井下测井仪论文

井下测井仪论文（共4篇）

井下测井仪论文 篇1

0 引言

核磁共振测井方法可直接测量地层孔隙中可动流体的信息, 可定量确定自由流体、束缚水、渗透率及孔径分布, 其孔隙测量不受岩石骨架矿物成分的影响, 因此目前颇受测井行业的广泛应用[1]。与此同时, 通过核磁共振测井采集到的地层回波信号相当微弱, 其幅度值大概在40n V~2u V之间, 几乎不可能通过常规测试手段直接检测到相应信号。本文重点介绍了两种微弱信号的提取算法, 通过这两种算法可以有效地从采集到的微弱回波信号中快速提取相关信号幅度与相位信息, 因此目前普遍应用于核磁共振微弱信号的提取处理上。

1 微弱信号处理算法分析

1.1 相敏检波算法 (DPSD) 分析

目前, 对于纳伏级 (n V) 微弱信号电压的测量仪器主要有锁定放大器和取样积分器两类。前者是物质表面组份分析和表面电子能态研究的重要手段;后者使得核磁共振技术得以真正实现。这两类微弱信号检测仪器可测量到淹没在强噪声中的μV~n V量级的电压信号[2]。不过由于测量系统以及各种外界干扰引入的各种噪声使得噪声强度高出有用信号几十倍, 一些常规的电压测量方法无法测量淹没在强噪声中的电压信号。对于这些信噪比低至-30~-60db范围的混于噪声中的微弱信号的测量均采用基于最大似然估计的互相关方法[3]。下面重点对互相关法的一种DPSD相敏检波算法进行详细介绍。

图1中清晰列出了相敏检波算法的结构图, 其中设被测信号x (t) 为:

式 (1) 中K为测量电路放大器增益, n (t) 为零均值高斯噪声。图1中对应的输出值为对正弦信号x (t) 的幅值Us以及相位θ的最大似然估计。其中

式 (2) 、 (3) 中参考信号r1 (t) 及r2 (t) 为相互正交且与x (t) 同频的正弦信号。r1 (t) =Urcosωt, r2 (t) =Ursinωt。

已经证明, 由最大似然估计得到的正弦信号幅度及相位属于一致、有效估计。但是当被测正弦信号为纳伏量级时, 测量系统噪声是信噪比低至-30db~-60db, 则在有限测量时间T以内, U01和U02的测量结果会有较大的起伏波动, 从而严重妨碍了正弦参量Us以及θ的精确测量。显然, 如何选择合适的测量电路以及参数是微弱正弦信号检测的关键技术[4]。

而DPSD算法 (数字相敏检波算法) 是指利用计算机或DSP芯片实现式 (2) 以及 (3) 的相敏解调算法。将以上二式数字化后, 可写成

式 (6) 中N为取样点数 (或数据长度) 。将式 (6) 用递推算法完成, 即

式中的U01 (n) 为第n次取样后的计算平均值。r2 (n) 与r1 (n) 相位差90° (如图1) , 故r2 (n) 可以通过r1 (n) 来产生, 但由于r1 (n) 是取样信号, 故要求r1 (n) 一周期内的取样点数与原频率之比为4的整倍数, 即m为4的整倍数。fs为采样频率 (r (n) 采样频率必须等于x (n) 采样频率) 。在预先存储中可以先让Ur为1, 最后通过计算得出的相位是采样起始点处的初相[5,6]。最后利用式 (4) 和 (5) 求出回波的幅值和相位。

以下是参考信号r1 (n) 与r2 (n) 和U02 (n) 的相关计算公式。

为了验证以上算法我们输入标准正弦信号并加入噪声后如下图2左边所示, 可以看出信号淹没在噪声中, 利用DPSD算法进行提取后其提取结果如图2右边所示:

