隨鉆電阻率測量技術范文

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摘要：隨鉆測井LWD(loggingwhiledrilling)是在鉆井的過程中，同時進行的用于評價所鉆穿地層的地質和巖石物理參數的測量，主要有電阻率、放射性、聲波及核磁等隨鉆測井技術。本文簡要的介紹了貝殼NAVITRAK的結構組成；主要分析了補償式天線和電阻率電子部分的工作原理。

關鍵詞：LWD；電阻率（MPR）；衰減；相位；SONDE；PADDLE

1前言

由于油田區塊的開發己經到了中后期，為了開發薄油層以及殘余油，地質導向儀器己經變得相當重要。另外這些區塊的地質構成及地層描述都已相當清楚，再利用鄰井的測井資料，就可以定性和定量描述開發地層的地質構成、各層位的孔隙度、地層骨架的巖性及密度。在這種情況下，只要使用MWD+自然伽瑪+電阻率組成的LWD，就可以滿足定向軌跡測量和地質導向的要求。

圖1貝殼休斯LWD井下儀器示意圖

2NAVIMPR儀器簡介

貝克休斯公司（Baker-Hughes）的隨鉆測井系統NAVIMPR的井下儀器主要由脈沖發生器（UPU）、探管（PROBE）、M30短節、MPR電阻率和井斜伽瑪（SRIG）幾大模塊組成，探管由整流模塊（SNT）、驅動模塊（SDM）、存儲器（MEM）、定向模塊（DAS）和伸展電子連接頭（EEJ）等組成，儀器總長13.02m。井下儀器示意圖如圖1所示。儀器中有一個渦輪發電機，鉆井液沖擊渦輪產生交流電，經SNT整流后，供給各個電路模塊。MPR(MultiplePropagationResistivity)有4個發射極、2個接收極，可以發射和接收頻率為2MHz和400kHz的兩種脈沖，考慮到相位延遲和衰減，共可接收32種脈沖信號。由4個發射極向地層分別發射2MHz和400kHz的電磁波，不同巖性的地層對電磁波的相位延遲或衰減不同的，從而通過泥漿脈沖經過地而傳感器傳到地面設備中，進行解碼。

MPR技術的引進提高了電阻率測量的精度，增強了薄層及其流體界面劃分的能力，使儲層綜合解釋及詳細的油氣水分析技術得到改進及完善。

3隨鉆電阻率測井原理

根據物理學，凡能在電場中極化的物質叫電介質。物質的介電性質也就是它的極化能力，用介電常數來表示。通常，泥餅的介電常數大于地層的介電常數。因此，在泥餅和地層之間會產生全反射，一部分波經泥餅傳播；另一部分波進入地層，并沿泥餅和地層的界面傳播，即所謂的側面波。測量側面波的幅度衰減和相位變化，就可求得地層的介電常數和電阻率。電磁波傳播測井儀器采用雙發雙收補償式測量（如圖2）。

圖2MPR雙發雙收補償式天線

3.1衰減的測量與補償

電磁波在介質中傳輸能量衰減。衰變或衰減速度與介質（地層）的導電率成正比。衰減（有時稱為振幅比）是根據兩個接收天線所檢測到信號的振幅計算得來的，和發射天線的距離有關。量化衰減水平最常用的單位是分貝（dB）。“振幅比”定義為：

振幅比＝20Xlog()（1）

其中，A代表振幅，單位是伏特。

T1天線發射，近接收天線（R1）和遠接收天線（R2）分別測得電壓信號，根據公式1得到的振幅比分別為A11和A12。T2天線發射，近接收天線（R1）和遠接收天線（R2）分別測得電壓信號，根據公式1得到的振幅比分別為A22和A21。在T1和T2交替發射一次后，得出補償后的衰減值：

在高導電率地層，由于遠接收器信號振幅比近接收器信號振幅弱，遠接收器的衰減較大。電阻率高時，發送器信號衰減較少，遠接收器振幅將只比近接收器振幅小一點。

3.2相移的測量與補償

電磁波在介質中傳輸除了有能量衰減，還有相位的移動。如圖3所示。T1天線發射，遠接收天線測得的相位差為P12，近接收天線測得的相位差為P11；T2天線發射，遠接收天線測得的相位差為P21，近接收天線測得的相位差為P22。在T1和T2交替發射一次后，得出補償后的相位差值為：

雖然電磁波的傳播速度一般被認為是一個常數（300,000千米/秒，通常被認為是光速），但這是實際上僅適用于在真空里傳播的電磁波（EM）。在電導體中，傳導電磁波的速度依照材料導電性的比例放慢。擴散波的波長、頻率和速度都通過以下方程式聯系在一起：

