文/劉子松

（中國煤炭地質(zhì)總局第二水文地質(zhì)隊 河北·邯鄲）

一、引言

固井質(zhì)量檢查測井是煤層氣勘探開發(fā)施工中的重要手段之一，主要用于檢查水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量，進(jìn)行套管校深等。固井質(zhì)量探管一次下井，可以獲得自然伽瑪、聲幅、磁定位、聲波變密度及時差五種參數(shù)，可以滿足煤層氣鉆孔固井質(zhì)量測井評價的需要。

目前，國內(nèi)煤田系統(tǒng)在煤層氣固井質(zhì)量檢查測井中，主要有MT－Ⅲ型全波列測井儀和PSZJ－1型聲波全波列測井儀。上述儀器采用單發(fā)雙收聲系系統(tǒng)，其測量的聲波幅度參數(shù)不僅受到套管水泥膠結(jié)質(zhì)量的影響，還受到井下儀器傾斜和偏心等因素的影響。且其聲波全波列參數(shù)采用模擬信號由井下傳輸?shù)降孛鎯x器，由于測井電纜很長，有效帶寬有限，傳輸?shù)降孛鎯x器時，不可避免地會產(chǎn)生失真及引入各種干擾信號，降低了信號質(zhì)量，難以反映出真實的全波列信號。實際測井時，測井資料準(zhǔn)確性不佳，有時不能準(zhǔn)確反映套管的第一、第二次界面水泥膠結(jié)質(zhì)量。

二、測井因素分析與設(shè)計改進(jìn)

目前，針對上述儀器存在的問題，AFG－3型固井質(zhì)量探管利用聲波振動迭加、等效聲衰減系數(shù)的概念和續(xù)至波能量積分方法、全數(shù)字化高速雙向通訊系統(tǒng)設(shè)計而成。井下主控制器采用基于新型ARM Cortex-M3核心的高速32位處理器，采用高速A/D器件對聲波全波列、聲幅、磁定位信號等模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用具有比較/捕獲寄存器的16位可編程計數(shù)器采集時差信號，采用16位可編程計數(shù)器對自然伽瑪脈沖信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用ARM處理器的高速運算特點，實現(xiàn)了兩道全波列信號的數(shù)字化，使傳輸?shù)降孛娴男盘柌辉倥c電纜長度相關(guān)，避免了傳輸過程中各種干擾信號對全波列信號的影響。

（一）測井因素分析。對水泥膠結(jié)質(zhì)量測井的影響因素可分為靜態(tài)和動態(tài)兩類：前者是井身條件，如微環(huán)、竄槽、套管在井中不居中等因素；后者包括井溫、井壓、井下儀器的傾斜偏心、換能器的發(fā)射、接收靈敏度的綜合響應(yīng)不一致等因素。正常條件下，對于自由套管，顯示高的聲幅記錄值，準(zhǔn)縱波旅行時間就是它在套管中的傳播時間。變密度顯示寬且黑的平行垂直線，沒有地層波信號顯示。在套管接箍處有明顯的紋波顯示，準(zhǔn)縱波旅行時間略有增大，聲幅值減?。粚τ谝淮魏投谓缑嫠嗄z結(jié)良好的情況，聲幅曲線記錄值較低，除了疏松的砂巖、泥巖等聲衰減大的情況外，只顯示弱或不顯示套管波，但顯示較弱的地層波，對于一次界面膠結(jié)良好二次界面膠結(jié)不好的情況，顯示弱的套管波和地層波信號。

然而，在有泥餅且沒有被水泥取代的滲透區(qū)域，容易引起一次界面膠結(jié)良好而二次界面膠結(jié)不好的情況。雖然二次界面之間存在泥漿，聲耦合較差，接收的套管波和地層波較小，但是里面的泥漿穩(wěn)定不動，即對液體密封效果仍然良好。有時在套管和水泥之間存在可使液體遷移的微環(huán)，微環(huán)的存在使接收的套管波中等或較大，地層波略小或中等。象微環(huán)一樣，竄槽影響水泥膠結(jié)質(zhì)量測井，它的存在使套管波較大或中等、地層波中等。

井下儀器傾斜偏心使得聲波波列的各種波的傳播路徑發(fā)生變化，它們的相位發(fā)生變化并以不同的相位迭加，致使接收的聲波信號減小。套管不居中和薄的水泥環(huán)可使接收的聲波信號幅度發(fā)生變化，當(dāng)水泥環(huán)厚度小于1.9cm時，套管波的聲衰減下降很快，導(dǎo)致高的幅度響應(yīng)。測井電纜的電氣性能和幾何長度都會對從井下傳輸?shù)降孛娴穆暡ㄐ盘柎笮∈艿接绊?。隨著井深的增加，溫度、壓力和泥漿的聲阻抗也隨之增加，換能器的發(fā)射、接收靈敏度也隨之發(fā)生變化，這些也都影響聲波信號幅度的大小。從以上分析可知，水泥膠結(jié)質(zhì)量測井解釋不可避免地存在不確定性。為了提高測井資料解釋的可靠性，還需和其他信息，如裸眼聲速測井、井徑和套管設(shè)計資料一起，綜合解釋鉆孔的水泥膠結(jié)質(zhì)量。

