鐘劍,侯學(xué)理,朱萬(wàn)里,師光輝,高旭,李凡

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司,陜西西安710077;中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司測(cè)井試驗(yàn)基地,陜西西安710077)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣藏勘探開(kāi)發(fā),居中型核磁共振測(cè)井儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井應(yīng)用中受到一定的限制,難以滿足高礦化度鉆井液和大尺寸井眼等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井需求。偏心核磁共振測(cè)井儀采用偏心測(cè)量方式,能有效克服高礦化度鉆井液和大尺寸井眼使用條件限制,可作為現(xiàn)有核磁共振測(cè)井儀系列的補(bǔ)充,適應(yīng)大范圍的探井和生產(chǎn)井測(cè)井評(píng)價(jià)需求。偏心核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器靜磁場(chǎng)強(qiáng)度低,需要高壓發(fā)射功率低,探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲小,在理論上是可以實(shí)現(xiàn)短回波間隔測(cè)量。短回波間隔測(cè)量能夠反映小孔隙結(jié)構(gòu),有助于更加致密的儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)和流體性質(zhì)識(shí)別,對(duì)地層精細(xì)評(píng)價(jià)具有有重要意義[1-4]。

國(guó)外技術(shù)領(lǐng)先的測(cè)井服務(wù)公司都擁有各自研發(fā)的偏心核磁共振測(cè)井儀,對(duì)于采用梯度場(chǎng)的井下核磁共振儀器,短回波間隔時(shí)間已達(dá)到最小0.3 ms[5-8]。偏心核磁共振測(cè)井儀研制首要問(wèn)題是解決短回波間隔工作模式測(cè)量,本文從偏心核磁共振測(cè)井儀復(fù)雜控制邏輯關(guān)系出發(fā),設(shè)計(jì)了一種控制時(shí)序,實(shí)現(xiàn)了短回波間隔時(shí)間0.3 ms工作模式測(cè)量。

1 控制時(shí)序原理

偏心核磁共振測(cè)井儀工作需要在幾十至幾百微秒內(nèi)完成復(fù)雜的邏輯控制,控制時(shí)序主要包括高壓發(fā)射脈沖控制、高壓泄放控制和核磁共振回波接收控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)大功率高壓脈沖發(fā)射和小信號(hào)核磁共振回波接收按設(shè)計(jì)準(zhǔn)則正常交替進(jìn)行。控制時(shí)序錯(cuò)誤會(huì)造成儀器無(wú)法正常激發(fā)和接收回波信號(hào),甚至損壞儀器[9-11]。控制時(shí)序主要以高壓發(fā)射脈沖控制信號(hào)為核心,準(zhǔn)確控制高壓泄放控制信號(hào)和核磁共振回波接收控制信號(hào)邏輯關(guān)系。

高壓發(fā)射脈沖控制信號(hào)包括90°脈沖和180°脈沖(見(jiàn)圖1)。90°脈沖使被極化的氫核完成90°扳轉(zhuǎn),確保后續(xù)產(chǎn)生最大幅度的原始核磁共振回波信號(hào),而180°脈沖使散相的氫核完成重聚,產(chǎn)生核磁共振回波信號(hào),在1個(gè)180°脈沖后,將產(chǎn)生1個(gè)核磁共振回波信號(hào),在多個(gè)180°脈沖后,采集核磁共振回波信號(hào)就會(huì)得到核磁共振回波信號(hào)串;TP表示高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間寬度,TE/2表示90°脈沖上升沿與第1個(gè)180°脈沖上升沿之間的時(shí)間寬度,TE表示相鄰的2個(gè)180°脈沖上升沿之間的時(shí)間寬度,即回波間隔時(shí)間;偏心核磁共振測(cè)井儀正常工作時(shí),在1個(gè)90°脈沖后,需要成百上千的180°脈沖,180°脈沖數(shù)量需根據(jù)實(shí)際情況需要而定,同時(shí)也增加了控制時(shí)序設(shè)計(jì)難度。