V=ω*λ或V=2πf*λ

電磁波在高阻地層中的傳播速度比在低阻地層快。因此，儀器傳送的信號在較高電阻率地層將有更長的波長，在較低的電阻率地層有較短的波長。

圖3相位信號示意圖

4隨鉆電阻率工作原理

MPR短節由探管（SONDE）和天線殼體組成。SONDE安置在天線殼體的內部，在殼體的內側通過PADDLE與殼體固定在一起。SONDE包括三個主要部分，它們都同PADDLE相連接：①發送器的上半部分，放置T2和T4的發射電路板；②發送器的下半部分，放置T1和T3的發射電路板；③接收器部分，放置主控板，接收板，電源板和調制解調器；PADDLE主要有以下四個功能：

同兩個發射骨架和一個接收骨架相連接；

提供各模塊之間的電氣連接；

提供發射和接收天線間的電氣連接；

給記憶存儲提供通信的通道。

在MPR鉆鋌中，PADDLE的一個插針與M30滑環相連接，通過此線與上面的探管（MASTER）進行串行通訊。68332芯片安裝在主控的電路板上，它控制每一個在發送和接收電路板上的68HC11芯片。每一個68HC11芯片都控制著一個數控振蕩器（NCO），68332通過總線直接和68HC11通信；68HC11會解碼一系列指令，并承載一些數據進入NCO寄存器，以產生特定的頻率：2MHz或400KHz。獲取的數據必須保證同發送信號是完全的同步，這是由在處理器主板上的一個晶體振蕩器來完成的。時鐘頻率是12.288MHz，這個頻率允許數控振蕩器以最小的失真產生2MH和400KHz的輸出信號。

4.1電源板和調制解調板

圖4供電與信號框圖

1）電源板和調制解調板的組成及工作原理

電源板主要由變壓器和開關電路組成。調制解調板主要由ACTEL芯片和運放電路組成。

MPR電阻率上有1個電源板和1個調制解調板。LWD的主處理器（MASTER）與MPR通過一根線進行串口通訊，這根線上同時走30V直流電和通訊信號，M30即為這根線。M30通過低通濾波器濾掉信號，剩下30V直流電進入電源板，通過變壓器和開關電路產生5V、+5V、-5V、+12V和-12V直流電，為主控板、接收板和調制解調板供電。M30通過高通濾波器濾掉30V直流電，剩下信號進入MODEM，轉換為MPR主控可識別的1039信號。MPR測得的數據通過MODEM將信號轉換成M30送給LWD的主處理器。

圖5電源電路板

圖6井下數據及信號通訊傳輸電路板

2）調試過程中遇到的問題

①電源板變壓器的纏制：變壓器纏不好就得不到規定的輸出電壓，同時變壓器會發熱，影響變壓器的工作壽命和工作的可靠性，還會造成功耗大的問題，此變壓器還會影響信號的處理。為此，我們纏了100多個變壓器進行試驗，解決了此問題。

②ACTEL芯片的解密：在世界范圍內，還沒有人能對ACTEL芯片進行解密，我們在掌握其工作原理和通信原理后，歷時3個多月完成了解密。

4.2發射板

圖7發射板框圖

1）發射板的組成及工作原理

發送板主要由下面元件和電路組成：68HC711微控制器、12.288MHz的時鐘電路、數控振蕩器（NCO）、濾波器、輸出放大器、直流電源轉換器和分頻器。

MPR電阻率上有4個發射電路板，位于SONDE的2端，每一端有2塊。它們的外觀和功能都是一樣的，產生2MHz或400KHz的振蕩頻率，它們之間唯一的區別是68HC711芯片內的程序不同。主控電路板通過總線和晶振控制發射板工作，并保持工作同步。發射板的供電方式為M30線直接供電，而不用電源板供電；M30線通過濾波電路濾掉信號，只保留30V直流電，通過變壓器進行直流轉換產生+12V，-12V和+5V直流電給每塊芯片提供電源。68HC711接到68332的指令開始工作，向NCO傳送數字命令使其振蕩，通過濾波器后，產生2MHz和400KHz的振蕩信號；然后進行電壓和電流放大，以增大其發射的功率，然后通過天線向外發射。

圖8發射電路板

2）調試過程中遇到的問題

①變壓器的纏制：變壓器纏制達不到要求會得不到規定的輸出電壓，同時變壓器會發熱，進而影響變壓器的工作壽命和工作的可靠性，還會造成功耗大的問題。為此，我們纏制了100多個變壓器進行試驗，解決了此問題。

