基于套管設(shè)計(jì)的過套管測(cè)井系統(tǒng)井下儀器研究

張家田　崔新　許凱

摘 要： 傳統(tǒng)的過套管電阻率測(cè)井測(cè)量誤差較大，探測(cè)深度較淺，為了解決傳統(tǒng)測(cè)井儀器在生產(chǎn)測(cè)井中的局限性，有必要研究一種新型的過套管電阻率測(cè)井儀器。這種測(cè)井儀器基于一種特殊設(shè)計(jì)的套管，該新型套管由多段玻璃鋼套管和金屬套管交替構(gòu)成。由于玻璃鋼套管的絕緣性，從而達(dá)到了使更多的信號(hào)進(jìn)入地層的目的?；谠撔滦吞坠茉O(shè)計(jì)一種新型過套管測(cè)井系統(tǒng)，并重點(diǎn)進(jìn)行井下儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體包括激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主控制器的選型與設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞： 測(cè)井技術(shù)； 套管設(shè)計(jì)； 過套管電阻率測(cè)井； 井下儀器

中圖分類號(hào)： TN710?34； P631.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）07?0127?03

Abstract： The measurement error of the traditional cased hole resistivity logging is big and investigation depth is shallow， to solve the limitations of traditional logging tools in production logging， it is necessary to study a new cased hole resistivity logging instruments. The logging instrument was designed based on a special casing， in which the new casing was alternately composed of multi?segment glass?fiber reinforced plastics casings and metal casings. More signals can enter into the stratum due to the insulation of the glass?fiber reinforced plastics casing. A new cased hole resistivity logging system was designed based on this new casing. The downhole instrument system was emphatically designed， including incentive signal source design， data acquisition system design， main controller design and type selection .

Keywords： well logging technology； casing design； cased hole resistivity logging； downhole instrument

0 引 言

過套管測(cè)井對(duì)于油田開發(fā)過程中油藏監(jiān)測(cè)和剩余油評(píng)價(jià)都有著重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前為止，用于過套管測(cè)井的方法有三種：C/O測(cè)井、中子壽命測(cè)井與過套管測(cè)井，這些都有其局限性，C/O測(cè)井探測(cè)深度較淺，測(cè)速低且代價(jià)高；中子壽命測(cè)井在低孔低鹽等條件下測(cè)量誤差大；過套管電阻率測(cè)井對(duì)高阻地層測(cè)量誤差較大，對(duì)套管外壁涂防腐層的油井無法測(cè)量[2]。

傳統(tǒng)過套管電阻率測(cè)井信號(hào)通過金屬套管流入地層，然后流回接收電極，通過測(cè)量該信號(hào)，得到地層的信息。但金屬套管的電阻率遠(yuǎn)小于地層與油水混合物的電阻率，從電極發(fā)出的信號(hào)部分直接沿套管流回接收電極，沒有進(jìn)入地層。為了克服這一問題，提出基于目的層的特殊套管設(shè)計(jì)，這種套管利用玻璃鋼套管的絕緣性和金屬套管的導(dǎo)電性設(shè)計(jì)而成，它由多段金屬套管與玻璃鋼套管交替構(gòu)成。因此，當(dāng)電極發(fā)出信號(hào)，由于玻璃鋼套管的絕緣性，信號(hào)只能通過地層或套管內(nèi)油水混合體傳送，從而達(dá)到使更多的信號(hào)進(jìn)入地層的目的。

本文基于這種新型套管，設(shè)計(jì)了一套新型的過套管電阻率測(cè)井系統(tǒng)。這種過套管測(cè)井系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)金屬套管因電阻率低，導(dǎo)致信號(hào)流失的問題，從而改善以往過套管測(cè)井技術(shù)測(cè)量誤差較大，探測(cè)深度較淺等問題。該過套管測(cè)井方法在油田應(yīng)用中有三個(gè)方面：一是探尋老井中漏掉油氣，增加油氣可采量；二是檢測(cè)當(dāng)前開采情況，為后續(xù)開發(fā)做準(zhǔn)備；三是確定剩余油飽和度[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

新型過套管測(cè)井系統(tǒng)由井下儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)構(gòu)成。具體包括系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、激勵(lì)源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主控制器設(shè)計(jì)、地面控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

從設(shè)計(jì)特殊套管到構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，再將系統(tǒng)模塊化，然后根據(jù)各模塊實(shí)現(xiàn)的功能及在系統(tǒng)中的工作時(shí)序，分別進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，最后將各模塊相結(jié)合，再綜合設(shè)計(jì)，完成這套基于套管設(shè)計(jì)的過套管測(cè)井系統(tǒng)，該系統(tǒng)將能很好地應(yīng)用在生產(chǎn)測(cè)井中。新型過套管測(cè)井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中[RL]為等效地層電阻，激勵(lì)信號(hào)源向電極系上注入激勵(lì)電流，從而獲得地層電阻率信號(hào)。此信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行處理，使之能夠直接進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模塊。將信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送達(dá)主控制器，經(jīng)主控制器處理后通過傳輸系統(tǒng)經(jīng)電纜送達(dá)地面控制系統(tǒng)，由地面控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制井下主控制器，進(jìn)而控制激勵(lì)信號(hào)源。

2 激勵(lì)信號(hào)源的方案設(shè)計(jì)

激勵(lì)信號(hào)源的方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，主要由控制模塊、DDS模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、功率放大模塊等組成?？刂颇K收到改變信號(hào)源參數(shù)的指令，控制模塊是整個(gè)激勵(lì)信號(hào)源的控制中心，發(fā)送控制命令給DDS模塊，改變發(fā)出信號(hào)的參數(shù)。DDS模塊在控制模塊的控制下，產(chǎn)生低頻正弦信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)隔離模塊的作用是使功率放大模塊與DDS模塊電氣隔離。功率放大模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率的放大，以滿足微弱信號(hào)采集與系統(tǒng)的要求[4]。

