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随钻电阻率测量技术摘要：随钻测井LWD是在钻井的过程中，同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理参数的测量，主要有电阻率、放射性、声波及核磁等随钻测井技术。本文简要的介绍了贝壳NAVITRAK的结构组成；主要分析了补偿式天线和电阻率电子部分的工作原理。关键词：LWD；电阻率；衰减；相位；SONDE；PADDLE1前言由于油田区块的开发己经到了中后期，为了开发薄油层以及残余油，地质导向仪器己经变得相当重要。另外这些区块的地质构成及地层描述都已相当清楚，再利用邻井的测井资料，就可以定性和定量描述开发地层的地质构成、各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度。在这种情况下，只要使用MWD+自然伽玛+电阻率组成的LWD，就可以满足定向轨迹测量和地质导向的要求。图1贝壳休斯LWD井下仪器示意图2NAVIMPR仪器简介贝克休斯公司的随钻测井系统NAVIMPR的井下仪器主要由脉冲发生器、探管、M30短节、MPR电阻率和井斜伽玛几大模块组成，探管由整流模块、驱动模块、存储器、定向模块和伸展电子连接头等组成，仪器总长。井下仪器示意图如图1所示。仪器中有一个涡轮发电机，钻井液冲击涡轮产生交流电，经SNT整流后，供给各个电路模块。MPR有4个发射极、2个接收极，可以发射和接收频率为2MHz和400kHz的两种脉冲，考虑到相位延迟和衰减，共可接收32种脉冲信号。由4个发射极向地层分别发射2MHz和400kHz的电磁波，不同岩性的地层对电磁波的相位延迟或衰减不同的，从而通过泥浆脉冲经过地而传感器传到地面设备中，进行解码。MPR技术的引进提高了电阻率测量的精度，增强了薄层及其流体界面划分的能力，使储层综合解释及详细的油气水分析技术得到改进及完善。3随钻电阻率测井原理根据物理学，凡能在电场中极化的物质叫电介质。物质的介电性质也就是它的极化能力，用介电常数来表示。通常，泥饼的介电常数大于地层的介电常数。因此，在泥饼和地层之间会产生全反射，一部分波经泥饼传播；另一部分波进入地层，并沿泥饼和地层的界面传播，即所谓的侧面波。测量侧面波的幅度衰减和相位变化，就可求得地层的介电常数和电阻率。电磁波传播测井仪器采用双发双收补偿式测量。图2MPR双发双收补偿式天线衰减的测量与补偿电磁波在介质中传输能量衰减。衰变或衰减速度与介质的导电率成正比。衰减是根据两个接收天线所检测到信号的振幅计算得来的，和发射天线的距离有关。量化衰减水平最常用的单位是分贝。“振幅比”定义为：振幅比20Xlog其中，A代表振幅，单位是伏特。T1天线发射，近接收天线和远接收天线分别测得电压信号，根据公式1得到的振幅比分别为A11和A12。T2天线发射，近接收天线和远接收天线分别测得电压信号，根据公式1得到的振幅比分别为A22和A21。在T1和T2交替发射一次后，得出补偿后的衰减值：在高导电率地层，由于远接收器信号振幅比近接收器信号振幅弱，远接收器的衰减较大。电阻率高时，发送器信号衰减较少，远接收器振幅将只比近接收器振幅小一点。相移的测量与补偿电磁波在介质中传输除了有能量衰减，还有相位的移动。如图3所示。T1天线发射，远接收天线测得的相位差为P12，近接收天线测得的相位差为P11；T2天线发射，远接收天线测得的相位差为P21，近接收天线测得的相位差为P22。在T1和T2交替发射一次后，得出补偿后的相位差值为：虽然电磁波的传播速度一般被认为是一个常数，但这是实际上仅适用于在真空里传播的电磁波。在电导体中，传导电磁波的速度依照材料导电性的比例放慢。扩散波的波长、频率和速度都通过以下方程式联系在一起：V=*或V=2f*电磁波在高阻地层中的传播速度比在低阻地层快。因此，仪器传送的信号在较高电阻率地层将有更长的波长，在较低的电阻率地层有较短的波长。图3相位信号示意图4随钻电阻率工作原理MPR短节由探管和天线壳体组成。SONDE安置在天线壳体的内部，在壳体的内侧通过PADDLE与壳体固定在一起。