隨鉆電阻率測(cè)井儀器的實(shí)現(xiàn)-

1、隨鉆電阻率測(cè)井儀器的實(shí)現(xiàn)黃忠富黃瑞光(武漢華中科技大學(xué)陳鵬(江漢測(cè)井研究所摘要黃忠富,黃瑞光,陳鵬.隨鉆電阻率測(cè)井儀器的實(shí)現(xiàn).測(cè)井技術(shù),2002,26(2:172175介紹最新研制的隨鉆電阻率測(cè)井儀器的測(cè)量原理、實(shí)現(xiàn)方法,并具體分析電路硬、軟件的設(shè)計(jì)以及元器件選擇中應(yīng)注意的問(wèn)題。多次模擬運(yùn)行試驗(yàn)表明,該儀器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo),性能良好,穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:隨鉆測(cè)井電纜測(cè)井電阻率測(cè)井儀器原理設(shè)計(jì)ABSTRACTH u ang Zhongfu ,H u ang R uigu ang ,Chen Peng.Development of MW D R esistivity Logging T ool.W L

2、T,2002,26(2:172-175A new MW D resistivity logging 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 d

3、esign standards ,better in performance and m ore reliable in quali 2ty.Subjects :MW D cable logging resistivity logging instrument principle design引言隨鉆測(cè)井(Measurement While Drilling 是一種比較新的技術(shù),和傳統(tǒng)的電纜測(cè)井相比較,隨鉆測(cè)井具有實(shí)時(shí)性好、測(cè)井精度高、節(jié)省測(cè)井成本等優(yōu)點(diǎn)1,并且當(dāng)一些井不能用電纜測(cè)井,或者在某些特殊地層條件下操作困難、花費(fèi)鉆井時(shí)間過(guò)多的時(shí)候,就必須用隨鉆測(cè)井代替電纜測(cè)井。 測(cè)量原理圖1為電阻率

4、測(cè)井探頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中T c 為發(fā)射線圈,Rc 為接收線圈,P 為鉆桿。這種結(jié)構(gòu)形成了2個(gè)變壓器,對(duì)發(fā)射線圈而言鉆桿相當(dāng)于變壓器的次級(jí),而對(duì)接收線圈而言鉆桿又相當(dāng)于變壓器的初級(jí)。在鉆井過(guò)程中進(jìn)行電阻率測(cè)井時(shí),給發(fā)射線圈供以交變激勵(lì)電流,會(huì)在作為變壓器次級(jí)的鉆桿上感生出一定的電動(dòng)勢(shì),該感生電動(dòng)勢(shì)通過(guò)鉆桿和地層構(gòu)成的回路形成感生電流。從發(fā)射線圈到鉆頭之間的感生電流可分為2部分,接收線圈和發(fā)射線圈之間鉆桿上流出的電流稱為聚焦電流,接收線圈到鉆頭之間所流出的感生電流稱為測(cè)量電流。在測(cè)量電流的激勵(lì)下,接收線圈上會(huì)產(chǎn)生出和測(cè)量電流成比例的電動(dòng)勢(shì),接收線圈上所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與發(fā)射線圈在鉆桿上所激勵(lì)的感生電

5、動(dòng)勢(shì)有關(guān),與鄰近鉆頭的地層電阻率有關(guān)。測(cè)量鉆桿上所感生的電動(dòng)勢(shì)和接圖1電阻率測(cè)井探頭結(jié)構(gòu)示意圖收線圈上所感生的電壓即可得到近鉆頭電阻率R a=KV T/I R=Kf(I T/g(V R式中R a近鉆頭電阻率;K儀器常數(shù);V T發(fā)射線圈在鉆桿上所產(chǎn)生的感生電壓;I T發(fā)射線圈的激勵(lì)電流;I R通過(guò)鉆桿流經(jīng)接收線圈的電流;V R在接收線圈上所產(chǎn)生的感生電壓;f(I T發(fā)射電流在鉆桿上發(fā)射線圈的兩端產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的函數(shù)關(guān)系;g(V R測(cè)量電流在接收線圈上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的函數(shù)關(guān)系。探頭的結(jié)構(gòu)可根據(jù)地質(zhì)要求和技術(shù)條件進(jìn)行選擇,目前國(guó)外地質(zhì)導(dǎo)向鉆井中近鉆頭電阻率測(cè)量大多采用一發(fā)一收或一發(fā)多收的結(jié)構(gòu)及一個(gè)或