从上图2中, 我们可以清晰地看到原始输入信号混入白噪声后形状已经失真, 无法直观辨别输入信号的实际形状。将混入噪声的输入信号进行上述DPSD相敏检波算法处理后得到图2右边所示的原始信号波形。从图中我们可以直观看到通过DPSD算法处理后, 利用该算法选频特性好的特点成功地将信号从噪声中提取出来。

1.2 小波提取算法设计

小波变换在当前微弱信号处理中应用越来越多, 它是时间 (空间) 频率的局部化分析, 通过伸缩平移运算对信号 (函数) 逐步进行多尺度细化, 最终达到高频处时间细分, 低频处频率细分, 能自动适应时频信号分析的要求, 从而可聚焦到信号的任意细节, 解决了Fourier变换的困难问题, 成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破[3]。有人把小波变换称为“数学显微镜”。

1.2.1 含噪信号的小波域表述

假定待提取的信号是一个有用信号与噪声的叠加效果, 通过一种正交小波变换, 可以最大程度的消除了信号的相关性, 将能量集中到少数的小波系数上, 从而达到滤除噪声的目的。首先来分析其中噪声小波域的分布规律。平稳白噪声的正交小波变换仍然是平稳的白噪声, 其小波系数仍是互不相关的, 分布在各个尺度下的所有时间轴上。假设n (t) 是一个方差为σ2的宽平稳白噪声, ψ (t) 是一个小波函数, 则白噪声n (t) 的小波变换的期望值为:

上式 (11) 中Ws为小波变换系数因子。上式 (11) 表明, 随小波变换尺度S的增加, 白噪声的小波变换幅值的均值E{|Wsn (t) |2}在减少, 其衰减正比于1/S。若白噪声n (t) 是高斯白噪声, 在变换尺度S上, 其小波变换模的平均密度为:

上式 (12) 说明, 高斯白噪声的小波变换模值的平均密度正比于1S, 随着分解尺度S的增大, 其密度减小。由上述两式性质可知, 随着分解尺度S的增加, 噪声的小波谱因幅度和密度的逐渐减少而将逐渐消失, 从而达到滤出噪声的目的。下面来分析信号的小波域表述。设信号f (t) 是光滑且P次连续可微的函数, ψ (t) 是具有p阶消失矩的实正交小波, 其支撑为[c, d], 有下式 (13) 所示关系:

若上式 (13) 中j足够大, ψjk (t) 变得足够窄, 将f (t+2-jk) 用其在2-jk处的p阶泰勒级数展开近似表示, 即:

由于ψ (t) 具有p阶消失矩, 故有如下关系:

对于上式 (15) , 由于是不为零的常量, 故<f, ψjk>随分解尺度j的增加而迅速变小。

1.2.2 提升小波算法

小波分析在实际工程中的应用主要通过以下三种方式:MALLAT算法、多孔算法以及提升算法[5]。前两种算法均建立在经典小波分析基础之上, 其核心是基于二进平移和伸缩思想的小波变换和多分辨率分析, 而经典小波分析则由傅里叶变换发展而来, 因此MALLAT算法和多孔算法或多或少都会受傅里叶变换的影响。而提升小波算法相比基于经典多分辨率分析的小波 (第一代小波) 最主要优点是:改进了第一代小波算法, 使其更易于实现。提升算法不存在卷积运算, 节省了大量的计算时间和程序空间, 计算量只有MALLAT算法的一半且避免了卷积计算存在的边界问题;计算过程简单明确, 易于实现, 可以采用原位计算, 只需申请少量的额外存储单元, 节省了存储空间;摆脱了傅里叶变换的束缚, 可在第一代小波基的基础上较为方便的设计满足需要的小波基, 尽管不能发现新的小波基, 但可以改善现有小波基的特性, 如消失矩特性等。小波滤波器组中滤波器h可以表示为式 (16) 所示的多相位形式, 式中he (z) 和ho (z) 如式 (17) 所示, 分别包含了h (z) 的偶系数和奇系数[7]。

