LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀檢測(cè)系統(tǒng)研制

于 淼，楊建明，張金貴，王 慧，唐 濤

(1中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司 黑龍江 大慶 163412；2. 中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司 陜西 西安 710000)

0 引 言

LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀是哈里伯頓公司LOGIQ系列測(cè)井儀中的電法儀器，得到廣泛的應(yīng)用。LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀發(fā)生的故障以機(jī)械故障和電路故障為主，目前對(duì)于儀器的維修存在諸多問(wèn)題，如不能對(duì)單支儀器進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)；不能直接讀取探頭的模擬信號(hào)，進(jìn)行精細(xì)檢測(cè)；儀器刻度換檔時(shí)受接觸電阻的影響大，容易造成刻度值偏差等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，提高儀器維修的時(shí)效性和維修質(zhì)量，研制了一種功能齊全、使用便捷的LOGIQ雙側(cè)向儀器檢測(cè)系統(tǒng)。

1 LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀的結(jié)構(gòu)組成

LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀包括4個(gè)部分[1]：雙側(cè)向電源和遙測(cè)短節(jié)、雙側(cè)向線路、雙側(cè)向探頭、微球探頭。雙側(cè)向電源和遙測(cè)短節(jié)包括4個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集和傳輸板、以太網(wǎng)接口板、模擬接口板和電機(jī)控制板。雙側(cè)向線路部分包括處理深側(cè)向LLD、淺側(cè)向LLS以及微球MSFL的大部分電路。雙側(cè)向探頭包括深側(cè)向和淺側(cè)向電極陣列、深側(cè)向和淺側(cè)向前置放大電路以及波紋管組件。雙側(cè)向探頭由13個(gè)電極(測(cè)量電極、屏蔽電極和監(jiān)督電極)組成，電極之間用橡膠絕緣材料隔開。微球探頭包括壓力平衡單元、井徑電位計(jì)、馬達(dá)和2個(gè)可伸縮臂。壓力平衡單元是活塞式壓力平衡機(jī)構(gòu)，馬達(dá)傳動(dòng)給滾軸絲杠，帶動(dòng)2個(gè)可伸縮臂，其中一個(gè)伸縮臂上安裝微球測(cè)量極板，該極板由5個(gè)同心電極環(huán)構(gòu)成電極陣列。

LOGIQ雙側(cè)向儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LOGIQ雙側(cè)向儀器結(jié)構(gòu)圖

2 目前檢測(cè)與維修中存在的問(wèn)題

2.1 不能對(duì)單支儀器進(jìn)行檢測(cè)且儀器配接工作量大

雙側(cè)向測(cè)井儀一旦發(fā)生故障[2]，不能對(duì)單支儀器進(jìn)行檢測(cè)與維修，維修過(guò)程需要配接多個(gè)功能模塊及儀器短節(jié)，包括地面采集系統(tǒng)、遙傳系統(tǒng)以及雙側(cè)向測(cè)井儀的4支儀器短節(jié)，并且連接刻度電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刻度。存在工作量過(guò)大,資源浪費(fèi)等問(wèn)題。整個(gè)井下檢測(cè)設(shè)備連接長(zhǎng)10.1 m, 重達(dá)182 kg，刻度盒至少連接1～10 000 Ω·m 中的一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)盒，每個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)盒有15 個(gè)插孔，每個(gè)插孔需要連接相應(yīng)的連線。每次換檔時(shí)都需要交叉互換插孔，給雙側(cè)向測(cè)井儀的維修和檢測(cè)帶來(lái)很大的工作量和不便。

2.2 儀器刻度過(guò)程受接觸電阻影響大，容易造成刻度值偏差

哈里伯頓的LOGIQ 雙側(cè)向測(cè)井儀以4個(gè)無(wú)限均質(zhì)地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)(1、100、1 000、10 000 Ω·m )作為雙側(cè)向儀器的二級(jí)刻度裝置，對(duì)雙側(cè)向儀器進(jìn)行外刻后經(jīng)系數(shù)傳遞才能進(jìn)行測(cè)井。這種刻度方法雖然可以消除探頭引起的誤差，但是刻度過(guò)程過(guò)于繁瑣。另外，每個(gè)刻度電阻網(wǎng)絡(luò)盒有多個(gè)插孔，每個(gè)插孔都需要連接相應(yīng)的連線與儀器相連，儀器刻度換檔時(shí)需要交叉互換插孔，受接觸電阻的影響大，容易造成刻度值偏差。

