第四章 井壁電成像測井儀器

1、第四章 井壁電成像測井儀器n4.1 井壁電成像測井儀測量原理n4.2 FMI成像測井儀n習(xí)題第一節(jié) 井壁電成像測井儀測量原理n井壁電成像測井儀器最早是斯倫貝謝公司Doll研究中心于1986年推出的微電阻率掃描儀FMS，緊接著又對該儀器進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展成為如今的全井眼地層微電阻率數(shù)字成像測井儀FMI。另外，阿特拉斯公司和哈里伯頓公司也相繼推出他們各自的井壁電成像測井儀器STAR-II和EMI。這三家公司的井壁電成像測井儀器的原理相同，儀器測量極板結(jié)構(gòu)相似，只是在極板數(shù)量和電極個(gè)數(shù)有所變化而已，它們列表比較如下：SchlumbergerFMIAtlasStar-IIHalliburtonEMI支撐

2、臂數(shù)目466極板個(gè)數(shù)866每個(gè)極板鈕扣電極數(shù)242425鈕扣電極總數(shù)192144150采樣間距（英寸）010101對8in井眼的覆蓋率80%60%60%表4-1 FMI、STAR-II和EMI儀器參數(shù)比較n一、井壁電成像測井測量原理 全井眼地層微電阻率成像儀FMI如圖4-1所示，主要由數(shù)字遙測電子線路、數(shù)字遙測適配器、三維加速度計(jì)、測量控制電路、柔性接頭、絕緣體、磁性定位儀、數(shù)據(jù)采集電子線路及極板等九部分組成。數(shù)字遙測電子線路和數(shù)字遙測適配器組成遙測系統(tǒng)，用于將測量的大量數(shù)據(jù)通過電纜準(zhǔn)確地送至地面；三維加速度計(jì)用于記錄測井過程中三維加速度信號；測量控制線路用于確保在最短時(shí)間內(nèi)采集所需的數(shù)據(jù)，并

3、自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射電壓和放大器倍數(shù)，以確保測量線路始終工作在線性范圍內(nèi)；絕緣系統(tǒng)用于將極板部分與上部電子線路外殼絕緣隔離，使兩者有一定的電位差，以確保極板上圓形電極所發(fā)射的電流經(jīng)地層回流至上部儀器外殼；磁性定位器用于測量井斜角、井斜方位角及一號極板方位角；數(shù)據(jù)采集電子線路在有效的采集192個(gè)電極電流信號的同時(shí)除去測量信號中的直流成分，進(jìn)行數(shù)字化，完成數(shù)字信號的數(shù)字濾波。圖4-1 FMI儀器示意圖 FMI由四臂八極板組成，其中四個(gè)主極板，四個(gè)副極板。每個(gè)極板如圖4-2所示有兩排24個(gè)圓形電極，八個(gè)極板共計(jì)192個(gè)電極，測量過程中八個(gè)極板推靠至井壁，并保持鈕扣電極和金屬極板接近于等電位供電，同時(shí)測量19

4、2個(gè)鈕扣電極電流，這些鈕口電極電流的大小反映了所貼井壁的介質(zhì)電阻率變化。用這192個(gè)電極的電流值經(jīng)過預(yù)處理、標(biāo)定及成像處理，可獲得井眼極板覆蓋處微電阻率掃描圖像。隨著儀器上提可測得全井段的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列處理，即可獲得測量井段縱向上的微電阻率掃描圖像。 圖4-2 極板鈕扣電極分布n二、數(shù)據(jù)預(yù)處理與井壁圖像的形成 井壁電成像測井記錄的數(shù)據(jù)是不同電纜深度位置上同一時(shí)刻所有鈕扣電極的電流和極板電壓以及放大倍數(shù)。另外還有儀器狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)如電纜加速度、井下儀器一號極板傾斜方位和傾角等。這些數(shù)據(jù)不經(jīng)過預(yù)處理是無法顯示為圖像的，必須經(jīng)過壞電極剔除、深度對齊、電壓校正、規(guī)范化處理、加速度校正、方位校正等預(yù)處

