核磁共振測(cè)井井下模擬器設(shè)計(jì)

張嘉偉，宋公仆，賽 芳，薛志波

（中海油田服務(wù)股份有限公司油技事業(yè)部，北京 101149）

0 引 言

核磁共振測(cè)井法可直接測(cè)量地層孔隙中可動(dòng)流體的信息，可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布，其孔隙測(cè)量不受巖石骨架礦物成分的影響，因此目前在測(cè)井行業(yè)被廣泛應(yīng)用[1-3]。本文主要介紹一種核磁共振測(cè)井儀井下模擬器的相關(guān)設(shè)計(jì)，描述了模擬器的整體設(shè)計(jì)構(gòu)架、各個(gè)關(guān)鍵模塊的功能簡(jiǎn)介、工作流程設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)說明了仿真數(shù)據(jù)生成的模型，最后對(duì)該模擬器的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。目前該模擬器已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際核磁共振地面系統(tǒng)的調(diào)試中，并取得了很好的運(yùn)用效果。

1 核磁共振井下模擬器設(shè)計(jì)

1.1 井下模擬器設(shè)計(jì)方案

核磁井下儀器模擬器主要由數(shù)據(jù)傳輸短節(jié)簡(jiǎn)化部分、通信電路和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)容量增強(qiáng)模塊（以下簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊）3部分構(gòu)成，如圖1所示。通信電路與遙傳短節(jié)之間進(jìn)行交互，通信內(nèi)容包括命令接收和數(shù)據(jù)上傳；數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊則用于產(chǎn)生與儀器采集相類似的數(shù)據(jù)，提供給通信與遙傳交互。

圖1 核磁井下儀器模擬器功能框圖

模擬器產(chǎn)生的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分為基本模擬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和擴(kuò)展模擬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)兩類，這兩類數(shù)據(jù)均是按照測(cè)井模型計(jì)算生成?；緮?shù)據(jù)生成時(shí)占用的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源有限，可借助通信板資源完成；擴(kuò)展數(shù)據(jù)生成時(shí)需要占用較大的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源，資源消耗已經(jīng)超出通信板容量的極限，需要在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)容量增強(qiáng)模塊中計(jì)算生成。

1.1.1 核磁井下儀器通信電路的結(jié)構(gòu)

通信電路通過測(cè)井儀器總線實(shí)現(xiàn)與地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)和命令的交互功能，其典型工作流程是將模式時(shí)序表信息下發(fā)到事件控制電路，將采集到的輔助參數(shù)信息和采集處理電路獲得的回波信息上傳給地面系統(tǒng)。該電路主要由輔助參數(shù)測(cè)量模塊、板間通信模塊（與事件控制采集電路通信）與地面系統(tǒng)通信模塊等組成，如圖2所示。

圖2 模擬器通信電路功能框圖

按照通信板的功能要求，在圖3中描述了通信板的硬件構(gòu)架。可以看出，通信板主要由DSP＋FPGA構(gòu)成，其中的DSP負(fù)責(zé)輔助參量的數(shù)據(jù)采集、與數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊的CAN通信控制、與測(cè)井儀器的通信接口的控制等；FPGA則主要是實(shí)現(xiàn)模式2、模式5和模式7傳輸方式（EDIB總線協(xié)議定義的模式）的數(shù)據(jù)編碼和模式2傳輸方式的命令解碼，同時(shí)還完成對(duì)擴(kuò)展CAN控制器SJA1000的邏輯控制。

1.1.2 模擬器數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊說明

如圖1所示，模擬器中數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊是其核心部分也是與儀器主控通信電路的最大區(qū)別。數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊的存在主要是由上傳回波數(shù)據(jù)的類型和容量要求所決定的。測(cè)井回波數(shù)據(jù)的來源有3類，分別是：（1）對(duì)巖性分析儀靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化處理獲得的數(shù)據(jù)；（2）根據(jù)設(shè)定的測(cè)井模型參數(shù)和NMR原理計(jì)算出的回波數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)需要預(yù)設(shè)模型參數(shù)和噪聲參數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)化處理；（3）實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)容量增強(qiáng)模塊不僅具備數(shù)據(jù)增強(qiáng)的功能，還應(yīng)具有較為方便的人機(jī)接口，同時(shí)為了便于在地面系統(tǒng)機(jī)架上使用，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)容量增強(qiáng)模塊由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過CAN2.0接口和通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的傳輸。

1.2 模擬器工作流程

核磁井下儀器模擬器是對(duì)井下儀器工作的模擬，其基本功能是產(chǎn)生模擬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳送到地面系統(tǒng)，從這一點(diǎn)來看井下儀器的工作流程基本上就是模擬器的工作流程。圖4描述了模擬器工作的基本流程。

