微球聚焦測(cè)井儀EMSF工作原理、典型故障維修及極板的改進(jìn)

賈斌，朱招，宛文宇，劉鑫

(中海油服油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300450)

0 引言

微球聚焦測(cè)井儀[1]EMSF是微電阻率[2]測(cè)井的方法之一，是一種泥餅補(bǔ)償式的電流聚焦形微電阻率測(cè)井方法，適用于水基泥漿(淡水或鹽水)、砂泥巖或石灰?guī)r剖面的中深井中進(jìn)行測(cè)井。由于微球極板[3]的特殊結(jié)構(gòu)及采用泥餅校正電極，使其有效地消除了泥餅及原狀地層對(duì)測(cè)量的影響，能更準(zhǔn)確地測(cè)量出地層沖洗帶電阻率。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井應(yīng)用中，常與雙側(cè)向測(cè)井儀組合，可準(zhǔn)確判斷滲透地層及泥漿侵入情況，從而確定地層含油、氣、水的性質(zhì)。

1 微球聚焦測(cè)井儀的組成和工作原理

1.1 微球聚焦測(cè)井儀組成

微球聚焦測(cè)井儀EMSF包括兩大部分：電子線路部分和機(jī)械推靠部分。電子線路部分又分為電源供電部分、主流與檢波電路部分、屏流與刻度和井徑電路等幾部分。機(jī)械推靠部分則由電機(jī)傳動(dòng)、彈簧、井徑電位器、限位開(kāi)關(guān)、支撐臂和極板等幾部分組成。極板根據(jù)井眼尺寸的大小可分為大極板和小極板兩種，在測(cè)井時(shí)不同大小的井眼選用不同的極板，一般情況下，8寸及以上井眼采用大極板，6寸井眼采用小極板。

1.2 微球聚焦測(cè)井儀工作原理

微球聚焦測(cè)井儀EMSF的極板有主電極A0、泥餅校正電極M0、屏蔽電極A1、監(jiān)督電極M1、M2五個(gè)電極。泥餅校正電極M0位于主電極A0和屏蔽電極A1之間，極板的最外邊是監(jiān)督電極M1、M2，五個(gè)電極均固定在用硬橡膠制成的極板上。在儀器工作參考信號(hào)的作用下，屏蔽電流I1和主電流I0均從主電極A0供出，屏蔽電流I1的回路電極是屏蔽電極A1，主電流I0的回路電極是儀器外殼，其中屏蔽電流I1填充泥餅，對(duì)主電流I0起屏蔽作用，主電流I0則穿過(guò)泥餅進(jìn)入地層，屏蔽電流I1和主電流I0共同作用，經(jīng)過(guò)增益放大器的自動(dòng)調(diào)節(jié)，最后使監(jiān)督電極M1M2之間的電位差趨向于零，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡[4]。

2 典型故障分析及解決思路

微球聚焦測(cè)井儀EMSF有推靠臂部分和極板部分，在推靠部分的帶動(dòng)下井徑電位器產(chǎn)生井徑信號(hào)，可以提供井徑信息，極板貼靠在井壁上，可將極板采集到的地層數(shù)據(jù)傳送至地面系統(tǒng)進(jìn)行處理。此外，儀器能夠正常開(kāi)、收腿可以避免儀器遇卡等意外情況。所以在整個(gè)測(cè)井作業(yè)過(guò)程中，儀器能正常穩(wěn)定的工作顯得尤為重要。微球儀器電子線路部分、機(jī)械部分和極板故障均會(huì)導(dǎo)致測(cè)井資料異常，下面通過(guò)實(shí)際案例分析，與大家分享。

2.1 測(cè)井時(shí)各檔位內(nèi)部值和外部值異常

2.1.1 故障現(xiàn)象

小隊(duì)在測(cè)井過(guò)程中，微球聚焦測(cè)井儀EMSF出現(xiàn)數(shù)值偏大，同時(shí)EM及IM值異常，大部分井段EM和IM變化微弱，造成微球曲線大部分平直，且與地層響應(yīng)不符。

