隨鉆電阻率測(cè)量技術(shù)

隨鉆電阻率測(cè)量技術(shù)

摘要：隨鉆測(cè)井LWD是在鉆井的過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行的用于評(píng)價(jià)所鉆穿地層的地質(zhì)和巖石物理參數(shù)的測(cè)量，主要有電阻率、放射性、聲波及核磁等隨鉆測(cè)井技術(shù)。本文簡(jiǎn)要的介紹了貝殼NAVITRAK的結(jié)構(gòu)組成；主要分析了補(bǔ)償式天線和電阻率電子部分的工作原理。

關(guān)鍵詞：LWD；電阻率；衰減；相位；SONDE；PADDLE

1前言

由于油田區(qū)塊的開發(fā)己經(jīng)到了中后期，為了開發(fā)薄油層以及殘余油，地質(zhì)導(dǎo)向儀器己經(jīng)變得相當(dāng)重要。另外這些區(qū)塊的地質(zhì)構(gòu)成及地層描述都已相當(dāng)清楚，再利用鄰井的測(cè)井資料，就可以定性和定量描述開發(fā)地層的地質(zhì)構(gòu)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(cè)量和地質(zhì)導(dǎo)向的要求。

圖1貝殼休斯LWD井下儀器示意圖

2NAVIMPR儀器簡(jiǎn)介

貝克休斯公司的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)NAVIMPR的井下儀器主要由脈沖發(fā)生器、探管、M30短節(jié)、MPR電阻率和井斜伽瑪幾大模塊組成，探管由整流模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、存儲(chǔ)器、定向模塊和伸展電子連接頭等組成，儀器總長(zhǎng)。井下儀器示意圖如圖1所示。儀器中有一個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)，鉆井液沖擊渦輪產(chǎn)生交流電，經(jīng)SNT整流后，供給各個(gè)電路模塊。MPR有4個(gè)發(fā)射極、2個(gè)接收極，可以發(fā)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(hào)。由4個(gè)發(fā)射極向地層分別發(fā)射2MHz和400kHz的電磁波，不同巖性的地層對(duì)電磁波的相位延遲或衰減不同的，從而通過(guò)泥漿脈沖經(jīng)過(guò)地而傳感器傳到地面設(shè)備中，進(jìn)行解碼。

MPR技術(shù)的引進(jìn)提高了電阻率測(cè)量的精度，增強(qiáng)了薄層及其流體界面劃分的能力，使儲(chǔ)層綜合解釋及詳細(xì)的油氣水分析技術(shù)得到改進(jìn)及完善。

3隨鉆電阻率測(cè)井原理

根據(jù)物理學(xué)，凡能在電場(chǎng)中極化的物質(zhì)叫電介質(zhì)。物質(zhì)的介電性質(zhì)也就是它的極化能力，用介電常數(shù)來(lái)表示。通常，泥餅的介電常數(shù)大于地層的介電常數(shù)。因此，在泥餅和地層之間會(huì)產(chǎn)生全反射，一部分波經(jīng)泥餅傳播；另一部分波進(jìn)入地層，并沿泥餅和地層的界面?zhèn)鞑?，即所謂的側(cè)面波。測(cè)量側(cè)面波的幅度衰減和相位變化，就可求得地層的介電常數(shù)和電阻率。電磁波傳播測(cè)井儀器采用雙發(fā)雙收補(bǔ)償式測(cè)量。

圖2MPR雙發(fā)雙收補(bǔ)償式天線

衰減的測(cè)量與補(bǔ)償

電磁波在介質(zhì)中傳輸能量衰減。衰變或衰減速度與介質(zhì)的導(dǎo)電率成正比。衰減是根據(jù)兩個(gè)接收天線所檢測(cè)到信號(hào)的振幅計(jì)算得來(lái)的，和發(fā)射天線的距離有關(guān)。量化衰減水平最常用的單位是分貝?！罢穹取倍x為：

