郭江濤,嚴(yán)磊,于新海

南婷婷,史冊,田玉璽 (中石化中原石油工程有限公司測井公司數(shù)控中心,河南濮陽 457001)

SDZ-7000雙側(cè)向信號干擾問題原因及其解決策略探討

郭江濤,嚴(yán)磊,于新海

南婷婷,史冊,田玉璽 (中石化中原石油工程有限公司測井公司數(shù)控中心,河南濮陽 457001)

對SDZ-7000恒功率雙側(cè)向儀在測井過程小信號干擾大、大信號誤差大等典型故障進(jìn)行了探討。通過延遲函數(shù),使電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)實現(xiàn)功率調(diào)整、增強功率調(diào)整連續(xù)性、電路中濾波電路的改變,提高抗干擾能力等3個方面解決淺側(cè)向小信號0.2Ω值跳變的問題;通過增大輸出功率,提高信噪比、電路中調(diào)整反饋電阻,增大輸出電壓等2方面解決淺側(cè)向30、40kΩ高阻值誤差大的問題。

SDZ-7000恒功率雙側(cè)向;恒功率;延遲函數(shù);濾波電路;淺側(cè)向;監(jiān)督電極

SDZ-7000恒功率雙側(cè)向儀是SDZ-70系列快速測井平臺中一種用于完成測量深淺側(cè)向測井功能的電法儀器。SDZ-7000恒功率雙側(cè)向儀器由電極系和電路裝置2部分組成。為了能更好地適應(yīng)低阻泥漿環(huán)境,電極極棒采用整體壓膠方式,電路裝置放置在電極系內(nèi)部使儀器的長度大大縮短。

SDZ-7000快速測井平臺是新一代測井技術(shù),具有測井時效高,儀器集成化高,測井?dāng)?shù)據(jù)精確度高等優(yōu)點。但在測井過程中,儀器也逐步出現(xiàn)一些故障。筆者針對SDZ-7000恒功率雙側(cè)向在實際測井過程中發(fā)生小信號干擾大、大信號誤差大等典型故障現(xiàn)象的維修進(jìn)行分析探討,旨在提高測井穩(wěn)定性和精度。

1 淺側(cè)向小信號0.2Ω值跳變問題的解決策略

1.1 加延遲函數(shù),使電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)實現(xiàn)功率調(diào)整

淺側(cè)向小信號0.2Ω值跳變的原因是,當(dāng)儀器供電初始時刻,供電電路還沒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這時,測量信號是隨機的,功率調(diào)整電路需要的測量電壓、電流達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài),對信號進(jìn)行采集,影響測量最小值,造成淺側(cè)向小信號0.2Ω值跳變。

為了解決上述問題,首先對SDZ-7000恒功率雙側(cè)向信號處理電路MCU模塊內(nèi)的程序進(jìn)行調(diào)整。在程序中供電初始時,加上延遲函數(shù),然后再對信號進(jìn)行采集、調(diào)整、輸出。其中,對程序代碼增加Delay函數(shù),延遲函數(shù)延長了信號采集的時間,使電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)實現(xiàn)功率調(diào)整,不影響其他信號的輸出,使淺側(cè)向小信號0.2Ω值的輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

電路硬件實施過程如下:利用Microchip ICD 3 MPLAB(微芯片在線調(diào)試器)對信號處理電路的MCU模塊的數(shù)據(jù)端口(MCLR、3.3V、DGND、PGD、PGC)實現(xiàn)數(shù)據(jù)更改,保證程序的實施,從而在電路上實現(xiàn)這一過程,達(dá)到電路的輸出效果?中國電子科技集團(tuán)第22研究所.SDZ-3000快速測井平臺(電氣篇、結(jié)構(gòu)篇),2009.。信號處理電路的MCU模塊如圖1所示。

圖1 信號處理電路MCU模塊

1.2 增強功率調(diào)整連續(xù)性

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(dá)到動態(tài)平衡;電流測量電路測量電流Id(深側(cè)向)、Is(淺側(cè)向),電壓測量電路測量電流經(jīng)過目的層的壓降Ud(深側(cè)向)、Us(淺側(cè)向)。所測得的Ud、Us、Id、Is送到信號處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,MCU采用一定的算法控制深、淺側(cè)向功控電流源的功率輸出[1]。

