過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式交叉偶極子陣列聲波測(cè)井儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張勇,蔡志明,張雄輝,陳浩,王邦偉,李宏

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司,重慶400021)

0 引 言

在復(fù)雜井、大斜度井中多采用鉆具輸送方式進(jìn)行陣列聲波測(cè)井,儀器外徑為89 mm,測(cè)井風(fēng)險(xiǎn)較大,成功率較低。為了降低測(cè)井施工的風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)提高測(cè)井成功率,有必要進(jìn)行外徑為60 mm的存儲(chǔ)式陣列聲波測(cè)井儀的研制,以滿足更多的測(cè)井施工要求。國(guó)外僅威德福公司的過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式測(cè)井儀器系列有交叉偶極子陣列聲波。中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司成功研制出存儲(chǔ)式交叉偶極子陣列聲波儀器,并在川渝地區(qū)長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊推廣應(yīng)用,取得較好的測(cè)井效果。本文介紹了交叉偶極子陣列聲波測(cè)井儀的測(cè)量原理、硬件、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用效果。

1 交叉偶極子陣列聲波測(cè)量原理

交叉偶極子陣列聲波測(cè)井儀包括4個(gè)發(fā)射信號(hào)、4×8共32組接收信號(hào)[1]。其中,單極子發(fā)射換能器2個(gè),以正交方向排列的偶極子發(fā)射換能器2個(gè);接收換能器8組,每組分4個(gè)方向排列,共32組接收。

發(fā)射聲系短節(jié)中集成了單極、偶極、斯通利波發(fā)射換能器,在發(fā)射電路發(fā)射高壓的激勵(lì)下向地層發(fā)射聲波,經(jīng)過(guò)地層后,被接收聲系的32組接收陣列接收,并將其轉(zhuǎn)換成32路電信號(hào)[2],經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后得到縱波、橫波時(shí)差以及各向異性等地層特性。

相對(duì)于普通聲波測(cè)井儀,交叉偶極子陣列聲波測(cè)井儀能夠準(zhǔn)確提取縱波、橫波和斯通利波的各種信息,對(duì)軟地層進(jìn)行橫波測(cè)井,對(duì)地層進(jìn)行各向異性分析,從而識(shí)別地層的一些重要特征。

2 硬件設(shè)計(jì)

過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式交叉偶極陣列聲波儀由5部分組成,自下而上分別為發(fā)射電路、發(fā)射聲系、隔聲短節(jié)、接收聲系、接收電路[3-4]。

2.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路依據(jù)地面軟件配置的發(fā)射參數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的換能器發(fā)射,根據(jù)接收電路中的采集控制板的控制命令,可產(chǎn)生單極、偶極X、偶極Y、斯通利波發(fā)射換能器所需要的高壓激勵(lì)波形。

發(fā)射參數(shù)包括發(fā)射模式設(shè)置、發(fā)射頻率設(shè)置和發(fā)射波形選擇,默認(rèn)情況下,子周期間隔50 ms,單極發(fā)射主頻率10 kHz,偶極發(fā)射主頻率1.2 kHz,斯通利波發(fā)射主頻率1.6 kHz。發(fā)射電路主要由發(fā)射控制電路、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射變壓器和高低壓電源電路組成(見圖1)。

發(fā)射控制電路的MCU通過(guò)CAN總線與接收電路通信,并根據(jù)接收電路發(fā)來(lái)的控制命令產(chǎn)生相應(yīng)頻率的波形,經(jīng)過(guò)單極、偶極和斯通利波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路后,通過(guò)發(fā)射變壓器激勵(lì)相應(yīng)換能器產(chǎn)生聲波信號(hào)。

2.2 接收電路

接收電路通過(guò)CAN模塊接收來(lái)自地面軟件的控制命令,按一定的時(shí)序并行采集32路信號(hào), 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或上傳,同時(shí)通過(guò)串口通信控制發(fā)射電路產(chǎn)生高壓激勵(lì)波形(見圖2)。接收部分主要包括信號(hào)處理和存儲(chǔ)控制。

