鄭 璐 張家田 嚴(yán)正國 李 震

(西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安)

過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

鄭 璐 張家田 嚴(yán)正國 李 震

(西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安)

套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)和其它常規(guī)測(cè)井刻度系統(tǒng)相比更為復(fù)雜,需要能夠模擬地層介質(zhì)參數(shù)變化,電流源的變化。文章提出了過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)需要解決的主要問題,闡述了刻度系統(tǒng)原理及測(cè)量方法,介紹了刻度系統(tǒng)的主要功能和關(guān)鍵電路。本刻度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅可以完成儀器的刻度任務(wù),而且可作為過套管電阻率測(cè)井技術(shù)的研究試驗(yàn)平臺(tái)。

過套管電阻率測(cè)井;刻度系統(tǒng);電流源

0 引 言

在《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)準(zhǔn)則》(SY/T 5880.1—1997)的《石油測(cè)井儀器刻度總則》中對(duì)測(cè)井儀器刻度的定義為:“測(cè)井儀器刻度是利用刻度裝置建立測(cè)井儀器的測(cè)量值與相應(yīng)刻度裝置已知量值之間關(guān)系的全部工作過程”[1]。

在石油生產(chǎn)測(cè)井中,過套管電阻率測(cè)井技術(shù)是我國正在研究的高新技術(shù)之一。過套管電阻率測(cè)井是通過測(cè)量套管上的電壓降從而達(dá)到測(cè)量地層電阻率。過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)和其它常規(guī)測(cè)井刻度系統(tǒng)相比,對(duì)系統(tǒng)的功能要求更加復(fù)雜。對(duì)于刻度系統(tǒng)來說,要求能夠模擬出地層介質(zhì)參數(shù)變化,激勵(lì)信號(hào)的變化。關(guān)鍵技術(shù)之一為極微弱信號(hào)的采集和處理[2],測(cè)量的信號(hào)非常微弱,響應(yīng)信號(hào)在nV數(shù)量級(jí)[3],因此對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有很高的要求。

建立過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng),可以在縱向與橫向上明確電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)的層次性、隸屬性,保證各級(jí)刻度裝置的準(zhǔn)確性,提高測(cè)井資料的解釋精度。測(cè)井儀器無論是在室內(nèi)檢查還是在井場使用前后,我們都必須對(duì)它們進(jìn)行刻度,以保證儀器處于良好的工作狀態(tài),確保能夠采集到優(yōu)質(zhì)的測(cè)井資料[4]。過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)不僅可以完成儀器的刻度任務(wù),最主要的是能夠完成過套管電阻率測(cè)井技術(shù)的研究試驗(yàn)平臺(tái),因此研究開發(fā)過套管電阻率刻度系統(tǒng)具有重要的意義。

1 過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)自身要求及實(shí)現(xiàn)功能

刻度系統(tǒng)的測(cè)試要求對(duì)應(yīng)的真實(shí)套管,能模擬出不同地層泄露電流的條件和不同介質(zhì)的測(cè)試環(huán)境,采用激勵(lì)信號(hào)的方式,測(cè)試地層漏電流的信息。信號(hào)的測(cè)試主要通過采集系統(tǒng)來完成,由于信號(hào)的數(shù)量級(jí)為納伏,十分微弱,對(duì)信號(hào)的采集系統(tǒng)要求極高。

刻度系統(tǒng)能夠仿真過套管電阻率測(cè)井儀的測(cè)井過程,不同地層介質(zhì)的漏電流有其對(duì)應(yīng)的刻度板。具有模擬不同地層電阻率測(cè)試條件,實(shí)現(xiàn)儀器相對(duì)環(huán)境下刻度系數(shù)標(biāo)定的功能。并且具有模擬不同介質(zhì)電阻率測(cè)試條件,套管接箍與水泥環(huán)的實(shí)驗(yàn)條件。

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

刻度系統(tǒng)能模擬出實(shí)際地層介質(zhì)的電阻率,在1 200的不同介質(zhì)(高、中、低阻)中的測(cè)量結(jié)果,誤差率技術(shù)指標(biāo)滿足。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)6000m電纜信號(hào)傳輸,能夠模擬出過套管電阻率測(cè)井實(shí)際中的信號(hào)傳輸。儀器耐溫,工業(yè)級(jí)器件,工作可靠。

過套管電阻率刻度系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)源,采用超低頻,大電流發(fā)射電路。其技術(shù)指標(biāo)要求:峰值電流為6 A;工作頻率范圍3Hz～10Hz;波形失真。

