一種存儲直讀一體式聲波變密度測井儀的設(shè)計

韓 韜,張俊勇

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西 西安 710300)(2.陜西國防工業(yè)職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

作為油氣勘探的重要手段之一，測井技術(shù)具有分辨率高、連續(xù)性強、節(jié)約成本等優(yōu)勢。隨著油氣勘探開發(fā)向著更深更復(fù)雜儲層的推進，常規(guī)測井技術(shù)難以滿足當(dāng)前地層評價的需求，因此越來越多的石油公司和服務(wù)公司致力于改進、提升測井探測和評價能力。聲波變密度測井是聲波測井的一種，采用組合測井方式，縮短了作業(yè)時間，降低了勞動強度，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)井、側(cè)鉆井、水平井和探井固井測井中[1]。

聲波變密度測井儀是利用相關(guān)設(shè)備測量聲波在井內(nèi)傳播時不同界面反射回來的聲波幅度大小，來判斷界面膠結(jié)程度的一種儀器。由于在井下工作，因此該儀器要能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的要求，能夠承受高溫并且要求傳輸數(shù)據(jù)速度快。同時，在保證儀器可靠性的情況下降低系統(tǒng)功耗也是測井儀的設(shè)計要求[2]。

1 測井儀總體設(shè)計和工作模式

1.1 系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計的存儲直讀一體式聲波變密度測井儀由地面系統(tǒng)和井下儀器兩部分組成，地面系統(tǒng)包括計算機、時深數(shù)據(jù)記錄儀以及井深測量模塊(角位移傳感器、鉤載傳感器等)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 存儲直讀一體式聲波變密度測井儀整體系統(tǒng)

1.2 測井儀的兩種工作模式

傳統(tǒng)聲波變密度測井儀只有存儲模式，本文設(shè)計的測井儀的工作模式有存儲模式與直讀模式兩種。

1)存儲模式。

儀器工作在存儲模式時使用電池供電，測井?dāng)?shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)均以絕對時間為標(biāo)簽存儲到儀器內(nèi)部存儲器和計算機中。測井前需進行儀器設(shè)置、檢查等工作；測井完成后，將井下儀的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中進行數(shù)據(jù)整合、校正、刻度等處理。

2)直讀模式。

工作在直讀模式時，只需將遙傳短節(jié)通過轉(zhuǎn)接頭配接伽馬磁定位短節(jié)和聲波短節(jié)及緩沖器，儀器通過電纜供電，測井?dāng)?shù)據(jù)通過遙傳短節(jié)實時上傳，直接在上位機實時顯示和存儲。直讀模式下儀器在測井前的操作流程：①自上而下連接存儲短節(jié)、伽馬磁定位短節(jié)、聲波短節(jié)和緩沖器以及扶正器；②通過USB線連接計算機和存儲短節(jié)，電源線連接存儲短節(jié)和時深數(shù)據(jù)記錄儀，連接示意圖如圖2所示；③打開時深數(shù)據(jù)記錄儀的供電開關(guān)，給井下儀器供電；④打開上位機軟件完成井下儀器的檢查、工作模式設(shè)置、時間同步、下傳儀器參數(shù)設(shè)置等操作；⑤電池檢測，將電池短節(jié)通過轉(zhuǎn)接線連接到時深數(shù)據(jù)記錄儀的電池檢測端口，測量電池的帶載和空載電壓，判斷當(dāng)前電池是否能夠滿足測井要求；⑥儀器檢查、設(shè)置完成后拔掉“專用連接線”，將電池短節(jié)連接到存儲短節(jié)上端，連接鉆具進行測井操作[3]。

圖2 測前儀器檢查連接示意圖

測井完成后進行數(shù)據(jù)回放：①卸掉電池短節(jié)，然后卸下存儲短節(jié)，并將存儲短節(jié)放置在計算機附近；②通過USB線和電源線連接存儲短節(jié)與計算機、時深數(shù)據(jù)記錄儀，連接示意圖如圖3所示；③打開時深數(shù)據(jù)記錄的供電開關(guān)，給存儲短節(jié)供電；④打開上位機軟件回放存儲短節(jié)的測井?dāng)?shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)回放存儲短節(jié)連接圖

2 測井儀系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)

2.1 地面系統(tǒng)設(shè)計

地面系統(tǒng)主要負責(zé)發(fā)送命令和傳輸信號，系統(tǒng)主要包括裝有專用軟件的計算機、時深數(shù)據(jù)記錄儀以及井深測量模塊(角位移傳感器、鉤載傳感器等)，它們之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 地面系統(tǒng)組成

