杜黎君，陳 超

(1.中石化中原石油工程有限公司地球物理測井公司 河南 濮陽 457001；2.中國石油測井公司西南分公司 重慶 401120)

0 引 言

交叉偶極聲波組合測井儀(XMACⅡ)的橫波測量能有效評價特低孔滲儲層，滿足頁巖氣儲層在巖性、物性、巖石力學(xué)和含氣性等方面研究的要求，是頁巖氣開發(fā)中測井的必測項目。隨著西南地區(qū)頁巖氣勘探力度的不斷增加，XMACⅡ在鉆輸井、水平井(井內(nèi)高H2S含量)等惡劣環(huán)境下的施工量也隨之加大，導(dǎo)致儀器故障不斷發(fā)生。本文對交叉偶極聲波測井儀出現(xiàn)的電路故障做出了準(zhǔn)確判斷，為快速維修提供了行之有效的解決方法，緩解了增大的施工量與有限的儀器數(shù)量之間的矛盾,有很強(qiáng)的操作性和實用性。

1 儀器簡介

1.1 交叉偶極聲波測井儀器組合

圖1為交叉偶極聲波測井儀器組合示意圖，包括8道聲波線路(1677EA)、接收探頭和接收線路(1678MB/MC)、隔聲體(1678PB)、發(fā)射探頭(1678BA)和發(fā)射線路(1678FA)。

圖1 交叉偶極聲波測井儀器組合

1677EA根據(jù)接收到的經(jīng)M2命令模式下發(fā)的命令，完成對XMACⅡ的發(fā)射和接收控制、數(shù)據(jù)采集，并將儀器狀態(tài)和獲取的采集數(shù)據(jù)通過M2及M5上傳；1678MB/MC接收探頭被配置為8個接收器陣列，每個接收器由4個成90°分布的接收晶體組成，接收線路將模擬聲波信號做不同組合，形成全波波形、同相偶極波形、交叉相偶極波形和聲波時差信號；1678PB阻止接收發(fā)射探頭發(fā)出的未經(jīng)地層的聲波信號；1678BA由變壓器升壓電路和3個發(fā)射晶體組成；1678FA為1678BA提供發(fā)射脈沖和發(fā)射晶體選擇。

1.2 幾個概念

在故障分析前，需要了解幾個概念和地面操作，以利于對XMACⅡ相關(guān)電路的了解，是排除儀器故障的基礎(chǔ)。

1.2.1 操作控制表(OCT)

操作控制表是定時自動經(jīng)M2命令模式下發(fā)的數(shù)據(jù)請求命令和需要操作員介入來設(shè)置下井儀器狀態(tài)的交互命令，對于交叉偶極聲波測井只有測井狀態(tài)，對應(yīng)的地面操作是打開SwACT中所選Subset。OCT用于建立M2和M5下行通訊[1]。

1.2.2 儀器狀態(tài)

儀器狀態(tài)是CPU的自測結(jié)果和DSP的工作狀態(tài)，是命令執(zhí)行結(jié)果的上返。由1677EA的CPU板經(jīng)M2數(shù)據(jù)模式上傳，用于建立M2上行通訊。M2的命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳構(gòu)成完整的M2通訊，通過XMACII STATUS窗口中的儀器狀態(tài)可獲知M2通訊是否建立，地面系統(tǒng)和操作員就是依椐這些儀器狀態(tài)判斷下井儀器是否正常。

1.2.3 波形數(shù)據(jù)

波形數(shù)據(jù)是數(shù)字化的波形信號，只有在M2通訊建立后，波形數(shù)據(jù)才能在點擊SwACT中選定的Subset后經(jīng)M5上傳，建立完整的M5通訊，此時遙測窗口T5有綠燈顯示。由于數(shù)據(jù)量巨大，采用高速M5數(shù)據(jù)模式上傳。

1.2.4 井下設(shè)置(Subset)

