第四章-井壁电成像测井仪器

第四章井壁电成像测井仪器4.1井壁电成像测井仪测量原理4.2FMI成像测井仪习题第一节井壁电成像测井仪测量原理井壁电成像测井仪器最早是斯伦贝谢公司Doll研究中心于1986年推出的微电阻率扫描仪FMS，紧接着又对该仪器进行了改进，发展成为如今的全井眼地层微电阻率数字成像测井仪FMI。另外，阿特拉斯公司和哈里伯顿公司也相继推出他们各自的井壁电成像测井仪器STAR-II和EMI。这三家公司的井壁电成像测井仪器的原理相同，仪器测量极板结构相似，只是在极板数量和电极个数有所变化而已，它们列表比较如下：SchlumbergerFMIAtlasStar-IIHalliburtonEMI支撑臂数目466极板个数866每个极板钮扣电极数242425钮扣电极总数192144150采样间距（英寸）0．10．10．1对8in井眼的覆盖率80%60%60%表4-1FMI、STAR-II和EMI仪器参数比较一、井壁电成像测井测量原理全井眼地层微电阻率成像仪FMI如图4-1所示，主要由数字遥测电子线路、数字遥测适配器、三维加速度计、测量控制电路、柔性接头、绝缘体、磁性定位仪、数据采集电子线路及极板等九部分组成。数字遥测电子线路和数字遥测适配器组成遥测系统，用于将测量的大量数据通过电缆准确地送至地面；三维加速度计用于记录测井过程中三维加速度信号；测量控制线路用于确保在最短时间内采集所需的数据，并自动调节发射电压和放大器倍数，以确保测量线路始终工作在线性范围内；绝缘系统用于将极板部分与上部电子线路外壳绝缘隔离，使两者有一定的电位差，以确保极板上圆形电极所发射的电流经地层回流至上部仪器外壳；磁性定位器用于测量井斜角、井斜方位角及一号极板方位角；数据采集电子线路在有效的采集192个电极电流信号的同时除去测量信号中的直流成分，进行数字化，完成数字信号的数字滤波。图4-1FMI仪器示意图