2.3 儀器維修過(guò)程中不能做到精細(xì)化檢測(cè)

儀器維修的刻度過(guò)程中，不能直接對(duì)探頭的模擬信號(hào)進(jìn)行讀取，只能在地面采集系統(tǒng)內(nèi)讀取刻度值，并與以前刻度值進(jìn)行對(duì)比，才能判斷儀器的工作狀態(tài)是否正常，不能做到精細(xì)化檢測(cè)。

3 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)目前LOGIQ雙側(cè)向儀器檢測(cè)與維修遇到的問(wèn)題，從LOGIQ雙側(cè)向測(cè)量原理出發(fā)，根據(jù)其電壓、電流的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)LOGIQ雙側(cè)向儀器線路的供電、相關(guān)電壓、電流的測(cè)量、采集、數(shù)字化、顯示以及存儲(chǔ)等功能，從而研制功能齊全、使用便捷的LOGIQ雙側(cè)向電阻率儀器維修檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案框圖

該檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩大功能模塊組成，包括雙側(cè)向模擬面板和雙側(cè)向采集測(cè)試面板。雙側(cè)向模擬面板與雙側(cè)向測(cè)井儀相連接，雙側(cè)向測(cè)井儀與雙側(cè)向采集測(cè)試面板相連接。雙側(cè)向采集測(cè)試面板利用雙側(cè)向模擬面板內(nèi)的地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)模擬真實(shí)的地層電阻率，并將儀器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，達(dá)到室內(nèi)檢測(cè)的目的。

4 實(shí)現(xiàn)方法

4.1 雙側(cè)向模擬面板

雙側(cè)向模擬面板主要包括3個(gè)部分：前置放大電路、地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)、波段開關(guān)控制電路。

4.1.1 前置放大電路的實(shí)現(xiàn)

前置放大電路由工作原理相同的深側(cè)向和淺側(cè)向放大電路兩部分組成，主要作用是放大主監(jiān)督電極(淺M1M2，深M1M3)檢測(cè)到的電位差信號(hào)，工作電壓±15 V經(jīng)過(guò)電容濾波為其供電。主監(jiān)督電位差信號(hào)都是先經(jīng)過(guò)一變壓器隔離耦合，再經(jīng)過(guò)放大器HAI-5104進(jìn)行放大。正端輸出對(duì)負(fù)端輸出的測(cè)量增益G=50。

4.1.2 地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)的搭建及波段開關(guān)的使用

LOGIQ雙側(cè)向地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)[3]分為4組。1、100、10 000 Ω·m 3組作為主刻度，1 000 Ω·m 作為外刻校驗(yàn)檔位。其電阻使用高精度高穩(wěn)定性的精密線繞電阻，阻值參考LOGIQ 雙側(cè)向地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)盒的電阻，單個(gè)電阻的誤差控制在0.5%以內(nèi)。波段開關(guān)控制地層電阻網(wǎng)絡(luò)框圖如圖3所示，4組地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)通過(guò)波段開關(guān)[4]控制電路實(shí)現(xiàn)自由換擋，有效避免了原有電阻網(wǎng)絡(luò)每次換檔時(shí)通過(guò)插拔方式交叉互換插孔造成接觸電阻大的問(wèn)題。

圖3 波段開關(guān)控制地層電阻網(wǎng)絡(luò)框圖

4.2 雙側(cè)向采集測(cè)試面板

雙側(cè)向采集測(cè)試面板主要包括兩個(gè)部分：低壓電源及電源濾波電路和數(shù)據(jù)采集及通訊控制電路。

4.2.1 低壓電源及電源濾波電路

低壓電源及電源濾波電路主要提供側(cè)向工作電壓和測(cè)試盒控制板工作電壓。各電壓經(jīng)過(guò)共模電感以及相關(guān)的電容濾波后，其中側(cè)向工作電壓±15 V分兩組，一組提供給功率放大板使用，另一組提供給側(cè)向和微球相關(guān)控制板和測(cè)量板使用；+24 V電壓用于各測(cè)量板驅(qū)動(dòng)繼電器；+5 V用于測(cè)試盒控制板和側(cè)向微球相關(guān)工作電壓；兩組+3.3 V分別從+5 V經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓塊取得，主要用于ARM芯片工作使用。