6、多個(gè)電扣電極的輔助測(cè)量。電阻率測(cè)井的實(shí)現(xiàn)1.電阻率測(cè)井的實(shí)現(xiàn)方法隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器安裝在接近鉆頭的幾節(jié)特制的鉆桿內(nèi),它的探頭采用一發(fā)雙收的結(jié)構(gòu),由在鉆桿上安置的1個(gè)發(fā)射線圈(相當(dāng)于發(fā)射變壓器T c和2個(gè)接收線圈(相當(dāng)于接收變壓器Rc組成,其中發(fā)射線圈用來(lái)激勵(lì)電流進(jìn)入地層,接收線圈用來(lái)測(cè)量接收線圈到鉆頭部分鉆桿上流出的電流。發(fā)射變壓器T c將鉆桿分割為上下2個(gè)部分,對(duì)應(yīng)為發(fā)射電級(jí)和回路電極,接收變壓器Rc安裝在發(fā)射電極上,流過(guò)接收變壓器Rc的電流就是經(jīng)過(guò)地層返回的電流,測(cè)量流過(guò)接收變壓器Rc的這個(gè)電流,即可得到距鉆桿一定距離的地層電阻率。將接收線圈Rc置于不同的位置,測(cè)量的電流就是流經(jīng)這個(gè)位

7、置的電流,因而具有不同的探測(cè)深度。通過(guò)測(cè)量3個(gè)物理量:發(fā)射線圈上的電極電位V i;靠近發(fā)射線圈的接收線圈上的測(cè)量電流I n(稱為近電流;遠(yuǎn)離發(fā)射線圈的接收線圈上的測(cè)量電流I f (稱為遠(yuǎn)電流,由上面的公式即可獲得近鉆頭電阻率。部件尺寸及相互位置會(huì)影響電阻率的測(cè)量結(jié)果,將各部件尺寸及相互位置定義為探頭的結(jié)構(gòu)因素,則本儀器采用的電阻率探頭的結(jié)構(gòu)因素有以下幾項(xiàng):發(fā)射線圈寬度;發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離;接收線圈的寬度;遠(yuǎn)離發(fā)射線圈的接收線圈與鉆頭底面之間的間距。探頭的結(jié)構(gòu)確定以后,儀器常數(shù)K值就隨之 確定了。圖2測(cè)井儀器的工作原理框圖發(fā)射線圈發(fā)射的交變激勵(lì)電流頻率對(duì)測(cè)量結(jié)果也有影響,對(duì)于近鉆頭電阻

8、率測(cè)量?jī)x一般采用1152kH z 頻率。由于隨鉆測(cè)井的特殊性,存在以下一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,測(cè)量設(shè)備應(yīng)能夠安裝在鉆桿內(nèi)狹小的密封空間中,并能承受深井的高溫高壓和鉆井時(shí)的震動(dòng);特制鉆桿應(yīng)具有與實(shí)鉆所用鉆桿同樣的機(jī)械強(qiáng)度;電源應(yīng)有足夠的功率容量和使用時(shí)間。因此在測(cè)井儀器的具體實(shí)現(xiàn)中需要考慮它的體積、功耗、可靠性等因素。2.電阻率測(cè)井儀的工作原理儀器工作的原理框圖如圖2所示,它主要由發(fā)射通道、3個(gè)測(cè)量通道、采樣和控制電路、時(shí)鐘電路、存貯器電路、串行通信接口電路及電源等幾部分組成。由于下井儀器用電池組供電,為了節(jié)省電力,延長(zhǎng)工作時(shí)間,儀器采用間歇工作方式2。電池組和電路之間的壓力開(kāi)關(guān)用來(lái)保證儀器到達(dá)井下一

