張嘉偉，宋公仆，賽 芳，薛志波

（中海油田服務(wù)股份有限公司油技事業(yè)部，北京 101149）

0 引 言

核磁共振測井法可直接測量地層孔隙中可動流體的信息，可定量確定自由流體、束縛水、滲透率及孔徑分布，其孔隙測量不受巖石骨架礦物成分的影響，因此目前在測井行業(yè)被廣泛應(yīng)用[1-3]。本文主要介紹一種核磁共振測井儀井下模擬器的相關(guān)設(shè)計，描述了模擬器的整體設(shè)計構(gòu)架、各個關(guān)鍵模塊的功能簡介、工作流程設(shè)計程序結(jié)構(gòu)，并詳細說明了仿真數(shù)據(jù)生成的模型，最后對該模擬器的實際應(yīng)用進行簡要介紹。目前該模擬器已經(jīng)應(yīng)用于實際核磁共振地面系統(tǒng)的調(diào)試中，并取得了很好的運用效果。

1 核磁共振井下模擬器設(shè)計

1.1 井下模擬器設(shè)計方案

核磁井下儀器模擬器主要由數(shù)據(jù)傳輸短節(jié)簡化部分、通信電路和測井數(shù)據(jù)容量增強模塊（以下簡稱數(shù)據(jù)增強模塊）3部分構(gòu)成，如圖1所示。通信電路與遙傳短節(jié)之間進行交互，通信內(nèi)容包括命令接收和數(shù)據(jù)上傳；數(shù)據(jù)增強模塊則用于產(chǎn)生與儀器采集相類似的數(shù)據(jù)，提供給通信與遙傳交互。

圖1 核磁井下儀器模擬器功能框圖

模擬器產(chǎn)生的測井數(shù)據(jù)分為基本模擬測井數(shù)據(jù)和擴展模擬測井數(shù)據(jù)兩類，這兩類數(shù)據(jù)均是按照測井模型計算生成。基本數(shù)據(jù)生成時占用的計算資源和存儲資源有限，可借助通信板資源完成；擴展數(shù)據(jù)生成時需要占用較大的計算資源和存儲資源，資源消耗已經(jīng)超出通信板容量的極限，需要在測井數(shù)據(jù)容量增強模塊中計算生成。

1.1.1 核磁井下儀器通信電路的結(jié)構(gòu)

通信電路通過測井儀器總線實現(xiàn)與地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)和命令的交互功能，其典型工作流程是將模式時序表信息下發(fā)到事件控制電路，將采集到的輔助參數(shù)信息和采集處理電路獲得的回波信息上傳給地面系統(tǒng)。該電路主要由輔助參數(shù)測量模塊、板間通信模塊（與事件控制采集電路通信）與地面系統(tǒng)通信模塊等組成，如圖2所示。

圖2 模擬器通信電路功能框圖

按照通信板的功能要求，在圖3中描述了通信板的硬件構(gòu)架?？梢钥闯觯ㄐ虐逯饕蒁SP＋FPGA構(gòu)成，其中的DSP負責輔助參量的數(shù)據(jù)采集、與數(shù)據(jù)增強模塊的CAN通信控制、與測井儀器的通信接口的控制等；FPGA則主要是實現(xiàn)模式2、模式5和模式7傳輸方式（EDIB總線協(xié)議定義的模式）的數(shù)據(jù)編碼和模式2傳輸方式的命令解碼，同時還完成對擴展CAN控制器SJA1000的邏輯控制。

1.1.2 模擬器數(shù)據(jù)增強模塊說明

如圖1所示，模擬器中數(shù)據(jù)增強模塊是其核心部分也是與儀器主控通信電路的最大區(qū)別。數(shù)據(jù)增強模塊的存在主要是由上傳回波數(shù)據(jù)的類型和容量要求所決定的。測井回波數(shù)據(jù)的來源有3類，分別是：（1）對巖性分析儀靜態(tài)數(shù)據(jù)進行動態(tài)化處理獲得的數(shù)據(jù)；（2）根據(jù)設(shè)定的測井模型參數(shù)和NMR原理計算出的回波數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)需要預設(shè)模型參數(shù)和噪聲參數(shù)，并進行動態(tài)化處理；（3）實際測井數(shù)據(jù)。測井數(shù)據(jù)容量增強模塊不僅具備數(shù)據(jù)增強的功能，還應(yīng)具有較為方便的人機接口，同時為了便于在地面系統(tǒng)機架上使用，測井數(shù)據(jù)容量增強模塊由PC機實現(xiàn)，通過CAN2.0接口和通信電路進行數(shù)據(jù)和命令的傳輸。