小波滤波器组h和g的多相位表示为下式 (18)

上式 (18) 中称P (z) 为多相位矩阵。小波分解重构的多相位表示如图3所示。

Daubechies和Swedens在此基础上提出了多相位矩阵因子分解的定理:若P (z) 的行列式等于1, 则总存在Laurent多项式ui (z) 和pi (z) 以及非零常数K, 使得

上式 (19) 中pm (z) =0。根据多相位矩阵的因式分解以及图4所示小波分解重构的多相位表示, 得到下式 (20) 和式 (21) :

进一步得到如图4所示的小波分解过程的提升算法流程图以及图5所示的小波重构过程的提升算法流程图如下:

上图4所示为一层提升小波分解流程图, 得到近似系数a (z) 与细节系数d (z) , 在反复按照图4所示进行多层提升小波分解最终得到最底层的近似系数与细节系数。图5为一层小波重构过程的提升算法流程图, 它是提升小波分解的逆运算, 通过反复执行提升小波重构过程从而使分解的小波信号重构成去噪后的有用信号。

2 结束语

本文论述了在核磁共振测井中微弱信号提取的两种实现算法 (DPSD) 相敏检波算法与小波提取算法, 对这两种算法进行了详细的介绍与分析。在核磁共振测井中, 很多都利用这两种提取算法对采集到的回波串信号进行信号提取处理, 其有着很好的噪声抑制和信号提取的能力[8]。这两种微弱信号提取算法已经成功应用在实际核磁共振测井仪器上, 并取得了很好的应用效果。

摘要：本文针对核磁共振测井中采集到的核磁回波信号十分微弱的特点, 提出两种微弱信号的提取处理算法:DPSD数字相敏检波算法与小波提取算法。详细分析了两种算法的特点, 并对两种算法的微弱信号提取效果进行了分析。目前该两种微弱信号的提取算法已经成功应用于核磁共振仪器的微弱信号提取上, 并在实际测井过程中取得了很好的应用效果。

关键词：核磁共振,微弱信号,CPMG序列,DPSD相敏检波,小波变换

参考文献

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[3]Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Sci-entific Instruments, 1966.

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[5]戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M].北京:国防工业出版社, 1994.

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[8]肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京:科学出版社, 1998.

测井井下数据采集研究 篇2

1 针对测井井下数据采集的现状分析

在石油勘探、开采以及后续的生产过程中, 油井的测试工作贯穿始终, 而测井的目的就是判断油井的静态与动态状态, 从而指导石油的生产, 所以测井对于石油生产具有非常重大的意义。测井的数据采集工作重要包括信号的获取、信号的传输以及信号的采集, 在这个工作基础上, 相关技术人员才能对这些数据进行分析, 从而了解到井下中的相关参数。一般而言, 测井就是采用专门的测量仪器, 采集地球物理参数, 并利用地球物理方法分析井下流体的运动状况、井身的结构情况以及产油层物理地质状态的变化。在早期的石油勘探活动中, 一般通过裸眼的方式进行探测。到了二十世纪五十年达, 温度计、压力计和流量计可以组成一台测井仪, 可在地面上记录测井后的数据。到了二十世纪七十年代, 油井测井中陆续引入了声波测试与放射性测试, 测井井下的参数可以较为方便的记录下来。使用中子进行测井的寿命评价和次生伽马能谱对产层的性质进行判断后, 不但可以探测井内流体的运动, 而且可通过声波和变密度检查测井固井的质量。到了二十世纪八十年代, 伴随着信息革命与计算机技术的飞速发展, 测井的数据采集技术进入了数字化与信息化的新时代。

