鄭 璐 張家田 嚴(yán)正國 李 震

(西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西西安)

過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)設(shè)計＊

鄭 璐 張家田 嚴(yán)正國 李 震

(西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西西安)

套管電阻率測井刻度系統(tǒng)和其它常規(guī)測井刻度系統(tǒng)相比更為復(fù)雜,需要能夠模擬地層介質(zhì)參數(shù)變化,電流源的變化。文章提出了過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)需要解決的主要問題,闡述了刻度系統(tǒng)原理及測量方法,介紹了刻度系統(tǒng)的主要功能和關(guān)鍵電路。本刻度系統(tǒng)的設(shè)計不僅可以完成儀器的刻度任務(wù),而且可作為過套管電阻率測井技術(shù)的研究試驗平臺。

過套管電阻率測井;刻度系統(tǒng);電流源

0 引 言

在《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)準(zhǔn)則》(SY/T 5880.1—1997)的《石油測井儀器刻度總則》中對測井儀器刻度的定義為:“測井儀器刻度是利用刻度裝置建立測井儀器的測量值與相應(yīng)刻度裝置已知量值之間關(guān)系的全部工作過程”[1]。

在石油生產(chǎn)測井中,過套管電阻率測井技術(shù)是我國正在研究的高新技術(shù)之一。過套管電阻率測井是通過測量套管上的電壓降從而達(dá)到測量地層電阻率。過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)和其它常規(guī)測井刻度系統(tǒng)相比,對系統(tǒng)的功能要求更加復(fù)雜。對于刻度系統(tǒng)來說,要求能夠模擬出地層介質(zhì)參數(shù)變化,激勵信號的變化。關(guān)鍵技術(shù)之一為極微弱信號的采集和處理[2],測量的信號非常微弱,響應(yīng)信號在nV數(shù)量級[3],因此對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有很高的要求。

建立過套管電阻率測井刻度系統(tǒng),可以在縱向與橫向上明確電阻率測井刻度系統(tǒng)的層次性、隸屬性,保證各級刻度裝置的準(zhǔn)確性,提高測井資料的解釋精度。測井儀器無論是在室內(nèi)檢查還是在井場使用前后,我們都必須對它們進(jìn)行刻度,以保證儀器處于良好的工作狀態(tài),確保能夠采集到優(yōu)質(zhì)的測井資料[4]。過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)不僅可以完成儀器的刻度任務(wù),最主要的是能夠完成過套管電阻率測井技術(shù)的研究試驗平臺,因此研究開發(fā)過套管電阻率刻度系統(tǒng)具有重要的意義。

1 過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)自身要求及實現(xiàn)功能

刻度系統(tǒng)的測試要求對應(yīng)的真實套管,能模擬出不同地層泄露電流的條件和不同介質(zhì)的測試環(huán)境,采用激勵信號的方式,測試地層漏電流的信息。信號的測試主要通過采集系統(tǒng)來完成,由于信號的數(shù)量級為納伏,十分微弱,對信號的采集系統(tǒng)要求極高。

刻度系統(tǒng)能夠仿真過套管電阻率測井儀的測井過程,不同地層介質(zhì)的漏電流有其對應(yīng)的刻度板。具有模擬不同地層電阻率測試條件,實現(xiàn)儀器相對環(huán)境下刻度系數(shù)標(biāo)定的功能。并且具有模擬不同介質(zhì)電阻率測試條件,套管接箍與水泥環(huán)的實驗條件。

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

刻度系統(tǒng)能模擬出實際地層介質(zhì)的電阻率,在1 200的不同介質(zhì)(高、中、低阻)中的測量結(jié)果,誤差率技術(shù)指標(biāo)滿足。系統(tǒng)能實現(xiàn)6000m電纜信號傳輸,能夠模擬出過套管電阻率測井實際中的信號傳輸。儀器耐溫,工業(yè)級器件,工作可靠。

過套管電阻率刻度系統(tǒng)的激勵信號源,采用超低頻,大電流發(fā)射電路。其技術(shù)指標(biāo)要求:峰值電流為6 A;工作頻率范圍3Hz～10Hz;波形失真。

