陣列密度測井儀原理及常見故障分析

肖雷雷，宛文宇，劉紅旗，劉海

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450）

0 引言

近年來，隨著渤海油田勘探開發(fā)調(diào)整井作業(yè)難度逐年增大，以及大斜度、大位移及定向探井的增加，導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)中遇到復(fù)雜地層的情況頻出。在惡劣的井況條件下，無論是裸眼放射性測井還是隨鉆放射性測井均無法有效控制作業(yè)風(fēng)險，導(dǎo)致部分開發(fā)井的油藏測井資料缺失，為后續(xù)的地質(zhì)區(qū)塊開發(fā)及地層解釋評價帶來了較大的困難。為了解決現(xiàn)場勘探開發(fā)需要，中海油服油田技術(shù)事業(yè)部自主研發(fā)陣列密度測井儀，并在儀器投入現(xiàn)場使用后，取得了良好的應(yīng)用效果，作業(yè)安全、作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)時效均有了質(zhì)的提升。陣列密度測井技術(shù)是套后三孔隙度（中子、密度、 聲波）技術(shù)的最后一塊拼圖，配合自研超聲蘭姆波測井技術(shù)（UCCS），可以精確校正套管和水泥環(huán)對密度曲線的影響，同時配合套后中子聲波技術(shù)能較大程度規(guī)避工程風(fēng)險，有效減少工期并獲取完整的油藏測井資料。本文通過對陣列密度測井儀的基本原理及常見故障分析，為此類儀器的維保提供了可借鑒性的經(jīng)驗總結(jié)。

1 陣列密度測井儀背景及工作原理

1.1 陣列密度測井儀背景

套損：受到射孔、構(gòu)造壓力、巖性、高壓注水、放噴、電化學(xué)腐蝕、井身結(jié)構(gòu)等因素的影響，套管出現(xiàn)腐蝕、穿孔、損傷等情況。

固井質(zhì)量評價：水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量的檢查，即水泥環(huán)與套管、水泥環(huán)與地層的膠結(jié)情況。

套損與固井質(zhì)量評價的重要性：套管損壞會使油井的產(chǎn)量受到很大影響，水層段套管穿孔后，地層水進(jìn)入儲層，造成石油開采效率下降，套損井無法正常生產(chǎn)，套損井會影響動態(tài)測井資料的準(zhǔn)確性；對水泥環(huán)厚度的準(zhǔn)確測量是保證油氣井壽命、提高采收以及合理開發(fā)油氣資源的關(guān)鍵性技術(shù)之一。

在套管井中，由于套管和水泥環(huán)對伽馬射線的吸收，導(dǎo)致利用傳統(tǒng)的密度 “脊肋線” 方法具有一定的困難。Larry A.Jacobson（1990）利用數(shù)值模擬方法研究了套管井中密度測井響應(yīng)規(guī)律；G.L.Moake（1998）基于實驗數(shù)據(jù)提出適用于套管井的密度測井儀器設(shè)計方案，但儀器并未商業(yè)化；Ronald Plasek（2011）總結(jié)了前人的經(jīng)驗，提出了利用背散射伽馬進(jìn)行套管厚度計算，并設(shè)計兩種確定水泥環(huán)厚度的算法，實現(xiàn)套管井中高精度密度測井，并給出誤差范圍[1]。

在套管井中進(jìn)行密度測井主要面臨的問題有水泥環(huán)密度和厚度的確定、套管厚度的確定、地層密度響應(yīng)關(guān)系。

1.2 陣列密度的測量原理

陣列密度測井儀的核心部分是矩陣排列的探測器，工作時利用放射性同位素伽馬源向地層輻射伽馬射線，射線打入地層經(jīng)過散射和吸收后其能量也會隨之改變，回到探頭周圍的射線被俘獲。地層密度越大，對伽馬射線吸收越強，被俘獲的伽馬射線強度越弱；反之，地層密度越小，對伽馬射線吸收越弱，被俘獲的伽馬射線強度越強。地層密度相同而巖性不同（等效原子序數(shù)Zeff不同）造成的低能區(qū)（能量低于160 keV 范圍）計數(shù)率有較大的變化，且高能區(qū)計數(shù)率不變，中間區(qū)段是過渡帶，隨著等效原子序數(shù)Zeff的增加而加寬[2]，表明了光電吸收截面指數(shù)與物質(zhì)原子序數(shù)Z之間的密切關(guān)系。陣列密度測井儀可以測得套管后的地層密度，根據(jù)地層密度可定量求出地層的孔隙度。