深、淺側(cè)向供電功率由軟件控制,采用新算法,較以前更加快速、穩(wěn)定。使得儀器測量動態(tài)范圍大,測量精度高。根據(jù)電路原理,雙側(cè)向功率調(diào)整在整個過程中起著重要的作用。在軟件中,功率調(diào)整的連續(xù)性差將影響小信號的輸出,因此在淺側(cè)向小信號0.2Ω增強功率調(diào)整的連續(xù)性;在算法中,功率變化幅度較小的情況下,實現(xiàn)功率調(diào)整,提高功率控制算法的穩(wěn)定性,使小信號輸出趨于穩(wěn)定。

1.3 電路中濾波電路的改變,提高抗干擾能力

濾波電路具有抗干擾能力強和良好的頻率特性。一個理想的帶通濾波器具有一個完全平坦的通帶,在通帶內(nèi)沒有放大和衰減。并且在通帶外所有頻率都被完全衰減掉,并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕念l率范圍外的所有頻率完全衰減掉,尤其是在通帶外還有一個被衰減但沒有被隔離的范圍。因此相對來講帶通濾波器的抗干擾能力差[2]。

在原來的儀器中的電壓測量電路應(yīng)用交流信號變直流信號,帶通濾波器、相敏檢波器來實現(xiàn)濾波、放大等功能,抗干擾能力強。SDZ-7000電壓測量電路選用的CX0604(N1)模塊是一個低噪聲、精密控制的可變增益放大器,具有溫度穩(wěn)定性高,增益誤差(0.5dB)精度高,其增益與控制電壓呈線性關(guān)系。便于對放大器的精確控制,同時可以降低干擾和噪聲。

電壓測量電路由模塊N1和外圍電路組(見圖2)。模塊完成對輸入深淺側(cè)向電壓信號的放大和濾波,模塊對深淺側(cè)向電壓信號的增益均為5.85;深、淺側(cè)向電壓信號經(jīng)變壓器接到電壓測量電路N1模塊的21腳,另一端接地;淺側(cè)向電壓輸出為N1的20腳,深側(cè)向電壓輸出為N1的24腳;電阻R1、R3和R3*用于調(diào)節(jié)模塊N1深側(cè)向電壓通道濾波器的中心頻率,R4和R4*用于調(diào)節(jié)深側(cè)向電壓通道的增益;電阻R2、R5和R5*用于調(diào)節(jié)淺側(cè)向電壓通道的中心頻率,R6和R6*用于調(diào)節(jié)淺側(cè)向電壓通道的增益,通過調(diào)整R*6的大小來改變淺側(cè)向的輸出電壓。

圖2 電壓測量放大電路模塊

2 淺側(cè)向30、40kΩ高阻值誤差大問題的解決策略

2.1 增大輸出功率,提高信噪比

地層電阻率與地層巖性,地層孔隙內(nèi)的流體性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),在不同地區(qū),甚至1口井內(nèi),地層與地層之間的因素差別大,地層電阻率變化范圍也很大。通常地層電阻率的變化范圍為0.5～50000Ω·m(有的地層電阻率可高達(dá)105Ω·m)。所以儀器的測量地層電阻率的變化范圍需要有105倍。測量沖洗帶電阻率的儀器,動態(tài)范圍可以小些,一般103～104倍。一般不僅要求儀器有一定的測量動態(tài)范圍,而且有一定的測量精度。根據(jù)測井的視電阻率公式:

可以導(dǎo)出儀器測量電阻率的相對誤差:式中,ΔV為測量V0的絕對誤差;ΔI為測量I0的絕對誤差。

從上式可以看出,相對誤差不僅與絕對誤差ΔV、ΔI有關(guān),而且與被測量的V0、I0的大小有關(guān)。被測量V0、I0越大,相對誤差越小。因此提高V0、I0的數(shù)值,對提高測量精度是有利的。

