快測平臺陣列感應(yīng)成像測井儀研制與應(yīng)用

陳濤，陳章龍，宋青山，白彥，賀秋麗，王水航

（中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安710077）

0 引 言

隨著油田開發(fā)方式的多樣化，油藏狀況越來越復(fù)雜，國外三大測井公司Schlumberger、Baker Atals、Halliburton先后推出了自己的快測平臺Platform Express、LOG－IQ、FOCUS 測 井 系 統(tǒng)［1］。國產(chǎn)EILog快測平臺也隨之開發(fā)，通過探測器優(yōu)化、電路共用與集成，使用新的機(jī)電工藝設(shè)計(jì)，縮短了儀器長度，增強(qiáng)了儀器測量的穩(wěn)定性。常規(guī)電法測井儀串長12．8m，其包括三參數(shù)、遙傳伽馬、井徑連斜、數(shù)字聲波、陣列感應(yīng)，添加能譜、補(bǔ)中、巖密等放射性測井儀器的總長約20m，一次下井可提供常規(guī)地層評價(jià)所需的所有測井資料。單邊陣列感應(yīng)成像測井儀MIT1530為了適應(yīng)EILog快測平臺需要而研制開發(fā)。

1 測量原理、組成及技術(shù)指標(biāo)

單邊陣列感應(yīng)成像測井儀MIT1530基于電磁感應(yīng)測井原理，通過發(fā)射線圈發(fā)射3種頻率的混頻信號、8組接收線圈接收來自地層的二次感應(yīng)信號，在井下完成8組線圈3種頻率信號的實(shí)部和虛部信號提取，得到24條實(shí)部和24條虛部電導(dǎo)率曲線，在地面通過軟件合成聚焦處理，得到3種縱向分辨率、5種徑向探測深度的電阻率曲線。多個(gè)接收線圈的測量信息包含有地層徑向和縱向不同范圍的地層電阻率信息及井眼信息，經(jīng)過井眼環(huán)境影響校正和數(shù)據(jù)處理，得到反映地層徑向視電阻率、地層流體性質(zhì)的二維成像圖，用于分析薄層和層內(nèi)非均質(zhì)性，描述泥漿侵入特征，判斷油水層［2－4］。

單邊陣列感應(yīng)成像測井儀MIT1530由電子儀（1．46m）、線圈系（3．50m，含壓力平衡）2部分組成，采用電子儀與線圈系一體化設(shè)計(jì)，電源、發(fā)射、采集與處理電路均置于電子儀內(nèi)。已開發(fā)的陣列感應(yīng)測井儀有3個(gè)型號MIT5530、MIT6532和MIT1530，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。其中MIT1530增加了自然電位測量功能。

表1 MIT陣列感應(yīng)成像測井儀3個(gè)型號儀器主要技術(shù)指標(biāo)

2 關(guān)鍵技術(shù)

單邊陣列感應(yīng)線圈系仍采用1個(gè)發(fā)射線圈、8個(gè)接收線圈陣列的三線圈系結(jié)構(gòu)，源距（6、9、12、15、21、27、39、72in＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0．3048m，下同）和工作頻率（26．256、52．512、105．024kHz）與 MIT5530原雙邊結(jié)構(gòu)線圈系一致，以保證儀器原3種縱向分辨率和5種徑向探測深度不變。采用主輔一體化線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了相鄰2個(gè)接收線圈陣列主接收線圈與屏蔽線圈之間位置干涉技術(shù)難題；繞線工藝改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，解決了單邊結(jié)構(gòu)線圈各道直接耦合信號過大技術(shù)難題；采用開關(guān)電源、發(fā)射接收一體化設(shè)計(jì)、電路厚膜集成技術(shù)，去掉保溫瓶，減少接頭，實(shí)現(xiàn)了儀器長度與重量均縮小一半；采用實(shí)時(shí)二級刻度技術(shù)、系統(tǒng)內(nèi)刻信號幅度與相位同步校正技術(shù)，解決了電路的溫度漂移技術(shù)難題；采用高性能微處理芯片DSP與FPGA架構(gòu)，倍增采集通道數(shù)，優(yōu)化采集時(shí)序與DPSD算法，提高采樣頻率、增大測量信號采集時(shí)間，獲取單位時(shí)間內(nèi)更大數(shù)據(jù)量的處理提高系統(tǒng)信噪比［5－6］；采用多層PCB優(yōu)化布局、強(qiáng)弱信號屏蔽隔離、發(fā)射信號雙絞屏蔽、接收信號多層屏蔽及優(yōu)化接地方式等措施，解決了高密度電子線路條件下強(qiáng)弱信號的影響及噪聲抑制難題，實(shí)現(xiàn)小信號測量精度提高［7－8］。