首先模擬器在上電伊始需進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作，包括復(fù)位緩存，初始化完成后，等待接收地面系統(tǒng)的命令。若是收到參數(shù)下載或參數(shù)修改命令，模擬器則將參數(shù)表存儲(chǔ)或更新；若是收到掃頻或刻度命令，模擬器則產(chǎn)生數(shù)據(jù)后直接上傳（根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議不需要數(shù)據(jù)傳輸命令）；若是收到采集命令，則由通信板產(chǎn)生基本測(cè)井模擬數(shù)據(jù)或由增強(qiáng)板產(chǎn)生擴(kuò)展測(cè)井模擬數(shù)據(jù)，等待發(fā)送；若是收到數(shù)據(jù)傳輸命令，則將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)上傳。

1.3 通信電路與數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊通信

圖3 儀器模擬器通信板硬件構(gòu)架

由圖4的工作流程可知，通信板在收到地面系統(tǒng)下發(fā)的命令及參數(shù)后，通過CAN總線將命令及參數(shù)發(fā)送給工控機(jī)，待工控機(jī)將數(shù)據(jù)生成并準(zhǔn)備好上傳，也通過CAN總線將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)上傳給通信板，通信板則將數(shù)據(jù)編碼為曼徹斯特碼后上傳給地面系統(tǒng)。CAN總線的最大傳輸速率為1Mb/s，按照下面的計(jì)算可得實(shí)際傳輸速率為530Kb/s，而M5和M7傳輸通道（EDIB總線協(xié)議定義的通道類別M5、M7，都以標(biāo)準(zhǔn)差分不歸零曼碼進(jìn)行傳輸）的傳輸速率僅為93.75Kb/s，數(shù)據(jù)從工控機(jī)傳輸?shù)酵ㄐ虐宓乃俾蔬h(yuǎn)大于通信板通過EDIB總線上傳的速率，而通信板上擴(kuò)充了512K×16位的RAM作為存儲(chǔ)緩沖區(qū)，能夠存儲(chǔ)工控機(jī)上傳的數(shù)據(jù)并且不產(chǎn)生上溢，可以滿足要求。儀器要求的最小Te（回波間隔時(shí)間）為0.4ms，這里按0.1ms的Te來計(jì)算，需要傳輸?shù)囊粋€(gè)有用回波信號(hào)數(shù)據(jù)量為兩個(gè)字，一個(gè)字幅值和一個(gè)字相位，由此計(jì)算出工控機(jī)與通信板之間要求的傳輸速率最小為：2×16b/0.1ms=320Kb/s=20Kwords/s。當(dāng) CAN 通信速率為1 000Kb/s時(shí)，上傳有效數(shù)據(jù)的實(shí)際波特率為1 000K×0.53=530Kb/s=33.125Kwords/s。通過上面的計(jì)算可知，使用CAN2.0協(xié)議可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。考慮到今后可能的數(shù)據(jù)擴(kuò)展，因此增加一路CAN作備用，兩路并行的CAN總線理論傳輸速率可達(dá)2×530Kb/s=66.25Kwords/s。

圖4 核磁井下儀器模擬器工作的基本流程

1.4 模擬器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)前面所述模擬器的功能和工作流程設(shè)計(jì)了圖5所示的模擬器的硬件構(gòu)架。地面系統(tǒng)與模擬器間的通信（包括命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳），均通過EDIB總線（一種有線電纜測(cè)井總線協(xié)議）來實(shí)現(xiàn)。通信板中，EDIB總線協(xié)議在FPGA中實(shí)現(xiàn)，完成編碼、解碼工作，并通過變壓器和收發(fā)器實(shí)現(xiàn)與EDIB接口的匹配連接。DSP協(xié)同F(xiàn)PGA一起完成對(duì)DC電源和開關(guān)的控制工作，并提供CAN接口與數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊通信。數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊的硬件平臺(tái)是基于PC機(jī)結(jié)構(gòu)，液晶觸摸屏和鍵盤為用戶提供了良好的人機(jī)界面，CAN接口使增強(qiáng)模塊與通信板可通過CAN協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和命令。

2 模擬器仿真數(shù)據(jù)生成模型設(shè)計(jì)

2.1 仿真數(shù)據(jù)生成模型上位機(jī)設(shè)計(jì)

