程 希 許 杰 王 駿 王如安 楊學(xué)國

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710061;2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077;3.中國石油測(cè)井有限公司 陜西 西安 710077)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

六臂地層傾角測(cè)井儀功能電路及液壓測(cè)試器實(shí)現(xiàn)*

程 希1許 杰1王 駿2王如安3楊學(xué)國3

(1.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710061;2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077;3.中國石油測(cè)井有限公司 陜西 西安 710077)

六臂地層傾角測(cè)井儀主要測(cè)量6條微電阻率和6條井徑曲線以及利用磁力計(jì)與重力加速度計(jì)計(jì)算得到的井斜方位角和井斜角。而對(duì)6條微電阻率曲線經(jīng)過相關(guān)對(duì)比，可確定地層傾角和方位的判斷，進(jìn)而識(shí)別地層的沉積環(huán)境。文章分析了六臂地層傾角測(cè)井儀的信號(hào)采集、信號(hào)編排和信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)液壓裝置的工作原理，設(shè)計(jì)了一種液壓測(cè)試裝置，用來判斷六臂地層傾角測(cè)井儀液壓裝置的可靠性。

六臂地層傾角測(cè)井儀；液壓測(cè)試器；電路設(shè)計(jì)

0 引 言

地層傾角測(cè)井主要用來測(cè)量地層的傾角及傾斜方位[1]。利用地層傾角測(cè)井信息可以研究油田構(gòu)造地質(zhì)學(xué)問題,對(duì)油氣田的勘探和開發(fā)具有重要意義。六臂傾角儀的出現(xiàn)標(biāo)志著地層傾角測(cè)井技術(shù)又前進(jìn)了一步，它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是由其獨(dú)特的設(shè)計(jì)所決定的，采用六個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的臂，臂上裝有微電阻率傳感器，其六個(gè)獨(dú)立臂上的極板電扣提供了更多、更準(zhǔn)確的信息[2～4]，這樣它測(cè)量的覆蓋率和精度大大提高了。由于采集數(shù)據(jù)的密度和質(zhì)量都得到了提高，為測(cè)井資料的高清晰度成像處理和準(zhǔn)確分析解釋提供了保障。在油基泥漿和井壁不規(guī)則等條件下，六臂傾角儀通過液壓推動(dòng),保證六個(gè)極板與井壁有可靠的接觸,因此是獲取可靠傾角信息的最實(shí)用儀器之一。它的六臂極板分動(dòng)設(shè)計(jì)保證了確定地層傾角和方位時(shí)所需要的電阻率曲線數(shù)，這種極板推靠方式有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5、6]。文章從六臂地層傾角的測(cè)量原理出發(fā),說明了儀器的組成、功能電路的實(shí)現(xiàn)、以及液壓測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)。

1 六臂地層傾角測(cè)井儀結(jié)構(gòu)

六臂地層傾角井下儀器由以下部分組成：釋放扭轉(zhuǎn)力的防轉(zhuǎn)接頭、防止儀器偏向的扶正器、用于數(shù)據(jù)傳送和接收地面命令的電纜傳輸短節(jié)、隔絕儀器電連接的絕緣短節(jié)以及絕緣外殼、絕緣外殼下的電子儀、測(cè)量井斜和方位的測(cè)斜短節(jié)和液壓推靠器。液壓推靠器下部連接有6個(gè)桿系,每個(gè)桿系端部固定有1個(gè)極板,每個(gè)極板上相近排列2個(gè)電極。每個(gè)電極通過極板中相應(yīng)的電路與電子儀連接。有6個(gè)獨(dú)立伸縮的極板臂，其優(yōu)點(diǎn)是電極占空比比四臂地層傾角電極分布更高更合理,極板與井壁接觸更好,獲得的測(cè)井信息更多,反映井眼的幾何形狀更為靈敏,有利于提高微電阻率測(cè)井的質(zhì)量。