振幅比＝20Xlog

其中，A代表振幅，單位是伏特。

T1天線發(fā)射，近接收天線和遠(yuǎn)接收天線分別測(cè)得電壓信號(hào)，根據(jù)公式1得到的振幅比分別為A11和A12。T2天線發(fā)射，近接收天線和遠(yuǎn)接收天線分別測(cè)得電壓信號(hào)，根據(jù)公式1得到的振幅比分別為A22和A21。在T1和T2交替發(fā)射一次后，得出補(bǔ)償后的衰減值：

在高導(dǎo)電率地層，由于遠(yuǎn)接收器信號(hào)振幅比近接收器信號(hào)振幅弱，遠(yuǎn)接收器的衰減較大。電阻率高時(shí)，發(fā)送器信號(hào)衰減較少，遠(yuǎn)接收器振幅將只比近接收器振幅小一點(diǎn)。

相移的測(cè)量與補(bǔ)償

電磁波在介質(zhì)中傳輸除了有能量衰減，還有相位的移動(dòng)。如圖3所示。T1天線發(fā)射，遠(yuǎn)接收天線測(cè)得的相位差為P12，近接收天線測(cè)得的相位差為P11；T2天線發(fā)射，遠(yuǎn)接收天線測(cè)得的相位差為P21，近接收天線測(cè)得的相位差為P22。在T1和T2交替發(fā)射一次后，得出補(bǔ)償后的相位差值為：

雖然電磁波的傳播速度一般被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，但這是實(shí)際上僅適用于在真空里傳播的電磁波。在電導(dǎo)體中，傳導(dǎo)電磁波的速度依照材料導(dǎo)電性的比例放慢。擴(kuò)散波的波長(zhǎng)、頻率和速度都通過(guò)以下方程式聯(lián)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(hào)在較高電阻率地層將有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，在較低的電阻率地層有較短的波長(zhǎng)。

圖3相位信號(hào)示意圖

4隨鉆電阻率工作原理

MPR短節(jié)由探管和天線殼體組成。SONDE安置在天線殼體的內(nèi)部，在殼體的內(nèi)側(cè)通過(guò)PADDLE與殼體固定在一起。SONDE包括三個(gè)主要部分，它們都同PADDLE相連接：①發(fā)送器的上半部分，放置T2和T4的發(fā)射電路板；②發(fā)送器的下半部分，放置T1和T3的發(fā)射電路板；③接收器部分，放置主控板，接收板，電源板和調(diào)制解調(diào)器；PADDLE主要有以下四個(gè)功能：

同兩個(gè)發(fā)射骨架和一個(gè)接收骨架相連接；

提供各模塊之間的電氣連接；

提供發(fā)射和接收天線間的電氣連接；

給記憶存儲(chǔ)提供通信的通道。

在MPR鉆鋌中，PADDLE的一個(gè)插針與M30滑環(huán)相連接，通過(guò)此線與上面的探管進(jìn)行串行通訊。68332芯片安裝在主控的電路板上，它控制每一個(gè)在發(fā)送和接收電路板上的68HC11芯片。每一個(gè)68HC11芯片都控制著一個(gè)數(shù)控振蕩器，68332通過(guò)總線直接和68HC11通信；68HC11會(huì)解碼一系列指令，并承載一些數(shù)據(jù)進(jìn)入NCO寄存器，以產(chǎn)生特定的頻率：2MHz或400KHz。獲取的數(shù)據(jù)必須保證同發(fā)送信號(hào)是完全的同步，這是由在處理器主板上的一個(gè)晶體振蕩器來(lái)完成的。時(shí)鐘頻率是，這個(gè)頻率允許數(shù)控振蕩器以最小的失真產(chǎn)生2MH和400KHz的輸出信號(hào)。