井下設(shè)置是對不同聲波測量所需發(fā)射晶體、接收晶體、各接收信號及其組合的自動增益的選擇命令，如Subset6要采集3個循環(huán)(Subcycle)，第一個循環(huán)是單極子全波，采集8個接收晶體的330個字；第二個循環(huán)是同相偶極子，采集8個接收晶體的300個字；第三個循環(huán)是四極子聲波時差，采集4個接收晶體的100個字?？梢钥吹矫總€循環(huán)都會用到的發(fā)射和接收晶體是不一樣的。對應(yīng)的地面操作，在采集主菜單TOOL、XMACII: MONOPOLE TOOL CONTROL中選擇Subset6，點擊download，這組由10字節(jié)組成的指令就由地面經(jīng)M2、CPU板送至1678MB/MC接收電路和1678FA發(fā)射電路的寄存器中[1]。

2 電路故障分析與排除

2.1 8道聲波線路1677EA

1677EA由CPU電路和2塊DSP電路組成。根據(jù)接收到的經(jīng)M2命令模式下發(fā)的命令，完成XMACⅡ的發(fā)射和數(shù)據(jù)采集，并將儀器狀態(tài)和獲取的采集數(shù)據(jù)通過M2及M5上傳。圖2為1677EA電路原理圖(以主DSP板的DSP1數(shù)據(jù)通道為例)。

圖2 1677EA電路原理圖

2.1.1 CPU板電路常見故障

小隊通常反映的“無通訊”[2]是指沒有M5通訊。對此首先要確定M2通訊是否正常，若M2無通訊，M5通訊也不會正常。查看狀態(tài)窗口中的儀器狀態(tài)，如果各狀態(tài)欄為空白，就說明M2通訊沒建立。CPU板有2個重要的LED指示燈，DS2指示命令接收，DS3指示數(shù)據(jù)上傳，儀器上電或點擊重新初始化(Tool Re-Init)，這2個燈都不亮，表明CPU不能初始化，電源、晶振、復(fù)位芯片及周邊器件、EPORM都可能出問題。以上故障排除后，若M2仍無通訊，再檢查M2接收和發(fā)送變壓器、接收器和驅(qū)動器及可編程門陣列。

M5通訊針對CPU和DSP間的接收和發(fā)送串口及M5驅(qū)動器及變壓器、可編程門陣列。2個DSP板也會影響M5通訊，可通過查看狀態(tài)窗口中的DSP狀態(tài)確認(rèn)。

2.1.2 DSP板電路常見故障

1)波形信號無上傳 檢查時可在儀器下45芯連接頭的8個輸入端加1 kHz、3VP-P正弦波。如果所有信號或從板4道均無上傳，而DSP狀態(tài)正常(點擊狀態(tài)窗口查看)，則檢查主板的FPGA的A/D觸發(fā)輸出(B_ADTRIG OUT)與該板和從板的A/D觸發(fā)輸入(AD_TRIG_IN)間的連線。如果所有信號或從板4道均無上傳，而DSP狀態(tài)有錯誤提示，則檢查相應(yīng)DSP是否處于采集模式；對于所有信號無上傳還應(yīng)檢查串行接收的時鐘、接收同步幀和數(shù)據(jù)接收信號；檢查串行發(fā)送的發(fā)送同步幀和數(shù)據(jù)發(fā)送信號。

2) M5無通訊 8個DSP采集通道都有各自的地址，CPU必須下發(fā)8次數(shù)據(jù)請求命令，才能完成Subset中的一個子循環(huán)，每個DSP在上傳數(shù)據(jù)期間，其BUSY為低電平。注意8個BUSY不會同時都為低電平，因為每塊板上的4個DSP不能被同時尋址(而2塊板可同時被尋址，所以2塊板上的數(shù)據(jù)是同時送到CPU的)[3]。

