制器主要设计了电源电路、中央处理电路、声波逻辑信号接收驱 动电路。 图3 - 8脉冲编码调制器的组成框图 1 7 第三章电极、井径、连斜组合测井仪 幻电源电路 该电路是一个典型的稳压电源电路用来产生脉冲编码电路所需电源。经缆芯 4 、6 送到井下的1 8 0 v 交流电源经电源变压器b 变压后产生8 v 、双1 8 v 交流电 压。8 v 交流电压进入电路板的2 、3 端，经硅整流桥q 1 ( s i n b ) 、电容c l 、c 2 整流滤波后产生+ 1 0 v 的直流电压，经过q 3 ( 7 8 0 5 ) 稳压输出+ 5 v 电源。双1 8 v 交流电压进入电路板的4 、5 、9 端，经q 2 ( s i n b ) 、电容c 5 、c 6 整流滤波后产 生_ 2 0 v 的直流电压，经过q 4 ( 7 8 1 5 ) 、q 5 ( 7 9 1 5 ) 稳压后输出1 5 v 电源 图3 - 9 脉码电源电路图 a ) 电源电路 该电路是一个典型的稳压电源电路用来产生脉冲编码电路所需电源。经缆芯4 、 6 送到井下的1 8 0 v 交流电源经电源变压器b 变压后产生8 v 、双1 8 v 交流电压。 8 v 交流电压进入电路板的2 、3 端，经硅整流桥q i ( s i n b ) 、电容c i 、c 2 整流 滤波后产生+ i o v 的直流电压，经过q 3 ( 7 8 0 5 ) 稳压输出+ 5 v 电源。双1 8 v 交 流电压进入电路板的4 、5 、9 端，经q 2 ( s i n b ) 、电容c 5 、c 6 整流滤波后产生 _ 2 0 v 的直流电压，经过q 4 ( 7 8 1 5 ) 、q 5 ( 7 9 1 5 ) 稳压后输出1 5 v 电源 b ) 中央处理电路 该电路主要功能是将井斜仪器的6 个传感器的姿态量及井径电压值经电子 开关送入a d 转化器，将模拟信号转化成数宁信号，然后进行工程计算，得到 倾角、方位角、井径电压值，并将它按编码方式送到接口电路。它由单片机系统、 a d 转换电路、p c m 信号生成电路、井径、伽马信号整形电路等。单片机系 第三章电极、井径、连斜组合测井仅 统由c p uu 1 0 ( a t m 8 9 c 5 2 ) 、r a mu 1 l ( 6 2 2 5 6 ) 、看门狗电路u 9 ( x 5 0 4 5 ) 组 成。刖d 转换器由u 1 2 和u 1 3 组成，采用8 通道1 2 位a d 转换器m a x l 9 7 。 ( 固p c m 信号生成电路由c r y 2 ( 1 2 m 晶振) 、u 7 ( 5 4 h c 3 9 0 ) 、u i ( 5 4 h c1 6 3 ) 、 u 4 ( 5 4 h c 7 4 ) 、u 5 ( 5 4 h c 0 8 ) 组成。伽马信号整形电路由u 3 ( 5 4 h c 0 4 ) 及 d 1 和d 2 组成。可同时测量两路脉冲信号。整形后的信号分别送入u 1 0 的t o 和t l 端进行计数。井径放大电路由u 6 a ( l m l 4 8 ) 及r 1 0 、r 1 2 、r i 4 组成。 u 6 a 、u 6 c 、u 6 d 组成三路同相跟随器，u 6 d 、r 6 用于测量缆头电压；u 6 c 、 1 1 7 用于测量电位信号；u 6 b 、r 1 5 用于测量梯度信号。传感器的姿态量为x 加速度计的姿态量a x ，y 加速度计的姿态量a y ，z 加速度计的姿态量a z ；x 磁力计的姿态量m x ，y 磁力计的姿态量m y ，z 磁力计的姿态量m z ，温度电 压信号t 。 以上信号送入u 1 2 ( m a x l 9 7 ) 、a d 转换后，将1 2 位数据通过数据总线进 行a d 转换。送入6 2 2 5 6 ( r a m ) 数据存储器供c p u 进行方位和倾角的计算， 计算结果由p 1 3 输出后进行p c m 编码。井径信号c h 2 、缆头电压v ，送入u 1 3 ( m a x l 9 7 ) 进行a d 转换，最终也由c p u 的p 1 3 输出进行p c m 编码。 p c m 时钟首先由c r y 2 ( 1 2 m 晶振) 通过u 7 ( 5 4 h c 3 9 0 ) 的7 端输出2 4 m h z 方波，u 7 a 的3 端输出1 2 m h z 方波。u 7 b 的9 端输出2 4 0 k h z 的方波，u 1 ( 5 4 h c l 6 3 ) 的1 5 端1 5 分频输出1 6 k h z 的方波，u 7 b ( 5 4 h c 3 9 0 ) 的1 3 端输 出为8 k h z 的方波，经过u 3 e 反相器送u 1 0 的i n t i 做为中断信号。u 1 0 将计 算结果由p 1 3 送入u 4 ( 5 4 h c 7 4 ) 的1 2 端。p c m 的正信号和负信号分别由u 5 ( 5 4 h c 0 8 ) 的8 端和3 端经过电路板9 和1 0 端送p c m 3 1 进行放大和功率驱动。 c ) 脉冲道计数电路 该电路是将接收的脉冲信号经电平转换器u 7 ( c 0 4 0 9 9 )