一種測井校深儀器接箍電路的設(shè)計分析與改進(jìn)

楊石俊，張健，邱東瑞，陳智偉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部塘沽作業(yè)公司，天津 300451)

0 引言

在測井作業(yè)中，測井深度是非常重要的技術(shù)手段，它對測井作業(yè)必不可少，起著決定性作用。作為測井作業(yè)中校準(zhǔn)深度的基礎(chǔ)資料，接箍曲線和伽馬曲線是必測曲線，接箍曲線主要用來記錄井內(nèi)套管接箍位置，伽馬曲線可以用來劃分巖性，確定儲集層的泥質(zhì)含量，進(jìn)行地層對比及射孔工作中的跟蹤定位。根據(jù)伽馬曲線與接箍曲線的對比分析，能使深度測量誤差降低到最小。

遙傳磁定位伽馬測井儀WGC10作為一種集成接箍和伽馬功能的測井儀器，電路采用PIC單片機智能控制，通過單芯遙傳傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至地面，在產(chǎn)出剖面及吸水剖面測井中可以完成校深及地層自然產(chǎn)生的放射性強度的測量。目前儀器可掛接多種類型的地面系統(tǒng)進(jìn)行測井作業(yè)，但掛接配備4503XB采集面板的CASE地面系統(tǒng)或ECLIPS地面系統(tǒng)測井時，會出現(xiàn)接箍信號干擾伽馬信號的情況。針對該故障情況，我們設(shè)計了一種改進(jìn)的接箍電路以滿足測井作業(yè)的需求。

1 WGC10的工作原理

WGC10為遙傳、磁定位、伽馬組合測井儀，在傳輸上儀器有兩種工作模式，第一種是模擬脈沖模式：伽馬信號以脈沖方式疊加在2 kHz正弦波磁定位信號上直接傳輸?shù)降孛?；第二種是DDL Ⅲ模式：儀器通過5.7 K歸零制曼徹斯特編碼傳輸，在傳輸短節(jié)上集成了磁定位和伽馬儀器功能，一支儀器便可進(jìn)行組合測井，并且含下儀器總線，可以掛接其符合儀器總下標(biāo)準(zhǔn)的他參數(shù)儀器。目前測井一般使用第一種模式。

1.1 遙傳短節(jié)(WTC)原理

有線遙傳短節(jié)WTC在工作時，每4 ms向儀器總線發(fā)送一道地址，一幀尋址為 10道，包含10支儀器的地址。哪支儀器收到自己的地址，立即將自己采集的數(shù)據(jù)緊跟著送上儀器總線，WTC就在此時收到這只儀器的數(shù)據(jù)。這樣，七個參數(shù)的數(shù)據(jù)就一個一個地傳送到WTC。WTC將所接收到的數(shù)據(jù)編成曼徹斯特碼，然后通過功率放大后送至電纜，傳輸至地面系統(tǒng)。曼徹斯特編碼是一種自帶同步的編碼，它的優(yōu)點是不需要復(fù)雜的位同步電路，而且這種編碼方式在受到干擾時很容易檢測出來。曼徹斯特碼還有一個優(yōu)點是沒有直流分量，在傳送過程中可以采用交流耦合。遙傳原理框圖如圖1所示。

圖1 遙傳原理框圖

1.2 節(jié)箍測量原理

1.2.1 2 kHz節(jié)箍測量原理

儀器所使用的接箍探頭由一個線圈和兩個磁鋼組成，磁鋼分兩組分別裝在線圈的上端和下端，當(dāng)儀器沿均勻的鐵磁質(zhì)井筒運動時，穿過線圈的閉合磁力線不產(chǎn)生變形，線圈中無感生電動勢，接箍曲線顯示一條為零的直線；當(dāng)儀器沿井筒運動至節(jié)箍處或井筒體積發(fā)生變化時，因為磁介質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致閉合磁力線變形，在線圈兩端產(chǎn)生感生電動勢即接箍信號。從探頭感應(yīng)到的節(jié)箍信號經(jīng)運放放大后，控制一個振蕩電路，該振蕩電路的振蕩頻率為2 kHz，輸出的波形為正弦波。

1.2.2 遙傳節(jié)箍測量原理

它和2 kHz節(jié)箍使用同一個探頭，從探頭感應(yīng)到的電信號經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成頻率，此頻率經(jīng)過儀器上的單片機計數(shù)，在WTC尋址時送至WTC，然后經(jīng)WTC 編碼通過電纜送至地面，從而完成了對套管節(jié)箍的測量。

