《测井仪器方法及原理课程》第一章 双侧向测井

1、PAGE PAGE 26第一章 双侧向测井 双侧向测井是应用最广泛的一种电阻率测井方法，它测量地层电阻率。自然界中不同岩石和矿物的导电能力是不相同的尤其地层中所含流体性质不同时，导电性能差别很大。因此 ，电阻率是地层的重要的物理参数之一。在油气井中进行电阻率测井是我们寻找和定量确定油气存在的基本方法。根据所测得的电阻率，可以区分含导电流体（如盐水，泥浆滤液）的地层和含非导电流体（如油气）的地层，应用阿尔奇公式，可以计算出地层中油气水的比例： （1-1）式中：地层电阻率；RW地层水电阻率；SW地层含水饱和度；F地层因素。 电阻率测井是发展最早并一直沿用至今的一种测井方法。最早使用的电阻率测井方法

2、称普通电阻率测井。经改进后，发展成为目前广泛使用的聚焦式电阻率测井，或称侧向测井。自1950年，首批侧向测井仪投入商业使用后，老式的普通电阻率测井方法就逐渐被淘汰。1.1 普通电阻率测井原理为测量某一电阻的阻值R，可应用一个电源给该电阻供电，测量流过该电阻的电流I和电阻两端的电压降V。由欧姆定律即可求出该电阻的阻值。 （1-2）普通电阻率测井原理也是采用与此类似的方法，测量地层电阻率。在介质中设置一个供电电极A，回流电极B放在距电极A无限远的地方，在距电极A一定距离处放置一对测量电极M,N（见图1-1），进行电位差测量。假定电极为点电极，介质是均匀无限的，介质电阻率为。则从电极A流出的电流呈辐

3、射状向四面八方均匀散开，等电位面是以A为球心的球面，如果测量电极M,N与供电电极的距离分别为，（注意电阻的量纲为长度量纲为m）则M点的电位： （1-3）N点的电位： （1-4）式中I为电极A流出的电流强度（安培）。由上式可得M,N两点的电位差V：电阻率： （1-5）式中，为电极M,N两点间的距离令 则 （1-6）式中：K称为电极系常数。式（1-6）表明：普通电阻率测井方法是依据欧姆定律来测量地层的电阻率。式（1-6）是电阻率测井方法的基本公式。供电电极A,B和测量电极M,N的组合称为电极系。由式（1-5）可以看出，电阻率与M,N间的电位梯度有线性关系。因此，这种电极系称为梯度电极系。M和N的中

4、点为电极系的深度记录点。如果把N电极移至无限远处，则可由（1-3）式计算出电阻率。这时，电阻率与M点的电位成线性关系。这种结构的电极系称为电位电极系。A和M的中点为电位电极系的深度记录点。根据互换原理，供电电极A,B与测量电极M,N互换位置，所测电阻率的值不变。实际测井时，电极系置于井眼内，井内泥浆作为导电媒质。供电电极A流出的测量电流经泥浆流进地层。井下地层的厚度是有限的；不同的地层，其电阻率各不相同，对于渗透性地层；由于泥浆滤液的侵入而形成冲洗带。因此，一个实际的地层介质不能看作是均匀无限的（见图1-2）。显然，用普通电阻率法测量地层电阻率要受到井筒泥浆（特别是盐水泥浆），冲洗带以及上下围

5、岩电阻率的影响。由于实际地层是非均匀的各向异性介质，加上井眼影响，普通电阻率测井测得的电阻率只能近似反映地层的真电阻率，称为视电阻率（） （1-7）K量纲（cm）V量纲（伏特）I量纲（安培）量纲（）1.2 侧向测井1.2.1侧向测井向测井又称聚焦式电阻率测井，电流聚焦测井的电流线沿电极轴线的侧向流入地层，这就是称侧向测井的原由。侧向测井在电阻率测井方法中是一个大家族。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，上述每一种侧向测井又有深侧向，浅侧向之分；按主电流聚焦后的特点，还可分为普通聚焦和球形聚焦和微球形聚焦等。由上看见，侧向测井仪多种多样，但基本原

6、理是相同的。侧向测井与普通电阻率测井的主要区别就在于它的主电流（又称测量电流）是被聚焦以后才流入地层的。普通电阻率测井法的主要缺点是测量电流的一部分沿井筒分流，测量电流不能全部流入地层；另外它也不能深入地层很远，因此，测得的电阻率与地层的真电阻率相差甚远。侧向测井方法就是针对这一问题，对电极系加以改进而发展的一种方法。下面以七侧向加以说明。七侧向测井的电极系由七个电极组成，见图1-3，其中A0是主电极;M1,M2和N1,N2是监督电极（又称测量电极）；A1,A2是一对聚焦电极（又称屏蔽电极）。这三对电极以主电极A0为中心对称排列。每对同名电极用导线连接短路，使具有相同的电位。VM1=VM2 ,

7、VN1=VN2 ,VA1=VA2 。回流电极B放在无限远处。这种电极系结构相当于在梯度电极系的上下附加了一对供电电极。当主电极A0向地层发射测量电流I0时（又称主电流），聚焦电极A1,A2也向地层发射与I0同极性的电流I1（称屏蔽电流）。由于同性相斥，主电流I0受到屏蔽电流I1的强迫作用侧向流入地层，而不会任意散开。调节I1的大小（调节I0也可以），直至两个监督电极M1，N1（M2, N2）的电位相等。监督电极的电位相等就意味着两表间没有电流流过，即测量电流I0不沿井筒分流而是全部流入地层。I0的这种状态称为聚焦状态。当然对I1的调节是由电子线路自动完成的。图1-3示出了电极系在均匀介质中电流

