（控制理論與控制工程專業(yè)論文）油田組合測(cè)井儀的研制與應(yīng)用.pdf

摘要 隨著能源問題的日益突出，石油成為國(guó)家發(fā)展國(guó)力的命脈。石油測(cè)井由于能 夠提供井下的各種動(dòng)態(tài)參數(shù)，為發(fā)現(xiàn)油氣藏和評(píng)價(jià)油氣及產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)，就 越來越受到石油工業(yè)界的重視。從本油區(qū)實(shí)際出發(fā)，應(yīng)用組合測(cè)井技術(shù)開發(fā)研制 性價(jià)比更高的組合測(cè)并儀，對(duì)于提高測(cè)井效率和降低測(cè)井成本具有重要意義。 本論文在充分研究國(guó)內(nèi)外同類儀器的基礎(chǔ)上，結(jié)合本油田應(yīng)用設(shè)備的具體情 況下，首先完成了兩種組合測(cè)井儀的研制：( 一) 電極、微電極、井徑、連斜組 合測(cè)井儀器是研制符合多種儀器并測(cè)要求的脈沖編碼調(diào)制器( p c i ) ，采用標(biāo)準(zhǔn)的 雙極性歸零碼傳輸格式，使其能對(duì)十五個(gè)測(cè)量信號(hào)同時(shí)進(jìn)行輸出，確保各信號(hào)之 間無干擾，實(shí)現(xiàn)電纜的功能復(fù)用；( 二) 研制的組合c b l 儀器是利用對(duì)測(cè)井信號(hào) 的時(shí)分、頻分技術(shù)、聲波測(cè)量信號(hào)與放射性測(cè)量信號(hào)的疊加分離技術(shù)以及測(cè)井儀 器電路高度集成技術(shù)，使目前使用的七芯測(cè)井電纜滿足聲放磁組合測(cè)井的需求。 不僅提高了設(shè)備的集成度和智能化，而且具有很高的實(shí)用價(jià)值。其次，最重要的 項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了儀器的有效性和可行性，為其它測(cè)量?jī)x 器的組合設(shè)計(jì)和應(yīng)用鋪平了道路。 關(guān)鍵詞：組合測(cè)井儀脈沖編碼調(diào)制器時(shí)分頻分雙極性歸零碼 a b s t i 沮c t p e t r o l e u mb e c o m e st h el i f el i n ef o rc o u n t r yd e v e l o p m e n tw i t i lt h es h o r to f e n e r g y b e c o m i n gs e r i o u si n c r e a s i n g l y w e l ll o g g i n g ，w h i c h c a l l p r o v i d et h ed y n a m i c p a r a m e t e r si nt h ew e l lt h a t c a r lo f f e rs c i e n t i f i c i n f o r m a t i o n ，i sb e i n gp a i dm o r e a t t e n t i o nb yt h eo i li n d u s t r y i ti so fm o r ei m p o r t a n c et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d r e d u c et h ec o s t b ym e a n so fd e v e l o p i n gh i g h e rc o s tp e r f o r m a n c e i n s t r u m e n t s a p p l y i n gt h ec o m b i n e dt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h ec o n g e n e ra p p a r a t u so fd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，f i r s t l y t w oi n s t r u m e n t so fc o m b i n e dw e l ll o g g i n gh a v eb e e nd e v e l o p e dc o m b i n e dw i t ho u r a p p a r a t u ss i t u a t i o ni nt h ep a p e r o n ei sc o m p o s e do fe l e c t r o d e 、m i c r o e t e c t r o d e 、 c a l i p e r 、o d e n t a t i o n ，w h i c hi sa l s oc a l l e dt h ep u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n i tc a l la c c o r d w i t hc o l l a t e r a lm e a s u r i n gr e q u i r e m e n ta n da d o p tt h es t a n d a r d3 5 0 6t r a