9、定深度后開(kāi)始工作,當(dāng)外部壓力達(dá)到一定值時(shí),壓力開(kāi)關(guān)接通,儀器控制器部分首先開(kāi)始工作。單片機(jī)上電初始化,打開(kāi)電源,完成一次測(cè)量后,關(guān)閉電源,單片機(jī)進(jìn)入掉電方式。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后(該時(shí)間可以在下井之前由井上軟件設(shè)置,看門狗電路喚醒單片機(jī)又進(jìn)行下一次測(cè)量,如此循環(huán)。當(dāng)記錄的數(shù)據(jù)占滿全部存儲(chǔ)空間后,認(rèn)為測(cè)量已經(jīng)全部完成,關(guān)閉大部分電源,并使看門狗復(fù)位功能失效,整個(gè)系統(tǒng)處于休眠之中。儀器中沒(méi)有采用通常的泥漿信道隨鉆測(cè)量方式,而是將測(cè)量的數(shù)據(jù)直接存入大容量的存儲(chǔ)器中,完鉆后隨鉆頭一起取出,然后通過(guò)串口傳到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行后續(xù)處理。但是為了確定當(dāng)前測(cè)量地層的準(zhǔn)確深度,測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)必須將測(cè)量時(shí)的時(shí)間同時(shí)記錄,以此時(shí)

10、間為標(biāo)準(zhǔn),將地面儀器中的記錄和它相對(duì)比,由此確定測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確深度。時(shí)鐘電路的作用就是幫助我們建立測(cè)量數(shù)據(jù)與深度之間的聯(lián)系。3.電阻率測(cè)井儀的電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)采用Atmel 公司的A T89C52,它有256B 的內(nèi)部RAM ,8kB 的F LASH ROM ,并提供3個(gè)16bit 定時(shí)/計(jì)數(shù)器,性價(jià)比高。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,選用了X icor 公司的看門狗電路X25045,芯片的看門狗定時(shí)器和電源電壓監(jiān)視器都對(duì)微處理器提供了獨(dú)立的保護(hù)。此外,X25045內(nèi)部還有采用C M OS 工藝的4096位串行EEPROM 存儲(chǔ)器,用來(lái)保存重要的參數(shù)信息。該芯片使用簡(jiǎn)單的三線總線的串行外設(shè)接口(SP

11、I 進(jìn)行讀寫操作,占用口線資源少。其它需要注意的關(guān)鍵電路如下:功放電路采用一般的音頻功放集成塊即可滿足要求。但是需要具有外部控制的、低功率消耗的關(guān)斷模式,以及內(nèi)部過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)機(jī)制。電源采用單一5V 供電,與單片機(jī)電源兼容,內(nèi)部電路采用BT L 結(jié)構(gòu)。 測(cè)量前向通道前置放大器采用Analog Devices 公司的測(cè)量放大器AD623,它具有共模抑制比高、低功耗、滿電源電壓擺幅輸出、單電阻設(shè)置增益等特點(diǎn)。AD623輸入采用差分方式,若直接與接收線圈相連,因?yàn)榫€圈浮地,AD623輸入端將不能為輸入偏置電流提供直流通路,輸出將呈現(xiàn)“調(diào)幅波”的效果。因此,輸入端采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器電路存儲(chǔ)器選

12、用8Mbit 串行F LASH 芯片,它包含1個(gè)非易失性的主存儲(chǔ)體和2個(gè)264B 的靜態(tài)RAM 緩沖頁(yè),主存儲(chǔ)體采用頁(yè)編程模式,共有4096頁(yè),每頁(yè)264B ,適合批量讀寫數(shù)據(jù)。2個(gè)緩沖頁(yè)使得寫存儲(chǔ)器頁(yè)的同時(shí)讀另一頁(yè)的數(shù)據(jù)成為可能,硬件數(shù)據(jù)保護(hù)引腳又能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)不被破壞。另外,該串行F LASH 存儲(chǔ)器芯片采用三線總線的串行外設(shè)接口(SPI ,SC LK 、S DI 和S DO 可以共用,儀器中看門狗、串行F LASH 存儲(chǔ)器和12bit 串行A/D 芯片的3根總線就是 圖3前向通路電路結(jié)構(gòu)掛到一起的,這樣大大節(jié)省了單片機(jī)有限的口線資源。電源電路電源是儀器的心臟,必須穩(wěn)定可靠。加上儀器采用