2．1 單邊線圈系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單邊陣列感應(yīng)線圈系采用三線圈系結(jié)構(gòu)。為縮短線圈系長度，保證徑向探測深度與縱向分辨率，8組接收陣列由先前分布在發(fā)射線圈兩側(cè)改為分布在發(fā)射線圈一側(cè)，通過組合線圈結(jié)構(gòu)模型解決線圈干涉問題，即變?yōu)?1組組合線圈（T、B1、R1B2、R2B3、R3B4、R4B5、R5B6、R6B7、R7、B8、R8）；通過對組合線圈工藝上的優(yōu)化，即主輔線圈雙線并繞改為主輔線圈獨(dú)立互繞，解決了單邊結(jié)構(gòu)線圈各道直接耦合信號過大以及基值漂移技術(shù)難題。單邊陣列線圈系結(jié)構(gòu)以及雙線互繞組合線圈結(jié)構(gòu)見圖1。

根據(jù)電磁場理論和單邊陣列感應(yīng)線圈系結(jié)構(gòu)，確定各接收線圈的互感電動(dòng)勢以及復(fù)視電導(dǎo)率關(guān)系式。從仿真子陣列的視電導(dǎo)率實(shí)部與地層電導(dǎo)率的關(guān)系可以看出（見圖2），當(dāng)線圈間距不變時(shí)，對一定范圍的地層電導(dǎo)率0．0001～10S／m變化時(shí)，測量信號包含更多的地層信息。同樣也可以看出，單邊陣列感應(yīng)線圈系的間距與趨膚效應(yīng)成正比，間距大趨膚效應(yīng)嚴(yán)重，反之，則小。所以在長陣列上采用低頻發(fā)射信號減小趨膚效應(yīng)影響。

圖1 單邊陣列線圈系結(jié)構(gòu)以及雙線互繞組合線圈結(jié)構(gòu)圖

圖2 MIT1530子陣列視電導(dǎo)率實(shí)部與地層電導(dǎo)率關(guān)系

2．2 系統(tǒng)主控模塊設(shè)計(jì)

MIT1530系統(tǒng)框圖見圖3，主要由電源、發(fā)射、前放帶通及主控采集處理等單元組成。其中，主控采集處理單元由DSP與PFGA組合實(shí)現(xiàn)8道線圈系感應(yīng)信號與1道線圈系溫度信號的采集與處理。系統(tǒng)工作流程：主控采集單元產(chǎn)生同步發(fā)射控制波形，發(fā)射單元通過發(fā)射電路解碼，將混頻信號驅(qū)動(dòng)后送至發(fā)射線圈T進(jìn)行發(fā)射，8組接收線圈陣列接收經(jīng)過地層后的二次感應(yīng)信號，由前置放大電路進(jìn)行低噪聲放大、帶通電路進(jìn)行選頻濾波，送主控單元完成采集、檢波計(jì)算、數(shù)據(jù)成幀后通過遙測上傳至地面進(jìn)行合成聚焦處理。

主控采集處理單元作為系統(tǒng)控制核心，完成發(fā)射波形控制、電平轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制與校準(zhǔn)、輔助參數(shù)測量、8通道同步采集與處理、系統(tǒng)通訊等功能。利用高速FPGA的實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)8通道同步采集，利用高性能DSP靈活性及處理能力實(shí)現(xiàn)信號處理，使得在保證儀器測量功能前提下縮小電路尺寸成為可能［9－12］。主控采集處理單元工作流程：電平轉(zhuǎn)換電路完成前端8通道調(diào)理信號的電平轉(zhuǎn)換，將雙極性信號調(diào)整到適于AD采集的單極性信號；可編程增益放大電路實(shí)現(xiàn)各通道信號的自動(dòng)增益調(diào)整放大，保證儀器信號測量動(dòng)態(tài)范圍；FPGA控制8道AD完成信號采集，累加降噪處理，將結(jié)果保存在內(nèi)部設(shè)置雙口RAM，通過中斷通知DSP讀取數(shù)據(jù)，完成8通道3種頻率信號的數(shù)字相敏檢波DSPD處理，形成24組實(shí)部和24組虛部數(shù)據(jù)；1個(gè)CAN通信周期內(nèi)DSP要通過內(nèi)置AD完成電子儀及線圈系溫度、自然電位、工作電壓等輔助參數(shù)的測量，DSP數(shù)據(jù)成幀后通過內(nèi)置eCAN經(jīng)由遙傳完成數(shù)據(jù)上傳。