n s m i t t a lf o r m a t w h i c he n a b l e sf i f t e e nm e a s u r i n go u t p u ts i g n a l sa n dr e a l i z e st h em u l t i f u n e t i o no ft h e c a b l e o fc o u r s e ，t h e r ei sn oi n t e r f e r e n c eb e t v c e e nt h e m t h eo t h e ro n ei sc o m b i n e d c b la p p a r a t u s i te n a b l e st h es e v e nc o r ec a b l ef o rm e a s u r i n gt h ew e l lt os a t i s f yt h e n e e df o rt h et e c h n o l o g yo fc o m b i n e dw e l ll o g g i n gt h r o u g hm a g n e t i s mb ys o u n d e m i s s i o n ，u s i n gt h et e c h n o l o g y o ft i m es e p e r a t i o n ，f r e q u e n c ys e p e r a t i o n ，t h e t e c h n o l o g yo fa s s e m b l i n ga n ds e p a r a t i n gf o rs i g n a l sb e t w e e ns o u n dm e a s u r i n ga n d e m i s s i o nm e a s u r i n ga n dh i g l li n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ea p p a r a t u sc i r c u i tf o rt h e w e l l l o g g i n gt h i sn o to n l ye n h a n c e st h ei n t e g r a t i o na n di n t e l l i g e n c e ，b u ta l s oh a s h i 曲p r a c t i c a lv a l u e s e c o n d l y , t h em o s ti m p o r t a n t l y , t h ep r o j e c ti se x p e r i m e n t e di n t h el o c a l t h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ea p p a r a t u si sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t r e s u l t s t h et w oa p p a r a t u s e sp a v et h ew a yf o ro t h e rc o m b i n e di n s t r u m e n t s d e s i g na n d a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c o m b i n e dw e l ll o g g i n gi n s t r u m e n t ；p u l s ec o d i n gm o d u l a t i o n ；t i m e s e p e r a t i o n ，t r e q u e n c ys e p e r a t i o n ，d o u b l e p o l ei e t u r n - t o - z e r oc o d e 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得盤盜盤鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書麗使用過的材料。與我一周工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名雜耐簽字日期：o 帕占年占月弓。日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤生態(tài)鱟有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)鑫鲞盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借鬩。同意學(xué)校向國(guó) 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 導(dǎo)師簽名： 簽字日期緲佩月7 伯 鏟乃 日 愨 如巔 名 年 潞 擗 者 猻 讎 “ 淦 剛 剿 磷 第一章緒論 1 1 課題來源 第一章緒論 石油存在于地層的孔隙中，它的存在將給巖石的物理特性帶來若干變化。研 究巖石的物理特性，如巖石的電學(xué)特性、聲學(xué)特性、核物理特性、熱力學(xué)特性， 就構(gòu)成了各種各樣測(cè)井方法的物理基礎(chǔ)。