普通雙源距密度測井儀不能滿足在套管井中的地層信息測量要求。針對這些缺陷設(shè)計了陣列密度測井儀，采用四探測器結(jié)構(gòu)，獲取更多的測量信息，通過數(shù)據(jù)處理獲得套管井地層密度及套管信息。

在套管井中，在一定的套管厚度條件下，存在一條套管井脊線，如圖1 所示。由于套管對不同源距處的探測器計數(shù)率的影響不同，對近源距探測器影響要大于遠(yuǎn)源距探測器，因此和裸眼井脊線相比，套管井脊線斜率更小。當(dāng)套管井中存在水泥環(huán)時，由于水泥的密度小于套管密度，因此水泥環(huán)在脊肋圖中以向右上方偏移的肋線響應(yīng)特征顯示。在相同的水泥環(huán)密度條件下，肋線上數(shù)據(jù)點的位置反映了不同的水泥環(huán)厚度，隨著厚度的增加，肋線向上方延伸，當(dāng)水泥環(huán)厚度足夠厚時，水泥環(huán)肋線和套管脊線相交于套管脊線上的水泥密度對應(yīng)的數(shù)據(jù)點。

圖1 陳列密度測井儀測量原理示意圖

1.3 各電路原理介紹

整串儀器電路主要分為電子節(jié)電路和機械節(jié)電路兩部分，同時具有四路探測器，進(jìn)行四路采譜并穩(wěn)譜。

探測器部分由屏蔽體鎢鎳鐵、晶體、光電倍增管等組成。屏蔽體鎢鎳鐵對伽馬射線有較強的吸收能力，可減少背散射的影響；晶體和光電倍增管可對伽馬射線進(jìn)行探測，伽馬射線射入閃爍晶體后與物質(zhì)發(fā)生作用產(chǎn)生次級電子，這些電子使晶體的原子受激而發(fā)光，大部分光子入射到光電倍增管的陰極，從陰極上打出光電子，經(jīng)過倍增后，在光電倍增管陽極上形成電流脈沖，這些信號脈沖經(jīng)過前放板放大驅(qū)動輸出至電子節(jié)模擬板。

每個探測器晶體尾部安裝有137Cs 穩(wěn)譜源，用于提供穩(wěn)譜信號，當(dāng)完成采譜后，主控板將譜信號傳到系統(tǒng)上，然后系統(tǒng)對穩(wěn)譜窗口的能譜進(jìn)行分析，計算出銫峰，通過補償高壓修正來抵消溫度對光電倍增管的影響。

1.3.1 前放部分

儀器前級放大電路是探測器信號的第一道處理，其主要作用是將微弱信號進(jìn)行驅(qū)動，增強其傳輸能力，以便于進(jìn)一步處理。來自探測器的脈沖信號首先經(jīng)過電容過濾使其規(guī)整，然后經(jīng)過前放兩級反向放大電路（OPA211），最終將137Cs 特征峰幅度放大為-3.2 V±0.2 V，其中改變RT1 可調(diào)節(jié)光電倍增管的輸出幅度，從而在初始高壓情況下將前方板輸出穩(wěn)定在-3.2 V±0.2 V，四個探測器的前放部分相同，用示波器測量可對比分析觀察。