13、間歇工作方式,要經(jīng)常開(kāi)關(guān)電源,因此顯得更為重要。電池組供電電壓是712V ,不能直接給系統(tǒng)供電,故采用了低壓差線性穩(wěn)壓器,它的噪聲低,并具有電源關(guān)斷引腳,壓差可以低至180m V ,這樣就可以大大延長(zhǎng)電池組的使用壽命。值得注意的是,在關(guān)斷使能之圖4單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行接口電路圖5單片機(jī)間歇工作方式的軟件流程圖圖6單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串行通信軟件流程圖前,必須對(duì)單片機(jī)與電路相連的口線進(jìn)行相應(yīng)的處理,例如開(kāi)關(guān)切換控制引腳置低、使芯片片選失效等等,否則電源芯片關(guān)斷使能后由于單片機(jī)引腳的泄漏電流會(huì)使得電路的電源不能有效關(guān)斷。串行通信接口電路利用A T89C52的串行口,選用Analog Devices公司

14、的ADM202E構(gòu)成RS232C串行通信接口,具體電路如圖4所示。該芯片只需配用幾個(gè)外接電容就可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,構(gòu)成通信接口。在上位機(jī)中編程與單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種功能,如設(shè)定測(cè)量時(shí)間間隔、讀存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)、校正系統(tǒng)時(shí)鐘和各種參數(shù)、儀器的自檢等等。4.電阻率測(cè)井儀的軟件設(shè)計(jì)包括井下間歇測(cè)量工作方式的實(shí)現(xiàn)程序和井上串行通信程序2部分。其流程圖分別如圖5和圖6所示。圖5中第1次上電標(biāo)志位(POF用來(lái)區(qū)分單片機(jī)是第1次上電運(yùn)行還是看門狗喚醒的復(fù)位運(yùn)行,由此確定測(cè)量的數(shù)據(jù)應(yīng)該放入存儲(chǔ)器的哪個(gè)位置。此外,因?yàn)榭撮T狗的復(fù)位定時(shí)器最大只有114s,而測(cè)量的時(shí)間間隔是1060s,所以用定時(shí)次數(shù)來(lái)表示要經(jīng)過(guò)幾次

15、復(fù)位才開(kāi)始測(cè)量。定時(shí)次數(shù)=測(cè)量的時(shí)間間隔/看門狗的復(fù)位時(shí)間。圖6中的儀器刻度是為了保證測(cè)量的精度和對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定,分為低刻度、高刻度和零刻度,分別接電阻網(wǎng)絡(luò)的不同位置。元器件選擇的考慮隨鉆測(cè)井儀安裝在鉆頭上,一邊鉆進(jìn)一邊測(cè)量,并且只能用電池供電,對(duì)儀器的體積、功耗和溫度都有很嚴(yán)格的限制。必須對(duì)元器件的選用提出相應(yīng)要求,主要考慮以下幾個(gè)方面。(1集成電路必須是C M OS工藝制造,最好以串行方式工作,有關(guān)斷引腳,或者是有閑置工作模式或掉電模式;(2電阻電容和集成電路都要選用溫漂系數(shù)小的器件。電容最好用專用的耐高溫電容器,像聚四氟乙烯電容器、滌綸電容器、聚碳酸脂電容器、獨(dú)石電容器等。集成電路則要用

16、軍品器件(-55125?？偨Y(jié)隨鉆電阻率測(cè)井儀器的電路功能實(shí)現(xiàn)雖然不是很難,但是要求在如此惡劣的環(huán)境中可靠運(yùn)行,必須注意工藝。比如上面提到的元器件的選擇、儀器與線圈等各部分之間的可靠聯(lián)接、儀器骨架的抗振設(shè)計(jì)及其可靠密封等。多次模擬運(yùn)行試驗(yàn)表明,該儀器能夠完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,性能良好,穩(wěn)定可靠。參考文獻(xiàn)1施建華,余元華.環(huán)境因素對(duì)隨鉆測(cè)井測(cè)量結(jié)果的影響.西安石油學(xué)院學(xué)報(bào),1996,11(32劉迪軍,馮啟寧.超低功耗井下監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì).測(cè)井技術(shù),2000,24(23劉西林等.SST有線隨鉆測(cè)斜儀在勝利油田超深鉆井中應(yīng)用.石油鉆探技術(shù),1994,22(14戴永壽,雷國(guó)江.一種高分辨率大存儲(chǔ)量油井生產(chǎn)測(cè)