刻度系統(tǒng)的信號采集與處理系統(tǒng)包括微弱信號檢測的低噪聲高精度的模擬處理電路,信號放大電路,24位的A/D轉(zhuǎn)換電路,DSP控制處理電路。其指標(biāo)要求:微弱信號檢測低于10nV,微弱信號測量電路線性誤差;采集時間要求滿足2min一個點。

地面控制器由功能模塊、后面板、前面板三部分組成。功能模塊的主要任務(wù)是實現(xiàn)CTS傳輸、數(shù)據(jù)接收、命令發(fā)送、與計算機接口等。后面板包括電源輸入、輸出,10芯電纜接頭,USB接口。前面板包括電壓調(diào)節(jié),電流和電壓表頭指示,用來控制和顯示刻度、測井、液壓推靠等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1.3 系統(tǒng)原理

綜合考慮本項目的各項研究內(nèi)容,過套管電阻率刻度裝置系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 刻度系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)由激勵信號源、地面控制器、上位機、6000m電纜模擬器、測試單元、刻度池等幾部分構(gòu)成。由刻度池模擬出現(xiàn)實中的地層條件,激勵電源產(chǎn)生符合要求的激勵信號,由6000m電纜模擬器模擬出信號現(xiàn)實中的傳輸,測量單元測得的信號在刻度筒內(nèi)的泄露電流數(shù)據(jù)。

1.4 刻度方法

在進(jìn)行刻度時,先由刻度系統(tǒng)進(jìn)行測試,得出圖板校準(zhǔn),然后被刻度儀器進(jìn)行測試,得出測試圖板。對應(yīng)儀器圖板,經(jīng)過刻度系統(tǒng)的圖板進(jìn)行校正,得出儀器的刻度系數(shù)。改變刻度池的環(huán)境,對刻度系統(tǒng)和被刻度儀器進(jìn)行測試,測試結(jié)果進(jìn)行對比,得出被刻度儀器的最終系數(shù)。

在刻度池中加入不同的溶液,來模擬不同的地層介質(zhì)條件。在套管外加陣列電阻,模擬出不同的地層電阻率。還可以在套管上接箍和外加水泥環(huán)來模擬出實際中套管接箍和水泥環(huán)對電阻率測量的影響。

2 刻度系統(tǒng)的關(guān)鍵電路

2.1 激勵信號源設(shè)計

對過套管電阻率測井來說,采用激勵信號的方式,測試地層漏電流的信息。根據(jù)信號的量級可知,信號非常微弱,為納伏級。可以通過增大激勵電流的方法來增大信號的幅度。由于測井電纜傳送電流的限制,因此不能通過注入更多的電流來獲得較大的信號,一般不超過6A。

由于在直流條件下會出現(xiàn)極化現(xiàn)象,信號的噪聲很大,有用信號的幅度很小,難以測量,因此要選擇交流信號。頻率的選擇主要考慮趨膚效應(yīng)影響,當(dāng)趨膚效應(yīng)嚴(yán)重時,在套管內(nèi)不能測量泄漏電流。這里我們選擇頻率在3Hz～10Hz。圖2為激勵信號源模塊原理框圖。

圖2 激勵信號源模塊原理框圖

激勵電源模塊由DDS信號源,電壓放大電路,功率放大電路,低壓直流穩(wěn)壓電源電路組成。采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生3Hz～10Hz的正弦信號,經(jīng)過電壓放大、功率放大電路產(chǎn)生大電流輸出。

圖3 DDS信號源

DDS信號源的總體框圖如圖 3所示,單片機C8051F020接受鍵盤輸入,設(shè)定待產(chǎn)生信號的頻率,外部通信接口完成單片機與地面控制系統(tǒng)的通信,通過地面控制系統(tǒng)自動改變產(chǎn)生信號的頻率;DDS芯片AD9834接受單片機的指令,通過命令字改變內(nèi)部頻率寄存器和相位寄存器,設(shè)置產(chǎn)生信號的頻率和相位,為了進(jìn)一步提高信號源的頻率穩(wěn)定度,選用恒溫晶振,其頻率穩(wěn)定度達(dá)10-8以上,以滿足系統(tǒng)對精度的要求;由于DDS輸出信號為差分信號,經(jīng)過差分放大將輸出信號轉(zhuǎn)化為單端信號;單端信號經(jīng)過低通濾波實現(xiàn)信號的輸出,這里選用二級二階低通濾波。