1.3 伽馬測量原理

1.3.1 脈沖伽馬原理

儀器探頭由光電倍增管和NaI 晶體組成，主要測量地層自然伽馬射線強度，用于地層深度校正。光電倍增管由光陰極、陽極與打拿極及若干附加的電阻組成，當(dāng)入射光輻射到晶體上時引起晶體原子電離，釋放出的光電子產(chǎn)生閃爍光，光電倍增管的光陰極將閃爍光轉(zhuǎn)換成電子被第一打拿極加速，并激發(fā)出二次電子，這些二次電子又被加速匯集到較高電位的第二打拿極并被倍增，如此繼續(xù)下去，只要有足夠的打拿極數(shù)就可得到很大的倍增系數(shù)。光電倍增管陽極輸出的脈沖信號經(jīng)過伽馬信號板電荷放大及脈寬調(diào)整后送入驅(qū)動板進(jìn)一步進(jìn)行脈沖信號調(diào)節(jié)，然后通過驅(qū)動電路將伽馬脈沖信號驅(qū)動送上電纜，通過電纜傳送到地面測井系統(tǒng)處理。

1.3.2 遙傳自然伽馬測量原理

其測量原理與脈沖伽馬相同，測量過程中探頭將自然伽馬射線能量轉(zhuǎn)化成電脈沖后，通過整形處理送單片機計數(shù)，當(dāng)WTC尋址時，由單片機發(fā)送至WTC，經(jīng)WTC編碼通過電纜送至地面系統(tǒng)。計數(shù)的大小體現(xiàn)了不同地層自然伽馬射線的強度。

2 WGC10接箍電路的改進(jìn)

2.1 電路分析

WGC10的電路包括電源電路、接箍電路、伽馬電路、高壓調(diào)整電路、驅(qū)動電路和遙傳電路。其中電源電路主要提供±12 V和5 V電壓，接箍電路和伽馬電路分別對接箍信號和伽馬信號進(jìn)行處理。

原接箍板電路如圖2所示，集成塊U10(LM741)組成一個簡單的放大器，當(dāng)儀器經(jīng)過節(jié)箍時在探頭的線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這一電動勢經(jīng)LM741放大后控制Q8(2N4093)或送至U11(V/F轉(zhuǎn)換)。場效應(yīng)管Q8(2N4093)在無接箍信號時為導(dǎo)通狀態(tài)，破壞振蕩電路的反饋回路，振蕩電路停止振蕩，當(dāng)有接箍信號時，信號使Q8截至，振蕩電路的反饋回路正常工作，電路開始振蕩。V/F 轉(zhuǎn)換電路由AD650及其外圍阻容器件組成，RW3、RW2為輸出頻率的調(diào)節(jié)電阻，C45、C43兩個電容分別是V/F轉(zhuǎn)換的耦合電容和時間常數(shù)電容。C46、C47、C44為電源濾波電容，R52為集電極開路輸出的上拉電阻[1]。

圖2 原接箍電路

節(jié)箍儀器的電源部分除給接口集成電路供5 V電壓外，由分立元件組成±12 V 電壓給放大電路和壓頻轉(zhuǎn)換集成塊供電以及伽馬高壓模塊供電。Q3為達(dá)林頓調(diào)整電流器件，U7(LM158)的第一組放大器用作比較器，給調(diào)整管提供穩(wěn)壓采樣值，正負(fù)電源的穩(wěn)壓值由穩(wěn)壓管Z5、Z6的穩(wěn)壓值之和確定。R18、R19的阻值都是10 kΩ，對調(diào)整管的輸出進(jìn)行分壓，通過U7:A使得調(diào)整管輸出電壓是Z5、Z6穩(wěn)壓值之和的2倍。U7:B用作跟隨器，確定正負(fù)電源的虛地，Q4、Q5用于調(diào)節(jié)正負(fù)電源的輸出，同時使電源有較小的輸出阻抗。C22、C26為濾波電容，D7為負(fù)壓隔離，C29、C30、R23及Z7組成VCC供電電路。電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

2.2 原因分析

WGC10可以與多種測井地面系統(tǒng)掛接使用，但是在測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)WGC10與4503XB采集面板掛接時，接箍信號會對伽馬信號造成干擾，出現(xiàn)伽馬曲線跳尖的故障現(xiàn)象。