1.2 模擬器工作流程

核磁井下儀器模擬器是對井下儀器工作的模擬，其基本功能是產(chǎn)生模擬測井數(shù)據(jù)傳送到地面系統(tǒng)，從這一點來看井下儀器的工作流程基本上就是模擬器的工作流程。圖4描述了模擬器工作的基本流程。

首先模擬器在上電伊始需進行相應(yīng)的初始化操作，包括復位緩存，初始化完成后，等待接收地面系統(tǒng)的命令。若是收到參數(shù)下載或參數(shù)修改命令，模擬器則將參數(shù)表存儲或更新；若是收到掃頻或刻度命令，模擬器則產(chǎn)生數(shù)據(jù)后直接上傳（根據(jù)現(xiàn)有協(xié)議不需要數(shù)據(jù)傳輸命令）；若是收到采集命令，則由通信板產(chǎn)生基本測井模擬數(shù)據(jù)或由增強板產(chǎn)生擴展測井模擬數(shù)據(jù)，等待發(fā)送；若是收到數(shù)據(jù)傳輸命令，則將準備好的數(shù)據(jù)上傳。

1.3 通信電路與數(shù)據(jù)增強模塊通信

圖3 儀器模擬器通信板硬件構(gòu)架

由圖4的工作流程可知，通信板在收到地面系統(tǒng)下發(fā)的命令及參數(shù)后，通過CAN總線將命令及參數(shù)發(fā)送給工控機，待工控機將數(shù)據(jù)生成并準備好上傳，也通過CAN總線將準備好的數(shù)據(jù)上傳給通信板，通信板則將數(shù)據(jù)編碼為曼徹斯特碼后上傳給地面系統(tǒng)。CAN總線的最大傳輸速率為1Mb/s，按照下面的計算可得實際傳輸速率為530Kb/s，而M5和M7傳輸通道（EDIB總線協(xié)議定義的通道類別M5、M7，都以標準差分不歸零曼碼進行傳輸）的傳輸速率僅為93.75Kb/s，數(shù)據(jù)從工控機傳輸?shù)酵ㄐ虐宓乃俾蔬h大于通信板通過EDIB總線上傳的速率，而通信板上擴充了512K×16位的RAM作為存儲緩沖區(qū)，能夠存儲工控機上傳的數(shù)據(jù)并且不產(chǎn)生上溢，可以滿足要求。儀器要求的最小Te（回波間隔時間）為0.4ms，這里按0.1ms的Te來計算，需要傳輸?shù)囊粋€有用回波信號數(shù)據(jù)量為兩個字，一個字幅值和一個字相位，由此計算出工控機與通信板之間要求的傳輸速率最小為：2×16b/0.1ms=320Kb/s=20Kwords/s。當 CAN 通信速率為1 000Kb/s時，上傳有效數(shù)據(jù)的實際波特率為1 000K×0.53=530Kb/s=33.125Kwords/s。通過上面的計算可知，使用CAN2.0協(xié)議可以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。考慮到今后可能的數(shù)據(jù)擴展，因此增加一路CAN作備用，兩路并行的CAN總線理論傳輸速率可達2×530Kb/s=66.25Kwords/s。

圖4 核磁井下儀器模擬器工作的基本流程

1.4 模擬器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)前面所述模擬器的功能和工作流程設(shè)計了圖5所示的模擬器的硬件構(gòu)架。地面系統(tǒng)與模擬器間的通信（包括命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳），均通過EDIB總線（一種有線電纜測井總線協(xié)議）來實現(xiàn)。通信板中，EDIB總線協(xié)議在FPGA中實現(xiàn)，完成編碼、解碼工作，并通過變壓器和收發(fā)器實現(xiàn)與EDIB接口的匹配連接。DSP協(xié)同F(xiàn)PGA一起完成對DC電源和開關(guān)的控制工作，并提供CAN接口與數(shù)據(jù)增強模塊通信。數(shù)據(jù)增強模塊的硬件平臺是基于PC機結(jié)構(gòu)，液晶觸摸屏和鍵盤為用戶提供了良好的人機界面，CAN接口使增強模塊與通信板可通過CAN協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)和命令。