電源板和調(diào)制解調(diào)板

圖4供電與信號(hào)框圖

1）電源板和調(diào)制解調(diào)板的組成及工作原理

電源板主要由變壓器和開關(guān)電路組成。調(diào)制解調(diào)板主要由ACTEL芯片和運(yùn)放電路組成。

MPR電阻率上有1個(gè)電源板和1個(gè)調(diào)制解調(diào)板。LWD的主處理器與MPR通過(guò)一根線進(jìn)行串口通訊，這根線上同時(shí)走30V直流電和通訊信號(hào)，M30即為這根線。M30通過(guò)低通濾波器濾掉信號(hào)，剩下30V直流電進(jìn)入電源板，通過(guò)變壓器和開關(guān)電路產(chǎn)生5V、+5V、-5V、+12V和-12V直流電，為主控板、接收板和調(diào)制解調(diào)板供電。M30通過(guò)高通濾波器濾掉30V直流電，剩下信號(hào)進(jìn)入MODEM，轉(zhuǎn)換為MPR主控可識(shí)別的1039信號(hào)。MPR測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)MODEM將信號(hào)轉(zhuǎn)換成M30送給LWD的主處理器。

圖5電源電路板

圖6井下數(shù)據(jù)及信號(hào)通訊傳輸電路板

2）調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題

①電源板變壓器的纏制：變壓器纏不好就得不到規(guī)定的輸出電壓，同時(shí)變壓器會(huì)發(fā)熱，影響變壓器的工作壽命和工作的可靠性，還會(huì)造成功耗大的問(wèn)題，此變壓器還會(huì)影響信號(hào)的處理。為此，我們纏了100多個(gè)變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，解決了此問(wèn)題。

②ACTEL芯片的解密：在世界范圍內(nèi)，還沒(méi)有人能對(duì)ACTEL芯片進(jìn)行解密，我們?cè)谡莆掌涔ぷ髟砗屯ㄐ旁砗?，歷時(shí)3個(gè)多月完成了解密。

發(fā)射板

圖7發(fā)射板框圖

1）發(fā)射板的組成及工作原理

發(fā)送板主要由下面元件和電路組成：68HC711微控制器、的時(shí)鐘電路、數(shù)控振蕩器、濾波器、輸出放大器、直流電源轉(zhuǎn)換器和分頻器。

MPR電阻率上有4個(gè)發(fā)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(chǎn)生2MHz或400KHz的振蕩頻率，它們之間唯一的區(qū)別是68HC711芯片內(nèi)的程序不同。主控電路板通過(guò)總線和晶振控制發(fā)射板工作，并保持工作同步。發(fā)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(guò)濾波電路濾掉信號(hào)，只保留30V直流電，通過(guò)變壓器進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(shù)字命令使其振蕩，通過(guò)濾波器后，產(chǎn)生2MHz和400KHz的振蕩信號(hào)；然后進(jìn)行電壓和電流放大，以增大其發(fā)射的功率，然后通過(guò)天線向外發(fā)射。

圖8發(fā)射電路板

2）調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題

①變壓器的纏制：變壓器纏制達(dá)不到要求會(huì)得不到規(guī)定的輸出電壓，同時(shí)變壓器會(huì)發(fā)熱，進(jìn)而影響變壓器的工作壽命和工作的可靠性，還會(huì)造成功耗大的問(wèn)題。為此，我們纏制了100多個(gè)變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，解決了此問(wèn)題。

②濾波電路的調(diào)試：濾波電路中電感和電容的選擇直接影響發(fā)射的相位和衰減，經(jīng)過(guò)幾天的摸索找到了調(diào)試的規(guī)律，達(dá)到了規(guī)定的相位值和衰減值。

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、的時(shí)鐘電路、數(shù)控振蕩器、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(gè)接收電路板，上面有2個(gè)接收通道。它們的外觀和功能都是一樣的，接收發(fā)射天線產(chǎn)生2MHz和400KHz的振蕩信號(hào)，并處理成6KHz的信號(hào)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(guò)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(shù)字命令使其振蕩，通過(guò)濾波器后，產(chǎn)生和394KHz的本振信號(hào)。接收天線接收到信號(hào)，放大后與本振產(chǎn)生的和394KHz信號(hào)進(jìn)行混頻，經(jīng)過(guò)放大和帶通濾波器后，產(chǎn)生6KHz的信號(hào)，然后進(jìn)入主控板的A/D轉(zhuǎn)換器?；祛l后降低信號(hào)頻率有助于更加簡(jiǎn)單的處理信號(hào)。