8、线的分布。由图可见，主电流层厚度（图中阴影部分）在距井眼一段距离内保持恒定。实践证明，对低租围岩和高阻薄层，主电流层也基本保持相同形状。主电流层厚度相当于的中点与的中点之间的距离。由于聚焦作用，侧向测井电阻率测井方法大大的减小了泥浆的分流作用和低阻围岩的影响。与普通电阻率测井法相比，它所测的电阻率将更接近地层电阻率的公式。假定，介质是均匀无限的，电阻率为，电极为点状；主电流为I0，屏蔽电流为I1，根据电场叠加原理，监督电极的电位为：令屏主流比 则 （1-8）同理 （1-9）式中，与，分别为电极M1和N1与其相应供电电极间的距离。当I0达到聚焦状态时，VM1= VN1。由式（1-8），（1-9）

9、可得： （1-10）由式（1-10）可看出，在均匀介质条件下，屏蔽电流n有确定的值（即不变）。在七侧向测井中测量电位差V0=VM-VN，VN是参考电极N的电位，由于电极N距离电极A0，A1，A2，B为无限远，因此，VN=0则 （1-11）将式（1-10）代入（1-11），并利用七侧向电极系的对称关系进行代换，可得令电极系常数K （1-12） （1-13）将式（1-13）与（1-7）比较，可看出二者在形式上是一样的，二者测量地层电阻率的基本原理不变，都是依据了欧姆定律。在七侧向电极系中，一般用四个参数来表示电极系结构和特性。电极系长度为L0它是指电极A1，A2之间的距离，即。它主要影响侧向测井的

10、探测深度。在一定范围内，L0加长，相应探测深度增加，反之探测深度减小。若L0太长，除了使用不方便外，围岩和邻层影响也相应较大。电极距L指M1 N1中点O1与M2N2的中点O2之间的距离，即。L的大小主要决定七侧向的纵向分层能力，L较小纵向分层能力强，能划分出较薄的地层。分布比S指电极系长度L0与电极距之比值，即，它主要影响主电流层的形状，S过大不仅要求屏蔽电流过大，而且对测量的影响因素复杂；S过小，主电流聚焦差。一般取S为3左右较为适宜。这对主电流层基本上沿水平方向流入地层。在均匀介质中，分布比对主电流层的影响如图1-4所示。聚焦系数q指（L0-L）/L的比值，即。它主要决定电极系的电流极间的

11、电位差。式（1-12）给出了K值是在理想条件下计算得到的，它只与电极系的尺寸有关。实际使用时，K值尚需经试验修正。有时把电极系放在已知电阻率的介质中进行测量（例如大水池），根据所测得的等效电阻来确定K值： （1-14）1.2.2 侧向测井仪器工作方式仪器工作方式是指仪器在测井时对主电极的供电方式。它有恒流式，恒压式，自由式和恒功率式四种。这四种方式的特点如下： = 1 * GB2 恒流式：保持主电流I0恒定，只测量主电极（通常用监督电极M1和M2代替）至无穷远电极N之间的电位差V0，显然在一定范围内，测量地层的电阻率越高，提供测量的电压越大，测量误差越小。因此，恒流式仪器适于对高阻地层的测量。

12、由于I0恒定，在地层电阻率变化范围很大时，要求仪器电压监测系统的动态范围要很大，这在电路设计上是很困难的。比如地层电阻率从1到10000，即变化了104倍，要求电压检测系统能跟踪测量是很难办到的。设计时，若照顾中间顾不了两头，往往对于小信号显得放大不足，而对于大信号又会出现饱和失真。因此恒流式仪器对于高阻和低阻地层的测量误差都比较大，甚至使测量结果不能使用。总之，恒流式仪器测量动态范围小，这是恒流式仪器的主要缺点。优点是电路简单，三，七侧向和微侧向均采用这种工作方式。 = 2 * GB2 恒压式：采用恒压式，主电极表面电位恒定，只测量主电流。显然测量地层的电阻率越低，提供测量的电流信号就越大，

13、相应的测量误差小，因此，恒压式仪器适用于对低阻地层的测量。恒压式与恒流式仪器一样，仪器电路简单，但测量动态范围小。 = 3 * GB2 自由式（求商式）：因自由式电流和电压都是浮动的。测井时，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。比如地层电阻率仍从1变到10000，自由式仪器只要测量电压和电流各变化100倍即能满足测量要求。因 故 国产801双侧向和引进的1229双侧向均采用这种工作方式。需指出这种工作方式的仪器在测量地层电阻率很高和很低时，仪器分别相当于恒流式和恒压式，其测量误差较大。 = 4 * GB2 恒功率式：由式（1-7）视电阻率公式可知，要确定电阻率，我们并不一

14、定要测得电压和电流的实际值，只要知道它们的比值即可。但要测量准确，务必使测量电压和电流都处于测量仪器的可测范围之内，若超过仪器测量范围，测量结果就失真了。由于自由式测量的V和I不受任何限制，很难使测量仪器的测量系统跟踪V和I全部变化。因此限制了仪器测量动态范围的进一步扩展，一般自由式仪器测量动态范围只能达到104倍。恒功率式在测量过程中保持IV成绩不变，只要选定最高和最低电阻率的两个极点保持功率不变，就使测量电压和电流始终处在仪器可测量的范围之内。也就不会出现测量电压和电流被限幅的情况。因此，可以或得比自由式更宽的测量动态范围。比如，保持测量功率（W）等于0.6W，设电极系系数K=1，测量电压

