随钻电阻率测井仪器的实现-

1、随钻电阻率测井仪器的实现黄忠富黄瑞光(武汉华中科技大学陈鹏(江汉测井研究所摘要介绍最新研制的随钻电阻率测井仪器的测量原理、实现方法,并具体分析电路硬、软件的设计以及元器件选择中应注意的问题。多次模拟运行试验表明,该仪器达到了设计指标,性能良好,稳定可靠。关键词:随钻测井电缆测井电阻率测井仪器原理设计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引言随钻测井(Measurement While Drilling 是一种比较新的技术,和传统的电缆测井相比较,随钻测井具有实时性好、测井精度高、节省测井成本等优点1,并且当一些井不能用电缆测井,或者在某些特殊地层条件下操作困难、花费钻井时间过多的时候,就必须用随钻测井代替电缆测井。 测量原理图1为电阻率测井探头结构示意图。图1中T c 为发射线圈,Rc 为接收线圈,P 为钻杆。这种结构形成了

4、2个变压器,对发射线圈而言钻杆相当于变压器的次级,而对接收线圈而言钻杆又相当于变压器的初级。在钻井过程中进行电阻率测井时,给发射线圈供以交变激励电流,会在作为变压器次级的钻杆上感生出一定的电动势,该感生电动势通过钻杆和地层构成的回路形成感生电流。从发射线圈到钻头之间的感生电流可分为2部分,接收线圈和发射线圈之间钻杆上流出的电流称为聚焦电流,接收线圈到钻头之间所流出的感生电流称为测量电流。在测量电流的激励下,接收线圈上会产生出和测量电流成比例的电动势,接收线圈上所产生的电动势与发射线圈在钻杆上所激励的感生电动势有关,与邻近钻头的地层电阻率有关。测量钻杆上所感生的电动势和接图1电阻率测井探头结构示

5、意图收线圈上所感生的电压即可得到近钻头电阻率R a=KV T/I R=Kf(I T/g(V R式中R a近钻头电阻率;K仪器常数;V T发射线圈在钻杆上所产生的感生电压;I T发射线圈的激励电流;I R通过钻杆流经接收线圈的电流;V R在接收线圈上所产生的感生电压;f(I T发射电流在钻杆上发射线圈的两端产生感生电动势的函数关系;g(V R测量电流在接收线圈上产生感生电动势的函数关系。探头的结构可根据地质要求和技术条件进行选择,目前国外地质导向钻井中近钻头电阻率测量大多采用一发一收或一发多收的结构及一个或多个电扣电极的辅助测量。电阻率测井的实现1.电阻率测井的实现方法随钻测量系统的测量仪器安装

6、在接近钻头的几节特制的钻杆内,它的探头采用一发双收的结构,由在钻杆上安置的1个发射线圈(相当于发射变压器T c和2个接收线圈(相当于接收变压器Rc组成,其中发射线圈用来激励电流进入地层,接收线圈用来测量接收线圈到钻头部分钻杆上流出的电流。发射变压器T c将钻杆分割为上下2个部分,对应为发射电级和回路电极,接收变压器Rc安装在发射电极上,流过接收变压器Rc的电流就是经过地层返回的电流,测量流过接收变压器Rc的这个电流,即可得到距钻杆一定距离的地层电阻率。将接收线圈Rc置于不同的位置,测量的电流就是流经这个位置的电流,因而具有不同的探测深度。通过测量3个物理量:发射线圈上的电极电位V i;靠近发射

7、线圈的接收线圈上的测量电流I n(称为近电流;远离发射线圈的接收线圈上的测量电流I f (称为远电流,由上面的公式即可获得近钻头电阻率。部件尺寸及相互位置会影响电阻率的测量结果,将各部件尺寸及相互位置定义为探头的结构因素,则本仪器采用的电阻率探头的结构因素有以下几项:发射线圈宽度;发射线圈与接收线圈之间的距离;接收线圈的宽度;远离发射线圈的接收线圈与钻头底面之间的间距。探头的结构确定以后,仪器常数K值就随之 确定了。图2测井仪器的工作原理框图发射线圈发射的交变激励电流频率对测量结果也有影响,对于近钻头电阻率测量仪一般采用1152kH z 频率。由于随钻测井的特殊性,存在以下一些关键技术问题,测

8、量设备应能够安装在钻杆内狭小的密封空间中,并能承受深井的高温高压和钻井时的震动;特制钻杆应具有与实钻所用钻杆同样的机械强度;电源应有足够的功率容量和使用时间。因此在测井仪器的具体实现中需要考虑它的体积、功耗、可靠性等因素。2.电阻率测井仪的工作原理仪器工作的原理框图如图2所示,它主要由发射通道、3个测量通道、采样和控制电路、时钟电路、存贮器电路、串行通信接口电路及电源等几部分组成。由于下井仪器用电池组供电,为了节省电力,延长工作时间,仪器采用间歇工作方式2。电池组和电路之间的压力开关用来保证仪器到达井下一定深度后开始工作,当外部压力达到一定值时,压力开关接通,仪器控制器部分首先开始工作。单片机