2.1.2 故障分析和排查

(1)儀器返回車間后，連接地面系統(tǒng)，上電測(cè)試儀器，發(fā)現(xiàn)儀器Zero、Cal、Log檔位的EM和IM值均不正確，浮現(xiàn)了小隊(duì)所描述的故障。對(duì)儀器進(jìn)行直觀檢查、FIT檢查均正常，拆開(kāi)儀器外筒，抽出電子線路，對(duì)電子線路部分進(jìn)行直觀檢查，也無(wú)元器件損壞、脫落等異?，F(xiàn)象。

(2)再次連接地面系統(tǒng)給儀器上電，測(cè)試儀器供電部分和信號(hào)，按照電路圖，首先測(cè)試儀器各供電部分，電源板輸出的供電主要為+15V1、+15V2、-15V1、-15V2，使用萬(wàn)用表測(cè)試以上四個(gè)測(cè)量點(diǎn)的輸出電壓，發(fā)現(xiàn)+15V2的輸出電壓只有2.3 V左右，不符合供電電壓要求，由于+15V2電壓負(fù)責(zé)為各個(gè)芯片提供工作電壓，其值異常則會(huì)導(dǎo)致芯片不工作，所以懷疑儀器故障應(yīng)是由電源板上的+15V2輸出值不正常導(dǎo)致的。為了縮小故障范圍，首先將+15V2的輸出引線焊掉，使其與后面的電路板斷開(kāi)，結(jié)果測(cè)試發(fā)現(xiàn)+15V2輸出值為+15.02 V，其值正常，此時(shí)，確定故障點(diǎn)不在電源板上，應(yīng)是后面相關(guān)聯(lián)的電路板出現(xiàn)故障拉低了電源板上的+15V2供電電壓。

(3)接著排查后面關(guān)聯(lián)的電路板，查找電路圖發(fā)現(xiàn)，+15V2電壓輸入到了電壓與屏流輸出板、主流放大輸出板以及信號(hào)產(chǎn)生屏流放大板這三個(gè)板子，決定將這三個(gè)板子的插頭逐個(gè)斷開(kāi)，進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在斷開(kāi)電壓與屏流放大板的插頭后，+15V2恢復(fù)了正常，于是判斷儀器故障應(yīng)出現(xiàn)在電壓與屏流放大板上。

(4)查找電壓與屏流放大板的電路原理圖得知，與+15V2電壓有關(guān)的主要是U1與U3芯片的供電以及其相對(duì)應(yīng)的濾波電路。將電壓與屏流放大板的芯片U1與U3取下，再次測(cè)試儀器，結(jié)果+15V2仍舊為2.3V，不滿足供電電壓要求，于是排除了U1與U3的故障，將重點(diǎn)鎖定在了U1和U3兩個(gè)芯片的濾波電路上。使用萬(wàn)用表測(cè)試電壓與屏流放大板的+15V2對(duì)GND點(diǎn)的阻值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其阻值只有15 Ω左右，對(duì)比測(cè)試-15V2對(duì)GND的阻值發(fā)現(xiàn)，其阻值為2.3 kΩ以上，所以懷疑+15V2的濾波電路出現(xiàn)了故障的部分，導(dǎo)致其阻值降低，拉低了+15V2。

(5)查找電壓與屏流放大板供電電壓+15V2的濾波電路的原理圖得知，與供電電壓+15V2相關(guān)的只有C1、C2、C11和C12四個(gè)電容，決定逐個(gè)焊接下來(lái)進(jìn)行判斷。將C1與C11焊接下來(lái)后，故障仍舊存在，同時(shí)使用萬(wàn)用表測(cè)量C1與C11的容值，發(fā)現(xiàn)其容值22 μF左右，與原理圖中所標(biāo)識(shí)的值一致。再將C12焊接下來(lái)，結(jié)果故障仍舊，使用萬(wàn)用表測(cè)試C12的容值為0.1 μF左右，與電路圖所標(biāo)識(shí)的值一致，最后將C2焊接下來(lái)后，測(cè)試其容值，結(jié)果為5個(gè)nF左右與電路圖所標(biāo)識(shí)的值不一致，判斷C2電容損壞。