1.3.2 譜采集電路部分

來自探頭四路探測器的輸出信號進(jìn)入兩路模擬板，經(jīng)過放大、整形、基線恢復(fù)后，分別進(jìn)兩路入數(shù)字板AD 采樣電路進(jìn)行采樣。

采譜電路采用波峰波谷采樣電路，同時采集原始信號的波峰電平值和波谷電平值，波峰減波谷就是峰值電壓，這樣可以避免原始信號基線發(fā)生變化時帶來的誤差。

放大板輸出的信號經(jīng)過RC 延遲放大后，在比較器中與未變化的信號比較后產(chǎn)生矩形脈沖，再經(jīng)過門電路整合生成COVER 信號，然后作為ADC 開始采集的指示，使ADC 在對應(yīng)的波峰和波谷處進(jìn)行電平采集。

1.3.3 自動穩(wěn)譜

溫度變化對光電倍增管的輸出幅度有影響，在實際測井中，井越深環(huán)境溫度越高，測井環(huán)境溫度的變化會使能譜漂移，影響最終的測量精度。

陣列密度測井儀探頭每個探測器晶體尾部安裝有137Cs 穩(wěn)譜源，用于提供穩(wěn)譜信號，每次采譜后會對137Cs 的特征峰進(jìn)行尋峰計算，當(dāng)137Cs 峰偏移230 道時，數(shù)字電路通過DAC 輸出CTR 信號控制高壓輸出，使137Cs 峰左移或右移，實現(xiàn)自動穩(wěn)譜，解決了溫度對測量精度的影響。

2 陣列密度測井儀常見故障分析

2.1 故障現(xiàn)象一

2022年2月10日，渤中區(qū)塊某井次進(jìn)行177.8 mm（7 英寸）套后放射性作業(yè)時，井口檢查儀器發(fā)現(xiàn)套后密度儀器（MADT）無法建立通訊，井口多次嘗試重新上下電、重啟地面、反復(fù)激活服務(wù)表等措施后終于偶然建立通訊。此后，儀器未嘗試再下電，測井結(jié)束后快速上提過程中嘗試重新上下電，發(fā)現(xiàn)儀器再次無法建立通訊。

分析過程：儀器返回維修車間，連接維修室內(nèi)地面系統(tǒng)檢查儀器，設(shè)置合適增益值調(diào)好通訊，反復(fù)上下電測試，通訊正常，未發(fā)生通訊困難現(xiàn)象。

隨后拆掉EA 頭部接頭，抽出電子線路，進(jìn)一步檢查各電子器件，發(fā)現(xiàn)主控板上U402 芯片的10 腳未插入相應(yīng)底座，彎折在孔位表面。

經(jīng)查閱相應(yīng)資料，確認(rèn)該芯片HD15530 負(fù)責(zé)儀器命令和數(shù)據(jù)的編解碼功能，同時10 腳定義為數(shù)據(jù)同步（DATA SYN），若虛連則會導(dǎo)致海上作業(yè)反饋的現(xiàn)象。除去該芯片原因外，儀器中電子線路所有低壓供電，與常規(guī)儀器中的穩(wěn)壓芯片不同，該儀器均由內(nèi)部的電源轉(zhuǎn)換模塊提供，且模塊工作的啟動電壓為180 V AC，在實際操作中應(yīng)注意通訊短節(jié)的纜頭電壓，適當(dāng)多加一些，同時避免過慢上電，還應(yīng)測量通訊短節(jié)CHV 監(jiān)測的準(zhǔn)確性，如果實際值偏低達(dá)不到啟動電壓就會造成無法建立通訊現(xiàn)象。

總結(jié)：針對該儀器，在基地檢查參數(shù)正常，現(xiàn)場操作上電在180 V AC 以上為關(guān)鍵點，除此之外，在排除地面系統(tǒng)和其他短節(jié)干擾后，再對儀器本身與通訊一路相關(guān)的各個器件進(jìn)行排查，通訊控制則與常規(guī)EDIB 總線儀器相同，可以借鑒參考。

