测井仪器原理一

1、第一章 电流聚焦测井仪器 1.1 1.1 测量原理及工作方式测量原理及工作方式 1.2 1.2 12291229双侧向测井仪双侧向测井仪 1.3 1.3 JSC801JSC801型双侧向测井仪型双侧向测井仪 1.4 1.4 DLT-EDLT-E双侧向测井仪双侧向测井仪 1.5 1.5 微球形聚焦测井仪微球形聚焦测井仪 1.6 1.6 思考题思考题 1.1 测量原理及工作方式 1.1.1 1.1.1 地层电阻率的测量原理地层电阻率的测量原理 1.1.2 1.1.2 侧向测井仪器测量原理侧向测井仪器测量原理 1.1.3 1.1.3 侧向测井仪器工作方式侧向测井仪器工作方式 1.1.4 1.1.4

2、小结小结 1.1.1 地层电阻率的测量原理 根据点电极的电位计算公式，则测量电极的电位是 MN ANAM K 4 I U K MN 盐水泥浆和膏盐剖面中由于受泥浆分流的严重影响，普通电阻率测井 无法定量测量。人们开发了电流聚焦测井。 采用电屏蔽方法，使主电流聚焦后水平流 入地层，减小了井眼和围岩影响。电流聚 焦测井的主电流线沿井轴径向成饼状流入 地层，也称侧向测井。 侧向测井仪器是一个大家族，按构成电 极系的电极数目来分，有三侧向，七侧 向、八侧向和九侧向（即双侧向），按 探测深度来又有深、浅之分。 双侧向的仪器性能。探测深度、分层能力、测量动态范围都优于三、 七侧向，微球形聚焦的探测特性也比

3、微侧向和邻近侧向好。 目前，理想的侧向测井组合是双侧向加微球形聚焦，这种组合可以较 准确地确定地层电阻率、冲洗带电阻率和侵入带直径，这些是计算地层 含油饱和度、判断地层含油性的重要参数。 1.1.2 侧向测井仪器测量原理 侧向测井与普通电阻率测井的主要区别是测量电流（主电流）是被 聚焦以流入地层。电极系的主电极A0位于电极系中心，两端有屏蔽 电极A1、A2，呈对称排列。 三侧向测井仪结构如下 0 I U K a L L K 2 lg 2 0 式中 主电极实际长； bA0与A1或A2之间绝缘环厚度； L三侧向电极系长度； L0电极视长度； 电极系直径。 bLL m 3 2 0 由电阻率公式中电压

4、U或主电流I0，的恒定、 变化和测量，电流聚焦测井仪的工作方式可分为恒 流式、恒压式、自由式和恒功率式（参见1.1.3）。 对于三侧向，为使A0、A1、A2三电极电位相等，需 要供给A0、A1、A2同极性的电流。 三侧向测井仪的工作方式有恒流式（）和恒 压式（）两种。 以恒流式为例：测量中保持I0不变，电阻率的变化反 映在主电极电位的变化上。为此，电路中设置了平 衡放大器对主电流的变化进行检测，通过负反馈形 式对主电流进行控制，达到恒流的目的。恒流的平 衡调节过程是 或 04220 )(IUUUUI Dt 04220 )(IUUUUI Dt 0 I U K a I U K a I U K a

5、三侧向测井仪结构框图三侧向测井仪结构框图 侧向测井仪电路的两个主要子系统 供电、平衡子系统（实现电流聚焦测量的关键部分） 测量子系统（电阻率测量的通用部分） 仪器的几个主要功能单元： 测量电压/电流（或）放大、检波器：交流 信号放大，检波、滤波输出； 振荡器：交流激励信号、参考信号源； 平衡放大器：高灵敏度交流放大器，为负反馈调节回路的 输入级； 检波滤波器：交流直流变换器，与系统的不平衡度成正 比； 调制放大器：将不平衡度直流信号变换成一定相位的交流 信号，是一个模拟乘法器（三端部件：直流交流交 流）； 功率放大器：将屏蔽电流进行交流功率放大； I U K a I U K a 主电极A0，屏

6、蔽电极A1、A2，两对监督电极M1N1和M2N2；Um1Un1或Um2 Un2，使主电流沿水平方向流入地层。 四个参数来表示电极系结构和特性：电极系长度L0，电极距L，分布 比S，聚焦系数q。 0 I U K M a 1010 2 10 10101010 )( )(4 NAMAAA NAMANAMA K 七侧向七侧向测井仪结构测井仪结构 七侧向测井仪原理框图七侧向测井仪原理框图 斯仑贝谢公司1972年研制成功。（双? 可同时获得深、浅两条电阻率曲线的 侧向测井仪） 双侧向电极系由9个电极组成，第二屏蔽电极A1、A2有着双重的作用。 双侧向中采用了由跟踪屏流来产生主电流，或由跟踪主电流来产生屏流

