SDZ-3041聲波變密度測(cè)井儀解析與故障分析

黃 芳 張士中 嵇成高

（中國(guó)石油渤海鉆探測(cè)井公司 天津 大港）

0 引言

SDZ-3000快速測(cè)井系統(tǒng)是新鄉(xiāng)二十二所自主開發(fā)研制成功的新一代高集成、高可靠、高時(shí)效的組合測(cè)井系統(tǒng)[1]。綜合了常規(guī)測(cè)井的全部?jī)x器，采用集成化設(shè)計(jì)、數(shù)字處理等先進(jìn)技術(shù)，大大縮短了儀器長(zhǎng)度，改善了儀器的地層分辨率。一次下井，可同時(shí)完成電極系、雙側(cè)向、感應(yīng)、補(bǔ)償聲波、高分辨聲波、微球、微電極、井徑、自然伽瑪、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度、連續(xù)測(cè)斜等功能，極大地提高了測(cè)井時(shí)效。而SDZ-3041聲波變密度短節(jié)是對(duì)原有的快速測(cè)井平臺(tái)聲波測(cè)井功能進(jìn)行擴(kuò)展，使儀器兼顧聲速和變密度兩種測(cè)井方式，進(jìn)一步滿足客戶要求、擴(kuò)大市場(chǎng)需求。

1 儀器解析

1.1 儀器組成及測(cè)井組合形式[2]

SDZ-3041聲波變密度短節(jié)由聲波電路短節(jié)和聲波探頭組成。

SDZ-3041聲波變密度的測(cè)井形式如下：

1）單測(cè)

SDZ-3021遙測(cè)短節(jié)+SDZ-3041聲波變密度短節(jié)

2）組合測(cè)

SDZ-3010加長(zhǎng)電極馬籠頭+SDZ-3011輔助測(cè)量短節(jié)+SDZ-3021遙測(cè)短節(jié)+SDZ-3050旋轉(zhuǎn)短節(jié)+SDZ-3060恒功率雙側(cè)向+SDZ-30A0四臂井徑儀+SDZ-3030絕緣短節(jié)+SDZ-3055撓性短節(jié)+SDZ-3090補(bǔ)償中子+SDZ-3070連斜微球+SDZ-3080液壓推靠+SDZ-3041聲波變密度短節(jié)+SDZ-30B0雙感應(yīng)八側(cè)向。

1.2 工作原理[2]

聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，其速度、幅度衰減及頻率變化等聲學(xué)特性是不同的。聲波速度測(cè)井是測(cè)量滑行縱波在井壁地層中傳播速度的測(cè)井方法。聲波在巖石中的傳播速度與巖石的性質(zhì)、孔隙度以及孔隙中所填充的流體性質(zhì)有關(guān)，因此，研究聲波在巖石中的傳播速度或傳播時(shí)間，就可以確定巖石的孔隙度，判斷巖性和孔隙流體性質(zhì)。變密度測(cè)井是對(duì)聲波幅度的測(cè)量，可以對(duì)套管井固井質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，主要測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)，即3ft（1ft＝304.8mm）信號(hào)和5ft信號(hào)。其中的3ft信號(hào)所記錄的是第一膠結(jié)面（自由套管和水泥的膠結(jié)面）套管波的首波幅度隨深度變化的曲線（CBL曲線），它反映了第一膠結(jié)面的膠結(jié)情況；5ft信號(hào)記錄的是全波列的強(qiáng)度——時(shí)間曲線（VDL曲線），它既能對(duì)第一膠結(jié)面進(jìn)行補(bǔ)充分析，也能反映第二膠結(jié)面（水泥和地層的膠結(jié)面）的膠結(jié)情況，并有效地區(qū)分微環(huán)空間和竄槽。

1.3 儀器特點(diǎn)

1）SDZ-3040聲波探頭采用的是單發(fā)四收工作方式，四個(gè)接收晶體間距為200mm，源距為900mm。這樣有效縮短了儀器的長(zhǎng)度，使用和運(yùn)輸更為方便。

2）時(shí)差測(cè)量采用軟件深度推移算法，縮短了聲波探頭的長(zhǎng)度，同時(shí)也提高了縱向分辨率。數(shù)控測(cè)井儀根據(jù)下井儀行走的深度值，控制聲波的發(fā)射，保證儀器在同方向上每移動(dòng)一定的距離，按照聲波采集時(shí)序向下井儀發(fā)聲波邏輯命令，使四個(gè)接收晶體的聲波時(shí)差反映同一深度的時(shí)差，然后用軟件分析，計(jì)算四個(gè)接收探頭到同一深度地層的時(shí)差，得到薄層（即高分辨）時(shí)差。利用第一個(gè)接收探頭和第四個(gè)接收探頭在上下圍巖的時(shí)差平均值，得到補(bǔ)償時(shí)差。