15、介于0.3200mV之间。测量电流介于32000之间。那么仪器可测量的电阻率范围是：即当然，实际仪器测量动态范围会比这低一些，因为深侧向电极系系数小于1。与自由式仪器比较，恒功率式仪器电路复杂，如果不采用计算机控制，进行恒功率测量是不可能的。1.3 求商式双侧向测井仪双侧向是在三，七侧向的基础上发展起来的，它吸取了三，七侧向的优点。双侧向电极系由9个电极组成。双侧向测井方法由于具有较好的聚焦特性，并可以同时进行深浅两种探测深度的电阻率测量，所以它完全取代了三侧向和七侧向测井，它是目前广泛使用的一种聚焦式电阻率测井方法。根据阿尔奇公式计算地层中油气水的比例，以及确定实际上有多少油气是可动的，需要

16、有深，中，浅三种探测深度的地层电阻率数据。为此双侧向测井仪通常和微球形聚焦测井仪（或者与微侧向，邻近侧向测井仪）组合下井测量。后者用来测量冲洗带电阻率Rx0。1.3.1电极系结构双侧向的电极系可看成七侧向电极系再附加一对聚焦电极组成，见图1-5。它共有9个环形电极，镶嵌在一个圆柱形的绝缘棒上。主电极A0位于中央，在电极A0上下对称排列4对电极，每对电极分别用短路线连接。电极,和，为两对监督电极；电极，和，为两对聚焦电极（屏蔽电极）。第二屏蔽电极与有着双重的作用，对深侧向电流，它与第一屏蔽极间相当于短路，即与（与）保持等电位，屏蔽电流I1与主电流I0为同极性。由于附加的屏蔽电极，较长增强了屏蔽电

17、流对主电流的聚焦作用（屏蔽作用），因此主电流层进入地层深处采发散，如图1-5左边。由于探测深度深，它所测的电阻率接近地层的真电阻率，回流电极B在无限远处。对浅侧向测量时，电极，起着回流电极B的作用，即电极与（与）为反极性。电极间相当于绝缘，从而削弱了屏蔽电流对主电流的聚焦作用，主电流层进入地层不远的地方就发散了，如图1-5右边，由于探测深度浅，所测得的电阻率受侵入带的影响较大。电极系的探测深度由电极系的尺寸决定。电极系的尺寸决定了测量电流流经多远的路径后才发散。为了测量地层的真电阻率减小侵入带的影响，主电流层应该流经地层一段长距离后再发散。通常，双侧向的深侧向主电流层在距井轴1.8m之后发散。

18、主电极A0的中点为双侧向的深度记录点。1.3.2仪器的工作原理框图 井下仪器的原理框图示于图1-7，它由浅测向屏流源，深侧向屏流源，监控回路，深浅侧向电压检测，深浅侧向电流检测，直流电源和控制信号发生器组成（七部分）。 直流稳压电源为整个下井仪器提供了+15V和-15V直流工作电源，控制信号发生器由振荡器和分频器组成。它产生32HZ和128HZ方波信号，为整个下井仪器中的斩波器，相敏检波器提供相位参考信号。该信号频率也是深侧向屏流的工作频率（32HZ）和浅侧向屏流的工作频率（128HZ）。下面以浅侧向为例说明仪器的工作原理（图1-8）。屏流电极，首先向地层发射128HZ浅屏流（返回主电极，），

19、在监督电极M1，N1上将出现电位差，这个电位差被监控回路检测，放大后，立即向主电极A0发射主电流I0，并且与屏流有相同的极性。由于极性相同，主电流出现将迫使监督电极上的电位差趋于减小。这是一个负的反馈过程，因此，实际上在M1和N1之间（监督回路输入端）只保留一个很小的剩余电压信号。监控回路的增益越高，这个剩余信号愈小。这时，可以认为监督电极M1，N1为等电位。由此可见，监督回路的作用是产生主电流，并自动的调节主电流的大小，以保持监督电极电位M1和N1近似相等。监督电极电位相等，表明主电流处于聚焦状态。深侧向的工作原理与此完全相同，只是频率不同，为32HZ，为了同时进行深侧向和浅侧向同时测量，必

20、须采用两种工作频率。通常浅侧向的工作频率是深侧向工作频率的48倍，以便于每个系统能独立进行控制。主电流进入地层后，主电流的大小和主电流在地层的电压降将随地层电阻率的变化而变化，取样电阻0.025上电压的变化将反映主电流的变化。这个变化经电流检测回路检测放大后，分离成深侧向主电流ID和浅侧向主电流IS。电压检测电路测量电极M1相当于参考电极N的电位差（参考电极N为地面端的电缆外皮），电压检测电路把电压信号放大并分离出深侧向电压VD，浅侧向电压VS，其中深侧向电压的一部分V2D用来控制屏流源。电压和电流信号经脉冲编码调制发送器（PCM发送器）发至地面。在地面，PCM解调器把信号还原。依据基本公式，