7、。 0 I U K a 0 KR a R0RRmRmcRiRt十Ru 双侧向测井仪结构双侧向测井仪结构 1.1.3 侧向测井仪器工作方式 恒流式 保持主电流恒定，测量主电极（通常用监督电极M1或M2代替） 至远处电极N之间的电位差。地层的电阻率越高测量电压信号越 大，相对测量误差越小，适于对高阻地层的测量。电路简单，测 量动态范围小。 恒压式 保持主电极电位恒定，测量主电流。地层的电阻率越低测量电 流信号越大，相对测量误差越小，适于对低阻地层的测量。电路 简单，测量动态范围小。 自由式 电流和电压按一定规律浮动，同时测量电流、电压两个量，因 此可以得到较宽的测量动态范围。测量、控制电路较复杂。

8、 恒功率式或可控功率式 测量过程中使最高和最低电阻率的两个极点保持功率（IU乘积） 不变，让测量电压和电流保持在仪器可测量的范围之内（不被限 幅）。比自由式仪器有更宽的测量动态范围。 1.1.4 小结 电流聚焦测井是电阻率测井方法中非常重要的一个系列，近 似的视电阻率公式和普通电阻率测井相同。 电流聚焦测井的主要特点，是主电流被聚焦后平行流入地层。 为保证屏流和主电流极性完全相同，一般采用以下方法。一 是用同一电流源供给屏流和主电流，屏流大于主电流。在测 井过程中屏流是浮动的。所以，屏流要由平衡放大电路输出 的信号加以调制后通过功率放大后加到屏蔽电极上。二是用 跟踪主电流来产生屏流，或用跟踪屏

9、流来产生主电流，这种 方式用在双侧向仪器中。 在侧向测井仪器中，增加屏蔽电极的长度可以加大聚焦能力， 进而增加仪器探测深度。相反，在屏蔽电极两端设置回流传 极可使主电极和屏流流入地层的深度变浅，降低探测深度。 双侧向测井正是利用这一原理实现的。 侧向测井仪器有四种不同的工作方式，复杂的工作方式能获 得更好的测量结果。 1.2 12291.2 1229双侧向测井仪双侧向测井仪 1.2.1 1.2.1 仪器工作原理仪器工作原理 1.2.2 1.2.2 主要电路分析主要电路分析 1.2.3 1.2.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 1.2.4 1.2.4 小结小结 1.2.1 1.2.1 仪器工作原

10、理仪器工作原理 Atlas公司12291229双侧向测井仪的特点是： 频分供电式，深、浅侧向供电频率分别为32和128Hz 系统激励为屏流主动式 可与自然伽马、声波、微侧向组合测井 采用了数字编码传输 1229双侧向测井仪主要由： 平衡放大混合电路（A框部分） 深侧向屏流源（B框部分） 浅侧向屏流源（C框部分） 深、浅侧向电压检测电路（D框部分） 深、浅侧向电流检测电路（E框部分） 控制信号发生器（F框部分） 直流稳压电源 等七个部分组成。 1229双侧向仪器原理框图双侧向仪器原理框图 功率放大有源BPF仪器放大器 11 1 2 ) 2 1( MMPg UK R R U )1(2 21 1 K

11、 RR R ZZ iic )(2 2 32 12 RR RR C MR K Q j j U U g h 1 )(1 0 2 0 0 21018 21108 21108 110 21108 00 , 1 2 CRCR CCRR Q CCRR CR K CCRR f 平衡放大混合集成电路（平衡放大混合集成电路（VCVSVCVS） )2( 21Da UUU K Q j j KP 1 )()(1 0 2 0 0 43161413 313 43161413 0 1643 43161413 )( )( 1 )( )( CCRRR CR K CCRRR RCC CCRRR Q 有源BPF斩波式调制放大器功率

12、放大器 17 3 R U I T D 恒流值 深侧向屏流源（深侧向屏流源（VCISVCIS） 功率放大器有源BPF斩波式调制放大器 S bSSD S a IUEUI 2 2D1s)2U (U E 浅侧向屏流源（浅侧向屏流源（VCVSVCVS） D相敏检波S相敏检波S有源BPF 仪器放大器U2D相敏检波放大 深、浅侧向电压检测电路浅侧向电压检测电路 D相敏检波 S相敏检波 S有源 BPF D有源BPF 深、浅侧向电流检测电路深、浅侧向电流检测电路 1.2.2 1.2.2 主要电路分析主要电路分析 斩波式调制放大器斩波式调制放大器 有源带通滤波器有源带通滤波器 功率放大器功率放大器 高输入阻抗差动