圖5 模擬器的硬件構(gòu)架

模擬器仿真數(shù)據(jù)生成模型上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能：（1）與地面系統(tǒng)之間的通信，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)回傳至地面系統(tǒng)；（2）上位機(jī)軟件還需要實(shí)現(xiàn)掃頻、刻度以及回波數(shù)據(jù)的生成、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能。其主要程序模塊介紹如下：（1）CAN驅(qū)動(dòng)程序。模擬器通信電路與上位機(jī)通過CAN接口相連，采用PCA82C250芯片作為CAN接口控制芯片實(shí)現(xiàn)模擬器通信電路與數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊之間的通信交互。（2）上位機(jī)軟件的線程設(shè)計(jì)。地面系統(tǒng)通過發(fā)送指令，模擬器仿真數(shù)據(jù)生成模型上位機(jī)軟件接收到指令后開始仿真，并將生產(chǎn)的數(shù)據(jù)回傳至地面系統(tǒng)。在編程中，可以使用一個(gè)獨(dú)立的線程來實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議。地面系統(tǒng)與上位機(jī)軟件之間的通信協(xié)議簡(jiǎn)圖如圖6所示。（3）回波數(shù)據(jù)的生成?；夭〝?shù)據(jù)的生成需要根據(jù)核磁共振的原理來建立一個(gè)核磁模型，輸入不同的對(duì)象和不同的參數(shù)（例如回波個(gè)數(shù)NE、回波間隔TE，等待時(shí)間TW等）來進(jìn)行仿真生成不同的回波數(shù)據(jù)，并回傳至地面系統(tǒng)。上位機(jī)軟件要求在接收到回傳回波數(shù)據(jù)指令后，根據(jù)不同的對(duì)象和參數(shù)來進(jìn)行仿真生成回波數(shù)據(jù)，并上傳至地面系統(tǒng)；同時(shí)軟件還需要具備導(dǎo)入回波數(shù)據(jù)、導(dǎo)出回波數(shù)據(jù)、顯示當(dāng)前回波數(shù)據(jù)以及對(duì)當(dāng)前回波數(shù)據(jù)進(jìn)行修改等功能。

圖6 上位機(jī)軟件通信協(xié)議簡(jiǎn)圖

這意味著觀測(cè)的孔隙度可以被分解成不同弛豫時(shí)間區(qū)間的孔隙度，即得到孔隙度分布P1，P2，…，P8（或至P10）。它們是與T2i（i=1，…，n）對(duì)應(yīng)的各孔隙系統(tǒng)在觀測(cè)到的總孔隙系統(tǒng)中所占的比重。由孔隙度分布信息，可以進(jìn)一步了解儲(chǔ)層質(zhì)量，例如當(dāng)孔隙度分布集中在比較小的弛豫時(shí)間上，即P1，P2等占優(yōu)時(shí)，說明儲(chǔ)層以微孔為主，如果是碎屑巖，則意味著骨架顆粒很細(xì)；當(dāng)孔隙度分布集中在比較大的弛豫時(shí)間上，即P7，P8等占優(yōu)時(shí)，說明該儲(chǔ)層以大孔為主，對(duì)碎屑巖，意味著骨架顆粒很粗?？紫抖饶Ｐ拖略紨?shù)據(jù)的計(jì)算，就是根據(jù)預(yù)先定義好的孔隙度（P1，P2，…，Pn）及對(duì)應(yīng)的弛豫時(shí)間（T2i）區(qū)間分布，再疊加一些實(shí)際測(cè)井中的噪聲，模擬生成原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)：

2.2 仿真數(shù)據(jù)生成模型

仿真數(shù)據(jù)的生成模型主要分為孔隙度模型和滲透率模型兩種。上位機(jī)軟件通過對(duì)這兩種模型的生成公式計(jì)算出相應(yīng)孔隙度與滲透率對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)，并回傳給地面系統(tǒng)進(jìn)行處理與分析。

2.2.1 孔隙度模型設(shè)計(jì)

核磁共振測(cè)井確定地層孔隙度的依據(jù)來自觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度與孔隙流體中氫核含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果觀測(cè)信號(hào)能夠正確地反映宏觀磁化強(qiáng)度M，那么，它在零時(shí)刻的數(shù)值大小將與地層孔隙中的含氫總量成正比。由此經(jīng)過恰當(dāng)?shù)臉?biāo)定，即可把零時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度（FID或回波串）標(biāo)定為巖層孔隙度[4]。通過刻度處理后，由T2分布可直接得到孔隙度，即

式（2）～式（4）中，t（i）=iTE，i=1，2，…，n，這是采集第i個(gè)回波的時(shí)間；noise為隨機(jī)白噪聲?？梢钥闯?，回波原始數(shù)據(jù)的模擬計(jì)算和回波擬合是一個(gè)相反的過程。

2.2.2 滲透率模型設(shè)計(jì)

核磁共振滲透率的測(cè)量是基于試驗(yàn)和理論模型及其相互關(guān)系的結(jié)合。滲透率的單位達(dá)西（D）是一個(gè)面積單位，它反映了孔隙介質(zhì)（巖石）允許通過流體的能力[5]。迄今，估計(jì)滲透率的方法都是間接的，核磁共振也一樣。利用巖石核磁共振的弛豫特性及擴(kuò)散測(cè)試結(jié)果，已經(jīng)建立了多種有關(guān)滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式?；颈磉_(dá)式即Kozeny公式，即：