9、上电初始化,打开电源,完成一次测量后,关闭电源,单片机进入掉电方式。经过一定时间以后(该时间可以在下井之前由井上软件设置,看门狗电路唤醒单片机又进行下一次测量,如此循环。当记录的数据占满全部存储空间后,认为测量已经全部完成,关闭大部分电源,并使看门狗复位功能失效,整个系统处于休眠之中。仪器中没有采用通常的泥浆信道随钻测量方式,而是将测量的数据直接存入大容量的存储器中,完钻后随钻头一起取出,然后通过串口传到计算机上进行后续处理。但是为了确定当前测量地层的准确深度,测量数据时必须将测量时的时间同时记录,以此时间为标准,将地面仪器中的记录和它相对比,由此确定测量数据的准确深度。时钟电路的作用就是帮助

10、我们建立测量数据与深度之间的联系。3.电阻率测井仪的电路设计 单片机采用Atmel 公司的A T89C52,它有256B 的内部RAM ,8kB 的F LASH ROM ,并提供3个16bit 定时/计数器,性价比高。为提高系统的抗干扰能力,选用了X icor 公司的看门狗电路X25045,芯片的看门狗定时器和电源电压监视器都对微处理器提供了独立的保护。此外,X25045内部还有采用C M OS 工艺的4096位串行EEPROM 存储器,用来保存重要的参数信息。该芯片使用简单的三线总线的串行外设接口(SPI 进行读写操作,占用口线资源少。其它需要注意的关键电路如下:功放电路采用一般的音频功放集

11、成块即可满足要求。但是需要具有外部控制的、低功率消耗的关断模式,以及内部过热关断保护机制。电源采用单一5V 供电,与单片机电源兼容,内部电路采用BT L 结构。 测量前向通道前置放大器采用Analog Devices 公司的测量放大器AD623,它具有共模抑制比高、低功耗、满电源电压摆幅输出、单电阻设置增益等特点。AD623输入采用差分方式,若直接与接收线圈相连,因为线圈浮地,AD623输入端将不能为输入偏置电流提供直流通路,输出将呈现“调幅波”的效果。因此,输入端采用如图3所示的结构。存储器电路存储器选用8Mbit 串行F LASH 芯片,它包含1个非易失性的主存储体和2个264B 的静态R

12、AM 缓冲页,主存储体采用页编程模式,共有4096页,每页264B ,适合批量读写数据。2个缓冲页使得写存储器页的同时读另一页的数据成为可能,硬件数据保护引脚又能有效地保护数据不被破坏。另外,该串行F LASH 存储器芯片采用三线总线的串行外设接口(SPI ,SC LK 、S DI 和S DO 可以共用,仪器中看门狗、串行F LASH 存储器和12bit 串行A/D 芯片的3根总线就是 图3前向通路电路结构挂到一起的,这样大大节省了单片机有限的口线资源。电源电路电源是仪器的心脏,必须稳定可靠。加上仪器采用间歇工作方式,要经常开关电源,因此显得更为重要。电池组供电电压是712V ,不能直接给系统

13、供电,故采用了低压差线性稳压器,它的噪声低,并具有电源关断引脚,压差可以低至180m V ,这样就可以大大延长电池组的使用寿命。值得注意的是,在关断使能之图4单片机与计算机的串行接口电路图5单片机间歇工作方式的软件流程图图6单片机与计算机的串行通信软件流程图前,必须对单片机与电路相连的口线进行相应的处理,例如开关切换控制引脚置低、使芯片片选失效等等,否则电源芯片关断使能后由于单片机引脚的泄漏电流会使得电路的电源不能有效关断。串行通信接口电路利用A T89C52的串行口,选用Analog Devices公司的ADM202E构成RS232C串行通信接口,具体电路如图4所示。该芯片只需配用几个外接电

14、容就可简单方便地实现电平转换,构成通信接口。在上位机中编程与单片机系统实现各种功能,如设定测量时间间隔、读存储器数据、校正系统时钟和各种参数、仪器的自检等等。4.电阻率测井仪的软件设计包括井下间歇测量工作方式的实现程序和井上串行通信程序2部分。其流程图分别如图5和图6所示。图5中第1次上电标志位(POF用来区分单片机是第1次上电运行还是看门狗唤醒的复位运行,由此确定测量的数据应该放入存储器的哪个位置。此外,因为看门狗的复位定时器最大只有114s,而测量的时间间隔是1060s,所以用定时次数来表示要经过几次复位才开始测量。定时次数=测量的时间间隔/看门狗的复位时间。图6中的仪器刻度是为了保证测量