13、放大器高输入阻抗差动放大器 相敏检波器相敏检波器 1 99. 499. 4 10 c 1,F 65 10 D RR R 点接地时当 1 99. 43 99. 4 99. 4 99. 410 , 0 987 9 6 610 RRR R R RR bFD点接地时当 斩波式调制放大器斩波式调制放大器 0 0 54 UYUY b 0)( 214321 oibUYUYUYYYY 节点联立方程： 4254321 41 )(YYYYYYY YY KP 43161413 313 43161413 0 1643 43161413 )( )( 1 )( )( CCRRR CR K CCRRR RCC CCRRR

14、Q K Q j j KP 1 )()(1 0 2 0 0 简化后： 有源带通滤波器有源带通滤波器 恒流输出功率放大器恒压输出功率放大器 功率放大器功率放大器 11 1 2 ) 2 1 ( MMPg UK R R U )1 (2 21 1 K RR R ZZ iic )(2 2 32 12 RR RR C MR 高输入阻抗差动放大器高输入阻抗差动放大器( (仪器放大器仪器放大器) ) 全波相敏检波器 全波相敏检波器等效电路 cos 2 )sin( 1 0 0 i T i U dttU T U 相敏检波器相敏检波器 1.2.3 1.2.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 内校验，电路与电极系断开，C

15、AL和ZERO两挡校验 外校验，仪器位于LOG挡，电路与电极系接通，刻度电阻盒连接电极系， 可模拟0.01m和0.1m泥浆电阻率时的1、10、100、1000 m地层电 阻率。 深屏流输出 A0 M1 M1 A1 深、浅电压检测公共端 内刻度 )12. 1)(1333 )84. 0)(1000 mKm mKm SS DD 电零点 )12. 1)( 3 .13 )84. 0)(10 mKm mKm SS DD 1.2.4 1.2.4 小结小结 1229双侧向仪为实现深、浅同时并测，深、浅侧向使用用不同 频率的电流供电，称为频分式双侧向。fS = 4fD，能使深、浅 侧向两个系统相对独立地控制和测

16、量。 侧向测井需要供给主电极和屏蔽电极同极性的电流。1229双侧 向仪采用屏流主动方式，这种方式比主电流主动式容易调节系 统平衡。 1229双侧向仪工作方式为自由式，为提高仪器测量动态范围用 U2D来控制深屏流、浅屏压的变化幅度。 1229双侧向深、浅侧向的电压和电流检测电路采用三运放结构 的差动式放大器，电路中的用有源带通滤波器分离深、浅侧向 信号，用相敏检波器提高信噪比。这些典型电路在测井仪器中 经常用到。 1229双侧向与PCM以及应用软件配合才能最终获得深、浅侧向 电阻率曲线。 1.3 JSC8011.3 JSC801型双侧向测井仪型双侧向测井仪 1.3.1 1.3.1 仪器工作原理仪

17、器工作原理 1.3.2 1.3.2 主要电路分析主要电路分析 1.3.3 1.3.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 1.3.4 1.3.4 小结小结 1.3.1 1.3.1 仪器工作仪器工作原理原理 频分式，深、浅侧向频率分别为24.4Hz和195Hz，激励方式为屏流 主动式 测量结果ID、IS、UD、US由脉码传输,在地面仪中经D/A转换，滤波、 取对数和求商后得到深、浅侧向电阻率 JSC801JSC801型双侧向测井仪原理框图 电压测量电路电压测量电路 反馈环及深、浅屏流源电路反馈环及深、浅屏流源电路 斩波调制放大器斩波调制放大器 主电流电路主电流电路 1.3.2 1.3.2 主要电路分析

18、主要电路分析 深、浅相敏检波器深、浅带通滤波器仪器放大器 电压测量电路电压测量电路 T11、A907取出深、浅屏流信号并放大 经A908后得到深屏流未被T6很好短路的部分，再反相驱动T6，使T6两 端的深屏流压降趋于零 深、浅屏流源功放 反馈环及深、浅屏流源电路反馈环及深、浅屏流源电路 由分压电阻R403和R404、R409和R410决定主动产生的深、浅屏流的基值 主电流测量结果ID、IS分别对深、浅屏流作负反馈控制 斩波调制放大器处理结果再经深、浅BPF后去驱动深、浅屏流源功放 斩波调制放大器斩波调制放大器 V-I变换器功率放大器输入级 IRnUi/(R2+R3) n R R U U L i