2 模擬器仿真數(shù)據(jù)生成模型設(shè)計

2.1 仿真數(shù)據(jù)生成模型上位機設(shè)計

圖5 模擬器的硬件構(gòu)架

模擬器仿真數(shù)據(jù)生成模型上位機軟件主要實現(xiàn)兩個方面的功能：（1）與地面系統(tǒng)之間的通信，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)回傳至地面系統(tǒng)；（2）上位機軟件還需要實現(xiàn)掃頻、刻度以及回波數(shù)據(jù)的生成、修改、導入、導出等功能。其主要程序模塊介紹如下：（1）CAN驅(qū)動程序。模擬器通信電路與上位機通過CAN接口相連，采用PCA82C250芯片作為CAN接口控制芯片實現(xiàn)模擬器通信電路與數(shù)據(jù)增強模塊之間的通信交互。（2）上位機軟件的線程設(shè)計。地面系統(tǒng)通過發(fā)送指令，模擬器仿真數(shù)據(jù)生成模型上位機軟件接收到指令后開始仿真，并將生產(chǎn)的數(shù)據(jù)回傳至地面系統(tǒng)。在編程中，可以使用一個獨立的線程來實現(xiàn)通信協(xié)議。地面系統(tǒng)與上位機軟件之間的通信協(xié)議簡圖如圖6所示。（3）回波數(shù)據(jù)的生成?；夭〝?shù)據(jù)的生成需要根據(jù)核磁共振的原理來建立一個核磁模型，輸入不同的對象和不同的參數(shù)（例如回波個數(shù)NE、回波間隔TE，等待時間TW等）來進行仿真生成不同的回波數(shù)據(jù)，并回傳至地面系統(tǒng)。上位機軟件要求在接收到回傳回波數(shù)據(jù)指令后，根據(jù)不同的對象和參數(shù)來進行仿真生成回波數(shù)據(jù)，并上傳至地面系統(tǒng)；同時軟件還需要具備導入回波數(shù)據(jù)、導出回波數(shù)據(jù)、顯示當前回波數(shù)據(jù)以及對當前回波數(shù)據(jù)進行修改等功能。

圖6 上位機軟件通信協(xié)議簡圖

這意味著觀測的孔隙度可以被分解成不同弛豫時間區(qū)間的孔隙度，即得到孔隙度分布P1，P2，…，P8（或至P10）。它們是與T2i（i=1，…，n）對應(yīng)的各孔隙系統(tǒng)在觀測到的總孔隙系統(tǒng)中所占的比重。由孔隙度分布信息，可以進一步了解儲層質(zhì)量，例如當孔隙度分布集中在比較小的弛豫時間上，即P1，P2等占優(yōu)時，說明儲層以微孔為主，如果是碎屑巖，則意味著骨架顆粒很細；當孔隙度分布集中在比較大的弛豫時間上，即P7，P8等占優(yōu)時，說明該儲層以大孔為主，對碎屑巖，意味著骨架顆粒很粗?？紫抖饶Ｐ拖略紨?shù)據(jù)的計算，就是根據(jù)預先定義好的孔隙度（P1，P2，…，Pn）及對應(yīng)的弛豫時間（T2i）區(qū)間分布，再疊加一些實際測井中的噪聲，模擬生成原始測井數(shù)據(jù)：

2.2 仿真數(shù)據(jù)生成模型

仿真數(shù)據(jù)的生成模型主要分為孔隙度模型和滲透率模型兩種。上位機軟件通過對這兩種模型的生成公式計算出相應(yīng)孔隙度與滲透率對應(yīng)的回波數(shù)據(jù)，并回傳給地面系統(tǒng)進行處理與分析。

2.2.1 孔隙度模型設(shè)計

核磁共振測井確定地層孔隙度的依據(jù)來自觀測信號強度與孔隙流體中氫核含量的對應(yīng)關(guān)系。如果觀測信號能夠正確地反映宏觀磁化強度M，那么，它在零時刻的數(shù)值大小將與地層孔隙中的含氫總量成正比。由此經(jīng)過恰當?shù)臉硕ǎ纯砂蚜銜r刻的信號強度（FID或回波串）標定為巖層孔隙度[4]。通過刻度處理后，由T2分布可直接得到孔隙度，即

式（2）～式（4）中，t（i）=iTE，i=1，2，…，n，這是采集第i個回波的時間；noise為隨機白噪聲。可以看出，回波原始數(shù)據(jù)的模擬計算和回波擬合是一個相反的過程。

2.2.2 滲透率模型設(shè)計

核磁共振滲透率的測量是基于試驗和理論模型及其相互關(guān)系的結(jié)合。滲透率的單位達西（D）是一個面積單位，它反映了孔隙介質(zhì)（巖石）允許通過流體的能力[5]。迄今，估計滲透率的方法都是間接的，核磁共振也一樣。利用巖石核磁共振的弛豫特性及擴散測試結(jié)果，已經(jīng)建立了多種有關(guān)滲透率的經(jīng)驗公式?；颈磉_式即Kozeny公式，即：