圖1 發(fā)射電路原理框圖

(1)定時(shí)功能。接收地面軟件預(yù)先設(shè)置的定時(shí)命令,定時(shí)將命令發(fā)送至發(fā)射電路,啟動(dòng)換能器發(fā)射,同時(shí)啟動(dòng)信號(hào)的接收采集。

(2)信號(hào)處理存儲(chǔ)功能。對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、抗混疊濾波、采集,將數(shù)據(jù)存放于存儲(chǔ)器中,并在地面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式讀出數(shù)據(jù)。

圖2 接收電路原理框圖

(3)電纜通信功能。在電纜通信模式下,將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN模塊傳給通信短節(jié)并通過(guò)電纜上傳至地面系統(tǒng)。由于32路信號(hào)同時(shí)采集,信號(hào)路數(shù)多、采集數(shù)據(jù)量大,受電路板尺寸限制,采用骨架兩側(cè)放置相同電路、每側(cè)電路處理16路信號(hào)的方式進(jìn)行處理,原理框圖見圖3。

圖3 信號(hào)處理電路原理框圖

圖3中,DSP芯片負(fù)責(zé)接收定時(shí)時(shí)間命令,通知發(fā)射電路發(fā)射激勵(lì)波形。DSP接收到時(shí)間命令后按照4個(gè)子周期(單極、偶極X、偶極Y、斯通利波)的順序向發(fā)射電路發(fā)送命令,啟動(dòng)4個(gè)子周期的信號(hào)發(fā)射,同時(shí)信號(hào)處理電路對(duì)兩側(cè)16路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行增益控制放大、抗混疊濾波、采集[5-6],將數(shù)據(jù)傳送至DSP,在存儲(chǔ)模式時(shí)將數(shù)據(jù)放于存儲(chǔ)器中,在電纜模式時(shí)將信號(hào)合成之后通過(guò)CAN傳給通信短節(jié)并上傳至地面系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

由于該儀器外徑為60 mm,選擇合適的小直徑換能器、設(shè)計(jì)合適頻率的發(fā)射激勵(lì)信號(hào)是儀器設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。此外,存儲(chǔ)式儀器存儲(chǔ)容量有限,對(duì)采集數(shù)據(jù)必須采用數(shù)據(jù)壓縮處理,儀器采用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM算法。

3.1 小直徑換能器

設(shè)計(jì)采用片條狀的偶極發(fā)射換能器,接收晶體采用Φ10接收晶體,源距約4 m,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為鋁筒。采用2.1所設(shè)計(jì)的發(fā)射電路進(jìn)行試驗(yàn),偶極發(fā)射激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)波形見圖4。發(fā)射激勵(lì)信號(hào)頻率為1.2 kHz左右,偶極接收信號(hào)首波幅度為幾十mV,波形包絡(luò)峰峰值約400 mV,頻率集中在1.6 kHz。

通過(guò)相同的實(shí)驗(yàn)形式,對(duì)高頻單極、低頻單極(斯通利波)換能器進(jìn)行了發(fā)射頻率的選取,確定其頻率分別為10、1.6 kHz,其發(fā)射與接收波形見圖5。

圖4 偶極發(fā)射與接收信號(hào)波形

圖5 單極發(fā)射與接收波形圖

3.2 數(shù)據(jù)壓縮算法

自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制[7]ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation)是針對(duì)16 bit(8 bit或更高位)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮的方法,它將16 bit聲音數(shù)據(jù)壓縮為4 bit進(jìn)行存儲(chǔ),壓縮比高達(dá)25%,但是壓縮/解壓縮算法復(fù)雜度低,是一種低空間消耗、高質(zhì)量、高效率的聲音壓縮算法。

ADPCM主要針對(duì)連續(xù)變化的波形進(jìn)行壓縮,保存波形變化的情況,它的核心思想:

(1)用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小,即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值,使用大的量化階去編碼大的差值。

(2)使用過(guò)去樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測(cè)值,使實(shí)際樣本值和預(yù)測(cè)值之間的差值總是最小。