（二）設(shè)計原理。AFG－3型固井質(zhì)量測井儀利用雙收聲幅補償原理，用數(shù)字化傳輸多道聲波信號方式和續(xù)至波能量積分方法，可在很大程度上消除上述因素對測井采集數(shù)據(jù)的影響。據(jù)資料可知，接收的套管波實質(zhì)上是沿套管與泥漿界面?zhèn)鞑サ幕胁ǎ淮谓缑娴囊淮魏投啻畏瓷洳ǖ牡硬捎孟率奖硎荆?/p>

式中，α是反映孔內(nèi)一次界面水泥膠結(jié)質(zhì)量的等效聲衰減系數(shù)；m是泥漿的聲衰減系數(shù)；r1和r2分別是聲波從聲源傳播到套管的距離和在套管中傳播的距離；A是幅度系數(shù)。由（1）式可知，在理想條件下，α值越大，接收的套管波幅度越小，則一次界面膠結(jié)質(zhì)量越好；反之，膠結(jié)質(zhì)量不好。但接收到的幅值也受發(fā)射功率及井徑的影響，而雙收聲幅補償原理可彌補上述不利因素，該原理要求兩個接收換能器R1、R2的靈敏度一致或接近。設(shè)x和y分別是源距和間距，D和θ分別是套管內(nèi)徑和聲波入射角。因為只用首波幅度判斷一次界面的膠結(jié)質(zhì)量，因此略去（1）式中的e項。把上述因素對套管波幅度的影響歸結(jié)到換能器的發(fā)射和接收靈敏度中一道處理。設(shè)F和L分別是換能器的發(fā)射和接收靈敏度，N是井溫、井壓等因素的影響，則（1）式變?yōu)椋?/p>

經(jīng)推導(dǎo)，可得出近道和遠(yuǎn)道的幅度比，分別為：

由式（3）、（4）可知，接收信號幅度比不受發(fā)射靈敏度與井徑的影響，但受接收靈敏度的影響，說明幅度比測井方法可部分消除上述因素的影響。提高等效聲衰減系數(shù)α，既獨立于換能器發(fā)射靈敏度，也不依賴其接收靈敏度和其他因素，說明等效聲衰減系數(shù)測井方法能夠提高判斷一次界面水泥膠結(jié)質(zhì)量的可靠性。

（三）儀器組成及電路分析。AFG－3型固井質(zhì)量測井探管由電子線路、超聲波聲系、磁定位傳感器、閃爍計數(shù)器等組成。探管電路的主控制器采用基于ARMCortexTM-M3核心的STM32芯片，其內(nèi)部集成有2路16通道的高速ADC，3個16位通用計數(shù)器和1個高級功能計數(shù)器，支持CAN2.0總線接口。電路硬件框圖見圖1。（圖 1）

1、聲波信號放大器。以往的探管電路中，聲波信號放大器一般均使用固定增益的放大器，其電路的線性放大范圍有限。實際測井時，由于不同地層、固井質(zhì)量、水泥環(huán)厚度等因素的影響，使接收晶體接收到聲波信號的幅度范圍很大（可達(dá)40～60dB），以往探管的放大電路難以保證如此大的動態(tài)范圍，容易飽和失真或輸出信號太小。針對這種情況，對其輸入電路部分進(jìn)行了全新設(shè)計，對放大電路的線性放大范圍進(jìn)行了改進(jìn)，利用對數(shù)放大器電路及自動幅度調(diào)整電路，使電路動態(tài)范圍達(dá)到了80dB，使接收的聲波信號處在線性放大區(qū)，不失真地轉(zhuǎn)輸給后續(xù)電路，以滿足測量聲幅參數(shù)和聲波變密度的要求。（圖2）

圖4 CAN總線接口電路

圖5 接箍信號濾波器幅頻特性

圖6 自適應(yīng)濾波器的原理框圖

圖7 系統(tǒng)流程圖

可控制增益放大電路先用集成的可控制增益放大器AD603，用主控制器輸出的PWM波經(jīng)TL084濾波和緩沖后，形成0～1V的直流控制電壓，加在AD603的1腳，可實現(xiàn)10～30dB的增益控制。（圖 3）