5、理后才能以圖像的形式顯示出來。n1 壞電極剔除 在井壁電成像測井過程中，儀器某一個(gè)或某幾個(gè)電極可能臨時(shí)性工作不正常,其測量數(shù)據(jù)不反映地層電導(dǎo)率的變化，在成像之前必須將其剔除，否則將在圖像上產(chǎn)生一些干擾和假象。壞電極的數(shù)據(jù)通常表現(xiàn)為兩種現(xiàn)象：一是曲線過分光滑平緩，其方差小于某一門檻值；二是曲線變化非常激烈，其方差大于某一門檻值。合理設(shè)置上下門檻值可以自動(dòng)識別壞電極。壞電極數(shù)據(jù)剔除后，其上的數(shù)值用臨近電極的平均值來取代。n2深度對齊 由于測量采用的是電極陣列，不同的電極具有不同的幾何坐標(biāo)，而且每次成像的數(shù)據(jù)至少包含三次采樣的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的坐標(biāo)有一部分是交叉的，因此，對這些電扣必須根據(jù)它們的幾何位

6、置進(jìn)行重新排列，與其坐標(biāo)對應(yīng)起來，以便后面的圖像的生成作準(zhǔn)備。n3電壓校正由于測井儀器在測量過程中，會(huì)根據(jù)各井段地層電導(dǎo)率的情況，改變供電電壓，以保證該井段內(nèi)電流的大小總在有效測量范圍內(nèi)。因此，不同井段的鈕扣電流值是不能比較的，必須經(jīng)過電壓影響校正后才能進(jìn)行比較。電壓校正的實(shí)質(zhì)是將鈕扣電流轉(zhuǎn)換為電導(dǎo)率。n4規(guī)范化處理 井壁電成像儀器的鈕扣電極很多，在測井過程中，它們的響應(yīng)特征很難保持一致，況且它們與井壁的接觸情況也各不相同，再加上各電極表面形成的泥漿膜、油膜或其它污染物等隨機(jī)因素的變化，這樣即便對相同電導(dǎo)率的地層，各鈕扣電極記錄的數(shù)據(jù)也會(huì)存在差異。規(guī)范化處理就是使所有的電極在較長的井段內(nèi)，具有

7、基本相同的平均響應(yīng)。其方法是采用滑動(dòng)窗口，計(jì)算窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)的均值和方差，使井段內(nèi)的這兩個(gè)參數(shù)基本保持穩(wěn)定。n5加速度校正 儀器在井中的非均勻運(yùn)動(dòng)，特別是當(dāng)儀器偶爾輕度遇卡，繼而又靠電纜拉力解卡時(shí)，井下儀器會(huì)在井眼中發(fā)生短暫停留和非均勻運(yùn)動(dòng)，而井口電纜仍表現(xiàn)為均勻運(yùn)動(dòng)。這將使儀器的真實(shí)深度和井口測深系統(tǒng)測得的深度之間存在不穩(wěn)定的偏差，從而嚴(yán)重地干擾了曲線采樣值與真深度之間的對應(yīng)關(guān)系。速度校正的目的就是要消除儀器非勻速運(yùn)動(dòng)引起的深度誤差。n6方位校正 由于井下儀器在測量過程中的旋轉(zhuǎn)而使儀器在不同深度位置同一極板所測得的不是同一方位上的井壁，從而導(dǎo)致圖像上的變形。方位校正就是針對這種變形而設(shè)計(jì)的校正

8、處理。n7圖像生成和顯示 由井壁電成像測井得到的是井壁電阻率陣列，要想用圖像的形式顯示出來，必須將電阻率值轉(zhuǎn)化為圖像的灰度或顏色值。為了提高圖像的顯示質(zhì)量，經(jīng)常還需要對圖像進(jìn)行濾波和增強(qiáng)處理。預(yù)處理小結(jié)：n1.壞電極剔除n2.深度對齊（幾何校正）n3.電壓校正n4.規(guī)范化處理n5.加速度校正n6.方位校正n7.圖像生成與顯示n三、儀器測量響應(yīng)的標(biāo)定 井壁電成像測井儀測得的鈕扣電極電流要轉(zhuǎn)換為地層電阻率就必須進(jìn)行標(biāo)定或稱為刻度。經(jīng)過上述的極板電壓校正后一般得到的是單位電壓下的電扣電流，即鈕扣電極測得的電導(dǎo)，其倒數(shù)為電阻。將電扣測得的電阻與電扣的儀器常數(shù)相乘就得到電阻率值，即： , ; ; .BB