使用ADPCM算法,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到的單極和偶極XX波形進(jìn)行壓縮前和解壓縮后數(shù)據(jù)對(duì)比見圖6。由圖6可見,壓縮前后的波形一致性較好,壓縮后能夠保持原波形的形狀不實(shí)真,解壓后能恢復(fù)原波形。

圖6 采用ADPCM算法壓縮波形對(duì)比圖

4 軟件設(shè)計(jì)

過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式交叉偶極子陣列聲波測(cè)井儀采用DSP和PIC單片機(jī)作為控制芯片,控制儀器的正常發(fā)射、接收、存儲(chǔ)和通信,軟件設(shè)計(jì)主要包括通信存儲(chǔ)程序、發(fā)射程序以及信號(hào)處理程序,軟件采用CCS4.2與MPLAB IDE V8.84開發(fā)。

4.1 通信存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

通信存儲(chǔ)程序主要負(fù)責(zé)執(zhí)行地面系統(tǒng)發(fā)來(lái)的命令。初始化后,等待命令,如果是電纜模式,則執(zhí)行電纜測(cè)井的相應(yīng)功能;在存儲(chǔ)模式下,包括擦除命令、裝表命令、狀態(tài)檢查命令、定時(shí)命令以及讀數(shù)命令,根據(jù)地面系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令執(zhí)行相應(yīng)功能。

4.2 發(fā)射程序設(shè)計(jì)

上電后,PIC芯片及外設(shè)初始化,待高壓上電完畢后,進(jìn)行開機(jī)自檢,并等待命令。如果是發(fā)射命令,則發(fā)射電路產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)波形,控制相應(yīng)換能器發(fā)出聲波;如果是配置命令,則根據(jù)所接受的參數(shù)進(jìn)行發(fā)射命令配置;如果是自檢命令,則啟動(dòng)自檢并返回結(jié)果。

4.3 信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)

信號(hào)處理程序主要對(duì)接收的2道16路(共32路信號(hào))進(jìn)行相應(yīng)處理。如圖7所示,初始化后,等待命令,如果是傳數(shù)命令,則上傳數(shù)據(jù);如果是子周期采集參數(shù)配置命令,則接收參數(shù)并進(jìn)行采集配置,然后啟動(dòng)ADC,依次對(duì)16道數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完畢后,將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。

圖7 信號(hào)處理程序流程圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式交叉偶極子陣列聲波儀器研制完成后,在蓮××井與ECLIPS5700交叉偶極陣列聲波儀器進(jìn)行了測(cè)井對(duì)比試驗(yàn)(見圖8)。由圖8可知,該儀器所測(cè)得的測(cè)井資料與5700交叉偶極子聲波的測(cè)井資料的一致性較好,表明該儀器功能正常,可用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井施工。

該儀器于2018年4月投入使用,至今已在川渝地區(qū)頁(yè)巖氣自×××H1-4、寧×××H25-2、威×××等井完成了64余井次的正式測(cè)井,資料均合格(見表1)。儀器在測(cè)井中均取得了合格的橫波、縱波、斯通利波以及各向異性資料,其中,在寧×××H25-2井,施工的水平井段將近3 600 m,儀器在井中工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)58 h,儀器狀態(tài)正常。

圖8 存儲(chǔ)式交叉偶極子陣列聲波測(cè)井儀與XMACII測(cè)井儀處理成果對(duì)比圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

表1 過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式交叉偶極子陣列聲波測(cè)井結(jié)果

6 結(jié) 論

(1)該儀器采用小直徑發(fā)射換能器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定單極、偶極及斯通利波的發(fā)射主頻率分別為10、1.2、1.6 kHz。

(2)采用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制的數(shù)據(jù)壓縮算法,可極大地節(jié)省存儲(chǔ)式儀器存儲(chǔ)空間。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,該儀器能夠識(shí)別地層的各向異性大小和方位,可用于頁(yè)巖氣井等復(fù)雜水平井的過(guò)鉆桿存儲(chǔ)式測(cè)井施工作業(yè)。