在測井作業(yè)中，儀器的傳輸方式一般選擇為模擬脈沖模式，由上節(jié)的電路分析可以發(fā)現(xiàn)，儀器的接箍信號是一種2 kHz的調(diào)制信號，伽馬信號是一種脈沖信號，當(dāng)接箍信號疊加在伽馬信號上傳輸給地面采集面板4503XB時，伽馬信號就會受到干擾形成跳尖的情況，產(chǎn)生非正常的伽馬信號，對于相同的電路而言，信號同時達(dá)到飽和，會產(chǎn)生跳尖或干擾信號直接覆蓋伽馬信號的現(xiàn)象。為解決該類故障，前期采取了一種簡單的處理辦法，即通過將儀器內(nèi)部的接箍信號線直接斷開，可以避免伽馬信號的故障發(fā)生，測井時地面系統(tǒng)只采集伽馬信號。該方法操作簡單但減少了儀器的接箍測量功能，影響了儀器功能的完整性和測井校深作業(yè)的準(zhǔn)確性，不具備推廣使用的價值。

2.3 改進(jìn)方法

根據(jù)分析問題的情況，為了解決WGC10儀器接箍信號干擾伽馬信號的故障，有以下幾個方法：

(1)改進(jìn)接箍電路，更改接箍信號的驅(qū)動模式。

(2)降低接箍信號的幅度，此方法會影響測井接箍曲線的精度。

(3)更改地面系統(tǒng)或地面軟件，增加濾波電路或更改設(shè)置，但是不能徹底解決問題，不同的井況需要經(jīng)常修改。

通過第一種方法做了實驗測試，根據(jù)儀器電路設(shè)計對接箍電路板進(jìn)行了改進(jìn)，從而更改接箍信號的驅(qū)動模式，將接箍信號由調(diào)制信號改為脈沖信號，可以實現(xiàn)在CASE和ECLIPS地面系統(tǒng)上同時采集接箍和伽馬信號。

通過修改接箍信號板的電路設(shè)計，以直接更換該電路板的方式進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)作業(yè)需求，目前不需要使用儀器的遙傳功能，因此可以刪減一些多余的電路，改進(jìn)后的電路將接箍信號經(jīng)放大后直接進(jìn)入到總線。由于原接箍板上也有伽馬信號的處理電路，因此對伽馬信號處理也做了相應(yīng)簡化，減少了一路反向放大電路后的伽馬信號會從原來的正脈沖信號變?yōu)樨?fù)脈沖信號，電路中，R18主要是對電流起到調(diào)節(jié)作用[2]。需要注意的是，修改接箍電路板后需要將伽馬板上的PGr信號線直接短接到驅(qū)動板上的Pul點，保證伽馬信號的正常通路。改進(jìn)后的電路極大簡化了原電路，其電路主要對接箍信號進(jìn)行放大，改進(jìn)后的接箍電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的接箍電路

改進(jìn)后的儀器掛接配備4503XB采集面板的CASE地面系統(tǒng)或ECLIPS地面系統(tǒng)時接箍信號和伽馬信號均正常。

由于對儀器信號模式的改變，在地面檢測時也有相應(yīng)的變化，主要需要注意的有以下幾點。

(1)由于改進(jìn)后儀器的伽馬信號從原來的正脈沖信號變?yōu)樨?fù)脈沖信號，因此在地面檢查時軟件需選擇pfc服務(wù)表，不能選擇原來的grccl服務(wù)表。

(2)作業(yè)時注意修改測量點，可以在軟件菜單欄的Options下選擇Measure Pts修改。

(3)供電不變(35 V, 68 mA)，調(diào)節(jié)通訊時，需要在軟件上點擊Autoset, Train伽馬信號，通過訓(xùn)練自動得到伽馬門檻，否則伽馬計數(shù)會明顯偏高且跳動幅度偏大。

(4)掛接4503XB采集的CASE系統(tǒng)測試時，為避免伽馬計數(shù)幅度偏大，需調(diào)整門檻選擇。由于改進(jìn)后的WGC10的伽馬信號是負(fù)脈沖信號，因此檢查時主要是調(diào)整負(fù)脈沖的門檻，注意不把反沖信號選進(jìn)門檻內(nèi)。

3 結(jié)語

在測井過程中，由于井下地層的復(fù)雜性以及各種不可測的因素，所測的深度往往與實際深度有一定的誤差，而利用接箍與伽馬曲線可以準(zhǔn)確校深，為測井人員精確的了解地層提供了依據(jù)。遙傳磁定位伽馬測井儀WGC10作為主要的測井校深儀器，在掛接4503XB采集時會出現(xiàn)接箍信號干擾伽馬信號的故障，長期無法有效解決，嚴(yán)重影響作業(yè)效率。通過對儀器接箍信號電路的分析，設(shè)計了一種改進(jìn)電路，保證WGC10可以與配備4503XB采集面板的CASE地面系統(tǒng)或ECLIPS地面系統(tǒng)正常掛接，增加了儀器的可靠性和通用性，有力支持了現(xiàn)場作業(yè)，具備很好的使用價值。