通常, 测井的数据采集系统由测试控制系统、传输系统、传感器三部分组成。而测试控制系统主要包含信号采集系统与信号控制系统。而测井的传输系统, 主要用于传输和采集信号, 这些信号一般由传感器所获取。在测井的数据采集系统中, 传输系统主要包含电缆及与测试控制系统和传感器系统两端的相关设备。测井数字采集系统中的传感器通常包含敏感探测元件为核心的仪器与与之相关的辅助测量元件。一般意义上, 传感器需要进入待测量区域的内部空间, 对其的相关信号进行采样后, 通过传输系统向采集系统传递, 最终被采集系统收集并记录下来。

2 新型关键技术在测井井下数据采集

现代测井数据采集工作中应用了当今最为先进的信息技术、网络技术计算机技术等, 这些技术推动了测井的数据采集工作大幅度的进步, 但是如何传统的信号处理技术对于建立一套稳定、精确的数字采集信号系统而言, 仍是不可或缺的。

2.1 网络技术

网络技术主要应用于数据采集主机与前端设备的连接工作中, 这些连接工作采用了很多种方式, 但这些连接可以采取多种方式, 但这些连接方式都需要网络协议的支持。在测井的数据采集系统中, 使用恰当的网络连接技术将井下的设备与仪器通地面上的采集系统连接起来。由于信号在测井电缆中的传输的情况非常特殊, 比如噪声、信号衰减、不同信号相互干扰等现象造成了信号的畸变, 使用网络连接技术中, 仍需要利用成熟的信号处理方法消除以上所述的信号噪声, 这一问题也是研究的热点。

2.2 使用嵌入式实时操作系统及其开发技术

嵌入式实时操作系统及其开发技术涉及到主机与前端设备的分工、高速数据及时采集问题。通常主机一般都预先装好了通用的商业系统, 如Windows等。但这些设备的主要面向于普通大众, 虽然其通用性较好, 但对用工业领域实时性却非常差, 只能适用于交互式的应用程序, 对要求较高的高速数据采集应用程序的变现却非常差, 所以有必要采用嵌入式实时操作系统来解决这一问题, 而通用的操作系统主要用于显示、记录等工作。所以, 嵌入式系统开发技术对于测井的数据采集系统的高速数据采集工作而言是极其关键的

2.3 数据质量审核与维护技术

测井数据的采集质量影响着测井数据的分析与判断, 为了保证数据采集质量, 首先需要利用数据的采集软件进行审核与处理, 然后就是要建立响应的实施审核机制, 预先测井的数据特征进行研究, 并建立响应的数据判断机制, 从而有效的保证数据的准确性与及时性。将采集好的数据存储在采集系统中, 并实施一系列的备份技术, 对于便于用户实行分级管理、授权查询等工作而言具有重要意义。而且这些数据的使用范围, 从石油的勘探生产部门到相关管理与科研部门都会涉及到。从这个方面而言, 如何建立起一套实时、精确的数据质量审核与维护系统, 将是测井数据采集研究的热点。

3 总结

通过以上对测井井下的数据采集相关分析与研究可以看出, 现代测井井下数据采集的重要工作主要集中在相关软件技术与信息技术的应用上, 甚至硬件的开发越来越依赖与各种各样的软件开发上, 而测井数据的采集、处理最终均通过软件的形式存在。因此, 软件的开发在现代测井数据采集上所占的地位也会越来越重。而传统信号处理技术对于测井井下数据的采集的地位则依然非常重要。信号传输的方式以及模拟信号与数字信号转换的精度等问题仍将在未来很长一段时间中, 仍是测井井下的数据采集研究的热点。

摘要：文本针对测井井下数据采集中的现状, 从对其现状的分析入手, 根据其存在的难点与数据的结构特点, 分析了先进的科学技术应用的意义, 并指出只有将先进的信息技术与计算机技术等高新技术, 应用在测井井下数据采集领域, 才能有效的推动测井井下数据采集的技术进步与科技创新。

