多極子陣列聲波測井儀故障分析

秦玉坤 段俊東 肖 霓 肖 兵

(1.中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心 陜西西安) (2.中國石油西安寶美電氣工業(yè)有限公司 陜西西安)(3.中國石油華北油田公司采油工藝研究院 河北任丘)

多極子陣列聲波測井儀故障分析

秦玉坤1段俊東1肖 霓2肖 兵3

(1.中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心 陜西西安) (2.中國石油西安寶美電氣工業(yè)有限公司 陜西西安)(3.中國石油華北油田公司采油工藝研究院 河北任丘)

文章針對多極子陣列聲波測井儀在調(diào)試過程中出現(xiàn)的一些故障,介紹其相應(yīng)的電路的基本原理,對故障原因進行了系統(tǒng)分析及診斷,找出排除故障的方法。

多極子探頭;陣列聲系;偶極子;故障分析

0 引 言

多極陣列聲波測井儀器除具有常規(guī)聲波儀器的測井項目外,它利用多種組合模式,在快速地層或慢速地層中進行聲波單、偶極陣列測井,偶極子橫波直接測井,因此在一次測井過程中可同時采集八組不同源距的單極波列、八組不同源距的偶極波列以及八組不同源距的四極子全波列。測量得到的數(shù)據(jù)可以直接提取軟硬地層中的縱波、橫波和斯通利波漫度參數(shù)來進行儲層的地質(zhì)評價,包括:巖性識別;巖石機械特性預(yù)測;地層孔隙度求取和滲透率估算等。這類測井儀器的許多增強功能是其它測井儀器不能替代的[1]。

1 儀器組成及原理

儀器由發(fā)射電路短節(jié)、發(fā)射換能器短節(jié)、隔聲體短節(jié)、接收換能器短節(jié)和接收控制采集電子線路短節(jié)等五部分組成,其中發(fā)射電路短節(jié)和接收控制采集電子線路短節(jié)有各自的供電單元。儀器接收控制采集電子線路短節(jié)主要由八通道信號接收電路、八通道數(shù)據(jù)采集電路、系統(tǒng)控制電路、遙傳接口電路和電源電路等幾部分組成,系統(tǒng)控制電路采用專用串行通訊對包括發(fā)射短節(jié)在內(nèi)的各部分電路進行控制和設(shè)置。發(fā)射電路短節(jié)包括高壓發(fā)射激勵電路和供電單元。發(fā)射換能器短節(jié)由發(fā)射激勵變壓器組和發(fā)射探頭組成。接收換能器陣由八組32個接收探頭構(gòu)成陣列聲波信號接收器。

2 故障分析及排除方法

多極子陣列聲波測井儀是多通道數(shù)據(jù)采集,儀器的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都可能影響其它部分的工作狀態(tài),從而導(dǎo)致出現(xiàn)各種不同的故障。

故障1 發(fā)射換能器發(fā)出聲音有時斷時續(xù)的現(xiàn)象

將發(fā)射聲系、隔聲體及接收聲系按實際儀器連接后放到6米長的半空間水槽中,加上水,兩端堵緊,發(fā)射電子線路短節(jié)與發(fā)射聲系、主控電子線路短節(jié)與接收聲系之間用快速連接器連接,方便調(diào)試和查找問題。主機運行測井地面控制采集程序,地面程序向測試臺架發(fā)送儀器設(shè)置命令,從測試臺架讀取儀器采集到的數(shù)據(jù)進行文件存儲、顯示、實時時差計算等處理。

在儀器調(diào)試中,主要遇到的問題是發(fā)射干擾。當(dāng)產(chǎn)生高壓激勵信號時,對發(fā)射控制電路的串行控制信號產(chǎn)生干擾,使得發(fā)射控制邏輯誤動作,發(fā)射控制脈沖變窄,圖1所示為遠(yuǎn)單極發(fā)射干擾情況。

圖中上邊信號是串行時鐘,下邊是復(fù)位信號。圖1(a)是發(fā)射瞬間時鐘和復(fù)位被干擾情況,圖1(b)是展開被干擾時鐘上升沿。通過觀察發(fā)現(xiàn),最接近發(fā)射短節(jié)的遠(yuǎn)單極發(fā)射時受到的干擾最小,距發(fā)射短節(jié)最遠(yuǎn)的四極發(fā)射受到的干擾最大,處于中間位置的偶極受到的干擾程度居中。

通過重新調(diào)整發(fā)射短節(jié)中的地線連接方式,將相關(guān)的信號線用屏蔽導(dǎo)線,明顯改善了發(fā)射干擾問題。該短節(jié)中用到了高壓激勵器件、數(shù)字器件和模擬器件,高壓地與模擬地共存,包括儲能電容、大功率MOS管等在內(nèi)的所有高壓地均用較大直徑導(dǎo)線連接在一點,電源板、控制板和信號屏蔽地等模擬地連接在另一點,最后將兩種地一點連接。發(fā)射短節(jié)外殼與發(fā)射聲系外殼充分連接后,使地線面積增大,可有效減小干擾,如圖2所示是遠(yuǎn)單極發(fā)射時的控制信號。與圖1對比可見干擾大大減小,工作正常。通過降低壓擺率,用電阻和電容調(diào)整阻抗匹配,且發(fā)射短節(jié)外殼與發(fā)射聲系外殼充分連接,發(fā)現(xiàn)干擾明顯減小,基本消除。后沿展開干擾無效,且此時發(fā)射已完全結(jié)束,不會影響到系統(tǒng)。