2 六臂地層傾角測(cè)井儀功能電路

六臂地層傾角測(cè)井儀的功能電路包括：微電阻率信號(hào)采集電路、儀器供電電路、信號(hào)采集、信號(hào)接口匹配電路。

儀器電路的主要工作原理是12道微聚焦電阻率信號(hào)，它們經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后送到電阻率與超慢道溫度信號(hào)、正負(fù)電源信號(hào)以及其它控制和監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行編排，傳輸。快道多路傳輸輸出的模擬量信號(hào)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字量，由數(shù)字多路轉(zhuǎn)換器編排控制送到DTB總線和光電隔離器電路，由三總線傳輸?shù)诫娎|遙測(cè)短節(jié)，最后送到地面。聚焦電路的EMEXDC電源，由電纜1、4經(jīng)電源變壓器中心抽頭供至EMEX振蕩器，在數(shù)字電路控制下，產(chǎn)生單周5 kHz的EMEXAC發(fā)射信號(hào)，供電阻率測(cè)量用。地面儀器通過電纜遙測(cè)給下井儀傳送100 kHz的工作命令，儀器時(shí)鐘系統(tǒng)及邏輯系統(tǒng)開始工作。地面下發(fā)指令控制液壓機(jī)械部分的推靠器推收由井下馬達(dá)完成。

儀器信號(hào)采集電路，包括EMEX震蕩電路，A/D轉(zhuǎn)換電路及EMEX濾波電路。EMEX DC電源是一個(gè)可變的直流電源，由電纜纜芯1、4經(jīng)變壓器T2中心抽頭至井下電子儀，再由纜芯10返回地面。T2的中心抽頭連接到二極管Ⅴ1，該二極管能阻止可能出現(xiàn)的反向電壓。然后加到A/D轉(zhuǎn)換電路及EMEX濾波電路上，在A/D轉(zhuǎn)化電路及EMEX濾波電路中進(jìn)行濾波和電壓偏置。A/D轉(zhuǎn)換電路及EMEX濾波電路中的電阻R1,R3和R6將輸入電壓衰減至CMOS相容的電平。N1是濾波器，消除由于傳輸線路不平衡產(chǎn)生的50 Hz干擾。EMEX濾波器的輸出，接EMEX振蕩器電路，該振蕩器在每一個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)的作用下，產(chǎn)生單周期的交流信號(hào)。電容C1通過電感、電阻放電。電感是L2，電阻值是由從電極流出的電流經(jīng)過地層到儀器外殼所遇到的電阻折算到變壓器T3的初級(jí)來的電阻。T3是一個(gè)隔離變壓器，它的輸出繞組供給最終的EMEX電流。震蕩回路電流經(jīng)變壓器T4正反饋到晶體管V1的基極，在正半周內(nèi)使V1進(jìn)入飽和。在震蕩的第一個(gè)半周之后，V1變?yōu)榉聪蚱媒刂?。二極管V4導(dǎo)通。一個(gè)完整的正弦波之后，V1不再導(dǎo)通，直到下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)在200 μs之后再來，每400 μs產(chǎn)生一個(gè)周期為200 μs的正弦波。扼流圈L1隔離電源受振蕩器電流的影響，并使電容C1在2次振蕩之間充足電，電阻R2用來限制變壓器開路的輸出電壓電阻R1協(xié)助將晶體管V1推入飽和。