关键词：测井,数据采集,现状分析,先进的科学技术应用

参考文献

[1]刘子文.中国石油学会第十四届测井年会.测井数据库建设及应用, 2005[1]刘子文.中国石油学会第十四届测井年会.测井数据库建设及应用, 2005

[2]刘磊.胜利油田测井数据管理[J].今日科苑.2007, (18) [2]刘磊.胜利油田测井数据管理[J].今日科苑.2007, (18)

[3]胡道元, 主编.计算机网络 (高级) [M].清华大学出版社, 1999[3]胡道元, 主编.计算机网络 (高级) [M].清华大学出版社, 1999

井下测井仪论文 篇3

1 煤矿井下无缆测井系统的组成

该系统由多功能无缆测井系统同步机、测深装置和自然伽玛、选择伽玛、全方位测斜仪组合探管等几部分组成。该系统不用电缆, 采用钻杆取送探管, 利用同步机和探管时间同步的的方法进行无缆测井。

1.1 系统的功能与操作流程

系统采用组合探管对钻孔数据定时采样, 同步机定时对测深装置的正转、反转、停止等数据跟踪采样, 并确定采样点的有效性, 从而完成无缆测量工作。同步机控制探管的复位、延时、数据采集、存贮及通信。测量时首先把同步机与探管用连线连接, 使同步机与探管同步工作;再根据所测钻孔的深度, 确定所需延时时间, 按下同步机的延时键。拆开连线, 用钻杆把探管送入钻孔需测的位置;延时到后, 探管开始采集、存贮钻孔测量数据, 由同步机记录测点的有效性;测量完毕, 把探管中存贮的测量数据通信传输到同步机, 再由同步机将数据通讯传输到计算机, 进行深度数据处理和测井数据的深度对齐, 绘出测井曲线。

1.2 系统的结构设计

系统结构设计中重点是探管的设计。为了井下测井携带方便, 将测井探管分为三节, 测斜探管为一节, 自然伽玛为一节, 选择伽玛为一节。实际测井时将三节探管连为一体。

1.3 系统的电路设计

系统以单片机为核心, 实现系统的控制、数据采集、存贮、通信、数值计算以及结果显示。为降低功耗, 保证系统工作时间, 不采集信号时不给传感器及电路供电。同步机主要由键盘、显示器、单片机电路、数据存储器、程序存储器、通信接口 (与探管、与计算机通信) 等组成。测斜探管包括电源电路、磁通门电路、重力加速度计电路、A/D转换电路、单片机采集控制电路、通信电路等;选择伽玛探管包括信号处理电路;自然伽玛探管除信号处理电路外, 还包含单片机采集控制电路、通信电路数据存储电路、电池、电源电路等。

1.4 系统参数

1.4.1 测井仪同步机

测量参数:可达10种;存贮容量:1024k;采样计数时间:1.0s或可选择;每道计数 (测量) 范围:0~65536cps。

1.4.2 测井探管

测量参数:自然伽玛、选择伽玛、倾角、方位角。

1.4.3 仪器技术要求

测井深度:≤800m;▲工作时间:不少于8 h。

1.4.4 测量精度

煤与岩层的分辨率:≤10cm;深度误差:≤10cm;倾角测量范围及精度:±600 (均方差±0.40) ;方位角测量范围及精度:0~3600 (均方差±40) 。

1.4.5 适应工作环境条件

环境温度:0~40℃;相对温度:96%;探管耐压:8MPa。

2 井下实地测量的结果及相关分析

下面以新汶煤业集团鲁庄矿井下的实测结果为例介绍采用更新后的煤矿井下无缆测井系统应用结果。在鲁庄矿井下实测的是一口垂直钻孔, 测井的目的是为了确定和验证136m左右煤层垂直深度与厚度。根据任务, 利用更新的测井系统采样灵活的特点, 选定测井曲线连续时间采样, 倾角、方位角每5m一个采样点的测井方法。