2、高速AD轉(zhuǎn)換。高速AD轉(zhuǎn)換采用STM32控制器內(nèi)部集成的12位高速ADC，其轉(zhuǎn)換速度達(dá)到1Mbps，共2路ADC，每路ADC16個通道。其中，第1路ADC用于采集2路全波列信號，利用TIMER4產(chǎn)生的定時信號來自動觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過DMA自動傳輸?shù)絻?nèi)部RAM，整個過程自動完成，無需程序干預(yù)。其實每道全波列信號采集2ms，共512點，采集速率為250K，完全可以滿足全波列信號的頻率要求。對于磁定位信號，選擇采樣頻率為1KHz，每次采樣16次，取平均值，作為一次采樣的結(jié)果值。

3、天然伽瑪計數(shù)器。利用STM32內(nèi)部的TIMER1，對放大后的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，經(jīng)平均運算及數(shù)字濾波后，得到CPS計數(shù)率值。

4、通訊接口。通訊接口采用CAN總線接口，速度達(dá)到1Mbps，可以滿足2路數(shù)字全波列信號以及聲幅、時差等信號傳輸速率要求。CAN總線接口電路圖如圖4所示。（圖4）

5、接箍感應(yīng)信號處理電路。為了獲得良好的磁定位信號，磁定位傳感器選用釹鐵硼TH150強磁鐵作為傳感器的磁極，其最大磁能積量是普通磁鐵的10倍。由于接箍感應(yīng)信號每10m左右才產(chǎn)生一次，其頻率為1～5Hz，為了將接箍感應(yīng)信號從噪聲信號中分離出來，在磁定位預(yù)處理電路的入口設(shè)計了一個低通濾波器，其實測幅頻特性如圖5所示。從幅頻特性看，當(dāng)信號頻率增大到10Hz時，它的幅度衰減了70%，因此頻率較高的干擾信號不能進(jìn)入磁定位預(yù)處理電路。該電路只對接箍感應(yīng)信號進(jìn)行放大預(yù)處理。（圖5）

6、數(shù)字濾波器。實際測井過程中，由于各種干擾因素的存在，使獲得的測量數(shù)據(jù)難以直接應(yīng)用，為了獲得良好的測井?dāng)?shù)據(jù)，充分利用了STM32強大的數(shù)據(jù)處理能力，針對聲幅、時差、天然伽瑪?shù)炔煌男盘?，設(shè)計了不同的數(shù)字濾波器來對其處理，提高了數(shù)據(jù)的有效性。對于聲幅、時差以及磁定位信號，采用32點平滑濾波算法，可有效消除突發(fā)干擾信號。對于天然伽瑪信號，采用了目前公認(rèn)的最有效的自適應(yīng)濾波方法，濾波的參數(shù)能夠根據(jù)輸入信號與噪聲的變化進(jìn)行自動調(diào)整，這種自動調(diào)整依據(jù)實際輸出和希望輸出的差異，用某個自適應(yīng)控制算法來進(jìn)行，從而使恢復(fù)誤差最小化，以實現(xiàn)最佳的實時濾波。自適應(yīng)濾波器一般包括濾波器結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)算法兩個部分，這兩部分不同的變化與結(jié)合，可以導(dǎo)出許多種不同形式的自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波器的原理框圖如圖6所示。（圖6）

自適應(yīng)濾波器的LMS自適應(yīng)算法描述如下：

濾波器的輸出為：

權(quán)系數(shù)修正公式為：

式中，y～（n）-濾波器的輸出；e（n）-誤差輸出；X（n）-輸入信號；Wn-權(quán)值；m-步長；T-轉(zhuǎn)置。

在本例中，采用固定步長LMS自適應(yīng)算法。步長的計算公式：

式中，λm-輸入信號自相關(guān)矩陣的最大特征值；trR-輸入信號自相關(guān)矩陣的矩陣秩。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)儀器的功能要求及硬件結(jié)構(gòu)，程序主流程圖如圖7所示。（圖7）聲波發(fā)射后，軟件經(jīng)過一段時間的延時，然后開始連續(xù)采集兩路聲波信號，共500點；經(jīng)過運算得到時差與聲幅值；然后采集磁定位值，每次轉(zhuǎn)換16次，求得平均值后，作為一次采集值。

四、結(jié)束語

針對目前煤炭系統(tǒng)使用的固井質(zhì)量檢查探管存在的問題，我們設(shè)計了AFG－3型固井檢查探管，充分利用了STM32強大的數(shù)據(jù)處理能力和高速度，實現(xiàn)了聲波信號的全數(shù)字化采集與傳輸。經(jīng)多次的野外試驗表明，整個系統(tǒng)在測井過程中工作穩(wěn)定、抗干擾能力強，獲得了較好的測井成果資料。