21、电压和电流信号相除（求商）后即得地层电阻率D，S，所以这种工作方式称求商式。1.3.3 电路原理1. 控制信号发生器控制信号发生器由三个集成电路块组成，第一个集成块是一个频率为524.288HZ的方波振荡器，方波信号经由第二和第二集成块组成的14位二进制分频器分频后，产生频率为512，128，32HZ的三种方波信号，32HZ的方波信号作为深侧向的斩波器和相敏检波器的控制信号（,）；128HZ的方波信号则作为浅侧向的斩波器和相敏检波器的控制信号（,）。双侧向和微侧向仪器组合测井时（常如此），512HZ信号供微侧向测井仪使用。2. 浅屏流源浅屏流源由前置放大器，斩波调制放大器，带通滤波器和功率放大

22、器组成。 = 1 * GB2 前置放大器第一级前置放大器为差动放大器，由运算放大器A1构成。A1同相端输入信号为V2D，反相端输入VCW，VCW是+15V直流电源经R1和电位器R2所组成的分压器分压后得到的，其大小可在010V内调节，A1的增益为 （1-15）将各元件值代入上式计算可得，故A1的输出为： （1-16） = 2 * GB2 斩波调制放大器见左图，屏流源电路的第二级为斩波调制放大器。它由运算放大器A2和集成电路构成。集成电路IC4具有如下功能：在13，14端为高电平，11，12端为低电平时，它的1，3端跟2，4，6，8端接通，而5，7端悬空；当13，14为低电平，11，12端为高电

23、平时，它的1，3悬空，而5，7跟2，4，6，8端接通。根据IC4的功能，当浅侧向128HZ信号为高电平（为低电平）时，c点接地，b点悬空，运算放大器的增益为：当为低电平（为高电平）时，b点接地，c点悬空，运算放大器A2的增益为:由此可见，斩波调制放大器将前置放大器输出的直流电压Va调制成幅度为Va，频率为128HZ的方波电压信号。方波信号经R11，R12分压后输出至带通滤波器。 = 3 * GB2 带通滤波器具有带通滤波功能的有源滤波器有多种形式。侧向测井仪器中所用电路为多路负反馈有源滤波器，如左图。该滤波器有两条反馈路径，频率高端通过C3产生负反馈，低端通过R16产生负反馈，只有介于高低之间

24、的频率信号传输系数才近似等于1，其中心频率是32HZ。假使Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，分别为各无源元件的导纳，即，则左上图可画成左下图，由左下图考虑运算放大器反相端为虚地，可列出a，b节点方程如下：解上述两个方程，可得滤波器的传递函数：将Y Y5的替代元件值代入化简得： （1-17） 式中，0为通带中心角频率，其值为：（f0为中心频率）： （1-18）为品质因素，为通频带宽度，K为通带增益（=0，Q=1）。其表达式为： （1-19） （1-20）调节R14下面的电位器，保持中心频率为因此，128HZ的方波信号输入滤波器后，在输出端将得到频率为128HZ的正弦波信号。 = 4 * GB2 功率

25、放大器见左图，功率放大器由运算放大器A4和功率放大器组件823配接而成。该电路接成跟随器形式，具有输入阻抗高，输出阻抗近似为零和一定的输出功率，在常温下输出功率为5W。3. 监督回路如前所述，该电路的主要功能是监测监督电极间的电位差，控制产生深浅侧向主电流，维持两监督电极的电位近似相等，达到聚焦主电流的目的。由于所检测的电流是虚地的，信号又很微弱，因此前置放大器采用了差动放大器，由因为需要放大的信号包含32HZ和128HZ两种频率，因此在前置放大器后接选频放大器。选频放大的输出经功率放大产生32HZ和128HZ两种频率的主电流供A0电极。 = 1 * GB2 高输入阻抗差动放大器见上图，放大器

26、由A1，A2，A3三个运算放大器组成，它采用双端输入，单端输出的结构。具有闭环输入阻抗高，放大倍数高，共模抑制比高和低输出阻抗，低噪声，低功耗的特点，是一种比较理想的仪器放大器。当R4=R5，R6=R7（另外图中R2=R3）时，差动放大输出：式中KP为运算放大器A3的闭环放大倍数。输入阻抗：式中Zi为A1或A2的输入阻抗，K为A1或A2的开环放大倍数，共模抑制比：从此式可见，该电路的共模抑制比 主要取决于R2和R3的同等程度。当R2=R3时， ，即共模信号的放大倍数为0，放大器具有高抗共模干扰能力。但是输入信号的共模干扰超过运算放大器的共模输入范围 ，就会引起共模抑制性能的消失。 = 2 *

27、GB2 选频放大器选频放大器由运算放大器A4和A5构成。因为运放的反相端是虚地，故A4的电压传递函数如下：解得： （1-21）式中： A5的电压传递函数是： （1-22）从式（1-21）可见，A4实质上是一个带通滤波器，在这里作选频用。如果0，A4是一个相位超前网络，而A5则是一个相位滞后网络。选频放大必须选择放大深浅侧向的两种频率，才能保证主电流频率的准确性。 = 3 * GB2 功率放大器与屏流源电路的功率放大器相同4.电压检测电路电压检测电路含深浅两个测量道。深测量道由深前置差动放大器和深相敏检波器组成。测量电极M1（代替电极A0）至无限远处电极N间的电位差（通常N经10号缆心到地面后接