2.2 故障現(xiàn)象二

2022 年3 月3 日，測井返還的陣列密度儀在車間保養(yǎng)，連接車間地面系統(tǒng)及通訊節(jié)，上電后通訊完好，在觀察四路采集波形時，發(fā)現(xiàn)長探測器波形窗（madt L）穩(wěn)譜波形前端缺失，已無法如正常狀態(tài)首道波形卡在12 道，于是對該故障展開排查。

分析過程：首先對關(guān)鍵信號進(jìn)行測量，在機械節(jié)頂部引出的接線端子測量四路探測器放大后的采集信號，幅度及基線顯示均正常。

對電子節(jié)，抽出電子線路，找到長源距采集信號對應(yīng)的模擬通道，測量發(fā)現(xiàn)在該路脈沖信號上有-300 MV 電壓偏移。經(jīng)逐步測量，分析該位置的電路功能得知，該處為信號基線調(diào)整電路，正常狀態(tài)下，探頭傳上來的信號輸入后，經(jīng)過兩級放大消除反沖后，下一步為調(diào)節(jié)基線漂移電路，再將規(guī)整的信號傳至譜分析板進(jìn)行處理。本次測量兩級放大輸出信號正常而終端信號有電壓偏移，調(diào)節(jié)RT4 電阻無作用，最終確定為模擬板上Q3、Q4 三極管損壞，焊接換新，恢復(fù)儀器后上電檢查，故障現(xiàn)象消失，維修完成。

總結(jié)：原始信號的整形分析和放大對后續(xù)能譜分析非常重要，當(dāng)直觀觀察到能譜窗口異常時，對儀器內(nèi)幾處關(guān)鍵信號的測量能快速縮小故障范圍，便于維修。

2.3 故障現(xiàn)象三

2022 年3 月30 日，車間正常檢查儀器準(zhǔn)備作業(yè)，上電后觀察短探測器譜采集窗口，發(fā)現(xiàn)當(dāng)譜峰調(diào)整對準(zhǔn)230 道時，增益值很大，為2 430，查閱相關(guān)維保記錄，發(fā)現(xiàn)該儀器之前檢測時，為2 048 左右。

分析過程：對該現(xiàn)象，拆開機械節(jié)部分，再拆出短源距探測器，重新耦合晶體以及光電倍增管，確定短源距探測一路原始信號完好，進(jìn)一步調(diào)整模擬板上的RT7 調(diào)節(jié)電阻，由2.7 kΩ 降至2.2 kΩ，最后再次上電檢查儀器，短源距穩(wěn)譜后的增益值為2 090，完成隱患整改工作。隨著設(shè)備的使用頻率增加，探頭部分磨損和電子器件參數(shù)偏移的影響會越來越明顯，檢查時應(yīng)重點觀察，同時重視增益值，及時調(diào)整以免實際測井譜峰不穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

總結(jié)：四路探測器正常的增益值均在2 048 左右，如果偏移較多則需要調(diào)節(jié)，首先測量在當(dāng)前增益下的控制電壓觀察是否正常，排除后，設(shè)置2 048 增益再調(diào)節(jié)模擬板上的RT7 電阻使信號處理末端輸出在正常范圍內(nèi)，同時RT6 可以消除脈沖信號的反沖現(xiàn)象。

3 結(jié)語

陣列密度測井儀為中海油服自主創(chuàng)新研發(fā)，打破了國外廠家的技術(shù)壟斷，大大降低了老油田、老區(qū)塊套管井開發(fā)的成本，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。本文主要論述陣列密度儀器各功能電路模塊的測量原理，并對實際工作中的部分案例進(jìn)行簡要總結(jié)，為后續(xù)的維修以及保養(yǎng)工作提供借鑒參考，確保該類儀器的作業(yè)穩(wěn)定性，為現(xiàn)場作業(yè)的順利完成奠定基礎(chǔ)。后期設(shè)備在此基礎(chǔ)上的升級改進(jìn)，將繼續(xù)分析探討。