9、PadaaBBaPadBURKIKBUIB式中為第 個(gè)鈕扣電極的視器常數(shù)為供電極板到回路電極的電位差為第 個(gè)鈕扣電極的電流 在實(shí)際資料的處理中，F(xiàn)MI采用淺雙側(cè)向測井曲線進(jìn)行變K值概念下的標(biāo)定。這種標(biāo)定僅為井壁電成像測井資料定量評價(jià)裂縫、孔洞進(jìn)行的而不是為測量地層電阻率值而做的。如果要真正利用井壁電成像測井測量地層的電阻率的話，其電扣的K值則需要象直流電測井儀器的刻度一樣通過實(shí)體刻度或理論計(jì)算得到。第二節(jié) FMI成像測井儀n一 FMI成像測井儀的測量原理圖 FMI儀器基本結(jié)構(gòu)如圖4-3所示，自下向上依次由掃描電極系(FBSS)、探臂短節(jié)（FBSC）、控制短節(jié)（FBCC）、遙傳接頭（DTA）和遙

10、傳短節(jié)（DTC）組成。(1)掃描電極系主要用來對192個(gè)鈕扣電極信號的多路切換和前置放大。(2)探臂短節(jié)主要完成對FBSS送來的信號的進(jìn)一步多路選擇、放大、去除直流分量的功能。(3)控制短節(jié)則用來控制井下儀器的正常工作。(4)遙傳接頭和遙傳短節(jié)則用于實(shí)現(xiàn)井下儀器和地面儀器的數(shù)據(jù)傳輸。圖4-3 FMI儀器結(jié)構(gòu)圖圖4-4 FMI儀器電路流程FMI儀器的基本電路流程可以用圖4-4表示，主要由掃描電極系(FBSS)電路、探臂短節(jié)(FBSC)電路和控制短節(jié)(FBCC)電路組成。測量信號（192個(gè)鈕扣電極電流信號）分四路通過電極進(jìn)入FBSS和FBSC電路。這四路的電路完全相同，它們都經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的分時(shí)

11、選擇、前置放大、再選擇、放大、去除直流分量、模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)字處理單元，然后通過串行通信進(jìn)入通用井下控制器，最后由通用井下控制器控制數(shù)據(jù)傳輸接口傳到地面計(jì)算機(jī)中。通用井下控制單元圖4-5 FMI儀器電路組成框圖上圖的具體電路模塊組成如圖4-5所示。圖中由上往下數(shù)的第二層GPIC是FMI儀器附加的傾斜測量儀，該儀器將不介紹?？刂贫坦?jié)探臂短節(jié)掃描探臂n單路電路結(jié)構(gòu)和各個(gè)觀測點(diǎn)處的波形如圖所示，48個(gè)鈕扣電極中的每個(gè)電極得到的是一系列連續(xù)的正弦波形，而經(jīng)過第一級多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇采集后變成三路由16個(gè)電扣的正弦波（每個(gè)電扣6個(gè)周期）組成的時(shí)間系列。這三個(gè)時(shí)間系列再經(jīng)過第二級多路開關(guān)選擇采集變?yōu)橐宦酚?/p>

12、48個(gè)電扣的正弦波（每個(gè)電扣2個(gè)周期）組成的時(shí)間系列。該時(shí)間系列信號經(jīng)過自動(dòng)增益放大和直流分量去除后進(jìn)入到FBSC層次中。圖4-6 單一通道的FBSS和FBSC電路結(jié)構(gòu)及各節(jié)點(diǎn)處信號波形多路累加器積分運(yùn)算ADC波形規(guī)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n二、主要電路分析nFMI儀器的電路主要由：（1）掃描電極系FBSS；（2）探臂短節(jié)FBSC；（3）控制短節(jié)FBCC；（4）遙傳短節(jié)等部分組成。n在本節(jié)中主要介紹前面三部分電路。n1.掃描電極系電路FBSS 掃描電極系電路FBSS包括四個(gè)臂的四路電路。 每路電路由一塊電路板FBSS001組成，主要進(jìn)行電扣信號的多路選擇和前置

13、放大功能。圖4-7 單一路FBSS電路圖 每塊FBSS00#電路板電路如圖所示。由三個(gè)超大規(guī)模集成電路VLSI1、VLSI2和VLSI3組成，每個(gè)VLSI內(nèi)有16個(gè)電流緩沖器。這16個(gè)電流緩沖器外接16個(gè)鈕扣電極，內(nèi)接同一個(gè)16轉(zhuǎn)1的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。多路開關(guān)的輸出接一電流前置放大器，該放大器的輸入與輸出之間跨接一阻值為2050的電阻，使得其能將1mA的輸入電流轉(zhuǎn)化2.05V的輸出電壓。 VLSI的每個(gè)電流輸入緩沖器的一個(gè)輸入端均通過一個(gè)1的限流電阻和內(nèi)部測試信號TEST相連接。圖4-8 48個(gè)電扣與VLSI的關(guān)系 n2. 探臂短節(jié)電路FBSC 探棒探臂短節(jié)電路FBSC主要由以下幾個(gè)模塊組成 ：（