FMI由四臂八极板组成，其中四个主极板，四个副极板。每个极板如图4-2所示有两排24个圆形电极，八个极板共计192个电极，测量过程中八个极板推靠至井壁，并保持钮扣电极和金属极板接近于等电位供电，同时测量192个钮扣电极电流，这些钮口电极电流的大小反映了所贴井壁的介质电阻率变化。用这192个电极的电流值经过预处理、标定及成像处理，可获得井眼极板覆盖处微电阻率扫描图像。随着仪器上提可测得全井段的数据，经过一系列处理，即可获得测量井段纵向上的微电阻率扫描图像。图4-2极板钮扣电极分布二、数据预处理与井壁图像的形成井壁电成像测井记录的数据是不同电缆深度位置上同一时刻所有钮扣电极的电流和极板电压以及放大倍数。另外还有仪器状态的有关参数如电缆加速度、井下仪器一号极板倾斜方位和倾角等。这些数据不经过预处理是无法显示为图像的，必须经过坏电极剔除、深度对齐、电压校正、规范化处理、加速度校正、方位校正等预处理后才能以图像的形式显示出来。1坏电极剔除在井壁电成像测井过程中，仪器某一个或某几个电极可能临时性工作不正常,其测量数据不反映地层电导率的变化，在成像之前必须将其剔除，否则将在图像上产生一些干扰和假象。坏电极的数据通常表现为两种现象：一是曲线过分光滑平缓，其方差小于某一门槛值；二是曲线变化非常激烈，其方差大于某一门槛值。合理设置上下门槛值可以自动识别坏电极。坏电极数据剔除后，其上的数值用临近电极的平均值来取代。2深度对齐由于测量采用的是电极阵列，不同的电极具有不同的几何坐标，而且每次成像的数据至少包含三次采样的数据，这些数据的坐标有一部分是交叉的，因此，对这些电扣必须根据它们的几何位置进行重新排列，与其坐标对应起来，以便后面的图像的生成作准备。3电压校正由于测井仪器在测量过程中，会根据各井段地层电导率的情况，改变供电电压，以保证该井段内电流的大小总在有效测量范围内。因此，不同井段的钮扣电流值是不能比较的，必须经过电压影响校正后才能进行比较。电压校正的实质是将钮扣电流转换为电导率。4规范化处理井壁电成像仪器的钮扣电极很多，在测井过程中，它们的响应特征很难保持一致，况且它们与井壁的接触情况也各不相同，再加上各电极表面形成的泥浆膜、油膜或其它污染物等随机因素的变化，这样即便对相同电导率的地层，各钮扣电极记录的数据也会存在差异。规范化处理就是使所有的电极在较长的井段内，具有基本相同的平均响应。其方法是采用滑动窗口，计算窗口内的数据的均值和方差，使井段内的这两个参数基本保持稳定。5加速度校正仪器在井中的非均匀运动，特别是当仪器偶尔轻度遇卡，继而又靠电缆拉力解卡时，井下仪器会在井眼中发生短暂停留和非均匀运动，而井口电缆仍表现为均匀运动。这将使仪器的真实深度和井口测深系统测得的深度之间存在不稳定的偏差，从而严重地干扰了曲线采样值与真深度之间的对应关系。速度校正的目的就是要消除仪器非匀速运动引起的深度误差。6方位校正由于井下仪器在测量过程中的旋转而使仪器在不同深度位置同一极板所测得的不是同一方位上的井壁，从而导致图像上的变形。方位校正就是针对这种变形而设计的校正处理。7图像生成和显示由井壁电成像测井得到的是井壁电阻率阵列，要想用图像的形式显示出来，必须将电阻率值转化为图像的灰度或颜色值。为了提高图像的显示质量，经常还需要对图像进行滤波和增强处理。预处理小结：1.坏电极剔除2.深度对齐（几何校正）3.电压校正4.规范化处理5.加速度校正6.方位校正7.图像生成与显示三、仪器测量响应的标定井壁电成像测井仪测得的钮扣电极电流要转换为地层电阻率就必须进行标定或称为刻度。经过上述的极板电压校正后一般得到的是单位电压下的电扣电流，即钮扣电极测得的电导，其倒数为电阻。将电扣测得的电阻与电扣的仪器常数相乘就得到电阻率值，即：在实际资料的处理中，FMI采用浅双侧向测井曲线进行变K值概念下的标定。这种标定仅为井壁电成像测井资料定量评价裂缝、孔洞进行的而不是为测量地层电阻率值而做的。如果要真正利用井壁电成像测井测量地层的电阻率的话，其电扣的K值则需要象直流电测井仪器的刻度一样通过实体刻度或理论计算得到。第二节FMI成像测井仪一FMI成像测井仪的测量原理图

FMI仪器基本结构如图4-3所示，自下向上依次由扫描电极系(FBSS)、探臂短节（FBSC）、控制短节（FBCC）、遥传接头（DTA）和遥传短节（DTC）组成。(1)扫描电极系主要用来对192个钮扣电极信号的多路切换和前置放大。(2)探臂短节主要完成对FBSS送来的信号的进一步多路选择、放大、去除直流分量的功能。(3)控制短节则用来控制井下仪器的正常工作。(4)遥传接头和遥传短节则用于实现井下仪器和地面仪器的数据传输。图4-3FMI仪器结构图图4-4FMI仪器电路流程FMI仪器的基本电路流程可以用图4-4表示，主要由扫描电极系(FBSS)电路、探臂短节(FBSC)电路和控制短节(FBCC)电路组成。测量信号（192个钮扣电极电流信号）分四路通过电极进入FBSS和FBSC电路。这四路的电路完全相同，它们都经过多路转换开关的分时选择、前置放大、再选择、放大、去除直流分量、模数转换后进入数字处理单元，然后通过串行通信进入通用井下控制器，最后由通用井下控制器控制数据传输接口传到地面计算机中。通用井下控制单元图4-5FMI仪器电路组成框图上图的具体电路模块组成如图4-5所示。图中由上往下数的第二层GPIC是FMI仪器附加的倾斜测量仪，该仪器将不介绍。控制短节探臂短节扫描探臂单路电路结构和各个观测点处的波形如图所示，48个钮扣电极中的每个电极得到的是一系列连续的正弦波形，而经过第一级多路转换开关的选择采集后变成三路由16个电扣的正弦波（每个电扣6个周期）组成的时间系列。这三个时间系列再经过第二级多路开关选择采集变为一路由48个电扣的正弦波（每个电扣2个周期）组成的时间系列。该时间系列信号经过自动增益放大和直流分量去除后进入到FBSC层次中。图4-6单一通道的FBSS和FBSC电路结构及各节点处信号波形多路累加器积分运算ADC波形规范化3路×16扣每扣6周期1路×48扣每扣2周期消除直流偏移后二、主要电路分析FMI仪器的电路主要由：（1）扫描电极系FBSS；（2）探臂短节FBSC；（3）控制短节FBCC；（4）遥传短节等部分组成。在本节中主要介绍前面三部分电路。1.扫描电极系电路FBSS