2.2 信號采集系統(tǒng)設(shè)計

信號的測試主要通過采集系統(tǒng)來完成,由于信號的數(shù)量級為納伏,十分微弱,因此對信號的采集系統(tǒng)要求極高。我們可以采用低噪聲前置放大器和24位高精度高分辨率A/D轉(zhuǎn)換來進(jìn)行微弱信號的測量。圖4為刻度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源,前置放大器,隔離放大器,濾波放大器,24位Δ-∑A/D轉(zhuǎn)換器,DSP主控單元,數(shù)字調(diào)制解調(diào)器,電纜傳輸接口,方式5變壓器組成。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

過套管電阻率測井的測量信號非常微弱,直接測量信號在μV數(shù)量級,有用信號在nV數(shù)量級,有用信號通常被噪聲所淹沒,因此,對前置放大器的抗噪聲性能要求非常高,低噪聲前置放大器的設(shè)計是本項目的一項關(guān)鍵技術(shù)難點。有用信號和直接測量信號相差2

3個數(shù)量級,因此對AD轉(zhuǎn)換器的精度、分辨率和動態(tài)范圍有較高的要求,本系統(tǒng)采用24位delta-sigma技術(shù)的AD轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)處理涉及大量數(shù)字信號處理方法,對處理器的處理速度、浮點處理運算能力要求較高,本系統(tǒng)采用DSP處理器作為井下儀器的微處理器。數(shù)據(jù)傳輸采用CTS電纜傳輸系統(tǒng),數(shù)字電路短節(jié)還包含了BPSK調(diào)制解調(diào)單元和電纜傳輸接口單元。

過套管微弱信號檢測數(shù)據(jù)采集采用24位ΔΣAD轉(zhuǎn)換器ADS1271構(gòu)成四個信號輸入通道,由ADSP2189M控制四個通道同步采樣,ADS1271與ADSP2189M通過串行接口傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。四通道24位高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。差分輸入放大器選用低噪聲、超低失真度的差分輸入、差分輸出放大器THS4130。四片ADS1271組成的菊花鏈和ADSP2189的同步串行口SPORT0相連,ADSP2189通過USB2.0接口與計算機相連,可方便的進(jìn)行調(diào)試。參考電壓基準(zhǔn)為ADS1271提供2.5V參考電壓。

圖中DV1、DV2為經(jīng)前置放大器放大后的套管一階電位差;DI1為激勵電流經(jīng)電流取樣電阻后,取樣電阻兩端的電壓值;DVref為電壓參考。

圖5 四通道24位高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 結(jié)束語

過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)的設(shè)計,不僅可以完成測井儀器的刻度檢定功能,能夠?qū)嶋H油田中的過套管電阻率測井儀進(jìn)行誤差校正。更主要的是,刻度系統(tǒng)可以模擬出了現(xiàn)實中過套管電阻率測量數(shù)據(jù)獲取的整個過程,刻度池的設(shè)計則模擬出了現(xiàn)實中地層的各種情況,可以使人們對過套管電阻率測井的整個應(yīng)用過程得到形象的認(rèn)識。該系統(tǒng)完成了過套管電阻率測井技術(shù)的研究試驗平臺。

[1] SY/T5880.1—1997.中華人民共和國石油天然氣行業(yè)準(zhǔn)則[S]

[2] 吳銀川,張家田,嚴(yán)正國.過套管地層電阻率測井技術(shù)綜述[J].石油儀器,2006,20(5)

[3] SingerBSh,FanniniO,StrackKM,etal.Measurementof formationresistivitythroughsteelcasing[J].SPE30628,1995

[4] 劉東生,程雪蓮.儀器刻度在儀器維修中的應(yīng)用[J],石油儀器,2008,22(3)

P631.8+11

B

1004-9134(2010)02-0009-03

2009-06-24 編輯:高紅霞)

陜西省自然科學(xué)基金項目(2007D01)

鄭 璐,男,1985年生,碩士研究生,2007年6月畢業(yè)于西安石油大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè),獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)在西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室攻讀碩士研究生。郵編:710065