14、1）自動(dòng)增益放大（VGA）電路模塊FBSC102；（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路模塊FBSC011/021；（3）光耦合串行連接電路模塊FBSC003；（4）電源電路模塊FBSC004；（5）測試?yán)^電器組電路模塊FBSC006。n（1）VGA電路模塊 VGA模塊包括兩塊電路板(FBSC102/1和FBSC102/2)，它們主要實(shí)現(xiàn)模擬信號可變增益放大處理。每塊電路板包含兩個(gè)互相獨(dú)立的通道，每個(gè)通承擔(dān)來自一個(gè)儀器臂的模擬信號的處理。（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC模塊n濾過波的模擬信號用8位ADC轉(zhuǎn)換器中以1.024MHz的速率采樣，重新采樣時(shí)采用10位的ADC。一個(gè)普通的5V參考信號一般要被衰減到4.5

15、4V，以符合ADC的輸入范圍，所有用于驅(qū)動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理和FBSC串行輸出的時(shí)鐘信號均由EPLD電路U16產(chǎn)生的。n數(shù)字處理目的是從輸入信號中抽取頻率為16kHz的同相位分量。而在被選中的快速通道上所進(jìn)行的數(shù)字處理則抽取90相移的正交分量和直流分量。n（3）通信模塊電路模塊FBSC003n考慮到儀器的整體結(jié)構(gòu)要求以及GPIC模塊安裝在FBSC電路和FBCC電路之間，需要大量的導(dǎo)線必須通過GPIC傳送命令和數(shù)據(jù)，而且每個(gè)光耦合器需要一根導(dǎo)線來保證Emex與兩個(gè)短節(jié)之間的絕緣，一個(gè)雙工連線大大地減少了連線的數(shù)量。n這個(gè)模塊被設(shè)置在Xilinx芯片周圍，在串行連接電路的下方。串行連接是雙工的、

16、同步的、時(shí)鐘脈沖頻率為2.048MHz。除了Xilinx芯片之外，模塊內(nèi)還包含光耦合器件，用來隔離連接的上下兩邊和兩個(gè)PROMs（只讀存儲(chǔ)器）。n（4）供電模塊FBSC004n該模塊通常用于產(chǎn)生FBSC短節(jié)所需的供電，所有電源的參考電壓為FBSC機(jī)殼的接地電壓，或是模擬的L/AGNID或是數(shù)字的L/DGND。n兩個(gè)模擬電壓+/-12V產(chǎn)生于FBCC標(biāo)準(zhǔn)的未穩(wěn)壓的+/-15V電源，這種調(diào)節(jié)是由安裝在機(jī)殼上的微型調(diào)節(jié)器完成。n+/-5V的電源供電給極板電路來自于FBCC標(biāo)準(zhǔn)的未穩(wěn)壓的+/-8V電源，ADC的參考電源從+5V電源中提取。n用于FBSC的+5V電源通過調(diào)節(jié)FBCC +8V電源獲得。n（

17、5）保護(hù)電路FBSC005n該模塊的主要功能有兩個(gè)：極板短路保護(hù)。Emex電壓調(diào)節(jié)。n極板電路要求有兩個(gè)+/-5V電源，如果極板之一發(fā)生短路，就被FBSC005板檢測到并且這個(gè)板的供電會(huì)被中斷。圖6.5顯示的是極板保護(hù)電路，當(dāng)任何一個(gè)V5PADs或-V5PADs低于給定的閥值，四象限比較器U2觸發(fā)或門U1，將晶體管U4的開關(guān)接通MOS極。當(dāng)U4導(dǎo)通的時(shí)候，繼電器K2打開，使電路經(jīng)由限流電阻R14 和R10再接到電源，這樣可以避免電路燒壞。圖4-9 FBSC005模塊中的短路檢測電路 參考電壓限流電阻啟動(dòng)保護(hù)開關(guān)平常直通,異常時(shí)改為經(jīng)限流電阻供電圖4-10 FBCC的電路原理圖n3、FBCC電路控制短節(jié)（FBCC）電路原理如圖4-10所示，由