28、电缆外皮）。浅侧量道由浅前置电压放大器和浅带通滤波器和浅相敏检波器组成。测量电极M1至A2电极（即第二屏蔽电极）间的电位差。深浅侧向的电压测量选取不同的参考点，其目的是为了减少浅侧向探测电压的噪声电平。在浅电压测量道中采用了BB3629低噪声运算放大器作前置电压放大器也是为了这个目的。差动放大器，带通滤波器与前面分析过的同类电路相同，这里不再重复，唯一需要说明的是相敏检波器。在测井仪器中，为了正确检测被测信号，压制干扰信号，常用相敏检波器，又叫监相器或相敏整流器，它是一种对相位敏感的检波器。和普通检波器的区别在于：相敏检波输出直流信号的数值，不仅与被检信号的幅度有关，而且还与被检信号和参考信号

29、的相位差有关。为保证相敏检波器正常工作，要求参考信号幅度要大于被检信号，且参考信号前后沿要陡直，最好是方波。相敏检波和普通检波一样也有半波相敏检波和全波相敏检波之分。半波相敏检波原理如下图a图中Vi 是被检信号，Vo是检波输出信号（未接电容c时的输出），VR是参考控制信号，K是可控模拟开关。假定VR是1电平时，开关K接通，则Vo=Vi；若VR是0电平时，开关K断开，则Vo=0，其波形如上图a（2）。全波相敏检波的工作原理如图b当参考控制信号VR为1电平时，K1导通，K2断开；若被检信号为上正下负，则检波电流从aK1RL地变压器中心抽头o。当VR为0电平时，K2导通，K1断开。若VR是上正下负（

30、假定Vi与VR同频同相），则检波电流从bK2RL地变压器中心抽头o。由此可见，在被检信号的全周期都有检波电流流过负载电阻RL，即在负载电阻RL上得到了全波电压，其波形如图b（2）。相敏全波检波及输出在全周期内的平均值是:式中,被检信号的幅值;参考控制信号的周期; 被检信号与参考信号的相位差. 上式表明,相敏检波的输出幅度不仅与检波信号的幅度有关,而且还与被检信号和参考信号的相位差有关.当输出信号为正的最大值,当时,输出信号为负的最大值,当或(为奇数),输出为零. 如被检信号幅值一定,检波输出和的关系如下图.左下图电路是电压和电流检测电路中采用的一种全波相敏检波器.该检波器是以集成块IC(AD7

31、510D15D)为核心构成的. AD7510D15D实际上是四刀双掷开关,为增加可靠性每两刀并成一个刀用. 当置1电平时,14,16端与9,11,13,15接通,10,12与9,11,13,15不通.若被检信号为上正下负,则检波器电流从.相反,当是0电平,是1电平,10,12,端与9(13,11,15)接通,14,16,端与9(11,13,15)不通,此时为下正上负,检波电流应从.由此可见,在全周期内都有同一个方向的电流流过负载电阻.即在的两端得到了全波检波的脉经电压,经电容C3滤波输出深测向直流电压.相敏检波的参考控制信号用,浅电压,浅电流相敏检波参考控制信号用.为提高检波效率,压制干扰,采

32、用同相检波.5.电流检测电路电流检测电路的被被测信号取用主电流流过采样电阻上的压降.电路组成中的各单元电路上电压测量电路与电压测量电路基本相同,因此不在鏊述.6.(自己看书).4 功率式双侧向测井仪 功率式双侧向测井仪的主要特点是在测井过程中保持主电流源的功率恒定.以其获得尽可能大的测量动态范围和较高的测量精度. 老式的电阻率测井仪采用恒流工作方式,电导率测井仪采样恒压工作方式,当地层电阻率变化时,前者只有电压响应这一变化,后者只有电流响应这一变化,因此测量动态范围都较小. 例如,工作于恒流工作方式的仪器,主电流保持为1mA恒定不变,电压介于0.3mA200mA之间变化,那么仪器测量地层电阻率

33、的范围就介于0.3200之间(全电极系常数K=1). 如果仪器用两个量(,)来响应地层电阻率的变化,例如介于3200之间变化, 介于0.3200之间变化,那么仪器测量电阻率的变化范围:电阻率的最小值:电阻率的最大值:可见,这种工作方式使仪器测量电阻率的范围扩展了100倍以上.这种工作方式保持主电流功率恒定,约为0.6. 下面以DLT型双侧向测井仪为例说明功率式仪器的工作原理.须要指出的是,DLT性仪器在电阻率为最大值和最小值时,主电流功率选定为0.55;在电阻率为中间值时功率略有增加,为的是提供更大的测量信号,以便减小测量误差,准确的说,当主电流负载时,功率具有最大值.它的功率变化曲线如左图.