17、控系統(tǒng).電子技術(shù)應(yīng)用,1999(15張庚驥.電法測(cè)井.北京:石油工業(yè)出版社,1984(11(收稿日期:20010822本文編輯劉洪仕 作者簡(jiǎn)介王方雄1973年生。1998年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)?，F(xiàn)為江漢石油學(xué)院地球科學(xué)系碩士研究生。主要從事儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。(地址:湖北省荊州市江漢石油學(xué)院地球科學(xué)系郵編:434102趙亮博士生,1975年生。從事地球物理探測(cè)與信息處理的理論、方法研究。(地址:北京市昌平區(qū)石油大學(xué)資源與信息學(xué)院博99郵編:102249電話:01089733113姜恩承高級(jí)工程師,1932年生。1961年畢業(yè)于莫斯科石油學(xué)院。1992年離休,2001年9月不幸

18、因病去世。柯式鎮(zhèn)副教授,1967年生。1999年獲得博士學(xué)位。從事巖石物理性質(zhì)和測(cè)井儀器與方法研究。(地址:北京市昌平區(qū)石油大學(xué)地科系郵編:102200喬文孝博士,教授,1956年生?，F(xiàn)在石油大學(xué)(華東從事應(yīng)用地球物理專業(yè)教研工作。(地址:山東省東營(yíng)市石油大學(xué)資源與信息學(xué)院郵編:257061電子郵件:qiaowx.趙國(guó)瑞1968年生。1991年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院測(cè)井專業(yè)。從事低電阻率油層解釋研究。(地址:河北省任丘市華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院地球物理室郵編:062552電話:03172723067或2722789史曉鋒博士研究生,1974年生?，F(xiàn)在北京航空航天大學(xué)攻讀博士學(xué)位,主要研究通訊與

19、信息系統(tǒng)、石油測(cè)井技術(shù)等。(地址:北京航空航天大學(xué)207教研室郵編:100083電話:01082317217司馬立強(qiáng)高級(jí)工程師。現(xiàn)從事測(cè)井科研及管理工作,任四川石油管理局測(cè)井公司副總工程師。(地址:重慶市江北區(qū)大石壩四川石油管理局測(cè)井公司研究所郵編:400021電話:0236740049周燦燦高級(jí)工程師,1962年生。現(xiàn)攻讀中科院長(zhǎng)沙大地構(gòu)造研究所博士學(xué)位?，F(xiàn)任冀東油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院院長(zhǎng)。(地址:湖南省長(zhǎng)沙市中科院長(zhǎng)沙大地構(gòu)造研究所郵編:410013譚成仟副教授,1964年生。從事測(cè)井解釋與油藏描述。(地址:陜西省西安市電子二路東段西安石油學(xué)院石油工程系郵編:710065李洪奇教授,博士生

20、導(dǎo)師,1960年生。1998年獲中國(guó)科學(xué)院固體地球物理專業(yè)理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)從事應(yīng)用地球物理專業(yè)的教研工作。(地址:山東省東營(yíng)市石油大學(xué)郵編:257061張麗艷高級(jí)工程師。1984年畢業(yè)于華東石油學(xué)院測(cè)井專業(yè),長(zhǎng)期從事測(cè)井解釋與儲(chǔ)量計(jì)算研究工作。(地址:山東省東營(yíng)市勝利油田有限公司地質(zhì)科學(xué)研究院郵編:257015電話:05468715413羅菊蘭工程師,1967年生。1991年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院數(shù)學(xué)地質(zhì)專業(yè)?，F(xiàn)從事測(cè)井資料解釋與方法研究。(地址:甘肅省慶陽(yáng)長(zhǎng)慶石油勘探局測(cè)井工程處測(cè)井研究所郵編:745100電話:09348592381羅安銀高級(jí)工程師,1964年生。1997年畢業(yè)于石油大學(xué)(北京地球科學(xué)系,獲碩士學(xué)位。從事測(cè)井解釋評(píng)價(jià)工作。(地址:河北省任丘市華北石油管理局測(cè)井公司解釋計(jì)算中心郵編:062552李厚義教授級(jí)高級(jí)工程師,1935年生。近年研究復(fù)電阻率測(cè)井及陸相油藏測(cè)井解釋方法。(