刻度系統(tǒng)的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)包括微弱信號(hào)檢測(cè)的低噪聲高精度的模擬處理電路,信號(hào)放大電路,24位的A/D轉(zhuǎn)換電路,DSP控制處理電路。其指標(biāo)要求:微弱信號(hào)檢測(cè)低于10nV,微弱信號(hào)測(cè)量電路線性誤差;采集時(shí)間要求滿足2min一個(gè)點(diǎn)。

地面控制器由功能模塊、后面板、前面板三部分組成。功能模塊的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)CTS傳輸、數(shù)據(jù)接收、命令發(fā)送、與計(jì)算機(jī)接口等。后面板包括電源輸入、輸出,10芯電纜接頭,USB接口。前面板包括電壓調(diào)節(jié),電流和電壓表頭指示,用來控制和顯示刻度、測(cè)井、液壓推靠等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1.3 系統(tǒng)原理

綜合考慮本項(xiàng)目的各項(xiàng)研究內(nèi)容,過套管電阻率刻度裝置系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 刻度系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)由激勵(lì)信號(hào)源、地面控制器、上位機(jī)、6000m電纜模擬器、測(cè)試單元、刻度池等幾部分構(gòu)成。由刻度池模擬出現(xiàn)實(shí)中的地層條件,激勵(lì)電源產(chǎn)生符合要求的激勵(lì)信號(hào),由6000m電纜模擬器模擬出信號(hào)現(xiàn)實(shí)中的傳輸,測(cè)量單元測(cè)得的信號(hào)在刻度筒內(nèi)的泄露電流數(shù)據(jù)。

1.4 刻度方法

在進(jìn)行刻度時(shí),先由刻度系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,得出圖板校準(zhǔn),然后被刻度儀器進(jìn)行測(cè)試,得出測(cè)試圖板。對(duì)應(yīng)儀器圖板,經(jīng)過刻度系統(tǒng)的圖板進(jìn)行校正,得出儀器的刻度系數(shù)。改變刻度池的環(huán)境,對(duì)刻度系統(tǒng)和被刻度儀器進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出被刻度儀器的最終系數(shù)。

在刻度池中加入不同的溶液,來模擬不同的地層介質(zhì)條件。在套管外加陣列電阻,模擬出不同的地層電阻率。還可以在套管上接箍和外加水泥環(huán)來模擬出實(shí)際中套管接箍和水泥環(huán)對(duì)電阻率測(cè)量的影響。

2 刻度系統(tǒng)的關(guān)鍵電路

2.1 激勵(lì)信號(hào)源設(shè)計(jì)

對(duì)過套管電阻率測(cè)井來說,采用激勵(lì)信號(hào)的方式,測(cè)試地層漏電流的信息。根據(jù)信號(hào)的量級(jí)可知,信號(hào)非常微弱,為納伏級(jí)?？梢酝ㄟ^增大激勵(lì)電流的方法來增大信號(hào)的幅度。由于測(cè)井電纜傳送電流的限制,因此不能通過注入更多的電流來獲得較大的信號(hào),一般不超過6A。

由于在直流條件下會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象,信號(hào)的噪聲很大,有用信號(hào)的幅度很小,難以測(cè)量,因此要選擇交流信號(hào)。頻率的選擇主要考慮趨膚效應(yīng)影響,當(dāng)趨膚效應(yīng)嚴(yán)重時(shí),在套管內(nèi)不能測(cè)量泄漏電流。這里我們選擇頻率在3Hz～10Hz。圖2為激勵(lì)信號(hào)源模塊原理框圖。

圖2 激勵(lì)信號(hào)源模塊原理框圖

激勵(lì)電源模塊由DDS信號(hào)源,電壓放大電路,功率放大電路,低壓直流穩(wěn)壓電源電路組成。采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生3Hz～10Hz的正弦信號(hào),經(jīng)過電壓放大、功率放大電路產(chǎn)生大電流輸出。

圖3 DDS信號(hào)源

DDS信號(hào)源的總體框圖如圖 3所示,單片機(jī)C8051F020接受鍵盤輸入,設(shè)定待產(chǎn)生信號(hào)的頻率,外部通信接口完成單片機(jī)與地面控制系統(tǒng)的通信,通過地面控制系統(tǒng)自動(dòng)改變產(chǎn)生信號(hào)的頻率;DDS芯片AD9834接受單片機(jī)的指令,通過命令字改變內(nèi)部頻率寄存器和相位寄存器,設(shè)置產(chǎn)生信號(hào)的頻率和相位,為了進(jìn)一步提高信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度,選用恒溫晶振,其頻率穩(wěn)定度達(dá)10-8以上,以滿足系統(tǒng)對(duì)精度的要求;由于DDS輸出信號(hào)為差分信號(hào),經(jīng)過差分放大將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào);單端信號(hào)經(jīng)過低通濾波實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出,這里選用二級(jí)二階低通濾波。