34、纵坐标为功率,横坐标为负载,取双对数坐标系.从左图可见,深浅侧向两个通道的主要参数是:参考功率:最小测量电压负载电阻为68时,最大功率;最大测量电流最大测量电压.左边一根线为:右边一根线为:CTS电缆遥测系统,TCC实验控制中心,LCM发射电流模板(块) 发射控制指示器,CCS电缆通信系统,TCM接箍控制系统 ?1.4.1 测量原理 DLT型双侧向测井仪原理图(图1-37),它可分为两部分,即数字部分和模拟部分,模拟部分是它的基本组成部分.数字部分由数字接口和电缆遥测系统接口(CTS接口)组成.数字部分的功能是把模拟部分测得的电压值(深侧向电压浅侧向电压)和电流值(深侧向电流浅侧向电流).转变

35、为数字量,在指定时钟节拍作用下数字化的数据通过井下遥测总线传至电缆遥测系统(电缆遥测系统CTS由井下部分TCC和地面部分TCM组成).然后地面计算机测井系统接收电缆遥测系统送来的井下数据,并依据公式计算出地层电阻率.另一方面,计算机要计算主电流功率,根据上页图的功率曲线,在LCM插板(双侧向专用)产生35Hz深侧向电流.280Hz浅侧向的功率控制信号是由地面计算机产生,经电缆遥测系统送往井下,可见DLT双侧向测井仪是在地面计算机测井系统下工作的,中间有电缆遥测系统作为通信媒介.1.浅侧向电路浅侧向电路的频率280Hz.280Hz电流源由井下产生,但电源的功率来自地面的控制信号控制.它的简化电路

36、示于下图:280Hz电流产生总电流It, It包括:1)浅屏流IIS;2)浅侧向主电流IOS. 浅侧向电流IIS,IOS流经地层后返回主电极A2,为了保持两个监督电极M1,N1电流近似相等,由监控回路产生一部分主电流来进行调整.浅侧向电路的简化原理框图示于下图.浅侧向电流IOS和浅侧向电压VOS信号分别由测量电路放大,检波变成直流信号送至数字接口电路部分.地面计算机对VOS,IOS信号进行除法运算:得到反映侵入带的电阻率;进行乘法运算()给出浅侧向电流的功率控制信号.功率控制信号将调整总电流It,以保持井下浅侧向主电流功率为额定值,即符合双对数三角形图的要求.2.深侧向电路深侧向电路频率为35

37、Hz,深侧向总电流It由地面双侧向插板LCM产生,经电缆2,3,5,6送往井下.35Hz总电流包括:深屏流IID,从屏蔽电极A1,A2流出,对于35Hz电流,电极A1,A2应保持等电位;主电流IOD,从电流AO流出.深侧向电流IOD,IID流经地层后返回至位于地面的电极B,深侧向电路的原理图见下图.为了保持监督电极的电位近似相等,由监控回路调整深侧向主电流的大小.为了使电极系工作与深侧向状态,即对于35Hz信号,屏蔽电极A1,A2应有相等的电位,为此引入了一个辅助回路.它的输入信号是电极A2与A1*之间的电位差(电极A1*与电极A1的距离很近,所以A1*的电位非常接近A1的电位).当A1*与A

38、2之间出现35Hz信号的电位差时,辅助回路将在其输出端提供一个补偿电压施加在电极A2与A1之间.补偿电压的大小与输入信号相等但极性相反.因此,对于35Hz信号,屏蔽电极A1,A2处于短路状态. 深向侧的电流信号IOD,电压信号VOD,VOG由测量电路放大,经相敏检波后变成直流信号,然后由数字电路处理.地面计算机测井系统对进行除法运算后,得地层电阻率:进行乘法运算得到主电流源的功率,通过保持功率为额定值来建立深侧向总电流.35Hz总电流由双侧向插板LCM(发射控制指示器)产生.然后经电缆送往井下. 深侧向电压VOG是电极M1与V1之间的电位差,电极V1位于马龙头电极上.电压VOG是用来指定Gro

39、mingen效应.Gromingen效应是指位于电阻率非常高的地层(例如硬石膏)下面的低阻地层,由双侧向电极系所测的电阻率出现异常的现象.1.4.2电路原理1. 280Hz浅侧向电流源浅侧向电流源由280Hz振荡器,指数调制器及输出极组成.( 电路原理图找书).它产生280Hz浅侧向总电流,来自地面的功率控制信号PU用来调整浅侧向主电流的功率.(1) 振荡器280Hz振荡器的电路原理示于下图2-17,它的有源元件为运算放大器U2,U4.U4为积分器,有一的相位移.U2是一个二阶的低通滤波器.显然,振荡器将对在滤波器中引入相位移的频率信号产生振荡.滤波器U2的传递函数为: (1-23)式中为谐振

40、频率: (1-24)其中,Q为品质因数: (1-25)由传递函数式可以看出,U2是一个低通滤波器,当时,可得到通带的增益: (1-26)由图上给出的数值(Ra=R4),对280Hz频率的信号,相位移为增益为:相当于8db,滤波器的幅频特性和相频特性示于左图. 齐纳二极管CR1,CR2用来限制280Hz信号的输出幅度为.电阻用来调节振荡频率;电阻用来调节振荡幅度.在电路极的5端可得到峰峰值为的280Hz正弦波.(2) 指数调制器该电路由差分对管Q1,Q2和运算放大器U5,U6组成如下图.该电路的作用是用功率控制信号PU(VCL)按指数规律调制浅侧向电流,即按对数规律控制浅侧向主电流功率.调制原理

41、是基于晶体管结方程: (1-27)式中:-晶体管发射极电流;-发射结的(EB结)的反向饱和电流;-发射结电压;-温度的电压当量. 式中;KBolsman常数;Q-电子的电荷量,T-发射结的热力学温度.假定(符合实际情况):集电极电流;4个晶体管处于相同的温度.由于的基极和集电极处于相同的地电位(集电极为虚地),因此有:已知:代入上述方程组,得:认为是理想差分对管,于是有代入上式得: (1-28)或者 (1-29)式中:为280Hz16V(峰-峰值)固定输入信号,VCL为功率控制信号PU(来自地面),经U3放大后的输出,U3给出一个刻度因子(在25时约为0.03,例如PU最大值-8V,经过U3后