2.1 控制模塊

控制模塊主要由控制器及周邊電路構(gòu)成，可以控制DDS芯片。該設(shè)計(jì)使用AD公司的ADSP?2189M芯片作為控制器件，其與DDS芯片的接口如圖3所示。

2.2 DDS模塊

DDS模塊設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，包括DDS芯片、差分放大電路、低通濾波電路和電壓放大電路等[5]。主要功能是生成信號(hào)，濾除噪聲與信號(hào)放大輸出等。該設(shè)計(jì)選用AD公司生產(chǎn)的AD9834芯片，這是一款高性能、低功耗DDS芯片，可以輸出高性能正弦波、三角波以及方波信號(hào)。差分放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出，抵消輸出信號(hào)中的直流部分；低通濾波器將輸出信號(hào)濾除高頻部分；電壓放大器輸出的信號(hào)幅度放大到±5 V。

2.3 功率放大模塊

該模塊采用PA12集成功率放大器，PA12是一款大電流型集成功率放大器件，內(nèi)部耗散功率為125 W，寬電源電壓工作范圍為±10～±50 V，大電流輸出范圍為±15 A。

3 數(shù)據(jù)采集的方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的方案設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：前置放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集電路。前置放大電路和信號(hào)調(diào)理電路的功能是對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，使之能直接接入ADC。信號(hào)采集電路的主要功能是對(duì)放大電路輸出的信號(hào)進(jìn)行采集、處理，同時(shí)接收和執(zhí)行主控制器的命令。

3.1 前置放大電路

減少引入觀測(cè)噪聲是檢測(cè)微弱信號(hào)的關(guān)鍵，而前置放大器是噪聲被引入的主要部件之一。因待測(cè)信號(hào)很微弱，所以前置放大器選用超低噪聲器件，否則前置放大器自身噪聲就會(huì)加深覆沒以前就被噪聲淹沒的待測(cè)信號(hào)。這里選用OP37，由于OP37具有很高的共模抑制比，而差分放大電路又能減少共模信號(hào)而放大差模信號(hào)，故能很好地檢測(cè)到有用信號(hào)。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

為了讓信號(hào)適合信號(hào)采集，所以需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。一方面，需要設(shè)計(jì)單端轉(zhuǎn)差分和幅度調(diào)節(jié)電路保證A/D轉(zhuǎn)換芯片所需的輸入信號(hào)。另一方面，要保證信號(hào)測(cè)量的精確性，應(yīng)使信號(hào)在測(cè)量滿量程的一半左右，所以需設(shè)計(jì)程控增益電路。

3.3 信號(hào)采集電路

這里選用一種具有Delta?Sigma（Δ?Σ）模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的采集芯片ADS1271，能將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)?？刂破鬟x用ADSP2186M，該部分主要是控制ADS1271的工作模式、串行口工作方式、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取、緩沖、處理和發(fā)送等。信號(hào)采集電路框圖如圖6所示。

4 主控制器的方案設(shè)計(jì)

主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的控制，控制激勵(lì)信號(hào)源輸入地層的信號(hào)，控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)，并且接收和執(zhí)行地面控制系統(tǒng)的指令。主控制器設(shè)計(jì)為DSP加CPLD的方案。根據(jù)所選芯片的工作要求介紹主控電路的硬件實(shí)現(xiàn)。

4.1 DSP外圍電路

要讓DSP能正常工作，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)最小硬件系統(tǒng)[6]。系統(tǒng)選用ADSP?2189M作為控制核心，包括外圍的電源、時(shí)鐘、復(fù)位、模式設(shè)置，還有FLASH拓展和CPLD接口電路等。ADSP?2189M的最小硬件系統(tǒng)如圖7所示。

5 結(jié) 語

本文基于一種特殊設(shè)計(jì)的套管，提出一種新型的過套管電阻率測(cè)井系統(tǒng)。針對(duì)這種新型的過套管電阻率測(cè)井系統(tǒng)，本文進(jìn)行了系統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)研究，重點(diǎn)對(duì)井下儀器的各個(gè)組成部分進(jìn)行分析和研究，研究各部分的構(gòu)成及各構(gòu)成模塊選型與設(shè)計(jì)。這種測(cè)井儀器能夠有效地改善傳統(tǒng)過套管電阻率測(cè)井儀器在開發(fā)測(cè)井中的一些局限性，如測(cè)量誤差較大、探測(cè)深度較淺等。

參考文獻(xiàn)

[1] 張家田，霍菲菲，嚴(yán)正國.過套管電阻率測(cè)井技術(shù)及應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010（3）：89?90.

[2] 馬龍，黎偉，忽雪嬌，等.智能套管測(cè)井系統(tǒng)研究[J].電子制作，2014（15）：19.

[3] 吳銀川，張家田，嚴(yán)正國.過套管地層電阻率測(cè)井技術(shù)綜述[J].石油儀器，2006，20（5）：1?5.

[4] 吳銀川，張家田，嚴(yán)正國.過套管電阻率測(cè)井大功率超低頻信號(hào)源設(shè)計(jì)研究[J].測(cè)井技術(shù)，2009，33（4）：394?397.

[5] 張家田，嚴(yán)正國，包德洲.過套管電阻率測(cè)井技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013：31?98.

[6] 馬建明.基于BF533DSP高分辨率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安石油大學(xué)，2012.