SONDE包括三个主要部分，它们都同PADDLE相连接：发送器的上半部分，放置T2和T4的发射电路板；发送器的下半部分，放置T1和T3的发射电路板；接收器部分，放置主控板，接收板，电源板和调制解调器；PADDLE主要有以下四个功能：同两个发射骨架和一个接收骨架相连接；提供各模块之间的电气连接；提供发射和接收天线间的电气连接；给记忆存储提供通信的通道。在MPR钻铤中，PADDLE的一个插针与M30滑环相连接，通过此线与上面的探管进行串行通讯。68332芯片安装在主控的电路板上，它控制每一个在发送和接收电路板上的68HC11芯片。每一个68HC11芯片都控制着一个数控振荡器，68332通过总线直接和68HC11通信；68HC11会解码一系列指令，并承载一些数据进入NCO寄存器，以产生特定的频率：2MHz或400KHz。获取的数据必须保证同发送信号是完全的同步，这是由在处理器主板上的一个晶体振荡器来完成的。时钟频率是，这个频率允许数控振荡器以最小的失真产生2MH和400KHz的输出信号。电源板和调制解调板图4供电与信号框图1）电源板和调制解调板的组成及工作原理电源板主要由变压器和开关电路组成。调制解调板主要由ACTEL芯片和运放电路组成。MPR电阻率上有1个电源板和1个调制解调板。LWD的主处理器与MPR通过一根线进行串口通讯，这根线上同时走30V直流电和通讯信号，M30即为这根线。M30通过低通滤波器滤掉信号，剩下30V直流电进入电源板，通过变压器和开关电路产生5V、+5V、-5V、+12V和-12V直流电，为主控板、接收板和调制解调板供电。M30通过高通滤波器滤掉30V直流电，剩下信号进入MODEM，转换为MPR主控可识别的1039信号。MPR测得的数据通过MODEM将信号转换成M30送给LWD的主处理器。图5电源电路板图6井下数据及信号通讯传输电路板2）调试过程中遇到的问题电源板变压器的缠制：变压器缠不好就得不到规定的输出电压，同时变压器会发热，影响变压器的工作寿命和工作的可靠性，还会造成功耗大的问题，此变压器还会影响信号的处理。为此，我们缠了100多个变压器进行试验，解决了此问题。ACTEL芯片的解密：在世界范围内，还没有人能对ACTEL芯片进行解密，我们在掌握其工作原理和通信原理后，历时3个多月完成了解密。发射板图7发射板框图1）发射板的组成及工作原理发送板主要由下面元件和电路组成：68HC711微控制器、的时钟电路、数控振荡器、滤波器、输出放大器、直流电源转换器和分频器。MPR电阻率上有4个发射电路板，位于SONDE的2端，每一端有2块。它们的外观和功能都是一样的，产生2MHz或400KHz的振荡频率，它们之间唯一的区别是68HC711芯片内的程序不同。主控电路板通过总线和晶振控制发射板工作，并保持工作同步。发射板的供电方式为M30线直接供电，而不用电源板供电；M30线通过滤波电路滤掉信号，只保留30V直流电，通过变压器进行直流转换产生+12V，-12V和+5V直流电给每块芯片提供电源。68HC711接到68332的指令开始工作，向NCO传送数字命令使其振荡，通过滤波器后，产生2MHz和400KHz的振荡信号；然后进行电压和电流放大，以增大其发射的功率，然后通过天线向外发射。图8发射电路板2）调试过程中遇到的问题变压器的缠制：变压器缠制达不到要求会得不到规定的输出电压，同时变压器会发热，进而影响变压器的工作寿命和工作的可靠性，还会造成功耗大的问题。为此，我们缠制了100多个变压器进行试验，解决了此问题。滤波电路的调试：滤波电路中电感和电容的选择直接影响发射的相位和衰减，经过几天的摸索找到了调试的规律，达到了规定的相位值和衰减值。接收板图9接收板框图1）接收板的组成及工作原理接收板主要由下面元件和电路组成：68HC711微控制器、的时钟电路、数控振荡器、滤波器、混频电路、放大器、带通滤波器和分频器。MPR电阻率上有1个接收电路板，上面有2个接收通道。它们的外观和功能都是一样的，接收发射天线产生2MHz和400KHz的振荡信号，并处理成6KHz的信号去主控。接收板的供电方式为电源板供电，需要+12V，-12V和+5V的直流电。主控电路板通过总线和晶振控制接收电路板工作，并保持工作同步。68HC711接到68332的指令开始工作，向NCO传送数字命令使其振荡，通过滤波器后，产生和394KHz的本振信号。