孫 鋒

(中石化勝利石油工程有限公司測井公司 山東 東營 257096)

0 引 言

隨著勘探開發(fā)由中淺層向深層快速推進(jìn)以及鉆完井技術(shù)的不斷進(jìn)步[1]，深井、超深井越來越多，井底溫度越來越高，新疆探區(qū)井溫超過190 ℃的井已屢見不鮮?？碧綄ο蟮母邷鼗厔菰絹碓矫黠@，對測井儀器的溫度要求越來越苛刻。另外，測井儀器自身也朝著陣列化、三維化、成像化、集成化等方向快速發(fā)展[2]，井下儀器采集的信息量越來越多，對遙測儀器傳輸速率的要求越來越高。國內(nèi)常規(guī)測井儀器的耐溫指標(biāo)大多在150～177 ℃，臧德福等在SL-6000型基礎(chǔ)上研制出直徑92 mm、耐溫230 ℃的常規(guī)滿貫測井儀器，其230 ℃條件下連續(xù)工作時間只有1 h且儀器外徑大，不適合小井眼施工[3]。于其蛟在其碩士論文中介紹了一種包括連斜、伽馬測量的直徑70 mm、耐溫230 ℃的遙測儀器，該儀器的傳輸速率較低，只有230 kbps，且沒有考慮多參數(shù)測量的問題[4]。楊建軍等介紹了哈里伯頓高溫小井眼遙傳伽馬測井儀，該儀器標(biāo)示耐溫260 ℃、集成了CCL、張力、井溫等參數(shù)的采集電路，但現(xiàn)場使用效果并不理想且其數(shù)據(jù)傳輸速率只有217.6 kbps[5]。遙測儀器在耐溫性能、數(shù)據(jù)傳輸速率和多參數(shù)測量等方面還存在諸多問題，研制高溫小直徑多參數(shù)高速遙測儀器對深層油氣勘探開發(fā)有重要意義。

1 儀器結(jié)構(gòu)及耐高溫設(shè)計

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

儀器外徑70 mm、長度3 043 mm，從上到下依次是上32芯插接件、變壓器、線性電源、保溫瓶上吸熱劑、整流濾波電路、模擬量處理電路、連斜傳感器、采集電路、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、伽馬高壓和處理電路、伽馬晶體和光電倍增管、下32芯插接件等。電路板寬度均設(shè)計為42 mm及以下，采用200 Hz頻率交流供電，最大限度縮短整支儀器的長度。為保證連斜測量的準(zhǔn)確性，儀器采用鈦合金材料作為外殼，也大大降低了儀器的重量。

1.2 耐高溫設(shè)計

通過高溫變壓器、高溫線性電源、高溫厚膜電路、高溫調(diào)制解調(diào)模塊和一體化保溫瓶等實現(xiàn)儀器的耐高溫(230 ℃)設(shè)計。變壓器和線性電源放置在保溫瓶外部，其耐溫指標(biāo)達(dá)到230 ℃。剩余各類傳感器和電路模塊耐溫指標(biāo)達(dá)到175 ℃，置于保溫瓶內(nèi)耐溫指標(biāo)達(dá)到230 ℃。采用一體化的保溫瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計，將保溫瓶外殼與儀器外殼融為一體，既擴(kuò)大了保溫瓶的容積、提升了保溫效果，又增加了儀器外殼的厚度、提高了儀器的抗壓強(qiáng)度，該設(shè)計可保證在230 ℃環(huán)境下4 h保溫瓶內(nèi)部溫度不會超過120 ℃。同時，保溫瓶內(nèi)部的各種電路均采用低功耗設(shè)計，降低電子線路自身發(fā)熱，盡可能提升儀器的耐溫性能。

2 多參數(shù)測量單元

2.1 測量參數(shù)

儀器可以測量的參數(shù)如圖1所示，內(nèi)置伽馬晶體、光電倍增管和連斜探頭，能夠在保證高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r測量伽馬、井斜、方位等參數(shù)。為了保證井下儀器供電的安全，儀器設(shè)計了專門的主輔電電壓監(jiān)測電路，可以實時監(jiān)測井下主電和輔電電壓。除此之外，儀器還集成了三參數(shù)(井溫、張力、泥漿電阻率)、磁接箍、雙井徑等的采集和處理電路，在外掛三參數(shù)短接、磁接箍短接和雙井徑短接的情況下實現(xiàn)對井溫、張力、泥漿電阻率、磁接箍和雙井徑等參數(shù)的測量。