19、 O 7 iiic ZKZKZ 00 RK dI dU ZOC)1( 0 0 0 M1和M1电极间的不平衡电压产生主电流 A1A7电流正反馈回路，补偿地层电阻率变化时对M1和M1电极间电 流Ii的影响，提高了控制电路的控制精度 用电流互感器取出主电流至电流检测电路 主电流电路主电流电路 1.3.3 1.3.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 内刻度原理和方法与1229仪器基本相同； 内刻度时整个电子线路和电极系断开，有电零和刻度两档。 1.3.4 1.3.4 小结小结 国产JSC801双侧向仪和1229双侧向仪的工作原理基 本相同，都是频分式，激励方式为屏流主动式。 JSC801浅、深侧向频率比

20、为8倍，更有利于将深、浅 侧向信号分离和处理。 反馈环电路进一步减少浅侧向屏流输出变压器次级 对深侧向屏流的影响。 主电流电路引入电流正反馈环路提高了平衡控制电 路的控制精度。 1.4.1 1.4.1 仪器工作原理仪器工作原理 1.4.2 1.4.2 主要电路分析主要电路分析 1.4.3 1.4.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 1.4.4 1.4.4 小结小结 1.4 DLT-E1.4 DLT-E双侧向测井仪双侧向测井仪 1.4.1 1.4.1 仪器工作原理仪器工作原理 频分式（8倍），可控功率（550nW363W），测量动态范围很 宽 增加第一屏蔽电极A1、A2的取样电极A1*、A2*和辅

21、助监控回路，改 善深侧向屏蔽效果 影响因素考虑周全结构、电路复杂，制作工艺优良，性能出众 DLC-LLS原理框图 N DLC-LLD原理框图 B DLC-LLS、 LLD原理框图原理框图 内刻度电路 DLC电路原理框图电路原理框图 数字、遥测接口电路 测量电路 主监控回路 辅助监控回路 相位参考电路 280Hz280Hz电流源、指数调制器 1.4.2 1.4.2 主要电路分析主要电路分析 数字接口是一由多路开关和A/D转换器等组成的井下数据采集系统，将 双侧向和微球形聚焦组合获得的9个模拟测量数据量化后由电缆通讯控制 电路CCC送到地面CSU系统处理 数字电路接口框图数字电路接口框图 CCS是

22、CSU系统早期的全双工数据遥测接口，速率100（下行80 + 上行20） kbps。CCS由地面的LCM和井下的CCC两部分组成。CCC接收和译码由地面发 来的指令，并将井下测量数据发送至地面。 遥测电路接口框图遥测电路接口框图 无变压器PSD有源BPF 内刻度档位开关 宽带放大器 DLT-E共有五个测量电路，分别测量深、浅电压，深电压U0G和深、浅电 流，这些电路结构相同但电路参数不同 U U0D 0D、 、U U0S 0S测量电路图 测量电路图 主监控回路通过取样监督电极M1和M1之间电位差来控制主电流I0D、I0S 的大小，实现主电流聚焦进入地层 互补功率放大器 深、浅高Q值BPF 主监

23、控回路电路主监控回路电路 辅助监督回路取样A1*和A1之间的35Hz深屏蔽信号，通过对流过A1电 极的深屏流的控制使A1和A1*电极对深屏蔽电位近似相等。 深高Q值BPF互补功率放大器 辅助监控回路电路辅助监控回路电路 相位参考电路将深、浅侧向正旋波电流非线性放大至+12V CMOS逻辑电 平后作为PDS电子开关的控制信号 双向对数放大器积分放大器深、浅整型放大器 相位参考电路相位参考电路 )exp( T CL inout U U II )exp( 17 22 T CL i O U U R R U U G )exp( 17 22 T CL iO U U R R UU 即： 280Hz相移式振荡

24、器 指数调制器 甲类推挽功率放大器 280Hz280Hz电流源、指数调制器电路电流源、指数调制器电路 1.4.3 1.4.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 DLT的内刻度电路由刻度继电器电路板和刻度接口电路板组成 在刻度控制逻辑控制下有测井、内刻度零和内刻度三档 内刻度档位时测量系统与电极系断开，刻度电阻网络被接入模拟 一固定的Ib和I0 ，获得的测量结果用于检查和标定仪器 刻度电阻网络 刻度控制逻辑 刻度操作说明 1.4.4 1.4.4 小结小结 DLT-E双侧向与1229双侧向和JSC801双侧向都是频分式双侧向 仪，其中DLT-E与JSC801的浅、深频率比为8倍，有利于深、浅 信号处理