儀器信號(hào)采集電路，包括快道、慢道、超慢道從它們的產(chǎn)生直到模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端。極板內(nèi)的變壓器T，次級(jí)接入采集電路入口。經(jīng)集成電路N1放大、整流、濾波，以及信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換。多路轉(zhuǎn)換器由信號(hào)WD0WD3信號(hào)控制，每道400 μs。慢道信號(hào)的采集和快道處理電路，數(shù)字信號(hào)處理電路，慢道信號(hào)包含：3個(gè)磁力計(jì)信號(hào)，6個(gè)井徑信號(hào)，P,DCHV,VEMEX,IEMEX, 電阻率放大補(bǔ)償KDB，儀器狀態(tài)，超慢道，共計(jì)16個(gè)信號(hào)；其中超慢道是第14個(gè)字。所有的慢道信號(hào)各自從探測(cè)器或采集點(diǎn)直接送到數(shù)字信號(hào)處理電路N5進(jìn)行濾波，然后按慢道格式轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，輸送到快道處理電路多路選通器N7,與快道信號(hào)一起進(jìn)行格式編排。超慢道信號(hào)包含2個(gè)首標(biāo)志信號(hào)、1個(gè)尾標(biāo)志信號(hào)、T、+12V、-12V、ADC補(bǔ)償、ADC參考，所有的超慢道信號(hào)直接送到快道處理電路N4，按超慢道格式轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，然后直接送到N7，參與慢道格式轉(zhuǎn)換。

采集控制電路的啟動(dòng)信號(hào)是從電纜遙測(cè)短節(jié)接收來的10 μs寬、周期20 ms的GOP脈沖，這個(gè)脈沖使N1中數(shù)據(jù)寄存器做好發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，大約400 μs之后，第一個(gè)UCK到達(dá)，并定時(shí)送出第一位數(shù)據(jù)，528個(gè)UCK脈沖之后，所有33個(gè)字的數(shù)據(jù)已全部發(fā)送完。同時(shí),GOP脈沖上升沿之后12.5 μs18 μs，N1產(chǎn)生一個(gè)P1脈沖，這個(gè)脈沖啟動(dòng)位、字、幀計(jì)數(shù)器，它控制16個(gè)字一幀的數(shù)據(jù)取樣，這幀數(shù)據(jù)以40 kHz頻率裝載在一組寄存器中。

大約在GOP脈沖之后10 μs，N1產(chǎn)生一個(gè)P2脈沖，啟動(dòng)另一輪的以同樣頻率對(duì)同樣的數(shù)據(jù)的取樣，產(chǎn)生另一幀16個(gè)字，寄存在同一組寄存器中，共裝滿512位數(shù)據(jù)，即32個(gè)數(shù)據(jù)字。下一個(gè)GOP到達(dá)時(shí)，N1重復(fù)以上過程。N1為控制電路模塊，在GOP脈沖和F(40 kHz)信號(hào)的作用下，產(chǎn)生儀器各部分電路的控制信號(hào)，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的正確有序上傳，時(shí)序流程見圖1。N1主要產(chǎn)生以下信號(hào)： 與N2聯(lián)合產(chǎn)生DGF/4(40 kHz儀器時(shí)鐘)；WD0WD3,儀器模擬信號(hào)‘字’同步, FR0FR3,儀器模擬信號(hào)‘幀’同步, SEMEX,控制EMEX定時(shí)電路(在N3電路模塊)，產(chǎn)生EMEX振蕩器的觸發(fā)信號(hào)EMEX。ADCST用于啟動(dòng)ADC工作。同時(shí)，N1還對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行格式編排。

模數(shù)轉(zhuǎn)換包括A/D轉(zhuǎn)換及EMEX濾波電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD5215是輸入信號(hào)為±10 V的負(fù)邏輯器件，由40 kHz的DGF/4信號(hào)驅(qū)動(dòng)，它與啟動(dòng)信號(hào)ADCST均來自數(shù)字信號(hào)處理電路。DTB接口電路，主要建立井下儀器與電纜遙測(cè)之間的數(shù)據(jù)連接作用，它們通過井下儀器的總線DTB連接。其中包括光耦合電路、數(shù)據(jù)總線電路、震蕩電路。光耦合電路的主要功能是將傾角儀電路接地端與電纜傳輸?shù)慕拥囟烁綦x，達(dá)到信號(hào)在不共地的情況下，正常接收從電纜遙測(cè)送來的地面控制井下儀器的指令和時(shí)鐘，并正確送到DTB，同時(shí)將DTB的各種上傳信號(hào)通過光耦合電路后，正確傳送到電纜遙測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)總線電路是接收從光耦合電路送來的地面控制井下儀器的指令和時(shí)鐘，將指令和時(shí)鐘分離后分別送到井下儀各部分，同時(shí)將下井儀器的各種上傳信號(hào)送到光耦合電路。振蕩電路提供1.28 MHz信號(hào)，同時(shí)經(jīng)D15分頻提供160 kHz信號(hào)。