圖3 MIT1530系統(tǒng)框圖

MIT1530主控采集單元DSP ＆FPGA交互工作時(shí)序見圖4。DSP收到遙傳命令啟動(dòng)FPGA開始采集，F(xiàn)PGA控制AD依次完成接收線圈主測量信號預(yù)采樣、PGA增益設(shè)置、主測量信號采集、二級刻度信號采集、PGA×1檔和PGA×m檔信號的采集，PGA每完成一種信號的采集與累加處理后均中斷通知DSP取走，并由DSP完成數(shù)據(jù)處理與保存，所有8個(gè)通道由FPGA控制同步完成對應(yīng)信號采集過程，由DSP分時(shí)完成處理，最后數(shù)據(jù)成幀，等待接收遙傳數(shù)據(jù)幀命令后上傳數(shù)據(jù)。

圖4 MIT1530主控采集單元DSP＆FPGA交互工作時(shí)序

2．3 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)

實(shí)時(shí)二級刻度校正技術(shù)和自動(dòng)增益精確校準(zhǔn)技術(shù)。實(shí)時(shí)二級刻度校正技術(shù)是通過在發(fā)射電路中設(shè)計(jì)1個(gè)電流取樣變壓器，直接對發(fā)射電流進(jìn)行取樣作為儀器的二級刻度信號，與測量信號同樣經(jīng)過前放、帶通電路，實(shí)時(shí)測量和處理，使測量信號的幅度和相位得到歸一化，既可以降低發(fā)射波形質(zhì)量的要求，又可以消除整個(gè)電路增益和相位因環(huán)境溫度變化而引起的漂移，從而進(jìn)一步提高微弱信號的測量精度。各通道原始信號量級不同，通過可編程自動(dòng)增益控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號的二次調(diào)理放大倍數(shù)也各不相同，以滿足AD轉(zhuǎn)換器最佳測量范圍提高信號測量精度，但PGA芯片本身個(gè)體和溫度影響都會(huì)帶來實(shí)際倍數(shù)與理論設(shè)置倍數(shù)的差異，為此設(shè)計(jì)了DDS信號發(fā)射單元，由FPGA控制產(chǎn)生與發(fā)射頻率一致的三頻混合信號，在每個(gè)測量周期，每一個(gè)通道在完成主線圈測量信號和二級刻度信號采集處理后，電平轉(zhuǎn)換電路前端切換選擇DDS混頻信號，F(xiàn)PGA通過控制PGA分時(shí)選擇×1和×m檔，并分時(shí)完成采集處理，將處理結(jié)果上傳至地面，可以實(shí)時(shí)獲得每個(gè)通道當(dāng)前時(shí)刻PGA實(shí)際精確的放大倍數(shù)，對主線圈測量信號進(jìn)行二次放大后的歸一化，從而消除可編程程控增益放大電路本身非線性和溫漂帶來的增益誤差的影響，提高系統(tǒng)測量動(dòng)態(tài)范圍和小信號的測量能力。

2．4 自適應(yīng)合成處理技術(shù)

自適應(yīng)校正合成處理技術(shù)是陣列感應(yīng)測井信號處理的重要環(huán)節(jié)。通過建立考慮偏心影響的井眼響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)自適應(yīng)井眼影響校正算法，自適應(yīng)搜索泥漿、井徑、偏心參數(shù)，得到井眼模型響應(yīng)和均值地層響應(yīng)。井眼校正的目的就是消除井眼泥漿電導(dǎo)率對原狀地層造成的不利影響，恢復(fù)到均值狀況，進(jìn)而從測量信號中減去井眼影響實(shí)現(xiàn)井眼校正，并通過合成處理得到5條不同探測深度的測井曲線。為了檢驗(yàn)自適應(yīng)處理技術(shù)的效果，使用了現(xiàn)場提供的某井測井資料進(jìn)行了自適應(yīng)合成處理，井徑變化范圍為8～12．5in，泥漿電導(dǎo)率變化范圍為0．33～1．06s／m。自適應(yīng)處理效果與HDIL陣列感應(yīng)儀器的處理效果進(jìn)行對比見圖5。