于是就形成了幾個(gè)主要的勘探測(cè)井方 法，如電阻率測(cè)井、聲波測(cè)井、自然伽馬測(cè)井、密度測(cè)井等，它們變成硬件就是 測(cè)井儀器。每一種勘探測(cè)井方法都是從一個(gè)側(cè)面反映儲(chǔ)集層，若要全面反應(yīng)地層 情況，就需要在測(cè)井時(shí)要組合多種測(cè)井儀器下井測(cè)量，測(cè)井分析家需要用多條測(cè) 井曲線進(jìn)行“綜合”解釋，來獲得地層中的油氣含量。 課題來源原因之一是由于傳統(tǒng)測(cè)量方式一次測(cè)量數(shù)據(jù)少，信號(hào)存在嚴(yán)重干 擾。在油田主要采用常規(guī)裸眼測(cè)井，其項(xiàng)目有普通視電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、 微電極測(cè)井、井徑和連斜測(cè)井；套管井測(cè)井項(xiàng)目有自然伽馬、套管接箍、聲波幅 度、聲波變密度、中子伽馬或補(bǔ)償中子，這些項(xiàng)目一直沿襲傳統(tǒng)的測(cè)量方式，既 由地面系統(tǒng)通過纜心為井下儀器提供其所需的低頻方波電源信號(hào)或工頻交流電 源，然后由固定纜心將測(cè)量的原始信號(hào)傳輸至地面系統(tǒng)進(jìn)行處理計(jì)算。由于電纜 纜心數(shù)目限制及存在的嚴(yán)重相互干擾，傳統(tǒng)的測(cè)量方式?jīng)Q定了一次下井只能進(jìn)行 有限的組合測(cè)量。例如裸眼測(cè)井一次電纜起下一趟最多只能測(cè)量?jī)蓷l電極曲線或 兩條微電極曲線；套管井測(cè)井中子伽馬或補(bǔ)償中子只能與聲波幅度及聲波變密度 分別測(cè)量。 課題來源原因之二國(guó)產(chǎn)常規(guī)測(cè)井儀器的組合能力較差。近年來新發(fā)展起來的 連斜測(cè)井，由于儀器生產(chǎn)廠家的原因，其地面要配備一套專用的硬件和軟件系統(tǒng)， 根本不具備與其它儀器組合并測(cè)的能力。以油田經(jīng)常采用的單孔隙度完井測(cè)井項(xiàng) 目為例，要完成一口井的完井測(cè)井作業(yè)需進(jìn)行0 4 5 m 梯度視電阻率+ s p 、0 4 m 電 位視電阻率+ s p 、微電極+ 井徑、連續(xù)井斜、自然伽馬+ 聲波+ 感應(yīng)五趟測(cè)量才能 完成。特別是進(jìn)口的地面系統(tǒng)根本不具備測(cè)量國(guó)產(chǎn)常規(guī)電極、微電極等項(xiàng)目的能 力，所以一次完井測(cè)井需要兩個(gè)隊(duì)才能完成。由于不能減少儀器下井次數(shù)，無法 從根本上提高測(cè)井作業(yè)時(shí)效，也就無法有效地減少寶貴的鉆機(jī)占用時(shí)間。不但測(cè) 井施工小隊(duì)人員作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且增加了施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。 課題來源原因之三目前引進(jìn)的測(cè)井系統(tǒng)均不具備測(cè)量國(guó)產(chǎn)常規(guī)電極、微電極 等項(xiàng)目的能力，而這些測(cè)量項(xiàng)目又是油田開發(fā)所必須，因此適合油區(qū)組合測(cè)井的 系統(tǒng)必須由我們自己研發(fā)課題來源原因之四由于常規(guī)下井儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)的限 第一章緒論 制，導(dǎo)致一些復(fù)雜井經(jīng)常發(fā)生測(cè)井遇阻現(xiàn)象。在綜合考慮到目前國(guó)內(nèi)和油區(qū)的技 術(shù)能力、儀器成本、鉆井成本及施工安裝條件，為此提出了組合測(cè)井儀的研制與 應(yīng)用，來解決這些問題。此課題的提出對(duì)于提高測(cè)井效率和降低測(cè)井成本具有重 要意義。 1 2 課題意義 油區(qū)現(xiàn)有引進(jìn)能組合測(cè)量三孔隙度和三電阻率的快測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)備存在以 下重大問題。第一，由于這些儀器相對(duì)技術(shù)含量較高，因此其價(jià)格極其昂貴，大 量使用經(jīng)濟(jì)效益不會(huì)很高；第二，由于本油區(qū)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，相當(dāng)一部分井 的井眼狀況存在一定問題，測(cè)井遇阻遇卡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，在井況不明的情況下將 帶有放射性源的儀器直接下井存在著重大安全風(fēng)險(xiǎn)；第三，目前在用的組合測(cè)井 系統(tǒng)在儀器長(zhǎng)度方面還存在一定的問題，無法滿足漏測(cè)資料在規(guī)定范圍的要求。 