2.1 测量结果

2.1.1 测斜原始数据

为了便于对比, 将各岩层、煤层的分界面参数列于表1中。由于每隔5m对倾角、方位角取一次样, 而各岩层的分界面不一定正好和倾角、方位角的采样点重合, 这种情况下, 岩层的分界面处的倾角、方位角数据用邻近的上层与下层数据的中间插值代替。由于是采用刚性的钻杆取送探管进行测量, 在5m之内不会产生较大偏角, 由此带来的误差很小, 可以忽略不计。

2.2 测量数据处理及结果分析

2.2.1 数据处理

相对孔口平面垂直深度h的计算公式如下:h=hi×conα (1) ;相对孔口平行线的水平距离x, 则计算公式为:x=hi×sinα (2) ;将表1中各层位交界处 (层底部) 的测量深度、倾角带入公式 (1) 即可求出相对孔口的垂直和水平距离: (见表2所示)

真厚度d的计算公式:

式 (3) 中h底表示层位底部相对孔口的平面垂直深度;h顶表示层位顶部相对孔口的平面垂直深度;在计算时取绝对值。将由公式 (1) 计算出各层位交界处的距孔口垂直距离 (h) 代入 (3) 式, 即可求出各层位的真厚度d (计算结果见表3所示) 。

2.2.2 测量结果分析

现就钻探取芯资料 (柱状图) 中的两煤层进行分析如下。

煤层:由表1可以看出102m测点处 (煤层位顶部) 的方位角为136.95° (即偏向东北方向136.95°) ;同样, 表1中102.90m处 (煤层位底部) 相对孔口平行线的水平距离为x=hi×sinα=102.00×sin3.39°=6.03m;由表1可以看出102.90m测点处的方位角为136.95° (即偏向东北方向136.95°) ;由表4可看出 (5) 煤层真厚度为0.9m。

煤层:由表1可以看出103.75m (煤层位顶部) 的方位角为136.95° (即偏向东北方向136.95°) ;同样, 表1中105.41m处 (煤层位底部) 相对孔口平行线的水平距离为x=hi×

表4实测结果与钻探取芯对照表注 (表中的厚度误差是相对伪厚度)

sinα=105.41×sin3.40°=6.25m;由表1可以看出105.41m测点处的方位角为137.10° (即偏向东北方向137.10°) ;由表4可看出 (7) 煤层真厚度为1.65m。

如图1所示。

2.3 实测结果与钻探取芯对比

钻探取芯资料和用更新后的井下无缆测井系统实测结果对照表4所示。

由表4可以看出取芯资料和仪器实测资料各层厚度误差≤10cm, 同时也说明测井时对煤层与岩层的分辨率≤10cm。其中钻探取芯资料中没有 (3) 煤层, 经分析是因为此煤层太薄 (软) 没取上芯, 用更新后的井下无缆测井系统进行测井的目的就是为了验证钻探取芯和地质分析资料的正确与否。测斜的目的是为了确定和计算出煤层和岩层的真厚度以及所处的位置。根据实测数据并通过计算获得的结果与鲁庄矿原来的测井资料及钻探取芯资料进行对比, 表明井下无缆测井系统性能稳定、测量结果可靠, 能够达到实用要求。

3 结语

a系统应用单片机技术, 采用无缆测量方式进行工作。能准确地测量出倾角和方位角, 极大提高了仪器的耐冲击性, 解决了测斜仪的可靠性问题, 适应井下工作环境。b该矿井无缆测井系统轻便、操作简单, 自动化程度高, 提高了测井效率, 使测斜仪达到了实用要求。c该系统在工艺、软件上有待进一步的完善与提高, 但已经展示出较好的应用前景。d随着井下资源探测规程的出台, 需要研究增加测井系统的声波、电阻率等测量参数。另外, 还要不断更新电子元器件, 如采用半导体元件替代光电倍增管, 采用电子放射性源替代天然放射性源等, 以尽可能降低成本和危害, 增加系统的可靠性。

参考文献

[1]黄智辉.地球物理测井资料在分析沉积环境中的应用[M].北京:地质出版社, 1986.