圖5 MIT1530自適應(yīng)合成處理效果圖

從圖5中對比明顯可以看出在1460．01m處的層段Atlas的井眼環(huán)境校正合成處理結(jié)果，2ft分辨率匹配曲線（10in探測深度）達(dá)到20Ω·m，明顯地比其他幾條高，而MIT1530自適應(yīng)合成處理井眼環(huán)境校正結(jié)果，合成處理2ft分辨率匹配曲線（10 in探測深度）為10．5Ω·m，顯然，自適應(yīng)處理結(jié)果更合理，而且，從反映侵入特征上看，自適應(yīng)校正的處理結(jié)果也是合理的。

3 室內(nèi)測試

表2和圖6為MIT1530在室內(nèi)使用不同刻度環(huán)電阻進(jìn)行整機(jī)測試結(jié)果。數(shù)據(jù)表明儀器在200Ω電阻以內(nèi)線性良好，能夠保證2%測量精度，刻度電阻越大對應(yīng)測量信號越小，線性度變差。

表3為MIT1530與MIT5530儀器相同條件下儀器各原始曲線基值擾動(dòng)對比，擾動(dòng)越小對應(yīng)測量誤差越小、測量準(zhǔn)確性越高。數(shù)據(jù)表明MIT1530各原始曲線基值擾動(dòng)變化范圍±0．2～±0．5mS／m，比MIT5530的±0．5～±1mS／m的變化范圍約縮小1倍，表明儀器高阻測量能力也進(jìn)一步提高。

表2 MIT1530室內(nèi)刻度環(huán)線性測試表（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

圖6 MIT1530室內(nèi)刻度環(huán)電阻變化線性測試圖

4 應(yīng)用效果

MIT1530儀器采用優(yōu)化線圈系結(jié)構(gòu)，在長慶油田城××井原始曲線重復(fù)性對比圖［13］。表4為整段曲線平均相對誤差和2支儀器一致性相對誤差統(tǒng)計(jì)，滿足儀器設(shè)計(jì)重復(fù)性誤差不大于5%的技術(shù)指標(biāo)。數(shù)據(jù)說明儀器的穩(wěn)定性和一致性效果理想。

圖7為MIT1530掛接“一串測”EILog快測平臺的在里××井綜合解釋對比圖。油層段響應(yīng)表現(xiàn)為電阻率的升高，水層段表現(xiàn)為低電阻率負(fù)差異，干層及非滲透層曲線關(guān)系重合，體現(xiàn)了MIT1530對儲(chǔ)層滲透性及含油水的識別能力。

表3 MIT1530與MIT5530背景基值擾動(dòng)對比表（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

表4 MIT1530××標(biāo)準(zhǔn)井重復(fù)性一致性誤差統(tǒng)計(jì)表（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

圖7 EILog快測平臺（MIT1530）里××井測井資料解釋成果圖

5 結(jié) 論

（1）單邊陣列感應(yīng)成像測井儀 MIT1530突破了傳統(tǒng)感應(yīng)測井儀器發(fā)射、接收電路分離設(shè)計(jì)模式（為了降低強(qiáng)發(fā)射信號對弱接收信號的影響），在硬件上采用了高性能采集和低噪聲放大電路、屏蔽、隔離、接地優(yōu)化等多種措施，軟件上通過工作時(shí)序優(yōu)化、數(shù)字信號處理方法改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)條件下對微弱信號的有效檢測，縮短了電子儀長度。

（2）組合線圈設(shè)計(jì)保證線圈系源距不變，實(shí)現(xiàn)線圈系長度縮短而縱向分辨率和徑向探測深度不降低；通過機(jī)電工藝優(yōu)化等多種措施，解決了復(fù)合線圈結(jié)構(gòu)帶來的直耦值過大和基值漂移等技術(shù)難題。

（3）通過探測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，開發(fā)的適于EILog快測平臺的MIT1530已成功應(yīng)用并開始產(chǎn)業(yè)化。儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與電路一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，對于其他測井儀器小型化設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

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