42、变为-255mV),为的是使PU的电压能和调制器的输入范围匹配. U3放大器的R16(看浅侧向电流原理)具有正温度系数.以补偿晶体管的固有温漂,使式(1-29)中的VCT/VT与温度无关.( eq oac(,7)连接前面的放大器) 为什么要使式(1-29)中输出电压VOUT随功率控制信号PU(即VCL)按指数规律变化?其原因如下:主电流功率P和主电流I0,地层电阻率有如下函数关系: (1-30)上式两边取对数得: (1-31)电阻率与功率要按照图2-10所示的规律变化,这是仪器设计原理所要求的.但对功率的调整,由式(1-31)可见,调整主电流就可以调整功率的大小.输出电压VOUT经功率放大后,

43、将调整浅侧向的总电流It,因而调整了浅侧向的主电流功率.所以用指数调制器的目的是,用功率控制信号PU(VCL)使VOUT按指数规律变化,也就是使浅侧向主电流功率按图2-10所示的对数规律变化.(3) 输出极指数调制器的输出信号在该极实现功率放大,然后经变压器T10送至电极上,产生浅侧向总电流,见下图该电路是工作于甲类的推挽放大器.电阻R28,R30的阻值相同,在-12V电源的驱动下二者的电压也相同.因此流过Q5,Q6的静态电流相同,但在T10初级线圈内形成的磁通量互抵消.与之相反,由输入信号产生的交流信号则极性相反,并在T10次级输出浅侧向的总电流.电容C5,C6,C7与T10的初级电感对28

44、0Hz信号产生谐振,以便在次级得到同相位的浅侧向电流输出.它与振荡器产生的280Hz仅有约为相位移. T10是个降压变压器,以便得到低阻抗输出和大的电流容量.2. 监控回路 监控回路的功能是通过调整主电流(IOD,浅侧向IOS)的大小来保持两个监督电极M1,N1电位相等,它的简化电路于下图监控回路由如下几部分组成;宽带前置放大器,增益为175(包括变压器)两个高阻值的窄带放大器,一个工作于35Hz,放大深侧向信号;另一个工作于280Hz,放大浅侧向信号.宽带的单位增益放大器前置放大器的位置紧靠输入变压器,以减小噪声.其余的电炉位于另一块插板(监控回路电路原理图书中1-44). 35Hz高阻放大

45、器由差分放大器U1和带通滤波器U2组成.滤波器的中心频率为35Hz,35Hz高阻放大器的原理电路图示于下左图.带通滤波器的传递函数为: (1-32)式中 (1-33) (1-34)当时带通滤波器的增益为; (1-35)式中电阻为电阻网络R29,R30,R36的等效值,为电阻网络R32,R33,R34,的等效值.由电阻R36,R34,来调节滤波器的中心频率. 对于差分放大器U1可写出表达式: (1-36)又 (1-37)对上两式联立求解,可得高放Q大器的传递函数式: (1-38)由式(1-35)代入(1-38),可得高Q放大器的总增益: (1-39)调节正反馈电阻R(即R9)可以改变增益,该极的

46、增益为41. 280Hz的高Q放大器由U4,U5组成.电路结构及原理与35Hz高Q放大器相同.不同之处是带通滤波器的中心频率为280Hz.R30,R34,为频率调节电阻.该极对280Hz信号的总增益为200. 35Hz和280Hz信号经各自的高Q放大器放大后,在单位增益放大器U3的反相端汇合.在这一级完成功率放大,由降压变压器T11实现低阻抗输出.变压器T11次级的一端接到屏蔽电极A1,另一端经变压器T8(I0测量输入变压器)接到主电极A0输出35Hz,280Hz两种频率的主电流.3. 辅助监控回路辅助监控回路用来保持A1电极与A2电极在信号频率为35Hz时的电位相等整个电路是一个窄带高Q放大

47、器,谐振频率为35Hz,其电路原理图(书1-45).其电路结构与监控回路的35Hz高Q放大器类似,不再鏊述.它的电路简图示于下图.T12是一个降压变压器,以实现低阻抗输出和产生大的输出电流.电流的增益可通过调整正反馈电阻R8实现.电路的总增益(包括变压器T12),对35Hz信号为30db,对280Hz信号为-14db.电路完全避免了280Hz浅侧向信号的干扰.T12输出的35Hz电压信号一端接至屏蔽电极A1,另一端经变压器T10接至屏蔽电极A2以补偿电极A1,A2,之间出现的35Hz电位差.变压器T10为浅侧向电流源的输出变压器,对35Hz信号只呈现很低的阻抗(0.1),因此,尽管它串接在电路

48、中,但对深侧向电流可视为短路.4. 相位参考信号电路它的功能量=给电流测量电路和电压测量电路提供相位参考信号(35Hz,280Hz),实现对电流(IOD,IOS)和电压(VOD,VOG,VOS)的同相位测量(利用相敏检波电路)以减少噪声干扰,提高测量精度.相位参考信号电路如书中图1-46.(1) 35Hz参考信号电阻R1(10)串接在深侧向35Hz总电流通道中(书中图1-37),从R1上取得35Hz参考信号.由于35Hz总电流可以从1mA变化到1A,因此R1上的电压将从10mV变化到10V,其变化范围太大放大器U6输入端的齐纳二极管CR1,CR2用来限制35Hz信号的幅度不经过5V.(见书图1

