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组合式小井眼声波测井仪的分析与应用

发表时间：2021/4/16 来源：《中国科技信息》2021年5月作者：李军

[导读] 油田开发过程中，在老井中二次钻井后的侧钻井井眼较小，测井仪器受井眼直径的限制，在“开窗口”不易通过，容易发生遇阻、遇卡事故。侧钻井完井测井项目主要有：自然伽马、连续测斜、声波、双侧向、井径、电极系、SP等项目。

中石化经纬有限公司胜利测井公司李军

摘要：油田开发过程中，在老井中二次钻井后的侧钻井井眼较小，测井仪器受井眼直径的限制，在“开窗口”不易通过，容易发生遇阻、遇卡事故。侧钻井完井测井项目主要有：自然伽马、连续测斜、声波、双侧向、井径、电极系、SP等项目。仪器直径76mm，比普通测井仪器“细”、“长”。由于侧钻井井眼直径小，井况差，较长的仪器串下放到“开窗口”很难通过，所以仪器分三次下井。测井仪器越短施工越安全，组合式小井眼声波测井仪长度5.2m，集成了通讯传输、声波、自然伽马三支仪器的功能，不但比原有仪器性能有了很大提高，而且缩短了仪器长度，更有利于测井安全施工。
        1工作及性能指标
        1.1技术原理
        组合式小井眼声波测井仪主要完成的测井任务有数据通讯传输、声波测井、自然伽马测井三项测井任务。
        通讯传输电路是仪器的控制系统核心，虽然不完成测井曲线测量，但是要完成仪器的命令接收和数据传输任务。通讯传输电路主要以数字电路为主，模拟电路为辅。采用采用单片机编程方法是该电路的重要措施，单片机给仪器电路提供工作控制信号，并在单片机软件程序控制下完成数据的编码与通讯，命令的接收与执行。采用双极性AMI编码格式，有效地抑制了外界信号对数据的干扰。
        声波测井运用了声学原理，发射探头向地层发射20kHz声波信号，接收探头接收并记录沿地层传播的声波信号到达的时间，计算出声波信号在地层中的传播速度和幅度变化。声系采用双发双收压电陶瓷晶体结构，有效地补偿不规则井筒对测量结果的影响，单发双收组合测量固井声幅、变密度，反映套管、水泥环和地层三者之间的胶结指数。
        自然伽马测井运用放射性测井方法，NaI晶体和光电倍增管组成的探头将地层中天然伽马射线转换成电脉冲信号，自然伽马电路记录脉冲信号计数率来反映地层伽马射线强度，从而判断岩性和划分地质剖面。
        1.2技术指标

        2电路结构
        组合式小井眼声波测井仪由电子线路和声系两部分组成。电子线路主要组成：电源电路、通讯传输电路、声波电路、信号处理电路、自然伽马探头。声系组成：发射晶体、接收晶体。
        2.1电源电路
        包括低压电源和高压电源。地面系统通过测井电缆来的180V交流电到达井下电源变压器，变压器次级经桥式整流、滤波、稳压后给仪器提供相应的电源。其中低压电源±15V、+5V为电路板元器件供电，+180V给声波发射电路供电；高压电源+1000V给自然伽马探头提供电源。
        2.2通讯传输电路
        通讯传输方式采用单片机完成地面系统与井下仪器的通讯和数据传输，通讯传输电路接收来自地面系统的逻辑信号，为井下单片机提供中断，单片机产生该仪器所需要的发射逻辑、接收逻辑、同步信号、增益选择逻辑、抑制干扰逻辑等，在单片机程序控制下，完成声波的发射时序，信号的采集和数据的发送。
        通讯传输电路C8051F340单片机是该仪器的核心，外围器件由AD转换、数据锁存器、地址锁存器、三八译码器、晶振等组成，单片机软件程序采用C语言编写。声波发射和信号接收、自然伽马信号处理、缆头电压采集、A/D高速转换、3506PCM编码传输等控制和工作状态，都是在单片机的协调下按程序运行。

单片机编码格式为标准AMI双向归零码，每帧数据17个字，每个字16位，第一位是同步信号，后面12位数据，最后3位是标志位，传输速率是8kbit/s。每帧数据第一个字是16个1，后面是6个脉冲道，10个模拟道，可同时传输6个脉冲信号和10个模拟信号。单片机输出源码数据经信号传输电路转换成双向归零码，通过电缆上传到测井地面系统。

       2.3声波电路
        声波发射电路在发射逻辑控制下，通过高速MOS管开关和升压变压器发送+3500v的高压脉冲激励声系压电陶瓷晶体，向地层发射20kHz声波脉冲。声波发射电路每发射一次，接收晶体接收两道声波信号，每个周期发射两次，每发射一次两个接头探头分别接收到长源距和短源距两组信号，一个发射周期接收到四道声波信号，送到信号处理电路，完成声波信号在地层中的传播过程。
        3应用效果
        组合式小井眼声波测井仪应用当代先进的电子科学技术，电子线路采用集成化、一体化设计，单片机编程技术替代了硬件电路，极大减少了电子元器件数量的同时，提升了仪器的工作能力。仪器制造过程中严格执行测井行业标准，精心筛选耐高温电子元器件，反复修改绘制印刷电路板图，手工焊接电路板元器件，精心合理布线，经过多次高温高压试验，反复电路调试和刻度模拟，研制过程符合测井仪器制造规范。经实际测井应用证明，仪器性能稳定可靠，达到了国内先进水平。
        组合式小井眼声波测井仪提升了侧钻井仪器数字化、集成化和多仪器组合能力，可以与其它系列仪器组合连接使用，操作简单快捷，仪器短小轻便，减少了侧钻井经常“遇阻”、“遇卡”等工程事故的发生，仪器性能稳定可靠，耐温性能达到了175℃，可用于各种高温高压环境测井，解决了侧钻井仪器性能差、测井资料质量低的难题。组合式小井眼声波测井仪推广应用半年多以来，测井36井次，一次成功率100%，测井资料优等品率提高了8%，测井工程事故降为零。
        组合式小井眼声波测井仪集成了声波测井、自然伽马测井和通讯传输功能，能完成侧钻裸眼井和侧钻水平井完井和固井质量评价测井任务。减少了侧钻井经常“遇阻”、“遇卡”工程事故的发生；提升了侧钻井仪器数字化、集成化和仪器组合能力；解决了侧钻井仪器性能差、测井资料质量低的问题。
        4结束语
        模块化设计是未来测井仪器设计的发展方向，采用一体化模块设计使仪器长度缩短了一半，从而降低了测井施工风险。组合式小井眼声波测井仪集成了声波测井、自然伽马测井和通讯传输功能，能完成侧钻裸眼井和侧钻水平井完井和固井质量评价测井任务，电路共享，综合规划实现了一支仪器多任务测井。应用软件编程替代硬件电路，简化电路结构，达到了降低制造成本的目的。组合式小井眼声波测井仪先进的设计理念和电子技术相结合，使得该仪器应用前景广阔，值得在测井行业中广泛推广应用。
参考文献
[1] 沈建国.声波测井原理与技术.石油工业出版社. 2010.09