3）對(duì)于聲波探頭的四個(gè)接收晶體，在變密度測(cè)井中可把離發(fā)射晶體最近的接收晶體作為3ft信號(hào)接收晶體，把離發(fā)射晶體最遠(yuǎn)的接收晶體作為5ft信號(hào)接收晶體?？梢酝ㄟ^單片機(jī)的指令控制儀器為聲波工作方式或變密度工作方式，通過單片機(jī)還可以控制選擇聲波程控增益或變密度刻度換檔功能。

1.4 電原理圖

SDZ-3041聲波變密度短節(jié)的電路部分由5V電源電路、±12V電源電路、通訊電路和信號(hào)處理電路組成。電源電路都是通過整流橋、穩(wěn)壓塊獲得直流電源。這里主要分析通訊電路和信號(hào)處理電路。

1）通訊電路原理

通訊電路包括通訊控制電路、聲波發(fā)射高壓產(chǎn)生電路，聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。D1（SDZ3000MCU-AD）是專用模塊，通過它完成與SDZ-3021遙測(cè)短節(jié)通訊，并產(chǎn)生各種控制信號(hào)。通訊電路原理如圖1所示。

D1接收遙測(cè)的聲波令，并根據(jù)聲波令選擇聲波工作方式或變密度工作方式，同時(shí)產(chǎn)生電路工作所需的各種控制信號(hào)：發(fā)射控制脈沖（F0、F17），增益控制信號(hào)（A0、A1、A2、A0、A1、A2），通道選擇信號(hào)（RL0、RL1），發(fā)射干擾抑制以及發(fā)射標(biāo)志的求和處理控制信號(hào)（D0、D1）。為了提高發(fā)射功率，本儀器采用了兩個(gè)發(fā)射晶體發(fā)射聲波的方式。D1的P1.6和P1.7經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后形成F0、F17發(fā)射控制脈沖。發(fā)射控制電路由整流橋V3、限流電阻R7、R8，IRF840場(chǎng)效應(yīng)管以及位于骨架上的儲(chǔ)能電容組成。交流180V電壓經(jīng)過V3全波整流后，分別給電容C11～C14充電，當(dāng)F0、F17發(fā)射觸發(fā)脈沖加在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G時(shí)，該管被導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容的能量送到位于聲波探頭內(nèi)的變壓器進(jìn)行升壓，在變壓器次級(jí)產(chǎn)生約3000V的高壓脈沖，供聲波探頭中的兩個(gè)發(fā)射晶體發(fā)射用。

F0、F17來自D2的E0、F0

圖1 通訊電路原理圖

2）信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路包括：聲波信號(hào)接收和處理電路。

聲波測(cè)量的過程在通訊電路的D1（MCU-AD）控制下完成：D1（MCU-AD）接收到來自地面數(shù)控的聲波工作方式和變密度工作方式選擇令選擇儀器的工作方式，當(dāng)接收到聲波發(fā)射命令后，控制發(fā)射晶體發(fā)射，經(jīng)發(fā)射晶體轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)經(jīng)地層傳播，被接收晶體轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后送入信號(hào)處理電路，D1（MCUAD）根據(jù)聲波序列號(hào)選擇相應(yīng)的接收晶體信號(hào)，將接收到的信號(hào)分別進(jìn)行分壓處理后送到信號(hào)選擇電路，信號(hào)選擇電路在單片機(jī)的控制下，將四路信號(hào)進(jìn)行選擇后分時(shí)成一路信號(hào)，當(dāng)選擇聲波功能時(shí)，在單片機(jī)的控制下選擇第一、二、三、四道信號(hào)，當(dāng)選擇變密度功能時(shí)，在單片機(jī)的控制下選擇第一、四道信號(hào)，輸出的信號(hào)送到變壓器，進(jìn)行阻抗變換后送給主放大電路。信號(hào)經(jīng)放大后就要進(jìn)行聲波增益換檔或變密度刻度換檔，當(dāng)選擇聲波增益換檔時(shí)，換擋開關(guān)在單片機(jī)的控制下進(jìn)行八檔增益換檔，此時(shí)，應(yīng)將變密度刻度換檔選在第一檔；當(dāng)選擇變密度功能時(shí)，聲波增益換檔應(yīng)選在第五檔，換擋開關(guān)在單片機(jī)的控制下對(duì)變密度信號(hào)進(jìn)行60%的衰減。信號(hào)經(jīng)過聲波增益換檔或變密度刻度換檔后，在單片機(jī)的控制下使聲波信號(hào)或變密度信號(hào)與同步頭信號(hào)進(jìn)行組合，輸出的信號(hào)送到通訊電路板進(jìn)行功率放大。

