超越地面系統(tǒng)聲波測(cè)井模塊設(shè)計(jì)

王德平

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

固井質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)油氣田勘探開(kāi)發(fā)和產(chǎn)能建設(shè)具有十分重要的意義。八扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀(SBT)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新一代徑向固井質(zhì)量評(píng)價(jià)測(cè)井儀器，它主要用于油、水井的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。大慶油田的八扇區(qū)水泥膠結(jié)測(cè)井儀主要使用PHASE 地面儀完成測(cè)井任務(wù)。PHASE 地面儀經(jīng)過(guò)十多年使用出現(xiàn)許多問(wèn)題，現(xiàn)在僅有兩套能夠維持生產(chǎn)，并且不能提供原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，嚴(yán)重制約了SBT 儀器的應(yīng)用。超越地面系統(tǒng)［1］是大慶測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司研發(fā)的新一代地面系統(tǒng)。為了進(jìn)一步滿足聲波測(cè)井需求，測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司在超越地面系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了聲波模塊及相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井軟件［2、3］，配接了八扇區(qū)聲波測(cè)井儀。

1 聲波測(cè)井模塊硬件設(shè)計(jì)

聲波測(cè)井模塊可以插入超越地面采集系統(tǒng)PXI 機(jī)箱除零槽外任何一個(gè)槽位，其系統(tǒng)配置原理框圖如圖1 所示。

圖1 聲波測(cè)井模塊系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)原理框圖

聲波測(cè)井模塊硬件電路主要包括聲波測(cè)井信號(hào)前端硬件處理電路設(shè)計(jì)，聲波測(cè)井信號(hào)程控增益放大，聲波測(cè)井信號(hào)同步識(shí)別電路設(shè)計(jì)，套管波首波CBL 數(shù)據(jù)采集及全波列測(cè)井信號(hào)VDL 數(shù)據(jù)采集控制電路設(shè)計(jì)，高速A/D 數(shù)據(jù)采集及緩存電路設(shè)計(jì)，脈沖計(jì)數(shù)(主要針對(duì)八扇區(qū)水泥膠結(jié)SBT 測(cè)井信號(hào)傳輸序列中伽瑪探測(cè)器負(fù)脈沖)電路設(shè)計(jì)，聲波自檢信號(hào)設(shè)計(jì)，示波器增輝控制及測(cè)井信號(hào)通道顯示選擇等。另外，還包括嵌入式系統(tǒng)CPU、大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA 等外圍基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)。利用虛擬示波實(shí)時(shí)顯示及控制技術(shù)，顯示各關(guān)鍵點(diǎn)波形來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)控制。聲波測(cè)井信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器和程控增益放大，送入高速A/D 轉(zhuǎn)換器，由FPGA根據(jù)同步信號(hào)的判別，控制A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和停止。每個(gè)子周期的首波幅度或全波列A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，通過(guò)FPGA 時(shí)序控制先存入到FPGA 內(nèi)部FIFO 中，通過(guò)申請(qǐng)PowerPC 中斷，由嵌入式CPU 讀取采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)組幀要求存入到擴(kuò)展RAM 區(qū)，由地面嵌入式主機(jī)讀取。3 ft(1 ft=304.8 mm)子周期A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集及控制同八個(gè)扇區(qū)一樣，需要對(duì)套管波首波幅度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。5 ft 子周期的A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集及控制同樣由FPGA判別出同步信號(hào)，對(duì)套管波和地層波進(jìn)行全波列數(shù)據(jù)采集，聲波測(cè)井模塊原理框圖如圖2 所示。

圖2 聲波測(cè)井模塊設(shè)計(jì)方案原理框圖

2 聲波測(cè)井模塊軟件設(shè)計(jì)

聲波測(cè)井軟件是基于Win32 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、VC + +2010 開(kāi)發(fā)環(huán)境而開(kāi)發(fā)的用于超越地面系統(tǒng)的聲波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井軟件。軟件基本運(yùn)行環(huán)境為Windows 環(huán)境。聲波測(cè)井軟件的總體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。軟件采集8 個(gè)扇區(qū)幅度值，從1 扇區(qū)到8 扇區(qū)展開(kāi)，根據(jù)繪圖寬度采用相鄰兩點(diǎn)的線性插值算法增加數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)值大小按5 個(gè)灰度級(jí)繪出2 ft 膠結(jié)圖。測(cè)井軟件根據(jù)繪圖寬度間隔提取成像數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)值大小按5 個(gè)灰度級(jí)繪出VDL 圖像。5 個(gè)灰度級(jí)采用自定義方式，用一個(gè)值為布爾型的三維數(shù)組表示。