圖10接收電路板

2）調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題

混頻電路的調(diào)試：在調(diào)試過(guò)程中，得不到要求的衰減值和相位值，存在一定的數(shù)值差；我們檢查了電路中所有的濾波電容、電感和電阻，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。我們將接收板分割成3塊進(jìn)行調(diào)試，排除了本振部分和帶通濾波器部分，最后把問(wèn)題定位在混頻器部分。對(duì)混頻器電路的電容和電阻進(jìn)行調(diào)試，最后達(dá)到要求，完成調(diào)試。

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(shù)字信號(hào)處理器DSP、的晶體時(shí)鐘電路、的晶體時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器和LT1039芯片。

MPR電阻率上有1個(gè)主控電路板，它是MPR的大腦，控制發(fā)射板和接收板，并處理采集的數(shù)據(jù)，使用電源板供電。68332是主控板的核心，它是M30同LWD主處理器通信的結(jié)點(diǎn)。68332的主要功能是控制安裝在發(fā)射板和接收板上的微控制器68HC711的活動(dòng)，68332與68HC711的通信通過(guò)總線來(lái)完成。6KHz的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，將6KHz的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)據(jù)傳送給。DSP以每秒鐘24000次的速度接收A/D通道上采集的數(shù)據(jù)，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(jìn)行采樣，四個(gè)位置的平均值的測(cè)量方法可以降低噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，DSP能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算好的數(shù)據(jù)通過(guò)LT1039傳給MODEM，然后到LWD的主處理器。

圖12主控電路板

2）調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題

整體調(diào)試：在焊完68332、DSP及相應(yīng)的電容電阻后，開始調(diào)試，68332總在復(fù)位，我們對(duì)電路板進(jìn)行詳細(xì)的走線檢查，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；又仔細(xì)的檢查了電容和電阻，發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，排除了問(wèn)題。持續(xù)低電平；更換68332后，正常，持續(xù)高電位。焊上剩下的元器件后調(diào)試，又出現(xiàn)了復(fù)位現(xiàn)象，卸下備用存儲(chǔ)器后，主控板工作正常。用電腦進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，更換運(yùn)算放大器后，一切正常。

5地面試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1）老化試驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了72小時(shí)的老化試驗(yàn)，驗(yàn)證其長(zhǎng)期工作的可靠性。72小時(shí)后，測(cè)得數(shù)據(jù)正常，老化試驗(yàn)成功。

圖13老化試驗(yàn)

2）抗溫試驗(yàn)：在水平井維修車間進(jìn)行了抗溫試驗(yàn)，驗(yàn)證電子元器件的抗高溫性能。試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)如圖14和圖15。

圖14室溫情況下airhang數(shù)據(jù)

圖1585℃后airhang數(shù)據(jù)

上面2圖中紅色橢圓內(nèi)相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)差值在±之間，符合標(biāo)準(zhǔn)，高溫試驗(yàn)成功。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：使用自主研發(fā)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(duì)杏13-55-平44井進(jìn)行了下井試驗(yàn)。從1074米開始工作，到米完鉆，儀器井下循環(huán)81小時(shí)，進(jìn)尺米，工作正常，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功。

6結(jié)論

隨鉆測(cè)井是當(dāng)今國(guó)際鉆井界的一項(xiàng)高新技術(shù)，對(duì)于提高勘探開發(fā)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(bǔ)償式天線和電阻率電子部分的工作原理。得出了MPR的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）MPR天線采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，可補(bǔ)償溫度和震動(dòng)對(duì)電子元器件的影響，得到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)；

2）SONDE在MPR天線殼體的內(nèi)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(guī)模的集成電路，運(yùn)用了DSP和FPGA等技術(shù)，受元器件的影響較小，工作穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

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