15、的精度和对仪器进行标定,分为低刻度、高刻度和零刻度,分别接电阻网络的不同位置。元器件选择的考虑随钻测井仪安装在钻头上,一边钻进一边测量,并且只能用电池供电,对仪器的体积、功耗和温度都有很严格的限制。必须对元器件的选用提出相应要求,主要考虑以下几个方面。(1集成电路必须是C M OS工艺制造,最好以串行方式工作,有关断引脚,或者是有闲置工作模式或掉电模式;(2电阻电容和集成电路都要选用温漂系数小的器件。电容最好用专用的耐高温电容器,像聚四氟乙烯电容器、涤纶电容器、聚碳酸脂电容器、独石电容器等。集成电路则要用军品器件(-55125。总结随钻电阻率测井仪器的电路功能实现虽然不是很难,但是要求在如此恶

16、劣的环境中可靠运行,必须注意工艺。比如上面提到的元器件的选择、仪器与线圈等各部分之间的可靠联接、仪器骨架的抗振设计及其可靠密封等。多次模拟运行试验表明,该仪器能够完成各项设计指标要求,性能良好,稳定可靠。参考文献安石油学院学报,1996,11(32000,24(23刘西林等.SST有线随钻测斜仪在胜利油田超深钻井中应用.石油钻探技术,1994,22(14戴永寿,雷国江.一种高分辨率大存储量油井生产测控系统.电子技术应用,1999(1(收稿日期:20010822本文编辑刘洪仕 作者简介王方雄1973年生。1998年毕业于江汉石油学院石油地质专业。现为江汉石油学院地球科学系硕士研究生。主要从事储层

17、地质学与计算机应用研究。(地址:湖北省荆州市江汉石油学院地球科学系邮编:434102赵亮博士生,1975年生。从事地球物理探测与信息处理的理论、方法研究。(地址:北京市昌平区石油大学资源与信息学院博99邮编:102249电话:01089733113姜恩承高级工程师,1932年生。1961年毕业于莫斯科石油学院。1992年离休,2001年9月不幸因病去世。柯式镇副教授,1967年生。1999年获得博士学位。从事岩石物理性质和测井仪器与方法研究。(地址:北京市昌平区石油大学地科系邮编:102200乔文孝博士,教授,1956年生。现在石油大学(华东从事应用地球物理专业教研工作。(地址:山东省东营市石

18、油大学资源与信息学院邮编:257061电子邮件:赵国瑞1968年生。1991年毕业于大庆石油学院测井专业。从事低电阻率油层解释研究。(地址:河北省任丘市华北油田分公司勘探开发研究院地球物理室邮编:062552电话:03172723067或2722789史晓锋博士研究生,1974年生。现在北京航空航天大学攻读博士学位,主要研究通讯与信息系统、石油测井技术等。(地址:北京航空航天大学207教研室邮编:100083电话:01082317217司马立强高级工程师。现从事测井科研及管理工作,任四川石油管理局测井公司副总工程师。(地址:重庆市江北区大石坝四川石油管理局测井公司研究所邮编:400021电话:

19、0236740049周灿灿高级工程师,1962年生。现攻读中科院长沙大地构造研究所博士学位。现任冀东油田公司勘探开发研究院院长。(地址:湖南省长沙市中科院长沙大地构造研究所邮编:410013谭成仟副教授,1964年生。从事测井解释与油藏描述。(地址:陕西省西安市电子二路东段西安石油学院石油工程系邮编:710065李洪奇教授,博士生导师,1960年生。1998年获中国科学院固体地球物理专业理学博士学位。现从事应用地球物理专业的教研工作。(地址:山东省东营市石油大学邮编:257061张丽艳高级工程师。1984年毕业于华东石油学院测井专业,长期从事测井解释与储量计算研究工作。(地址:山东省东营市胜利油田有限公司地质科学研究院邮编:257015电话:05468715413罗菊兰工程师,1967年生。1991年毕业于成都地质学院数学地质专业。现从事测井资料解释与方法研究。(地址:甘肃省庆阳长庆石油勘探局测井工程处测井研究所邮编:745100电话:09348592381罗安银高级工程师,1964年生。1997年毕业于石油大学(北京地球科学系,获硕士学位。从事测井解释评价工作。(地址:河北省任丘市华北石油管理局测井公司解释计算中心邮编:062552李厚义教授级高级工程师,1935年生。近年研究复电阻率测井及陆相油藏测井解释方法。(地址:河北省任丘市华北油田