4.2.2 數(shù)據(jù)采集及通訊控制電路

該電路主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和下發(fā)命令控制、側(cè)向工作模式及顯示屏顯示和觸摸控制等功能。數(shù)據(jù)采集及通訊控制框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集及通訊控制框圖

如圖4，對(duì)雙側(cè)向深、淺電壓及電流模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，輸入到高性能模擬多路復(fù)用器,經(jīng)過(guò)該通道選擇后的模擬信號(hào)由運(yùn)放OP1177進(jìn)行跟隨放大輸出。再進(jìn)入到分辨率為0.305 2 mV的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)采樣保持后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值輸出到ARM芯片STM32F207VG，在其內(nèi)部進(jìn)行乘以0.305 2就是所得的輸入信號(hào)模擬值。ARM[5]控制器STM32F207VG負(fù)責(zé)調(diào)度處理，負(fù)責(zé)USB 模塊調(diào)度、TFT 觸摸屏模塊控制、按鍵處理模塊控制以及AD 信號(hào)處理等之間的調(diào)度等功能。

5 檢測(cè)系統(tǒng)與LOGIQ地面采集系統(tǒng)對(duì)比驗(yàn)證

5.1 刻度對(duì)比

用LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀檢測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱檢測(cè)系統(tǒng))與哈里伯頓LOGIQ 地面采集系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱地面采集系統(tǒng))配合相應(yīng)的地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)，分別連接同一套雙側(cè)向測(cè)井儀進(jìn)行刻度[6]對(duì)比分析。從雙側(cè)向測(cè)井儀接收兩個(gè)基本信號(hào)Ve(深淺電壓信號(hào))和Ia(深淺電流信號(hào))，該基本信號(hào)通過(guò)相應(yīng)傳導(dǎo)公式和計(jì)算方法，分別對(duì)每組地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)刻度計(jì)算出電阻率值。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1中，Deep表示深側(cè)向信號(hào)，Shallow表示淺側(cè)向信號(hào)，RD為計(jì)算后的深電阻率，RS為計(jì)算后的淺電阻率。在1、100、1 000、10 000 Ω·m 4組地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)下，該檢測(cè)系統(tǒng)與LOGIQ地面采集系統(tǒng)由深淺電壓電流信號(hào)通過(guò)相應(yīng)傳導(dǎo)公式計(jì)算出的深淺電阻率結(jié)果與該地層電阻網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算偏差值，滿足雙側(cè)向地層模擬電阻網(wǎng)絡(luò)最大允許偏差值的要求。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)與LOGIQ地面采集系統(tǒng)對(duì)儀器刻度對(duì)比

5.2 精細(xì)化檢測(cè)對(duì)比

LOGIQ地面采集系統(tǒng)不能直接對(duì)雙側(cè)向測(cè)井儀的深淺電壓、電流模擬信號(hào)進(jìn)行讀取。研制成功的LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)雙側(cè)向測(cè)井儀進(jìn)行刻度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)深電壓Vd、深電流Id、淺電壓Vs、淺電流Is模擬信號(hào)的采樣、保持、數(shù)字化，并且可以直接在觸摸屏上顯示、記錄。兩種系統(tǒng)對(duì)儀器刻度模擬信號(hào)記錄對(duì)比見表2。

表2 檢測(cè)系統(tǒng)與LOGIQ地面采集系統(tǒng)對(duì)儀器刻度模擬信號(hào)記錄對(duì)比

6 結(jié) 論

LOGIQ雙側(cè)向測(cè)井儀檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)重新設(shè)計(jì)前置放大電路，有效消除了傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)。采用ARM為核心的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了儀器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換、模擬數(shù)據(jù)的采集處理等功能，實(shí)現(xiàn)了深淺側(cè)向電壓、電流模擬量的精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化檢修。通過(guò)采用高精度電阻搭建刻度電阻網(wǎng)絡(luò)以及波段開關(guān)的使用，實(shí)現(xiàn)了刻度電阻網(wǎng)絡(luò)自由換檔，有效解決了接觸電阻大影響刻度結(jié)果的問(wèn)題。該檢測(cè)系統(tǒng)的成功研制使儀器檢修不需要再配接各個(gè)功能模塊及儀器短節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單支儀器進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)，有效解決了資源配置浪費(fèi)的問(wèn)題。