2.1.3 解決方法

將電子線路的各個(gè)板子的元器件恢復(fù)到原位，在電壓與屏流放大板的+15V2濾波電路部分焊接一個(gè)新的0.1 μF的電容在C2處，使用萬(wàn)用表測(cè)量+15V2與GND的阻值，為K級(jí)以上的電阻，用地面系統(tǒng)給儀器上電，再次用萬(wàn)用表測(cè)量電源板的+15V2輸出電壓正常，為+15.02 V，此時(shí)儀器換擋正常，內(nèi)部值正常，使用測(cè)試盒測(cè)試儀器外部線性值也正常，故障得以修復(fù)。

2.2 微球極板的改進(jìn)

2.2.1 微球極板故障總結(jié)

微球極板是微球聚焦測(cè)井儀的“探頭”，其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效消除泥餅和原狀地層對(duì)測(cè)量的影響，從而準(zhǔn)確獲取沖洗帶電阻率。在總結(jié)、整理微球聚焦測(cè)井儀EMSF的故障案例時(shí)，主要涵蓋了三大子系統(tǒng)的故障，分別為：電子線路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器及連接件。易損部件則涵蓋了電源電路、厚膜電路、繼電器、限位開(kāi)關(guān)、彈簧內(nèi)桿故障、極板、電位器等。其中由于極板出現(xiàn)的故障占比最多，占微球故障總數(shù)的38.3%，在各類型故障中占比最高。

故障表現(xiàn)為極板磨損、撕裂變形，或極板不絕緣。分析其原因主要為：應(yīng)用較為廣泛的極板是一體化橡膠極板，但存在不耐磨、易撕裂等缺陷，導(dǎo)致儀器故障高發(fā)，如圖1所示。

圖1 損壞嚴(yán)重的微球極板

2.2.2 微球極板的發(fā)展史

第一代微球極板采用插針式非一體化橡膠極板，電極使用40鉻鎳鉬合金制作，在極板背面使用三件套連接至電子線路。如圖2所示，這種極板主要使用于2011年之前的作業(yè)中，實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生測(cè)井絕緣問(wèn)題，已淘汰。

圖2 非一體化極板

第二代極板改變了插針式結(jié)構(gòu)，采用一體化澆鑄工藝，減少了不絕緣故障。初期電極仍采用40鉻鎳鉬合金制作，后期電極逐步改良成較軟的銅電極，如圖3所示，該極板成為當(dāng)前廣泛使用的極板類型。相比一代極板，總體上降低了作業(yè)故障率，在一定程度上提高了維保效率。

圖3 一體化橡膠極板

2.2.3 微球極板的改進(jìn)

隨著新材料應(yīng)用的不斷進(jìn)步，PEEK材料因其優(yōu)異的耐磨損性能逐步成為制作極板的良好材料。因此PEEK型極板誕生，如圖4所示，PEEK型極板采用PEEK材料制作，同時(shí)在極板的邊緣設(shè)計(jì)了護(hù)板，有效地減少了惡劣井況對(duì)極板的磨損、刮傷，仍采用一體化設(shè)計(jì)，鈹銅電極。PEEK極板極大地提升耐用性，減少了設(shè)備作業(yè)故障，同時(shí)使極板逐步趨于免維護(hù)，連續(xù)作業(yè)多口井次無(wú)異常。

圖4 PEEK型極板

3 結(jié)語(yǔ)

微球聚焦測(cè)井儀EMSF在海上測(cè)井作業(yè)中起到非常重要的作用，常見(jiàn)的故障主要出現(xiàn)在電子線路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器及連接件三大子系統(tǒng)，要在實(shí)際工作中能夠快速、準(zhǔn)確地定位到儀器的故障，還需要對(duì)儀器的工作原理、信號(hào)流程和結(jié)構(gòu)有著清晰的理解和掌握，在解決故障的同時(shí)積累一定的經(jīng)驗(yàn)，便于以后的故障排查，保障儀器順利出海完成測(cè)井作業(yè)。