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[3]刘大恒.地球物理测井基础[M].北京:中国工业出版社, 1966.

井下测井仪论文 篇4

关键词：测井技术,套管设计,过套管电阻率测井,井下仪器

0 引言

过套管测井对于油田开发过程中油藏监测和剩余油评价都有着重要的意义和广阔的应用前景[1]。目前为止,用于过套管测井的方法有三种:C/O测井、中子寿命测井与过套管测井,这些都有其局限性,C/O测井探测深度较浅,测速低且代价高;中子寿命测井在低孔低盐等条件下测量误差大;过套管电阻率测井对高阻地层测量误差较大,对套管外壁涂防腐层的油井无法测量[2]。

传统过套管电阻率测井信号通过金属套管流入地层,然后流回接收电极,通过测量该信号,得到地层的信息。但金属套管的电阻率远小于地层与油水混合物的电阻率,从电极发出的信号部分直接沿套管流回接收电极,没有进入地层。为了克服这一问题,提出基于目的层的特殊套管设计,这种套管利用玻璃钢套管的绝缘性和金属套管的导电性设计而成,它由多段金属套管与玻璃钢套管交替构成。因此,当电极发出信号,由于玻璃钢套管的绝缘性,信号只能通过地层或套管内油水混合体传送,从而达到使更多的信号进入地层的目的。

本文基于这种新型套管,设计了一套新型的过套管电阻率测井系统。这种过套管测井系统可以解决传统金属套管因电阻率低,导致信号流失的问题,从而改善以往过套管测井技术测量误差较大,探测深度较浅等问题。该过套管测井方法在油田应用中有三个方面:一是探寻老井中漏掉油气,增加油气可采量;二是检测当前开采情况,为后续开发做准备;三是确定剩余油饱和度[3]。

1 系统方案设计

新型过套管测井系统由井下仪器系统、数据传输系统、地面控制系统构成。具体包括系统整体设计、激励源设计、数据采集系统设计、数据传输系统设计、主控制器设计、地面控制系统设计等。

从设计特殊套管到构建整个系统,再将系统模块化,然后根据各模块实现的功能及在系统中的工作时序,分别进行分析和设计,最后将各模块相结合,再综合设计,完成这套基于套管设计的过套管测井系统,该系统将能很好地应用在生产测井中。新型过套管测井系统结构框图如图1 所示。

图1 中RL为等效地层电阻,激励信号源向电极系上注入激励电流,从而获得地层电阻率信号。此信号进入数据采集模块进行处理,使之能够直接进入A/D转换模块。将信号进行模数转换后送达主控制器,经主控制器处理后通过传输系统经电缆送达地面控制系统,由地面控制系统发出指令控制井下主控制器,进而控制激励信号源。

2 激励信号源的方案设计

激励信号源的方案设计框图如图2 所示,主要由控制模块、DDS模块、信号调理模块、功率放大模块等组成。控制模块收到改变信号源参数的指令,控制模块是整个激励信号源的控制中心,发送控制命令给DDS模块,改变发出信号的参数。DDS模块在控制模块的控制下,产生低频正弦信号。信号调理模块对输出信号进行调理。信号隔离模块的作用是使功率放大模块与DDS模块电气隔离。功率放大模块实现信号功率的放大,以满足微弱信号采集与系统的要求[4]。

2.1 控制模块

控制模块主要由控制器及周边电路构成,可以控制DDS芯片。该设计使用AD公司的ADSP-2189M芯片作为控制器件,其与DDS芯片的接口如图3 所示。

2.2 DDS模块

DDS模块设计框图如图4 所示,包括DDS芯片、差分放大电路、低通滤波电路和电压放大电路等[5]。主要功能是生成信号,滤除噪声与信号放大输出等。该设计选用AD公司生产的AD9834 芯片,这是一款高性能、低功耗DDS芯片,可以输出高性能正弦波、三角波以及方波信号。差分放大器将信号转换成单端输出,抵消输出信号中的直流部分;低通滤波器将输出信号滤除高频部分;电压放大器输出的信号幅度放大到±5 V。