圖1 高壓發(fā)射脈沖控制信號(hào)示意圖

高壓發(fā)射脈沖功率Wcal可用式(1)表示,α為經(jīng)驗(yàn)校正系數(shù),GAcal為高壓發(fā)射脈沖幅度,TP為高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間寬度。

Wcal=α×GAcal×TP

(1)

一般情況下,偏心核磁共振測(cè)井儀高壓發(fā)射脈沖功率可以達(dá)到15 kW左右,而高壓發(fā)射通路所激發(fā)的高壓發(fā)射脈沖幅度有限,這就需要充足的高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間,才能充分保證高壓發(fā)射能量完成氫核的扳轉(zhuǎn)和重聚,激發(fā)高信噪比的核磁共振原始回波信號(hào)?；夭ㄩg隔時(shí)間分解見(jiàn)圖2。回波間隔時(shí)間TE內(nèi)須包含2個(gè)1/2的180°脈沖持續(xù)時(shí)間、高壓泄放時(shí)間、采集窗時(shí)間和高壓發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間,如果180°脈沖高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),就不能在短回波時(shí)間間隔0.3 ms內(nèi)完成高壓發(fā)射脈沖發(fā)射、高壓信號(hào)泄放、核磁共振回波信號(hào)接收,無(wú)法進(jìn)行0.3 ms觀察模式工作。

圖2 回波間隔時(shí)間分解示意圖

為保證偏心核磁共振測(cè)井儀在短回波時(shí)間觀察模式正常工作,需要充分利用高壓發(fā)射通路提供的高壓發(fā)射脈沖幅度和減少儀器無(wú)效控制時(shí)間,對(duì)控制時(shí)序進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2 控制時(shí)序設(shè)計(jì)及仿真

控制時(shí)序設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖3。它采用DSP+FPGA的框架,DSP完成相關(guān)測(cè)井命令參數(shù)存儲(chǔ)和計(jì)算,FPGA根據(jù)DSP下發(fā)命令生成相應(yīng)的控制時(shí)序,控制時(shí)序經(jīng)過(guò)差分電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的差分控制信號(hào),差分信號(hào)能有效提高控制信號(hào)抗干擾能力。由于差分信號(hào)電平較低,須經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生較高的電平控制信號(hào),達(dá)到能真正控制相應(yīng)電路目的。

圖3 控制時(shí)序設(shè)計(jì)框圖

在Microsemi Libero SoC v11.8軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上采用Verilog語(yǔ)言,根據(jù)DSP下發(fā)的測(cè)井命令相關(guān)參數(shù),基于狀態(tài)機(jī)原理,設(shè)計(jì)高壓脈沖發(fā)射狀態(tài)、高壓泄放狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、高壓發(fā)射準(zhǔn)備狀態(tài)、核磁共振回波信號(hào)接收狀態(tài)和核磁共振回波信號(hào)關(guān)閉狀態(tài)等,將狀態(tài)轉(zhuǎn)移單獨(dú)寫成一個(gè)模塊,將狀態(tài)的操作和判斷等寫到另一個(gè)模塊中。充分優(yōu)化儀器無(wú)效控制時(shí)間,設(shè)計(jì)控制時(shí)序,實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)射控制信號(hào)(XGATE)、高壓泄放控制信號(hào)(DUMP)和核磁共振回波信號(hào)接收控制信號(hào)(RCV1_OUT)復(fù)雜邏輯關(guān)系[12-14]?？刂茣r(shí)序程序設(shè)計(jì)完成后,借助軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的仿真模塊進(jìn)行功能仿真,設(shè)置回波間隔時(shí)間TE=0.3 ms,高壓發(fā)射脈沖幅度GAcal=100,高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間TP=70 μs,CLK_DSP_OUT表示FPGA的工作時(shí)鐘,設(shè)置為45 MHz。結(jié)果見(jiàn)圖4,在儀器高壓發(fā)射控制信號(hào)為高電平、高壓泄放控制信號(hào)為低電平和核磁共振回波信號(hào)接收控制信號(hào)為低電平時(shí),激發(fā)高壓發(fā)射脈沖、停止泄放高壓信號(hào)和斷開(kāi)回波信號(hào)開(kāi)關(guān),滿足短回波間隔時(shí)間TE=0.3 ms控制時(shí)序設(shè)計(jì)功能要求。