圖1 工作頻率40 kHz下的信號(hào)傳輸序列

3 六臂地層傾角測(cè)井儀液壓測(cè)試裝置電路

液壓推靠測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)以下功能：通過變壓器實(shí)現(xiàn)與推靠電機(jī)匹配的工作電壓，以完成六臂地層傾角測(cè)井儀器推靠器的張開與收攏；給儀器各功能電路提供電源；給井徑拉桿電位器提供12 V電壓，以使其由于井徑臂的井徑變化引起的拉桿電位器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)；井徑變化及極板電扣導(dǎo)通顯示功能，具體電路如圖2所示。

圖2 液壓測(cè)試裝置電路設(shè)計(jì)

4 結(jié) 論

根據(jù)六臂地層傾角測(cè)井儀器的功能以及信號(hào)的總線特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了儀器的信號(hào)采集、濾波、傳輸編排，與數(shù)據(jù)總線對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用液壓測(cè)試裝置對(duì)六臂地層傾角測(cè)井儀液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的功能，形成了以下結(jié)論：

1)六臂地層傾角測(cè)井儀的電路設(shè)計(jì)完成了儀器的功能；

2)應(yīng)用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)了隔離儀器與總線信號(hào)之間的干擾；

3)液壓測(cè)試電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)六臂地層傾角測(cè)井儀的液壓系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

[1] 程 希，鄭茂華，楊亞萍.六臂地層傾角電子儀測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，石油儀器，2006,20(4)：25-27.

[2] 王曰才,黃一飛,洪有密. 地層傾角測(cè)井解釋原理.華東石油學(xué)院，1985：70-78(講義).

[3] 談德輝. 地層傾角測(cè)井原理. 西南石油學(xué)院，1992：32-34(講義).

[4] 《測(cè)井學(xué)》編寫組. 測(cè)井學(xué)[M] . 北京:石油工業(yè)出版社,1998：270-271.

[5] 王曰才, 王冠貴. 地層傾角測(cè)井[M] . 北京: 石油工業(yè)出版社, 1982：63-69.

[6] 劉耀偉,張志剛,于增輝. 國產(chǎn)微電阻率掃描成像測(cè)井儀ERMI開發(fā)與應(yīng)用效果[J].海洋石油，2012,31(2)：67-70.

Design of the logging function circuits and hydraulic test device of six arm dipmeter

CHENG Xi1XU Jie1WANG Jun2WANG RuAn3YANG Xueguo3

(1.Xi’anShiyouSnivisity,Xi'an,Shaanxi710065,China; 2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’anShaanx; 710077,China; 3.ChinaPetroleumLoggingCO.LTD,Xi'an,Shaanxi710075,China)

Six arm dipmeter can measure six micro resistivity and six caliper curves, and as well as the gravity accelerometer and magnetometer parameters which was used to get its well deviation and azimuth angles. With the relation and comparison methods for six resistivity curves, stratigraphic dip and azimuth were determined, and then the strata sedimentary environments were identified. The design methods for the circuits of signal acquisition, signal array and signal transmission of six arm dipmeter was discussed in this paper. And according to six arm dipmeter hydraulic propeller principle, a test device had been designed for the judgment of the reliability of the six arm dipmeter hydraulic equipment.

six arm dipmeter, hydraulic test device, function circuit design

本文受陜西省教育廳、國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助。

程 希，男，1971年生，高級(jí)工程師，目前在西安石油大學(xué)從事地球物理測(cè)井教研工作。E-mail:xd_305@126.com

P631.8+

A

2096-0077(2015)01-0084-03

2014-08-16 編輯：韓德林)