圖1 發(fā)射干擾

圖2 機殼(發(fā)射聲系部分與發(fā)射電路)相接,干擾大大減小

通過以上分析,應(yīng)從以下幾個方面抑制干擾:(1)改善發(fā)射短節(jié)中的布線;(2)控制信號線需進一步阻抗匹配;(3)系統(tǒng)地與儀器外殼充分連接;(4)降低發(fā)射激勵信號壓擺率;(5)發(fā)射聲系中發(fā)射探頭盡可能用屏蔽雙絞線與發(fā)射變壓器連接。

故障2 發(fā)射電路有誤觸發(fā)的現(xiàn)象

由于發(fā)射電路與控制電路等其它電路不在一個儀器短節(jié)內(nèi),之間隔著發(fā)射換能器短節(jié)、隔聲體及接收換能器短節(jié),距離比較遠(yuǎn),走線10 m以上,必須進行專門調(diào)試,以確保儀器能正常工作。為此,用16 m普通雙絞線連接發(fā)射控制板與系統(tǒng)控制板串行總線的兩端,發(fā)送串行命令進行調(diào)試。圖3是發(fā)射電路端未并聯(lián)電容時串行復(fù)位與串行時鐘的示波器觀測波形,上邊是復(fù)位信號,下面是串行時鐘,可以看出這時的復(fù)位信號噪聲比較大,容易引起發(fā)射電路誤動作。在發(fā)射電路復(fù)位信號對地并聯(lián)4.7 nf,串行時鐘與數(shù)據(jù)線對地并

聯(lián)69 pf電容后,復(fù)位信號噪聲明顯減弱。

圖3 接收端未并聯(lián)電容時串行總線測試圖

圖4是發(fā)射電路端并聯(lián)電容時串行復(fù)位與串行時鐘的示波器觀測波形。當(dāng)串行總線采用屏蔽電纜時,傳輸效果會更好[2]。

圖4 接收端并聯(lián)電容時串行總線測試圖

故障3 儀器溫度升高后,接收到的信號增益設(shè)置不正確

將接收聲系、隔聲體和發(fā)射聲系連接好后放入鋁制半空間水槽內(nèi),主控電子線路短節(jié)和發(fā)射電子線路短節(jié)各放入溫控加熱設(shè)備內(nèi)同時加溫,同時在電路相關(guān)的地方引出多條測試導(dǎo)線用以監(jiān)測各部分的工作情況。

加溫到100℃左右時,接收到的信號增益設(shè)置不正確,通過引出的監(jiān)測導(dǎo)線分析發(fā)現(xiàn),主要問題是溫度升高后控制板處串行命令總線的驅(qū)動能力降低,造成信號變形,使工作不正常。分析認(rèn)為溫度升高后,產(chǎn)生了與串行控制命令相關(guān)的問題,而電路所用到的器件以及電路局部都進行過嚴(yán)格的高溫檢測,出現(xiàn)問題的可能性很小,隨后進行儀器電子線路整體加溫調(diào)試。

圖5(a)為100℃高溫時測得的串行命令信號,圖中最上邊信號為系統(tǒng)控制器輸出的時鐘信號,中間信號為某前置接收板對其經(jīng)過阻抗匹配后的時鐘信號,最下邊為復(fù)位信號。圖5(b)是將時鐘后沿展開?？煽闯?溫度升高后驅(qū)動能力下降,邊沿出現(xiàn)抖動,經(jīng)過各功能板接收并阻抗匹配后出現(xiàn)干擾脈沖,從而發(fā)送錯誤命令。

圖5 高溫(100℃)環(huán)境下串行命令信號

改進方法是增加命令驅(qū)動,如圖6所示,由原來的一級驅(qū)動改變?yōu)閮杉壔蚨嗉夠?qū)動。儀器控制器驅(qū)動測控電子線路短節(jié)中的各個單元,時鐘和復(fù)位由采集控制器經(jīng)過緩沖后驅(qū)動發(fā)射控制器,數(shù)據(jù)信號邊沿不影響系統(tǒng)工作,不再額外增加驅(qū)動器。這樣,前述問題得到了很好的解決[3]。

圖6 增加命令驅(qū)動的原理圖

3 結(jié)束語

通過對多極子陣列聲波測井儀在現(xiàn)場試驗及調(diào)試過程中的故障分析及解決,我們了解到,只有對儀器的原理框圖和相關(guān)地面系統(tǒng),特別是信號流程有非常清晰的了解,才能判斷分析故障,找出解決實際問題的方法,保證儀器測得好的測井資料。

[1] 楚澤涵,高 杰,黃隆基,等.地球物理測井方法與原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008

[2] 盧俊強,鞠曉東,成向陽,等.基于CPLD的多通道高速高精度數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計及應(yīng)用[J].測井技術(shù),2006,30(5)

[3] 盧俊強,鞠曉東,成向陽,等.高速高精度ADC在井下高溫環(huán)境的應(yīng)用研究[J].計算機測量與控制,2006,14(6)

P631.8+1

B

1004-9134(2011)05-0078-03

秦玉坤,男,1966生,高級工程師,1990年畢業(yè)于石油大學(xué)礦場地球物理專業(yè)?，F(xiàn)在中國石油集團測井有限公司隨鉆測井中心從事隨鉆聲波測井儀器的研發(fā)及應(yīng)用工作。郵編:710052

2011-06-23編輯姜 婷)

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