對SDZ-7000恒功率雙側(cè)向功率控制算法的程序中,在高、低阻端,功率的大小是分段設(shè)計的。在淺側(cè)向高阻端,增大輸出功率,提高儀器的信噪比,從而提高儀器的測量精度。通過程序的功率調(diào)整,監(jiān)測淺側(cè)向功放電路(見圖2)輸出端TP3的輸出電壓由原來的5V增大為12V,來滿足要求。

2.2 電路中調(diào)整反饋電阻,增大輸出電壓

在集成電路的輸出級,往往要求有較高的輸出功率或要求具有較大的輸出動態(tài)范圍以驅(qū)動下一級負(fù)載,功率放大器應(yīng)在輸出不失真的情況下給出最大的交流輸出功率P0以推動負(fù)載工作。功率放大器的效率為功率放大器的輸出信號功率P0與直流電源供給功率放大器功率PE之比,用η表示,即:

功率放大器要求高效率地工作,一方面是為了提高輸出功率,另一方面為了降低管耗。直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外,剩余部分變成晶體管的管耗PC(PC=PE-P0)。管耗過大將使功率管發(fā)熱損壞,所以,必須提高功率放大器的效率。

恒功率雙側(cè)向在測量過程中保持IV乘積不變,只要選定最高和最低電阻率的2個極點保持功率不變,就使測量電壓和電流始終處在可測量范圍之內(nèi)。也就不會出現(xiàn)電壓和電流被限幅的情況。因此恒功率雙側(cè)向有更寬的測量動態(tài)范圍。

淺側(cè)向功放電路如圖3所示,主要由帶通濾波模塊N1和功率放大器件N2及外圍電阻組成,用于產(chǎn)生280 Hz淺側(cè)向工作總電流。來自信號處理電路幅度受控的280 Hz方波信號Ps,首先由帶通濾波模塊N1濾波為280Hz正弦波信號,再經(jīng)過功率放大器件N2驅(qū)動和放大。

圖3 淺側(cè)向功放電路

帶通濾波模塊N1的13腳輸出為放大和濾波后的280Hz正弦波信號,該信號經(jīng)過R4接到功率放大器N2的5腳,N2的1腳為功率放大電路的輸出信號;功率放大器N2的3腳和6腳分別接+24V和-24V供電,通過調(diào)整R4和R5的阻值可以調(diào)節(jié)N2的輸出幅度;R6和R7為N2的限流電阻。因此要增大輸出功率,在電路中,調(diào)整反饋電阻R5的阻值。因為:

V0的值由5V增大為12V,所以R5的阻值由100kΩ調(diào)整到240kΩ。

3 實際效果

通過對陜西宜君地區(qū)的宜5-04向1井、陜西韓城地區(qū)韓10-07井和山西保德地區(qū)保5-04井等高阻層層位進(jìn)行試驗應(yīng)用。解決了SDZ-7000恒功率雙側(cè)向在實際測井過程中淺側(cè)向小信號干擾大、大信號誤差超出范圍大的現(xiàn)象,檢測結(jié)果顯示,低阻值0.2Ω小信號干擾得到抑制,信號輸出穩(wěn)定,為0.194Ω,誤差為2.8%,改變了原來的跳變現(xiàn)象,高阻值40kΩ大信號輸出47524.7Ω,誤差為18.8%,精度符合誤差小于20%的要求,滿足儀器的測井工程需要。

4 結(jié)語

通過對SDZ-7000恒功率雙側(cè)向在實際測井過程中發(fā)生小信號干擾大、大信號誤差大的異?，F(xiàn)象,進(jìn)行分析研究,解決儀器典型故障。該現(xiàn)象復(fù)雜,解決問題涉及面廣,對出現(xiàn)的現(xiàn)象有一個準(zhǔn)確的判斷,需要熟悉電子線路原理、每個元器件的作用和軟件的設(shè)計,才能較快地排除故障。

[1]尚作源.地球物理測井方法原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1987.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京:高等教育出版社,2008.

[編輯] 辛長靜

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A

1673-1409(2014)22-0058-03

2014-03-15

郭江濤(1978-),男,工程師,現(xiàn)主要從事測井?dāng)?shù)控方面的研究工作。