接收天线接收到信号，放大后与本振产生的和394KHz信号进行混频，经过放大和带通滤波器后，产生6KHz的信号，然后进入主控板的A/D转换器。混频后降低信号频率有助于更加简单的处理信号。图10接收电路板2）调试过程中遇到的问题混频电路的调试：在调试过程中，得不到要求的衰减值和相位值，存在一定的数值差；我们检查了电路中所有的滤波电容、电感和电阻，没有发现问题。我们将接收板分割成3块进行调试，排除了本振部分和带通滤波器部分，最后把问题定位在混频器部分。对混频器电路的电容和电阻进行调试，最后达到要求，完成调试。主控板图11主控板框图1）主控板的组成及工作原理主控板主要由下面元件和电路组成：68332主处理器、数字信号处理器DSP、的晶体时钟电路、的晶体时钟电路、存储器、A/D转换器和LT1039芯片。MPR电阻率上有1个主控电路板，它是MPR的大脑，控制发射板和接收板，并处理采集的数据，使用电源板供电。68332是主控板的核心，它是M30同LWD主处理器通信的结点。68332的主要功能是控制安装在发射板和接收板上的微控制器68HC711的活动，68332与68HC711的通信通过总线来完成。6KHz的信号通过运放进入A/D转换器，将6KHz的模拟信号转换为数字信号，再将数据传送给。DSP以每秒钟24000次的速度接收A/D通道上采集的数据，DSP采用快于6KHz四倍的采样速度，这就决定了它能以0度，90度，180度和270度的角度进行采样，四个位置的平均值的测量方法可以降低噪声对系统的影响，DSP能对数据进行采样并取平均值，除了原始的相位和振幅值外，还可算出相位差和振幅衰减值。68332把计算好的数据通过LT1039传给MODEM，然后到LWD的主处理器。图12主控电路板2）调试过程中遇到的问题整体调试：在焊完68332、DSP及相应的电容电阻后，开始调试，68332总在复位，我们对电路板进行详细的走线检查，未发现问题；又仔细的检查了电容和电阻，发现了错误，排除了问题。持续低电平；更换68332后，正常，持续高电位。焊上剩下的元器件后调试，又出现了复位现象，卸下备用存储器后，主控板工作正常。用电脑进行测试，数据有错误，更换运算放大器后，一切正常。5地面试验和现场试验1）老化试验：在实验室进行了72小时的老化试验，验证其长期工作的可靠性。72小时后，测得数据正常，老化试验成功。图13老化试验2）抗温试验：在水平井维修车间进行了抗温试验，验证电子元器件的抗高温性能。试验得到数据如图14和图15。图14室温情况下airhang数据图1585后airhang数据上面2图中红色椭圆内相应位置的数据差值在之间，符合标准，高温试验成功。3）现场试验：使用自主研发的电阻率仪器2009年6月12日17：30到6月17日7：00在钻井二公司30629队杏13-55-平44井进行了下井试验。从1074米开始工作，到米完钻，仪器井下循环81小时，进尺米，工作正常，现场试验成功。6结论随钻测井是当今国际钻井界的一项高新技术，对于提高勘探开发和钻井总体效益具有重要意义和作用。本文深入的分析了补偿式天线和电阻率电子部分的工作原理。得出了MPR的优点如下：1）MPR天线采用对称式结构，可补偿温度和震动对电子元器件的影响，得到准确的测量数据；2）SONDE在MPR天线壳体的内部，靠PADDLE与壳体连接，很好的与泥浆隔离，避免了泥浆的渗漏；3）MPR电路板采用了大规模的集成电路，运用了DSP和FPGA等技术，受元器件的影响较小，工作稳定可靠。参考文献1徐莉莉,夏克文,朱军.测井学M.北京:石油工业出版社,1998:283-285.2谭廷栋.现代石油测井论文集M.北京:石油工业出版社,1997:4-9.3王若.随钻测井技术发展史J.石油仪器:2001,15:5-7.4石油测井情报组.测井新技术及应用M.北京:石油工业出版社,1998:18-21.5WilliamJ,:asurveyofmethodsandprioritiesC.SPWLA17AnnualLoggingSymposium1976.6:loginterpretationinhorizontalwellsC.SPWLA33AnnualLoggingSymposium,1992.随钻电阻率测量技术