如圖3所示，8個DSP在接到來自CPU的命令時，各自的BUSY都為1，BUSY-OUT為1，在執(zhí)行命令即數(shù)據(jù)上傳期間，BUSY1為0時，BUSY-OUT依然為1，只有等到最后的BUSY8為0時，BUSY-OUT才為0。主板的與門用于監(jiān)測從板，只有等到BUSY8為0時，與門才輸出1。這8道中任一個出錯， BUSY-OUT自始至終都為1，可以看出BUSY-OUT是對8個通道的數(shù)據(jù)上傳時間的監(jiān)測，這段時間一結(jié)束BUSY-OUT表現(xiàn)為低電平，如果這段時間結(jié)束后BUSY-OUT依然保持高電平，就會在狀態(tài)窗口中的DSP BUSY TIMEOUT出現(xiàn)BUSY超時的錯誤指示。一個模擬采樣點轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號要在8μs內(nèi)2次觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，每次8位，一個模擬信號有3125個采樣點，共耗時25ms，在該時間段，地面系統(tǒng)監(jiān)測BUSY-OUT若一直為高電平，就會停止數(shù)據(jù)請求命令的下發(fā)，造成M5通訊中斷。這就是為什么2塊DSP都會影響M5通訊的原因。遇到此故障，將主板的BUSY-OUT/(J1-15)與數(shù)字地(J1-18)相連，在保證通訊暢通的條件下，檢查BUSY1～BUSY8，故障在高電平通道。

圖3 DSP道BUSY邏輯

2.2 發(fā)射探頭1678BA、發(fā)射線路1678FA常見故障

2.2.1 發(fā)射探頭不發(fā)射

發(fā)射探頭1678BA中的發(fā)射晶體破裂、變壓器短路都會造成不發(fā)射。1678BA變壓器電路中的電阻阻值變大或斷開會造成偶極子晶體發(fā)射聲音小或不發(fā)射。若是1678FA引起的不發(fā)射，可先檢查升壓電源的410VDC，再檢查發(fā)射控制電路的的發(fā)射選擇控制和點火脈沖。

2.2.2 電流大

1678BA與1678FA的故障都會讓電流變大。1678BA中的晶體絕緣不好、變壓器對地短路都會造成電流過大。通過檢查1678BA下連接頭19#對地絕緣能快速判斷各晶體變壓器初級是否正常，而對各晶體的判斷只能在確定1678BA電流大后拆開皮囊，斷開與各變壓器次級連線做檢查，同時檢查變壓器次級、電阻和二極管。

有3種檢查晶體的方法：測量電容值，單極子68 nF左右、四極子31 nF左右、偶極子106 nF左右，如果容值過大，絕緣有問題；測量對地電阻，無窮大為正常；測量導(dǎo)納，測量時單極子和四極子的頻率在12～16 kHz，偶極子在1～10 kHz，如果無導(dǎo)納圓或無規(guī)則、缺口大，該晶體不能使用。

1678FA的工作電源有1#、4#提供的180VAC交流，用于升壓電路，正常電流80 mA左右；還有5#和7#提供的15VDC直流，用于2個發(fā)射電路，正常電流1.4 mA左右?？梢杂媒涣髅姘搴椭绷麟娫捶謩e檢查升壓電路和發(fā)射電路，判斷故障所在。1678FA升壓電路如圖4所示。

圖4 1678FA升壓電路

若升壓電路電流大，根據(jù)圖4，焊開D5正端，將電路分為兩部分，一部分為整流、濾波，一部分為Q1、D6、比較器和PWM組成的閉環(huán)。再次供180 VAC，如果電流大，故障就在整流、濾波部分。如果電流不大，故障在閉環(huán)電路。負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)移的L2電感有5 Ω阻值，如果電阻減小，會引起電流增大；Q1若源極與漏極導(dǎo)通，也會引起電流增大。

2.2.3 發(fā)射晶體只發(fā)射一次

曾遇到一個故障，儀器供電正常，但Subset1下載后，單極子、偶極子、四極子只能各響一聲，隨之纜頭電壓下降50 VAC，電流滿偏、M5無通訊。遇到此種情況，下載其他Subset，如Subset9(單極子、四極子工作，偶極子不工作)，儀器工作正常，纜頭電壓只有10 VAC左右擺動，那么故障在偶極子發(fā)射電路。能對纜頭電壓造成影響的是在點火脈沖控制下，410 VDC電源的充放電，而偶極子發(fā)射電路與單極子、四極子發(fā)射電路的最大不同是點火時間，該時間由各自單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的R×C值決定，如圖5所示。檢查發(fā)現(xiàn)，偶極單穩(wěn)的C不對，因此造成點火時間過長，410 VDC放電過多，將纜頭電壓拉下，致使儀器串不能正常工作，M5掉通訊；由于放電過多，在下一次循環(huán)中不能及時充電，所以只進(jìn)行了一次采集循環(huán)。更換電容后，在Subset1下儀器工作正常。