超越聲波測(cè)井軟件主程序設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。超越聲波測(cè)井軟件建立測(cè)井服務(wù)以后，如果各通道控制參數(shù)符合測(cè)井要求，則進(jìn)行聲波測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)刻度，現(xiàn)場(chǎng)刻度以后便開(kāi)始測(cè)井，在測(cè)井過(guò)程中禁止修改聲幅增益及各種控制參數(shù)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)保存為標(biāo)準(zhǔn)LAS 格式。

圖3 聲波測(cè)井軟件的總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖

圖4 超越聲波測(cè)井軟件主程序設(shè)計(jì)流程圖

3 聲波測(cè)井模塊的采集控制與成像處理

超越聲波測(cè)井模塊可以實(shí)現(xiàn)八扇區(qū)聲波測(cè)井儀的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)成像、回放處理及打印等功能。下面主要對(duì)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)成像處理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

3.1 聲波采集控制

測(cè)井軟件在采集控制上可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置聲幅測(cè)量通道的同步放大、聲波幅度放大、同步門(mén)檻、脈沖信號(hào)GR 門(mén)檻、各子周期采樣延遲和采樣寬度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器信號(hào)的放大，對(duì)聲波波形的單獨(dú)放大，控制所需信號(hào)的采集，通過(guò)設(shè)置同步門(mén)限電平和同步脈寬可以排除同步干擾信號(hào)，通過(guò)設(shè)置GR 門(mén)限電平和GR 濾波上下限采集準(zhǔn)確的GR 脈沖信號(hào)、排除干擾。

虛擬示波器能實(shí)時(shí)觀察各子周期(1 ～8 扇區(qū)、3 ft、5 ft 波形)全波列信號(hào)，通過(guò)兩條紅線可以清晰地看到各波形所采集的波段，方便操作員準(zhǔn)確控制信號(hào)的采集，錄取優(yōu)質(zhì)測(cè)井資料。

3.2 曲線與成像處理

2 ft 膠結(jié)圖繪制:實(shí)際采集8 個(gè)扇區(qū)幅度值，從1 扇區(qū)到8 扇區(qū)展開(kāi)，根據(jù)繪圖寬度采用相鄰兩點(diǎn)的線性插值算法增加數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)值大小按5 個(gè)灰度級(jí)繪出膠結(jié)圖。

VDL 全波列成像繪制:VDL 波形采集從200 μs 到1 200 μs，每微秒采樣一個(gè)點(diǎn)，共采樣1 000個(gè)點(diǎn)，根據(jù)繪圖寬度從1 000 個(gè)點(diǎn)間隔提取成像數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)值大小按5 個(gè)灰度級(jí)繪出VDL 圖像。

5 個(gè)灰度級(jí)采用自定義方式，用一個(gè)值為布爾型的三維數(shù)組表示。

聲波測(cè)井軟件界面包括軟件整體框架、菜單、工具欄、狀態(tài)欄等，整體設(shè)計(jì)規(guī)范、合理、易用、重點(diǎn)突出、容錯(cuò)能力強(qiáng)。軟件操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、易學(xué)，便于操作員掌握。

4 應(yīng)用效果

在超越系統(tǒng)下用聲波模塊進(jìn)行了十幾井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，與引進(jìn)的PHASE 地面系統(tǒng)做了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明聲波測(cè)井信號(hào)同步識(shí)別穩(wěn)定可靠，錄取的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，模塊錄取的結(jié)果與PHASE 地面系統(tǒng)錄取結(jié)果相近，所以說(shuō)設(shè)計(jì)的聲波模塊完全能滿足八扇區(qū)水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀器測(cè)井要求。測(cè)井曲線見(jiàn)下圖5。圖中可以看出聲波模塊錄取的CBL 曲線、2 ft 曲線在水泥返高、膠結(jié)不好的位置均有清晰的反應(yīng)，2 ft 成像、VDL 成像能直觀反映水泥膠結(jié)的好壞。

圖5 實(shí)際X337 -X495 井測(cè)井效果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的基于超越地面系統(tǒng)的聲波測(cè)井模塊可以準(zhǔn)確地錄取SBT 聲波儀器的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)成像以及數(shù)據(jù)的回放處理及打印等功能。 聲波自檢信號(hào)、虛擬示波技術(shù)、數(shù)字化濾波技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用使得聲波信號(hào)的調(diào)理簡(jiǎn)單便捷，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集、處理可靠。試驗(yàn)結(jié)果表明聲波測(cè)井模塊可以很好滿足八扇區(qū)聲波測(cè)井需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。聲波測(cè)井模塊的開(kāi)發(fā)使得超越地面地面系統(tǒng)拓展了儀器配接范圍，在大慶油田具有一定的推廣前景。

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