②濾波電路的調試：濾波電路中電感和電容的選擇直接影響發射的相位和衰減，經過幾天的摸索找到了調試的規律，達到了規定的相位值和衰減值。

4.3接收板

圖9接收板框圖

1）接收板的組成及工作原理

接收板主要由下面元件和電路組成：68HC711微控制器、12.288MHz的時鐘電路、數控振蕩器（NCO）、濾波器、混頻電路、放大器、帶通濾波器和分頻器。

MPR電阻率上有1個接收電路板，上面有2個接收通道（R1和R2）。它們的外觀和功能都是一樣的，接收發射天線產生2MHz和400KHz的振蕩信號，并處理成6KHz的信號去主控。接收板的供電方式為電源板供電，需要+12V，-12V和+5V的直流電。主控電路板通過總線和晶振控制接收電路板工作，并保持工作同步。68HC711接到68332的指令開始工作，向NCO傳送數字命令使其振蕩，通過濾波器后，產生1.994MHz和394KHz的本振信號。接收天線接收到信號，放大后與本振產生的1.994MHz和394KHz信號進行混頻，經過放大和帶通濾波器后，產生6KHz的信號，然后進入主控板的A/D轉換器。混頻后降低信號頻率有助于更加簡單的處理信號。

圖10接收電路板

2）調試過程中遇到的問題

混頻電路的調試：在調試過程中，得不到要求的衰減值和相位值，存在一定的數值差；我們檢查了電路中所有的濾波電容、電感和電阻，沒有發現問題。我們將接收板分割成3塊進行調試，排除了本振部分和帶通濾波器部分，最后把問題定位在混頻器部分。對混頻器電路的電容和電阻進行調試，最后達到要求，完成調試。

4.4主控板

圖11主控板框圖

1）主控板的組成及工作原理

主控板主要由下面元件和電路組成：68332主處理器、數字信號處理器DSP、12.288MHz的晶體時鐘電路、32.768KHz的晶體時鐘電路、存儲器、A/D轉換器和LT1039芯片。

MPR電阻率上有1個主控電路板，它是MPR的大腦，控制發射板和接收板，并處理采集的數據，使用電源板供電。68332是主控板的核心，它是M30同LWD主處理器（MASTER）通信的結點。68332的主要功能是控制安裝在發射板和接收板上的微控制器68HC711的活動，68332與68HC711的通信通過總線來完成。6KHz的信號通過運放進入A/D轉換器，將6KHz的模擬信號轉換為數字信號，再將數據傳送給。DSP以每秒鐘24000次的速度接收A/D通道上采集的數據，DSP采用快于6KHz四倍的采樣速度，這就決定了它能以0度，90度，180度和270度的角度進行采樣，四個位置（0度，90度，180度和270度）的平均值的測量方法可以降低噪聲對系統的影響，DSP能對數據進行采樣并取平均值，除了原始的相位和振幅值外，還可算出相位差和振幅衰減值。68332把計算好的數據通過LT1039傳給MODEM，然后到LWD的主處理器。

圖12主控電路板

2）調試過程中遇到的問題

整體調試：在焊完68332、DSP及相應的電容電阻后，開始調試，68332總在復位，我們對電路板進行詳細的走線檢查，未發現問題；又仔細的檢查了電容和電阻，發現了錯誤，排除了問題。持續低電平；更換68332后，正常，持續高電位。焊上剩下的元器件后調試，又出現了復位現象，卸下備用存儲器后，主控板工作正常。用電腦進行測試，數據有錯誤，更換運算放大器后，一切正常。

5地面試驗和現場試驗

1）老化試驗：在實驗室進行了72小時的老化試驗，驗證其長期工作的可靠性。72小時后，測得數據正常，老化試驗成功。

圖13老化試驗

2）抗溫試驗：在水平井維修車間進行了抗溫試驗（85℃），驗證電子元器件的抗高溫性能。試驗得到數據如圖14和圖15。

圖14室溫情況下airhang數據

圖1585℃后airhang數據

上面2圖中紅色橢圓內相應位置的數據差值在±0.1之間，符合標準，高溫試驗成功。

3）現場試驗：使用自主研發的電阻率儀器2009年6月12日17：30到6月17日7：00在鉆井二公司30629隊杏13-55-平44井進行了下井試驗。從1074米開始工作，到1676.8米完鉆，儀器井下循環81小時，進尺602.8米，工作正常，現場試驗成功。

6結論

隨鉆測井是當今國際鉆井界的一項高新技術，對于提高勘探開發和鉆井總體效益具有重要意義和作用。本文深入的分析了補償式天線和電阻率電子部分的工作原理。得出了MPR的優點如下：

1）MPR天線采用對稱式結構，可補償溫度和震動對電子元器件的影響，得到準確的測量數據；

2）SONDE在MPR天線殼體的內部，靠PADDLE與殼體連接，很好的與泥漿隔離，避免了泥漿的滲漏；

3）MPR電路板采用了大規模的集成電路，運用了DSP和FPGA等技術，受元器件的影響較小，工作穩定可靠。

參考文獻

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