圖4 控制時(shí)序軟件設(shè)計(jì)功能仿真圖

控制時(shí)序程序功能仿真完成后,經(jīng)綜合、布局、布線,生成下載程序,通過(guò)Actel燒寫器燒寫在主控板上,在FPGA對(duì)應(yīng)輸出管腳上用示波器測(cè)試控制時(shí)序信號(hào),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5。1通道表示高壓發(fā)射控制信號(hào)(XGATE),3通道表示高壓泄放控制信號(hào)(DUMP),2通道表示核磁共振回波信號(hào)接收控制信號(hào)(RCV1_OUT),輸出電平都為0～5 V,邏輯控制關(guān)系與軟件功能仿真結(jié)果一致。

圖5 控制時(shí)序?qū)嶋H測(cè)試圖

3 實(shí)際效果

在偏心核磁共振測(cè)井儀上,安裝已下載設(shè)計(jì)控制時(shí)序的主控板,通過(guò)ACME2.0上位機(jī)采集軟件進(jìn)行室內(nèi)刻度水箱聯(lián)調(diào)測(cè)試。根據(jù)偏心核磁共振測(cè)井儀短回波間隔時(shí)間工作模式對(duì)應(yīng)工作頻帶為最高頻帶,設(shè)置工作頻率f=860 kHz,短回波間隔時(shí)間TE=0.3 ms,初步設(shè)置高壓發(fā)射脈沖幅度GAcal=100,高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間TP=70 μs。給儀器供220 V交流電,不加直流高壓條件下,測(cè)試儀器本地噪聲,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。本地噪聲值(無(wú)量綱)都在100以內(nèi),滿足儀器測(cè)試要求。相同條件下,給儀器供220 V交流電,直流高壓設(shè)為550 V條件下,不斷改變GAcal值大小,尋找產(chǎn)生最大核磁共振回波信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)的GAcal值,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。當(dāng)GAcal=110,產(chǎn)生的最大核磁共振回波信號(hào)幅度(無(wú)量綱)約為3 500。測(cè)試結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的控制時(shí)序滿足偏心核磁共振測(cè)井儀短回波間隔時(shí)間TE=0.3 ms工作需求,能正常采集到原始核磁共振回波信號(hào)。

圖6 本地噪聲測(cè)試圖

圖7 核磁共振回波串信號(hào)測(cè)試圖

4 結(jié)論及建議

(1)基于偏心核磁共振測(cè)井儀控制時(shí)序原理,建立了高壓發(fā)射脈沖功率模型,詳細(xì)闡述了高壓發(fā)射脈沖幅度、高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間和短回波間隔測(cè)量工作模式之間相互制約關(guān)系。

(2)設(shè)計(jì)的控制時(shí)序經(jīng)室內(nèi)刻度水箱聯(lián)調(diào)測(cè)試結(jié)果表明,滿足偏心核磁共振測(cè)井儀短回波間隔0.3 ms的工作模式需求。

(3)建議新型核磁共振測(cè)井儀設(shè)計(jì)應(yīng)考慮提升高壓發(fā)射瞬時(shí)功率和效率,給高壓發(fā)射脈沖持續(xù)時(shí)間提供更多選擇范圍,實(shí)現(xiàn)回波間隔時(shí)間選擇多樣化,有助于地層流體擴(kuò)散分析精細(xì)評(píng)價(jià)。