25、。 DLT-E双侧向为可控功率式，在所有双侧向仪中测量动态范围最 宽，测量精度最高。 用增加第一屏蔽电极A1、A2的取样电极A1*、A2*和加入辅助监控 回路的方法改善深侧向屏蔽效果。 用监控回路电路调节主电流和屏流的比值的方法使监督电极M1 与M1电位差趋于零，保证主电流被聚焦。 DLT-E双侧向与1229双侧向和JSC801双侧向都采用数据遥测接 口来传输测量结果和接受地面的控制命令，其中CSU系统CCS的 数据传输速率最高，功能最强。 DLT-E双侧向的设计结构、电路比较复杂，制作工艺优良，耐压 和耐温等重要技术指标在所有双侧向仪中也是最高的。 1.5.1 1.5.1 仪器工作原理仪器工

26、作原理 1.5.2 1.5.2 主要电路分析主要电路分析 1.5.3 1.5.3 仪器刻度和校验仪器刻度和校验 1.5.4 1.5.4 小结小结 1.5 1.5 微球形聚焦测井仪微球形聚焦测井仪 1.5.1 1.5.1 仪器工作仪器工作原理原理 MSFL的电极极板由环状的主电极A0 、测井电极M0 、屏蔽电极 A1和监督电极M1、M2组成 通过监督电极使I0不流过泥饼，并控制I0在冲洗带的流动路境 中产生已知压降UREF ，可测得XO UM0-UM1UREF 0 I U K REF MSFL Ib5I0 )5( 0 IIfh bmc UM1-UM20 MSFL原理框图原理框图 内刻度部分 MS

27、FL电路框图电路框图 1.5.2 1.5.2 主要电路分析主要电路分析 参考信号U UREF REF发生器 I It t放大器 I I0 0监控放大器 I I0 0测量电路 1010Hz振荡 器 幅度稳定AGC放大器 参考信号参考信号U UREF REF发生器 发生器 It放大器调节It，使UM0-（UM1UREF）0，即UM0-UM1UREF 调谐放大器反相放大器 功率放大器 全波相敏检波器及测试信号放大器 I It t放大器放大器 调谐放大器功率放大器 I I0 0监控放大器监控放大器 差动放大器调谐放大器功率放大器相敏检波器 I I0 0测量电路测量电路 1.5.3 1.5.3 仪器刻度

28、和校验仪器刻度和校验 K1吸合，使I1和I0测量电路的输入变压器的第一初级绕组悬空， 第二初级绕组与UREF的PSDC输出形成内刻度回路，使得Ib和I0 的测量值不再与It放大器和监控放大器关联 K2的两个位置分别对应零和刻度，相同的电流流过Ib和I0 ， 相当于XO =1 1.5.4 1.5.4 小结小结 MSFL贴井壁测量，消除了泥浆影响 特殊的极板结构和测控电路使得I0不受泥饼影响，且探测深度 限于冲洗带范围 A0流出的是总电流（I0Ib） 通过计算可得到电导率XO 、合成微电极曲线及其泥饼厚度 hmc 1.6 1.6 思考题思考题 总结所学的侧向电极系的电极排列结构，试说明它们各自的

29、特点。 为改善深侧向屏蔽电极的屏蔽效果，JSC801和DLT-E双侧向仪 各采取了哪些措施? 为什么合理控制主电极功率对提高测量的动态范围和精度非 常重要? 1229、JSC801和DLT-E双侧向仪各是怎样控制主电 极功率的? 在对本章各型侧向测井仪的主要电路讲解和分析后，请列举 出几个典型电路，说明它们在系统中的作用和参数计（估） 算、选择方法。 试说明内刻度功能的做用、一般的操作方式和设计上的思路。 对对Atlas1229Atlas1229有源带通滤波器有源带通滤波器pSpicepSpice仿真结果仿真结果 1.1.2 侧向测井仪器测量原理 侧向测井与普通电阻率测井的主要区别是测量电流（主电流）是被 聚焦以流入地层。电极系的主电极A0位于电极系中心，两端有屏蔽 电极A1、A2，呈对称排列。 三侧向测井仪结构如下 0 I U K a L L K 2 lg 2 0 式中 主电极实际长； bA0与A1或A2之