趙乃賡 孟 明 彭偉斌
(北京中地英捷物探儀器研究所,北京 102200)
隨著煤田勘探的不斷深入,煤田測井越來越需要可靠性、重復(fù)性、穩(wěn)定性和一致性好、測井曲線優(yōu)良、價格合理的測井儀器。以往煤田使用的雙側(cè)向測井儀測量精度差,測井曲線存在以下問題:
1儀器的制作工藝水平較落后,部分線路老化、電路設(shè)計上存在著缺陷和不足,一致性差;
2儀器動態(tài)范圍小,兩端電阻率(高阻或低阻)測量精度差,測井曲線易出現(xiàn)“負差異”等現(xiàn)象,在部分煤田和礦區(qū)存在“雙軌”現(xiàn)象;
3仿CSU雙側(cè)向測井儀是目前國內(nèi)測井效果較為理想的雙側(cè)向測井儀,但該儀器的深側(cè)向屏流源在地面系統(tǒng)中,功率控制工作由地面系統(tǒng)來完成,使得該儀器在配接地面系統(tǒng)時有很大的局限性,而且它的生產(chǎn)成本很高。
PS2332雙側(cè)向測井儀是一種新型的雙側(cè)向測井儀,在借鑒國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對以往雙側(cè)向測井儀測量精度差、動態(tài)范圍小、“雙軌”等不足之處,實施了改造。該測井儀應(yīng)用單片機控制主電流,給出深、淺屏流源的功率控制信號,實現(xiàn)恒功率控制,使得儀器在保證測量精度不變的前提下,擴大了電阻率的動態(tài)測量范圍,通過軟件的計算和處理,自動調(diào)整電流和電壓的變化,保持主電流的功率恒定,極大地提高了儀器的動態(tài)范圍和精度。整套電路硬件十分簡單,最大限度地采用軟件取代了硬件,并且采用了5700系列雙側(cè)向電極的電極距尺寸,同時取得深淺兩條電阻率曲線,反映出地層真電阻率和侵入帶電阻率的變化??芍苯訏旖覲SJ-2A型數(shù)字采集記錄儀和PST-1型數(shù)控成像系統(tǒng)。文章介紹了該儀器的基本工作原理,技術(shù)指標,軟硬件的實現(xiàn)方法及實際應(yīng)用。
采用恒功率控制方式,屏流優(yōu)先。單片機進行數(shù)據(jù)運算和可變功率控制??勺児β士刂频脑瓌t是在低阻層和高阻層時,電流和電壓在線性區(qū)域內(nèi)得到最好利用,使功率源輸出的功率得到最大限度的利用。比如,單片機調(diào)節(jié)功率源的直流控制量,使得電子線路在高阻50000歐姆·米時電流很小,電壓很大,但不飽和失真,電壓折中后留有余量,以防遇到特殊情況時電壓突然增大而失真;線性電路的放大倍數(shù)要滿足在低阻1歐姆·米時電壓很小,電流很大,且在其變化的線性區(qū)域內(nèi)。這樣雙側(cè)向測井儀在室內(nèi)實驗時,模擬出許多個地層電阻率,得出每個地層電阻率對應(yīng)的控制點。記錄好這些對應(yīng)關(guān)系,將這些對應(yīng)關(guān)系通過編程輸進單片機,單片機在儀器工作時根據(jù)查表法找到所對應(yīng)的這些控制點,將它發(fā)送給深、淺屏流源的控制端。其電流分布見圖1。
圖2 電路方框圖
1電路設(shè)計
深側(cè)向和淺側(cè)向電路的工作頻率為244Hz,深淺側(cè)向的轉(zhuǎn)換頻率為122Hz。深、淺側(cè)向功控電流源發(fā)射屏流與主流,監(jiān)控電路使地層電流場達到動態(tài)平衡;電流測量電路測量主流ID(深側(cè)向)、IS(淺側(cè)向),電壓測量電路測量主流經(jīng)過的目的層的壓降VD(深側(cè)向)、VS(淺側(cè)向)。所測得的 VD、VS、ID、IS送到由單片機組成的信號處理電路進行數(shù)據(jù)采集和處理,并采用一定的算法,控制深、淺側(cè)向功控電流源的功率輸出。
圖3 程序流程圖
2儀器的主要電路
(1)功控電流源電路
由單片機產(chǎn)生一個固定頻率(244Hz)的方波信號,其幅度受深、淺側(cè)向的電流控制,在深、淺側(cè)向電流控制信號的作用下,經(jīng)單片機處理、功率放大,形成深、淺側(cè)向屏流。
(2)電壓、電流測量電路
深、淺側(cè)向電壓信號輸入到電壓測量電路,經(jīng)低通濾波器濾波后,得到深、淺側(cè)向方波的電壓信號,送到單片機的A/D口進行采集。電流測量電路的組成與電壓測量電路完全一樣。