圖1 儀器測量參數(shù)框圖

2.2 測量電路設(shè)計

2.2.1 磁接箍和主輔電監(jiān)測

使用大動態(tài)范圍基膜芯片以適應(yīng)磁接箍大動態(tài)范圍信號處理的要求，克服了以往需要根據(jù)信號大小分級處理、符號轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的電路復(fù)雜、可靠性差的缺陷。主輔電纜頭電壓監(jiān)測電路對高壓進(jìn)行直接采樣，避免電壓轉(zhuǎn)換引起精度降低，能夠精準(zhǔn)快速地監(jiān)測井下儀器的供電狀態(tài)，滿足測井系統(tǒng)自動供電和遠(yuǎn)程控制的需要。

2.2.2 井溫、張力和泥漿電阻率

井溫測量電路主要由3部分組成：由REF191ES和電容電阻網(wǎng)絡(luò)組成的精密電壓源電路；由輔助電阻網(wǎng)絡(luò)與被測電阻構(gòu)成的電阻橋和儀表放大器AD602共同組成的信號接收測量電路；由電阻電容網(wǎng)絡(luò)和運算放大器OP484構(gòu)成的低通濾波和信號緩沖驅(qū)動電路。

張力測量電路采用精密電壓源REF101SM作為激勵源，通過和精密電阻配合，輸出10 V激勵信號。信號預(yù)處理部分采用AD8221儀表放大器，前級利用二極管MMSZ4700和電阻電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成保護(hù)和干擾消除電路，后級由運算放大器OP484和電阻電容網(wǎng)絡(luò)分別構(gòu)成基線穩(wěn)定電路(消除儀表放大漂移)、信號衰減電路、低通濾波和緩沖電路。

泥漿電阻率激勵源采用低輸出阻抗、寬頻、高轉(zhuǎn)換速率、高輸出電流緩沖放大器HA9P5002設(shè)計。由模式變壓器和電容構(gòu)成的波形轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)過電流放大的20 kHz方波變成正弦波提供給發(fā)射電極，模式變壓器同時還負(fù)責(zé)測量電路的電流信號采樣。如圖2所示，采樣的電壓和電流信號經(jīng)過儀表放大器AD620放大、HA9P5104緩沖后，再經(jīng)過由模擬開關(guān)DG403和HA9P5104構(gòu)成的斬波電路斬波、緩沖，最終得到電壓和電流測量值。為了對測量電路進(jìn)行校正，消除元器件非一致性造成的誤差，同時在儀器下井前檢查儀器狀態(tài)，設(shè)計了由達(dá)令頓陣列DS2003、模擬繼電器DY432、刻度電阻網(wǎng)絡(luò)組成的刻度電路。

圖2 泥漿電阻率測量電路示意圖

2.2.3 井斜、方位和自然伽馬

井斜和方位的測量電路包括連斜傳感器、高溫信號處理運算電路2個部分。連斜傳感器主要由三軸重力加速度計和三軸磁通門構(gòu)成，三軸重力加速度計測量的X、Y、Z三向重力加速度分量用于計算井斜參數(shù)，三軸磁通門測量的X、Y、Z三向的磁通門分量用于計算方位參數(shù)。高溫信號處理運算電路以ARM為核心，主要完成測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理和計算工作，有2種工作模式，一種是分量模式，將加速度分量和磁通門分量經(jīng)過簡單預(yù)處理后直接傳送給采集板，另一種是工程模式，將測得的分量經(jīng)過預(yù)處理并計算出井斜、方位、自轉(zhuǎn)等參數(shù)傳送給采集板，2種模式可通過下發(fā)命令切換。

自然伽馬測量電路由碘化鈉晶體、光電倍增管、高壓供電電路、溫度補(bǔ)償電路和脈沖處理電路幾部分構(gòu)成。碘化鈉晶體探測到地層自然伽馬射線后會產(chǎn)生光子，光子經(jīng)過光電倍增管放大后形成電脈沖信號，電脈沖信號經(jīng)過脈沖處理電路的跟隨、放大、鑒別整形等處理后變成幅度為3.3 V、寬度為4 μs的標(biāo)準(zhǔn)方波信號傳送到采集板完成自然伽馬的計數(shù)。溫度補(bǔ)償電路由包含熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)節(jié)高壓供電的數(shù)值實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，當(dāng)井下溫度升高晶體產(chǎn)能降低時，調(diào)高高壓數(shù)值補(bǔ)償自然伽馬計數(shù)的減少。

3 高速遙測單元

3.1 采集控制模塊設(shè)計

采集控制模塊負(fù)責(zé)儀器各路信號的采集、處理和接收地面命令實現(xiàn)控制，采用SPI接口與網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，將測井?dāng)?shù)據(jù)上傳給網(wǎng)絡(luò)通訊板，同時接收地面下發(fā)給該儀器的命令，完成命令的解析和處理。