2.2 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)的測(cè)試主要通過采集系統(tǒng)來完成,由于信號(hào)的數(shù)量級(jí)為納伏,十分微弱,因此對(duì)信號(hào)的采集系統(tǒng)要求極高。我們可以采用低噪聲前置放大器和24位高精度高分辨率A/D轉(zhuǎn)換來進(jìn)行微弱信號(hào)的測(cè)量。圖4為刻度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源,前置放大器,隔離放大器,濾波放大器,24位Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器,DSP主控單元,數(shù)字調(diào)制解調(diào)器,電纜傳輸接口,方式5變壓器組成。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

過套管電阻率測(cè)井的測(cè)量信號(hào)非常微弱,直接測(cè)量信號(hào)在μV數(shù)量級(jí),有用信號(hào)在nV數(shù)量級(jí),有用信號(hào)通常被噪聲所淹沒,因此,對(duì)前置放大器的抗噪聲性能要求非常高,低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。有用信號(hào)和直接測(cè)量信號(hào)相差2

3個(gè)數(shù)量級(jí),因此對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的精度、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍有較高的要求,本系統(tǒng)采用24位delta-sigma技術(shù)的AD轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)處理涉及大量數(shù)字信號(hào)處理方法,對(duì)處理器的處理速度、浮點(diǎn)處理運(yùn)算能力要求較高,本系統(tǒng)采用DSP處理器作為井下儀器的微處理器。數(shù)據(jù)傳輸采用CTS電纜傳輸系統(tǒng),數(shù)字電路短節(jié)還包含了BPSK調(diào)制解調(diào)單元和電纜傳輸接口單元。

過套管微弱信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集采用24位ΔΣAD轉(zhuǎn)換器ADS1271構(gòu)成四個(gè)信號(hào)輸入通道,由ADSP2189M控制四個(gè)通道同步采樣,ADS1271與ADSP2189M通過串行接口傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。四通道24位高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。差分輸入放大器選用低噪聲、超低失真度的差分輸入、差分輸出放大器THS4130。四片ADS1271組成的菊花鏈和ADSP2189的同步串行口SPORT0相連,ADSP2189通過USB2.0接口與計(jì)算機(jī)相連,可方便的進(jìn)行調(diào)試。參考電壓基準(zhǔn)為ADS1271提供2.5V參考電壓。

圖中DV1、DV2為經(jīng)前置放大器放大后的套管一階電位差;DI1為激勵(lì)電流經(jīng)電流取樣電阻后,取樣電阻兩端的電壓值;DVref為電壓參考。

圖5 四通道24位高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 結(jié)束語

過套管電阻率測(cè)井刻度系統(tǒng)的設(shè)計(jì),不僅可以完成測(cè)井儀器的刻度檢定功能,能夠?qū)?shí)際油田中的過套管電阻率測(cè)井儀進(jìn)行誤差校正。更主要的是,刻度系統(tǒng)可以模擬出了現(xiàn)實(shí)中過套管電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的整個(gè)過程,刻度池的設(shè)計(jì)則模擬出了現(xiàn)實(shí)中地層的各種情況,可以使人們對(duì)過套管電阻率測(cè)井的整個(gè)應(yīng)用過程得到形象的認(rèn)識(shí)。該系統(tǒng)完成了過套管電阻率測(cè)井技術(shù)的研究試驗(yàn)平臺(tái)。

[1] SY/T5880.1—1997.中華人民共和國石油天然氣行業(yè)準(zhǔn)則[S]

[2] 吳銀川,張家田,嚴(yán)正國.過套管地層電阻率測(cè)井技術(shù)綜述[J].石油儀器,2006,20(5)

[3] SingerBSh,FanniniO,StrackKM,etal.Measurementof formationresistivitythroughsteelcasing[J].SPE30628,1995

[4] 劉東生,程雪蓮.儀器刻度在儀器維修中的應(yīng)用[J],石油儀器,2008,22(3)

P631.8+11

B

1004-9134(2010)02-0009-03

2009-06-24 編輯:高紅霞)

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2007D01)

鄭 璐,男,1985年生,碩士研究生,2007年6月畢業(yè)于西安石油大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè),獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)在西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀碩士研究生。郵編:710065