49、-46)35Hz信号经U6放大,在经R24C14,R25C15滤波网络滤区尖脉冲和低频噪声,然后送至对数放大器U5,U5对小信号增益高,对大信号增益低,它在这里作可变增益放大器用,以期得到幅度相对稳定的35Hz输出信号.在U5输出端的直流偏压可能非常高,从而导致相敏检测错误,为了抵消这个偏压而引入积分器U3.积分器U3有很大的时间常数,它的直流增益很高(等于U3的开环增益);但对于35Hz交流信号增益很小,它的输出经分压后加到U3的同相端,剩下唯一可能有的偏压是来自U3本身,但它很小.U2是比较器,产生35Hz幅度为012V的方波信号.方波信号送至电压和电流测量电路作为35Hz参考信号.对输入

50、10mVde1输入信号,在该极的输入与输出之间,35Hz信号的相位误差小于1.(2) 280Hz参考信号280Hz参考信号由比较器U1产生,它的输入信号取自浅侧向电流源的振荡器的输出(见书中图1-46)U1输出280Hz幅度为012V的方波信号至电压和电流测量电路.5. 测量放大器电压信号(VOD,VOG,VOS)和电流信号(IOD,IOS)由测量放大器进行检测.（1）电压测量电路深侧向电压信号VOS经变压器T输入电压测量电路(见书中图1-37)因此它有两个测量通道(一个测VOD,一个测VOS)依据二者频率不同而把它分离开,测量电路示于(书图1-43)第一极为宽带放大器U2,二者共用,增益为1

51、0.3,二极管CR1,CR2限制输入信号的幅度.模拟开关U1受14端的EZ信号(来自刻度开关电路部分)控制,决定U2输入端的状态.接地(零刻度信号)或接电压信号.信号经U2放大后将分别进入各自的通道,每个通道均由带通滤波器,相敏检波器和低通滤波器组成.两个通道电路结构相同,下面仅以深侧向电压VOD测量通道为例加以说明.带通滤波器U3的中心频率为35Hz,增益为2.3让深侧向信号通过.相敏检波器由模拟开关U4滤波器R5(C6+C7)组成.U4的控制信号取自参考信号电路(书中图1-46 13端)输出的3Hz信号.当U4的6,19端35Hz参考信号为高电平时,U4的4-5,10-11端接通;而2-3

52、,12-13端断开.这时U3输出的35HzV0D信号正处于正半波,而4-5,10-11断开,由U3输出的35HzVOD信号变为负半波,经开关U4输至U5的反相端.在滤波器的电容C6 C7上得到一个全波整流的负信号。信号的直流分量的幅度为 式中，Vip输入信号的峰值；Virms输入信号的有效值。相敏检波器的增益为 U5为低通滤波器，滤除检波后信号内的高次谐波分量。低通滤波器的直流增益为1，测量通道的总增益21.3。由U5输出的深侧向电压VOD正的直流信号送到数字电路。浅侧向电压VOS测量通道由器件U8，U7，U6组成。不同之处是工作频率为280HZ。 = 2 * GB2 电压VOG测量电路电路结

53、构与深侧向电压VOD的测量电路相同，不再重复。VOG信号由变压器T7B引入。 = 3 * GB2 电流测量电路深侧向电流IOD，浅侧向电流IOS由电流测量电路检测，电流信号经变压器T8耦合至宽带放大器U6，这部分的简化电路示于左图，变压器T8的初级串在主电流通道上，T8的变比为1:200，电阻R3与T8次级并联，R3反射至初级的阻抗为：反射电阻作为电流的取样电阻，T8R3网络的转换因子为： V/A式中，VR3为放大器U6的输入电压。该级的增益为信号经该级放大后，IOD和IOS分别进入各自的通道。电路结构与电压测量电路完全相同，不再重复，通道总增益为1820。1.4.3 深侧向电流源35HZ深侧

54、向总电流是由地面双侧向专用插板LCM产生。井下仪器测得的深侧向电压VOD和电流IOD，由地面计算机测井系统进行除法运算得到地层电阻率，进行乘法运算得主电流功率值，对照上面的功率曲线，中央处理机CPU给出功率控制指令，由LCM插板产生所需要的35HZ总电流，使主电流功率达到额定值。原理框图LCM的电路原理框图示于下页图，它由三部分组成：接口电路，振荡器和调制器，电流放大器。 来自中央处理机CPU的功率控制信号经数据输入线DDI送至地接口电路。CPU发地址码后暂存在寄存器内，这些数据用来驱动：1）35Hz电流控制开关U2，当U2有效时才允许35Hz电流下井；2）D/A转换器，功率控制数据经D/A转换后调制35Hz振荡器的指数衰减器。 35Hz信号经送至电流放大器，在这里经功率放大后变成35Hz总电流。35Hz测侧向电流经变压器T1,电缆送至井下，然后经电极系，地层返回，返回至地面电极B。地层返回至地面电极B 。2. 接口电路（看书）接口电路主要是由地址译码器和数据寄存器组成。在CPU和LCM之间的信息交换是通过如下信号实现的：数据信息。CPU数据经输入线DDI输入10位数据，LCM经数据输出线DDO把10位数据送出。地址信息。CPU经地址线ADRO输出8位地址码；通信脉冲。写脉冲TSSD2-1、读脉冲SWO-1、启动脉