式中：K——滲透率，mD；

φ——孔隙度，%；

S/V——巖石的比表面積，cm2/cm3；

Γ——“結(jié)構(gòu)因子”或“彎曲因子”，無量綱，其量子決定與孔隙的形狀以及單位長度內(nèi)多孔固體中流體流過的路徑。

利用Kozeny方程，通過巖石核磁共振弛豫時間與巖石孔隙比表面積的相關(guān)性，可以建立巖石滲透率的方法[5]。下面主要介紹Coates束縛水-滲透率模型，其模型主要公式為

圖7 模擬器實物與測試數(shù)據(jù)

式中：FFI——自由流體的孔隙度；

BVI——束縛水孔隙度；

C——系數(shù)。

Coates模型中，孔隙尺寸參數(shù)是通過T2截止值隱含輸入的，它確定FFI和BVI的比值，同時FFI/BVI值的變化描述了S/V的變化。工作在該模式下時，用戶需輸入總孔隙度（φ）、T2截止值、自由流體孔隙度（FFI）、束縛水孔隙度（BVI），模擬器便可以在滿足要求的情況下隨機計算孔隙度與對應(yīng)的弛豫分布，模擬出如下的仿真數(shù)據(jù)：

式（7）～式（9）中，t（i）=iTE，i=1，2，…，n，這是采集第i個回波的時間；noise為隨機白噪聲?？梢娔M出的數(shù)據(jù)與孔隙度模型是一樣的，不同的是需滿足如下條件：

3 模擬器實際應(yīng)用與測試

前面介紹了該模擬器的硬件構(gòu)架與程序設(shè)計流程，并對生成模型進行了簡要介紹?，F(xiàn)以上述軟硬件搭建起來的模擬器平臺通過實際的EDIB總線電纜掛接到地面系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)實驗以測試整個模擬器的工作性能與正確性。整個模擬器的外形如圖7（a）所示。通過EDIB總線電纜，地面系統(tǒng)對該模擬器下發(fā)采集指令，模擬器數(shù)據(jù)增強模塊根據(jù)下發(fā)的指令類型按照第3節(jié)所講到對應(yīng)仿真數(shù)據(jù)模型生成相應(yīng)的回波信號數(shù)據(jù)，并在上位機頂層界面上顯示該數(shù)據(jù)對應(yīng)的信號曲線圖，以便于用戶直觀感受該數(shù)據(jù)的正確性，如圖 7（b）所示。從圖 7（b）中可以直觀看出該模擬器根據(jù)實際下發(fā)的指令生成了正確的回波信號（見圖7（b）中藍色回波衰減曲線與紅色噪聲道曲線）。圖 7（c）中顯示的數(shù)據(jù)是根據(jù)圖 7（b）中相關(guān)信號模型實際生成的原始數(shù)據(jù)以16進制顯示，并以二進制碼傳輸給地面系統(tǒng)作為仿真井下儀器測試的信號數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文講述了一種核磁共振井下儀器模擬器的設(shè)計，主要描述其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計流程，并對其仿真數(shù)據(jù)的生成模型進行了分析和介紹。通過該模擬器，地面系統(tǒng)可以很方便地進行前期控制與采集處理程序的開發(fā)和測試。在開發(fā)地面系統(tǒng)前期，成功擺脫了傳統(tǒng)必須掛接實際井下儀器進行程序開發(fā)與試驗的束縛，大大提高了地面系統(tǒng)的開發(fā)效率。在后期應(yīng)用階段，當?shù)孛嫦到y(tǒng)與井下儀器掛接聯(lián)調(diào)出現(xiàn)故障時，通過該模擬器可以快速查找故障，節(jié)省了大量維修時間。目前該方案已經(jīng)成功應(yīng)用于核磁共振儀器的測試體系中，并得到了很好的應(yīng)用效果。

[1]Coates G，肖立志，Prammer M.核磁共振測井原理與應(yīng)用[M].孟繁瑩，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2007：4-8.

[2]肖立志，謝然紅.核磁共振測井儀器的最新進展與未來發(fā)展方向[J].測井技術(shù)，2003，27（4）：265-269.

[3]邵維志，莊升，丁娛嬌.一種新型核磁共振測井儀——MREx[J].石油儀器，2004，18（2）：36-39.

[4]肖立志.核磁共振測井資料解釋與應(yīng)用導論[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：72-80.

[5]肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應(yīng)用[M].北京：科學出版社，1998：60-72.