2.3 功率放大模块

该模块采用PA12 集成功率放大器,PA12 是一款大电流型集成功率放大器件,内部耗散功率为125 W,宽电源电压工作范围为±10~±50 V,大电流输出范围为±15 A。

3 数据采集的方案设计

数据采集的方案设计框图如图5 所示。数据采集系统包括:前置放大电路、信号调理电路、A/D转换和信号采集电路。前置放大电路和信号调理电路的功能是对微弱信号进行放大和滤波,使之能直接接入ADC。信号采集电路的主要功能是对放大电路输出的信号进行采集、处理,同时接收和执行主控制器的命令。

3.1 前置放大电路

减少引入观测噪声是检测微弱信号的关键,而前置放大器是噪声被引入的主要部件之一。因待测信号很微弱,所以前置放大器选用超低噪声器件,否则前置放大器自身噪声就会加深覆没以前就被噪声淹没的待测信号。这里选用OP37,由于OP37 具有很高的共模抑制比,而差分放大电路又能减少共模信号而放大差模信号,故能很好地检测到有用信号。

3.2 信号调理电路

为了让信号适合信号采集,所以需要设计信号调理电路。一方面,需要设计单端转差分和幅度调节电路保证A/D转换芯片所需的输入信号。另一方面,要保证信号测量的精确性,应使信号在测量满量程的一半左右,所以需设计程控增益电路。

3.3 信号采集电路

这里选用一种具有Delta-Sigma(Δ-Σ)模数转换技术的采集芯片ADS1271,能将放大后的模拟信号转换为数字信号。控制器选用ADSP2186M,该部分主要是控制ADS1271 的工作模式、串行口工作方式、A/D转换数据的读取、缓冲、处理和发送等。信号采集电路框图如图6 所示。

4 主控制器的方案设计

主控制器实现对整个系统各个部分的控制,控制激励信号源输入地层的信号,控制数据采集系统对信号的采集处理,并将处理后的数据传输到地面控制系统,并且接收和执行地面控制系统的指令。主控制器设计为DSP加CPLD的方案。根据所选芯片的工作要求介绍主控电路的硬件实现。

4.1 DSP外围电路

要让DSP能正常工作,首先要设计一个最小硬件系统[6]。系统选用ADSP-2189M作为控制核心,包括外围的电源、时钟、复位、模式设置,还有FLASH拓展和CPLD接口电路等。ADSP-2189M的最小硬件系统如图7所示。

4.2 DSP与CPLD接口电路

DSP与CPLD的接口电路如图8 所示。

5 结语

本文基于一种特殊设计的套管,提出一种新型的过套管电阻率测井系统。针对这种新型的过套管电阻率测井系统,本文进行了系统仪器设计研究,重点对井下仪器的各个组成部分进行分析和研究,研究各部分的构成及各构成模块选型与设计。这种测井仪器能够有效地改善传统过套管电阻率测井仪器在开发测井中的一些局限性,如测量误差较大、探测深度较浅等。

参考文献

[1]张家田,霍菲菲,严正国.过套管电阻率测井技术及应用[J].内蒙古石油化工,2010(3):89-90.

[2]马龙,黎伟,忽雪娇,等.智能套管测井系统研究[J].电子制作,2014(15):19.

[3]吴银川,张家田,严正国.过套管地层电阻率测井技术综述[J].石油仪器,2006,20(5):1-5.

[4]吴银川,张家田,严正国.过套管电阻率测井大功率超低频信号源设计研究[J].测井技术,2009,33(4):394-397.

[5]张家田,严正国,包德洲.过套管电阻率测井技术[M].北京:科学出版社,2013:31-98.