1)裝有測井軟件的計算機。

主要負責(zé)地面深度數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)的處理：①測井前，檢查和設(shè)置井下儀參數(shù)；②設(shè)置時深數(shù)據(jù)記錄儀的參數(shù)及時間同步，并進行絞車傳感器標(biāo)定、鉤載傳感器標(biāo)定，存儲標(biāo)定數(shù)據(jù)；③測井完成后，回放井下儀的測井?dāng)?shù)據(jù)并形成文件，綜合時深數(shù)據(jù)文件進行深度對齊處理并形成深度-數(shù)據(jù)文件，然后進行數(shù)據(jù)的增益調(diào)整、聲波刻度和伽馬刻度、曲線處理以及出圖、轉(zhuǎn)格式等操作。

2)時深數(shù)據(jù)記錄儀。

時深數(shù)據(jù)記錄儀的功能主要包括：①給井下儀器、絞車傳感器和鉤載傳感器供電；②對絞車和鉤載傳感器的輸出信號進行信號隔離、信號調(diào)理和采集；③與計算機進行實時通信，接收設(shè)置命令和參數(shù)，并將深度、載荷及時間數(shù)據(jù)打包發(fā)送給計算機；④檢測電池的開路電壓和帶載電壓，并通過液晶屏顯示。

3)井深測量模塊。

井深測量模塊包括絞車傳感器和鉤載傳感器。絞車傳感器安裝在絞車滾筒軸上，測量絞車的轉(zhuǎn)動方向、角位移；鉤載傳感器安裝在絞車鋼纜末端的液壓輸出端上，測量鋼纜上的載荷，確定當(dāng)前鉆具的狀態(tài)。根據(jù)兩個傳感器的輸出信號確定儀器的位移。依據(jù)輸入起始深度，確定當(dāng)前的儀器深度[4]。傳感器安裝位置如圖5所示。

圖5 傳感器安裝位置

2.2 井下儀器設(shè)計

聲波變密度測井儀由電池短節(jié)、存儲短節(jié)、伽馬磁定位短節(jié)、聲系短節(jié)、緩沖短節(jié)、伽馬-遙傳轉(zhuǎn)接頭、柔性短節(jié)、滾輪扶正器、尼龍扶正器(或橡膠扶正器)組成，儀器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 儀器總體結(jié)構(gòu)圖

電池短節(jié)位于儀器頂端，其上端采用標(biāo)準(zhǔn)“83”扣設(shè)計(無電連接器)，下端采用4芯同軸插頭(用2芯)，存儲短節(jié)上端采用4芯同軸插座(用2芯)，端面上放置USB插座，其他短節(jié)上端均采用單芯插座，下端采用單芯插頭，儀器的圓孔用彈性擋圈固定[5]。

磁定位護管采用0Cr13Mn18Ni2MoN無磁不銹鋼材料，其余外管均采用17-4PH，電路骨架部分的材料為2Cr13，采用雙面布板，光電倍增管護管的材料為坡莫合金1J50。每個短節(jié)上端設(shè)計有六方卡盤槽和用于打印儀器及公司標(biāo)識的刻槽。

電池短節(jié)、存儲短節(jié)、伽馬磁定位短節(jié)、聲系短節(jié)、緩沖短節(jié)等部分的設(shè)計有效長度見表1。直讀模式下工作時，儀器串由上到下依次為MPYC43遙傳短節(jié)+遙傳轉(zhuǎn)接頭+伽馬磁定位短節(jié)+聲波短節(jié)，其總有效長度為3 957.5 mm；存儲模式下工作時，儀器串由上到下依次為電池短節(jié)+存儲短節(jié)+滾輪扶正器+伽馬磁定位短節(jié)+柔性短節(jié)+滾輪扶正器+聲波短節(jié)+滾輪扶正器+緩沖短節(jié)[6]，其總有效長度為10 316.5 mm。

表1 構(gòu)件尺寸

3 仿真實驗與分析

本文設(shè)計的存儲直讀一體式聲波變密度測井儀在西安思坦儀器股份有限公司完成了儀器的設(shè)計、制造，在合作單位延長石油(集團)有限責(zé)任公司的測試基地完成仿真實驗，儀器供電電壓為18 V，井下儀器模塊之間采用內(nèi)部總線方式通信，使用Sondex的AMI編碼，波特率為500 Kbps。

3.1 低功耗和數(shù)據(jù)傳輸仿真實驗

本文設(shè)計的測井儀的DSP控制器選用TMS320F28069，其對上電時序無要求，內(nèi)部RAM為100 KB，不需要外擴RAM，封裝尺寸為16 mm×16 mm，滿足儀器的使用要求[7]。