式中：K——滲透率，mD；

φ——孔隙度，%；

S/V——巖石的比表面積，cm2/cm3；

?！敖Y(jié)構(gòu)因子”或“彎曲因子”，無量綱，其量子決定與孔隙的形狀以及單位長(zhǎng)度內(nèi)多孔固體中流體流過的路徑。

利用Kozeny方程，通過巖石核磁共振弛豫時(shí)間與巖石孔隙比表面積的相關(guān)性，可以建立巖石滲透率的方法[5]。下面主要介紹Coates束縛水-滲透率模型，其模型主要公式為

圖7 模擬器實(shí)物與測(cè)試數(shù)據(jù)

式中：FFI——自由流體的孔隙度；

BVI——束縛水孔隙度；

C——系數(shù)。

Coates模型中，孔隙尺寸參數(shù)是通過T2截止值隱含輸入的，它確定FFI和BVI的比值，同時(shí)FFI/BVI值的變化描述了S/V的變化。工作在該模式下時(shí)，用戶需輸入總孔隙度（φ）、T2截止值、自由流體孔隙度（FFI）、束縛水孔隙度（BVI），模擬器便可以在滿足要求的情況下隨機(jī)計(jì)算孔隙度與對(duì)應(yīng)的弛豫分布，模擬出如下的仿真數(shù)據(jù)：

式（7）～式（9）中，t（i）=iTE，i=1，2，…，n，這是采集第i個(gè)回波的時(shí)間；noise為隨機(jī)白噪聲?？梢娔M出的數(shù)據(jù)與孔隙度模型是一樣的，不同的是需滿足如下條件：

3 模擬器實(shí)際應(yīng)用與測(cè)試

前面介紹了該模擬器的硬件構(gòu)架與程序設(shè)計(jì)流程，并對(duì)生成模型進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。現(xiàn)以上述軟硬件搭建起來的模擬器平臺(tái)通過實(shí)際的EDIB總線電纜掛接到地面系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)以測(cè)試整個(gè)模擬器的工作性能與正確性。整個(gè)模擬器的外形如圖7（a）所示。通過EDIB總線電纜，地面系統(tǒng)對(duì)該模擬器下發(fā)采集指令，模擬器數(shù)據(jù)增強(qiáng)模塊根據(jù)下發(fā)的指令類型按照第3節(jié)所講到對(duì)應(yīng)仿真數(shù)據(jù)模型生成相應(yīng)的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)頂層界面上顯示該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)曲線圖，以便于用戶直觀感受該數(shù)據(jù)的正確性，如圖 7（b）所示。從圖 7（b）中可以直觀看出該模擬器根據(jù)實(shí)際下發(fā)的指令生成了正確的回波信號(hào)（見圖7（b）中藍(lán)色回波衰減曲線與紅色噪聲道曲線）。圖 7（c）中顯示的數(shù)據(jù)是根據(jù)圖 7（b）中相關(guān)信號(hào)模型實(shí)際生成的原始數(shù)據(jù)以16進(jìn)制顯示，并以二進(jìn)制碼傳輸給地面系統(tǒng)作為仿真井下儀器測(cè)試的信號(hào)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文講述了一種核磁共振井下儀器模擬器的設(shè)計(jì)，主要描述其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)流程，并對(duì)其仿真數(shù)據(jù)的生成模型進(jìn)行了分析和介紹。通過該模擬器，地面系統(tǒng)可以很方便地進(jìn)行前期控制與采集處理程序的開發(fā)和測(cè)試。在開發(fā)地面系統(tǒng)前期，成功擺脫了傳統(tǒng)必須掛接實(shí)際井下儀器進(jìn)行程序開發(fā)與試驗(yàn)的束縛，大大提高了地面系統(tǒng)的開發(fā)效率。在后期應(yīng)用階段，當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)與井下儀器掛接聯(lián)調(diào)出現(xiàn)故障時(shí)，通過該模擬器可以快速查找故障，節(jié)省了大量維修時(shí)間。目前該方案已經(jīng)成功應(yīng)用于核磁共振儀器的測(cè)試體系中，并得到了很好的應(yīng)用效果。

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[2]肖立志，謝然紅.核磁共振測(cè)井儀器的最新進(jìn)展與未來發(fā)展方向[J].測(cè)井技術(shù)，2003，27（4）：265-269.

[3]邵維志，莊升，丁娛嬌.一種新型核磁共振測(cè)井儀——MREx[J].石油儀器，2004，18（2）：36-39.

[4]肖立志.核磁共振測(cè)井資料解釋與應(yīng)用導(dǎo)論[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：72-80.

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