2 故障分析

2.1 常見故障

故障現(xiàn)象1：不發(fā)射。

檢查方法：（1）看電流；（2）檢查SDZ-3200檢測(cè)面板（串口線、軟連接線：1、4、23、24、25、26）；（3）用示波器測(cè)量命令24對(duì)26；（4）接插件有無縮針；（5）內(nèi)部通訊或者發(fā)射電路工作不正常；（6）聲波探頭發(fā)射線斷或者發(fā)射變壓器、發(fā)射換能器損壞；

故障現(xiàn)象2：有發(fā)射，但發(fā)射聲音不正常。

檢查方法：（1）檢查電源、接插件是否接觸可靠；（2）判斷是否探頭打火；（3）內(nèi)部發(fā)射觸發(fā)電路器件松動(dòng)或工作不正常。

故障現(xiàn)象3：一路或多路信號(hào)缺失。

檢查方法：（1）接收信號(hào)線斷或接插件問題；（2）接收換能器問題；（3）電路內(nèi)部模擬開關(guān)工作不正?；蛲ㄓ嶋娐方獯a錯(cuò)誤問題；

如果有備用的儀器，最快捷的方法是更換一支聲波探頭，首先判斷是電路還是聲波探頭有問題。

故障現(xiàn)象4：一路或多路信號(hào)波形不正常（幅度小、干擾大或波形畸變）。

檢查方法：（1）聲波探頭耦合狀態(tài)問題；（2）接收換能器問題；（3）聲波探頭問題（發(fā)射換能器或者絕緣問題）。

2.2 典型故障分析

在近幾年SDZ-3041聲波儀器的維修中，除了上述的常見故障，也出現(xiàn)過一些比較典型的故障現(xiàn)象。本文就此故障維修案例進(jìn)行分析探討如下。

2011年6月，小隊(duì)測(cè)井后送回SDZ-3041聲波08542029號(hào)儀器，反映信號(hào)基線干擾大，無法抓住首波。儀修人員在室內(nèi)對(duì)該儀器進(jìn)行了泡槽檢測(cè)。儀器發(fā)射正常，信號(hào)在1-3檔時(shí)基線平穩(wěn)無干擾，信號(hào)正常，但是當(dāng)跳到4檔時(shí)，兩道信號(hào)在發(fā)射標(biāo)記之后的基線明顯分離，發(fā)射標(biāo)記之前基線重合很好。據(jù)此可以排除電路中加入發(fā)射標(biāo)記以后的電路存在故障的可能性。用示波器分別檢測(cè)R1、R2、R3、R4四道接收信號(hào)，信號(hào)很穩(wěn)定，無干擾信號(hào)出現(xiàn)，但是經(jīng)過仔細(xì)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)R1道信號(hào)基線與R2、R3、R4三道信號(hào)存在差異：R1道信號(hào)上疊加了100mv左右直流電平，R1接收信號(hào)與另三道接收信號(hào)基線對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 R1接收信號(hào)與另三道接收信號(hào)基線對(duì)比圖

圖3 R1接收信號(hào)電路處理圖

根據(jù)信號(hào)接收電路圖中R1接收部分如圖3所示，檢測(cè)R1信號(hào)輸入部分電路，發(fā)現(xiàn)V4兩端電壓與其它幾道信號(hào)輸入點(diǎn)電壓略有不同，經(jīng)過電路選通放大以后，疊加在R1接收信號(hào)上的直流電壓也逐級(jí)放大。因此，在信號(hào)高檔位上，基線分離就很明顯，直接反應(yīng)到地面就是基線跳，無法抓住首波。更換V4二極管后，R1接收信號(hào)基線與其它三道接收信號(hào)一致，基線直流電平為0 V，信號(hào)高檔時(shí)基線分離故障解決。

3 結(jié)束語

SDZ-3041聲波變密度測(cè)井儀是SDZ-3000快速測(cè)井平臺(tái)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各油田，測(cè)井效果良好，該儀器與快速測(cè)井系統(tǒng)中其它儀器的維修經(jīng)驗(yàn)積累也在不斷增加。只有對(duì)儀器測(cè)井原理、儀器電路圖有了充分的了解，理論聯(lián)系實(shí)際，在實(shí)踐中深刻理解電路原理，我們的維修效率才會(huì)不斷提高，才能為一線小隊(duì)保證可靠的儀器質(zhì)量。

[1]SDZ-3000快速測(cè)井平臺(tái)維修手冊(cè)，新鄉(xiāng)二十二研究所，2006（資料）

[2]SDZ-3041聲波變密度維修手冊(cè)，新鄉(xiāng)二十二研究所，2006（資料）