圖5 1678BA高壓脈沖變壓器電路與發(fā)射晶體、1678FA發(fā)射電路

2.2.4 細(xì)節(jié)注意

1678BA中的發(fā)射晶體和變壓器升壓電路、1678MB/MC的接收晶體及電阻被包裹在皮囊中，皮囊內(nèi)充滿硅油，儀器在測井過程中，井中H2S很容易侵入皮囊，而皮囊中晶體的陶瓷和金屬片之間的黏合劑、變壓器線圈的絕緣漆、電阻及皮囊本身都是不耐硫的，長時間浸泡在含有H2S的硅油里會影響晶體和變壓器的絕緣，電阻阻值增加或斷開，所以儀器完成高含硫井施工后，應(yīng)及時更換硅油，沒有條件時要打開儀器上下的注油塞，盡量排除H2S氣體。

2.3 1678MB/MC接收電路常見故障

如圖6所示，以R1為例，1678MB接收電路利用多個放大器將4個晶體的獨立接收信號做4種組合[4]：

X偶極信號：R1X=(X2-X1)

Y偶極信號：R1Y=(Y2-Y1)

單極信號：M1=(X1+X2)+(Y1+Y2)

四極信號：Q1=(X1+X2)-(Y1+Y2)

由此可形成8道單極子全波波形、16道同相偶極子波形(8道X發(fā)射X接收和8道Y發(fā)射Y接收)、16道交叉偶極子波形(8道X發(fā)射Y接收和8道Y發(fā)射X接收)以及4道四極子聲波時差。測試信號是在點火脈沖控制下，由單穩(wěn)態(tài)和精密電源產(chǎn)生的用于診斷的接收信號。接地信號用于剔除信號偏置，提高測量精度。

1678MB/MC 有2個相同的接收電路板，每塊板接收4道信號。每塊接收板都有4個移位寄存器，這8個寄存器用于接收Subset的10個字節(jié)中的8個，分別對8個接收陣列和自動增益進(jìn)行選通和控制。上述10種信號進(jìn)入多路器，在Subset字節(jié)控制下上傳到1677EA做模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1678MC的接收電路是1678MB的升級。圖7是以一個接收器為例的接收電路。對X偶極、Y偶極、單極和四極聲波信號的組合是通過3個模擬開關(guān)和1個加法器實現(xiàn)的，這是相比于1678MB電路的巧妙之處，盡可能精簡了硬件，同時新增了對這4種聲波信號的7 kHz和14 kHz測量，Subset也相應(yīng)增加了頻率選擇。就是意味著在選擇服務(wù)表做儀器配置時，一定要注意與儀器串中接收探頭型號相匹配。該電路可獲取64種信號，比1678MB增加了一倍。

圖6 1678MB接收電路

常見故障是一道或幾道無信號或增益過大。每個接收晶體的電容值約為2.8 μF，電阻值10 MΩ。對于接收探頭，檢查對應(yīng)道的電阻、電容。如果接收電路有問題，可在線路輸入端加正弦信號：若是全波波形不對，加2 kHz、1VP-P正弦信號；若偶極子波形不對，加5 kHz、1VP-P正弦信號，沿對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道逐一排查。

圖7 1678MC接收電路

3 結(jié)束語

地面系統(tǒng)與聲波線路1677EA的CPU之間的通訊是根據(jù)OCT命令下發(fā)和儀器狀態(tài)、波形數(shù)據(jù)上傳，以M2命令模式、M2數(shù)據(jù)模式、M5數(shù)據(jù)模式完成的。CPU與不同外設(shè)(1677EA的DSP板、1678MB/MC的接收電路和1678FA的發(fā)射電路)間的通訊是通過CPU與各DSP板、接收電路、發(fā)射電路的串行接口實現(xiàn)的。本文將地面操作與電路實現(xiàn)相結(jié)合，對遇到的一些復(fù)雜的、典型的故障做詳盡分析，以幫助維修人員快速排除儀器故障。