為了便于實時采集數(shù)據(jù)，測井儀利用直讀模式進行仿真實驗。待下井前設(shè)置的時間閾值到后，才給下端儀器提供18 V的電源，18 V的電壓經(jīng)過變壓器變?yōu)殡娐钒逅玫?.3 V和1.8 V，否則下端儀器處于斷電狀態(tài)；同時在時間閾值未到之前，DSP休眠，待時間到時，喚醒DSP進入正常工作狀態(tài)，以此降低功耗。

表2中IDD為DSP控制器供電1.8 V接口對應(yīng)的電流，IDDIO、IDDA、IDD3VFL分別是測井儀聲波短節(jié)、伽馬磁定位短節(jié)和存儲短節(jié)的DSP控制器供電3.3 V端口對應(yīng)的電流，利用TMS320F28069針對正常模式以及IDLE、STANDBY、HALT等3種低功耗模式下的工作電流進行了對比，結(jié)果見表2，實驗結(jié)果表明：當(dāng)儀器處于休眠模式時電流僅為10 μA，大大減少了儀器的功耗。

表2 正常模式和三種低功耗模式對應(yīng)電流值

由于聲波的數(shù)據(jù)量大，使用直讀方式測井時對遙傳的通信速率要求高。設(shè)計遙傳速率為50 Kbps，儀器最低要求速率為21 Kbps。遙傳短節(jié)數(shù)據(jù)格式按幀為單位進行傳輸[8]，每一幀數(shù)據(jù)包括4 Byte的幀頭、4 Byte的遙傳短節(jié)數(shù)據(jù)、400 Byte的主幀數(shù)據(jù)、4 Byte的幀尾以及8 Byte的空閑幀，通過實驗計算得到數(shù)據(jù)傳輸效率為87%，所以實際有效的傳輸速率為50 Kbps×87%=43.5 Kbps。

可見，測井過程中遙傳的傳輸速率(43.5 Kbps)大于儀器需要的傳輸速率(21 Kbps)，滿足了基本的實時測井要求。

3.2 高溫仿真實驗

高溫仿真實驗是在西安思坦儀器股份有限公司合作單位延長石油(集團)有限責(zé)任公司測試基地的高溫試驗井中完成，試驗井建立在直徑為6 m、深為18 m的沉井中，試驗井升溫采用電加熱方式。實驗時，將井下儀器置入高溫試驗井中，主要測試井下儀器的控制芯片能否將信號正常傳回到上位機，以驗證本文設(shè)計的測井儀的穩(wěn)定性和可靠性[9]。具體實驗步驟如下：

1)通過升降試驗機將井下儀器送到高溫試驗井底部平臺上；

2)將電熱元件包裹在試驗井筒外部, 用電熱元件直接加熱試驗井筒外壁來加熱井筒內(nèi)的試驗介質(zhì)以達到實驗溫度要求，分別將溫度加到100 ℃和175 ℃；

3)利用測井儀主控芯片ADCS7476完成聲波采集，在直讀工作模式下，輸入信號為0～3 V，上位機收集電壓數(shù)據(jù)，采集100 ℃和175 ℃時的理論電壓值V0、多次平均電壓值Vi和噪聲峰值電壓Vpp等數(shù)據(jù)，見表3。

表3 測井儀高溫實驗數(shù)據(jù) 單位：V

4)示波器輸出上位機收到的100 ℃和175 ℃時的測試信號波形，如圖7所示。

圖7 輸出波形

由實驗結(jié)果可知，最高溫度達到175 ℃時輸出信號的線性度較好，最大偏差值(Vi-V0)不超過40 mV，噪聲峰值Vpp不超過50 mV，示波器輸出的波形穩(wěn)定，沒有影響信號的正常解碼，精度達到了高溫實驗回傳信號的基本要求。測井儀通過了最高溫度為175 ℃的高溫實驗[10]。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型存儲直讀一體式聲波變密度測井儀，詳細介紹了該測井儀的地面系統(tǒng)及井下儀器的具體組成和功能，分析了儀器在存儲工作模式與直讀工作模式下的運行情況，并完成了各項仿真實驗，驗證了測井儀的穩(wěn)定性和可靠性。本文設(shè)計的測井儀相對傳統(tǒng)的測井儀器能夠有效降低儀器的功耗，提高儀器的遙傳速率，并且在高溫下仍能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作，實現(xiàn)了井下信號的實時采集。因此，該設(shè)計方案能夠有效改善聲波變密度測井儀的相關(guān)參數(shù)，為石油測井儀器的優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)參考。