采集控制板以FPGA可編程邏輯器件、ARM微控制器和AD轉(zhuǎn)換芯片為核心。板載8路雙極性模擬輸入主通道，輸入范圍可配置為±10 V和±5 V，18位A/D同步采樣轉(zhuǎn)換，所有通道轉(zhuǎn)換速率均為200 kbps，并可通過數(shù)字濾波器提供過采樣功能。6路單極性模擬輸入輔助通道，輸入范圍0～2.5 V，12位A/D，2.4 Msps轉(zhuǎn)換速度。通過FPGA和ARM完成對井徑、井溫、張力、泥漿電阻率、CCL、主輔電信號的采集和處理，同時完成伽馬信號計數(shù)、串口與連斜探頭通訊、SPI與網(wǎng)絡(luò)通訊板通訊及對測井命令的解析處理等工作。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊構(gòu)建了儀器間的以太網(wǎng)總線，使用2對屏蔽雙絞線為傳輸介質(zhì)，每一支井下儀器都有1個獨立固定的IP地址，每支儀器作為1個獨立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊實現(xiàn)交換互聯(lián)，采用全雙工傳輸模式，從而使得井下儀器之間形成交換型局域網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通訊模塊同時可監(jiān)控+3.3 V、+5 V、±12 V/±15 V電源和印制板溫度。

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊功能包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，以太網(wǎng)交換器包括多個端口，其中3個為PHY接口，其中2個連接上、下兩端測井儀器的以太網(wǎng)交換器，一個連接至調(diào)制解調(diào)模塊；另一個為MII接口，與本儀器的以太網(wǎng)接口單元相連接，通過SPI與儀器的采集控制模塊相連，完成遙測儀器測量參數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊功能框圖

3.3 調(diào)制解調(diào)模塊設(shè)計

調(diào)制解調(diào)模塊采用ADSL技術(shù)，通過測井電纜與地面系統(tǒng)遙測通訊，在電纜信道局限條件下用正交幅度調(diào)制和傅里葉變換提高傳輸速率、用信道編碼和加擾交織等手段來降低誤碼保證準(zhǔn)確性，將萬米電纜測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率提高到1 100 kbps，滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

以FPGA(A3P1000)、ARM(STM32F407)和DSP(ADSP21489)等高溫可編程器件替代調(diào)制解調(diào)專用芯片來實現(xiàn)ADSL通訊協(xié)議，解決了調(diào)制解調(diào)模塊因?qū)Ｓ眯酒蜏氐?125 ℃)而導(dǎo)致的耐溫性能不足的問題，成功將模塊耐溫提高到175 ℃。其中ARM與收發(fā)器DP83848共同完成與網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的數(shù)據(jù)交換，DSP負(fù)責(zé)信道劃分、信道分配、信道編碼、正交幅度調(diào)制和傅里葉變換等復(fù)雜算法的實現(xiàn)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制A/D、D/A芯片實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和部分信號的預(yù)處理等工作。該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)傳輸快、抗干擾能力強(qiáng)的特點。

4 測試及應(yīng)用效果

在實驗室內(nèi)對研制的高溫小直徑多參數(shù)高速遙測儀器進(jìn)行230 ℃高溫環(huán)境下的傳輸速率和耐溫指標(biāo)測試，結(jié)果如表1所示。分析表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，8次測試保溫瓶內(nèi)溫度在4 h內(nèi)均未超過120 ℃(溫度測量采用AD590，溫度誤差±2.5 ℃)，數(shù)據(jù)傳輸速率最低為1 118 kbps,2項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

表1 傳輸速率和耐溫測試數(shù)據(jù)表

該儀器在孤古8標(biāo)準(zhǔn)井中測量得到的自然伽馬、井斜、方位、雙井徑等測井曲線與進(jìn)口儀器測量結(jié)果一致性好，如圖4所示。

注：1 in=25.4 mm圖4 孤古8井測井曲線對比圖

5 結(jié) 論

采用高溫厚膜、一體化保溫瓶等技術(shù)使儀器耐溫性能達(dá)到230 ℃。集成的多參數(shù)測量單元縮短了下井儀器串長度，提高了組合測井能力。ADSL和井下網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)大大提升了測井?dāng)?shù)據(jù)的傳輸效率。儀器重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、測量參數(shù)多、傳輸速率高、可靠性強(qiáng)，在超深井和高溫井測井施工方面具有應(yīng)用潛力。