3應(yīng)用單片機技術(shù)
該恒功率雙側(cè)向儀器的最大特點就是充分發(fā)揮了C8051F410單片機的作用,最大限度的采用軟件替代了硬件,很好地完成了數(shù)據(jù)采集和功率控制,所測得的各路模擬信號直接進行A/D轉(zhuǎn)換。單片機根據(jù)采集的深、淺側(cè)向電壓、電流信號,依據(jù)設(shè)定的功率控制算法通過數(shù)字恒功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)穩(wěn)定,再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生深、淺側(cè)向功率控制信號,去控制深、淺側(cè)向主電流的發(fā)射功率。
4軟件控制
程序經(jīng)初始化后,依次完成數(shù)據(jù)采集、計算功率,D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生深、淺側(cè)向功率控制信號,深淺側(cè)向采用時分制控制,完成一次循環(huán),直到使儀器深、淺側(cè)向主電流的發(fā)射功率達到設(shè)定的最佳指標。
PS2332數(shù)控恒功率雙側(cè)向測井儀的電路方框圖和軟件流程圖,請見圖2和圖3所示。
5主要技術(shù)特點及指標
1儀器采用單片機技術(shù),用軟件控制深淺側(cè)向功率,通過數(shù)字恒功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié),使深淺側(cè)向功率恒定,增加了儀器工作穩(wěn)定性,擴大了儀器測量范圍,提高了測量精度。
圖4 恒功率雙側(cè)向曲線圖
2采用優(yōu)化的電極尺寸,主要電極系尺寸仿國外5700電極系尺寸,用玻璃鋼棒一次加工成型,儀器直徑¢60mm,總長度5 200mm。這樣增加了探測深度,特別是淺側(cè)向探測深度的增加克服了高阻、高礦化度泥漿、大井眼對淺側(cè)向測量值的影響。
3深、淺側(cè)向功控電流源均采用大功率集成電路,使其帶負載能力大大增強,同時由于采用恒功率技術(shù),使儀器在高礦化度泥漿中測井也能取得較好的資料。
4儀器可與PSJ-2A型數(shù)字采集記錄儀和PST-1型成像測井儀等地面系統(tǒng)直接掛接,進行其原有的組合測井,可實現(xiàn)新老井下儀器的全面兼容和過渡。
5儀器中采用了單片機、最大限度地采用軟件替代了硬件,并使用大規(guī)模的集成元件。作到了結(jié)構(gòu)緊湊,硬件少,整套電路集成度較高,維修方便,保密性強。
外徑:¢60mm
最大耐溫:85℃
最大測井速度:1000m/h
測量動態(tài)范圍:1歐姆·米~ 50000歐姆·米。
電阻率測量精度:
1歐姆·米~100歐姆·米 20%
100歐姆·米~2000歐姆·米 5%
2000歐姆·米~5000歐姆·米 10%
5000歐姆·米~50000歐姆·米 20%
探測深度:深側(cè)向2.54m,淺側(cè)向0.76m;
適用泥漿性質(zhì):0.018歐姆·米~3.08歐姆·米,鹽水泥漿;
測量最大井徑:400mm
PS2332數(shù)控恒功率雙側(cè)向測井儀目前已在山西晉城的礦區(qū),東北梅河口地區(qū)以及貴州六盤水礦區(qū)進行了多口井的測井試驗驗證,與以前的雙側(cè)向儀進行了曲線對比測井,證明該測井儀曲線質(zhì)量明顯優(yōu)于其他雙側(cè)向儀器,特別是動態(tài)范圍更大,高阻地層不平頭、不出負值。大井眼的情況下,深、淺側(cè)向曲線反映正常,不出現(xiàn)岐變現(xiàn)象。
圖4是在東北梅河口地區(qū)某井區(qū)所測的雙側(cè)向曲線對比圖。
[1]趙乃賡.改恒流式為恒功率式雙側(cè)向測井儀[J].測井技術(shù),1990(3).
[2]胡澍.地球物理測井儀器[M].北京:石油工業(yè)出版社,1991.
[3]鄭俊詳,謝冠平,李成富.SDL-7060恒功率式雙側(cè)向測井儀的研制 [J].石油儀器,2012.