扫描电极系电路FBSS包括四个臂的四路电路。每路电路由一块电路板FBSS001组成，主要进行电扣信号的多路选择和前置放大功能。图4-7单一路FBSS电路图每块FBSS00#电路板电路如图所示。由三个超大规模集成电路VLSI1、VLSI2和VLSI3组成，每个VLSI内有16个电流缓冲器。这16个电流缓冲器外接16个钮扣电极，内接同一个16转1的多路转换开关。多路开关的输出接一电流前置放大器，该放大器的输入与输出之间跨接一阻值为2050

的电阻，使得其能将1mA的输入电流转化2.05V的输出电压。

VLSI的每个电流输入缓冲器的一个输入端均通过一个1

的限流电阻和内部测试信号TEST相连接。图4-848个电扣与VLSI的关系2.探臂短节电路FBSC

探棒探臂短节电路FBSC主要由以下几个模块组成：（1）自动增益放大（VGA）电路模块FBSC102；（2）模数转换（ADC）电路模块FBSC011/021；（3）光耦合串行连接电路模块FBSC003；（4）电源电路模块FBSC004；（5）测试继电器组电路模块FBSC006。

（1）VGA电路模块

VGA模块包括两块电路板(FBSC102/1和FBSC102/2)，它们主要实现模拟信号可变增益放大处理。每块电路板包含两个互相独立的通道，每个通承担来自一个仪器臂的模拟信号的处理。（2）模数转换电路ADC模块滤过波的模拟信号用8位ADC转换器中以1.024MHz的速率采样，重新采样时采用10位的ADC。一个普通的5V参考信号一般要被衰减到4.54V，以符合ADC的输入范围，所有用于驱动ADC转换、数字处理和FBSC串行输出的时钟信号均由EPLD电路U16产生的。数字处理目的是从输入信号中抽取频率为16kHz的同相位分量。而在被选中的快速通道上所进行的数字处理则抽取90°相移的正交分量和直流分量。（3）通信模块电路模块FBSC003考虑到仪器的整体结构要求以及GPIC模块安装在FBSC电路和FBCC电路之间，需要大量的导线必须通过GPIC传送命令和数据，而且每个光耦合器需要一根导线来保证Emex与两个短节之间的绝缘，一个双工连线大大地减少了连线的数量。这个模块被设置在Xilinx芯片周围，在串行连接电路的下方。串行连接是双工的、同步的、时钟脉冲频率为2.048MHz。除了Xilinx芯片之外，模块内还包含光耦合器件，用来隔离连接的上下两边和两个PROMs（只读存储器）。（4）供电模块FBSC004该模块通常用于产生FBSC短节所需的供电，所有电源的参考电压为FBSC机壳的接地电压，或是模拟的L/AGNID或是数字的L/DGND。两个模拟电压+/-12V产生于FBCC标准的未稳压的+/-15V电源，这种调节是由安装在机壳上的微型调节器完成。+/-5V的电源供电给极板电路来自于FBCC标准的未稳压的+/-8V电源，ADC的参考电源从+5V电源中提取。用于FBSC的+5V电源通过调节FBCC+8V电源获得。（5）保护电路FBSC005该模块的主要功能有两个：

·极板短路保护。

·Emex电压调节。极板电路要求有两个+/-5V电源，如果极板之一发生短路，就被FBSC005板检测到并且这个板的供电会被中断。图6.5显示的是极板保护电路，当任何一个V5PADs或-V5PADs低于给定的阀值，四象限比较器U2触发或门U1，将晶体管U4的开关接通MOS极。当U4导通的时候，继电器K2打开，使电路经由限流电阻R14

和R10再接到电源，这样可以避免电路烧坏。图4-9FBSC005模块中的短路检测电路参考电压限流电阻启动保护开关平常直通,异常时改为经限流电阻供电图4-10FBCC的电路原理图3、FBCC电路控制短节（FBCC）电路原理如图4-10所示，由串行连接接口FBCC0