隨著國(guó)產(chǎn)數(shù)控測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，我油田使用的國(guó)產(chǎn)數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)已具備 較強(qiáng)的功能，特別是高智能的電纜通訊卡，能夠與井下儀器進(jìn)行多種格式的雙向 通訊，這為我油田國(guó)產(chǎn)常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目進(jìn)行組合測(cè)量提供了較好的基礎(chǔ)條件。欲實(shí) 現(xiàn)國(guó)產(chǎn)常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目的組合測(cè)量功能，只需完成全等諸多因素，我們決定在不增 加鉆井口袋深度而漏測(cè)資料控制在規(guī)定范圍內(nèi)的情況下，在裸眼井內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲感伽 馬( 或聲波側(cè)向伽馬) 組合和電極、微電極、井徑、連斜組合測(cè)井，將單孔隙度 完井測(cè)井由原來的五趟或六趟測(cè)完減少至兩趟測(cè)完；在套管井內(nèi)實(shí)現(xiàn)自然伽馬、 磁性接箍、聲波幅度、聲波變密度、中子伽馬或補(bǔ)償中子組合測(cè)井，使套管井的 常規(guī)聲放磁測(cè)井由原來的兩趟測(cè)完減少至一趟測(cè)完。由于聲感伽馬組合測(cè)井已是 廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，因此實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，只需進(jìn)行電極、微電極、井徑、連斜 組合測(cè)井儀器及組合c b l 儀器的研制和相應(yīng)配套軟件的開發(fā)，即可實(shí)現(xiàn)測(cè)井項(xiàng) 目組合并測(cè)的目的。 1 3 本論文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu) 本課題屬于實(shí)際工程應(yīng)用問題，在充分研究國(guó)內(nèi)外儀器的基礎(chǔ)上，根據(jù)本油 田的地層情況，利用自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完成了電極、微電極、井徑、連斜組合測(cè)井 儀器的研制和組合c b l 儀器組合測(cè)井儀器的研制工作，隨后在油井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí) 驗(yàn)得出較為理想的測(cè)井曲線，從而驗(yàn)證儀器的可行性。 本課題以測(cè)井儀為研究對(duì)象，利用雙位歸零碼實(shí)現(xiàn)電極、微電極、井徑、連 斜組合儀的設(shè)計(jì)，還進(jìn)一步對(duì)聲幅變密度組合測(cè)井儀進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 課題的主要任務(wù)是： 第一章緒論 1 概括介紹測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，各種測(cè)井儀的應(yīng)用與目的。 2 著重進(jìn)行電極、微電極、井徑、連斜組合儀的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了脈沖編碼調(diào) 制器中的電源電路、中央處理電路、聲波邏輯信號(hào)接收驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行調(diào)試與 修改。 3 對(duì)雙極性歸零碼傳輸格式進(jìn)行研究，利用此種數(shù)據(jù)格式傳輸，實(shí)現(xiàn)組合 測(cè)井儀十個(gè)參數(shù)同時(shí)測(cè)量，提高測(cè)井效率降低測(cè)井成本。 4 對(duì)聲幅變密度組合測(cè)井儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成邏輯控制、發(fā)射控制、信號(hào)通 道、自然伽馬的電路設(shè)計(jì)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行組合。 5 進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和下井測(cè)試，同時(shí)測(cè)出多條數(shù)據(jù)曲線，依據(jù)測(cè)井解釋分析， 驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和儀器的可行性。 第二章測(cè)井技術(shù)及測(cè)井儀簡(jiǎn)介 第二章測(cè)井技術(shù)及測(cè)井儀簡(jiǎn)介 石油是當(dāng)代最重要的能源，也是最重要的化工原料。石油及石油工業(yè)，對(duì)當(dāng) 代人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)生活有著深遠(yuǎn)的影響。石油埋藏在地下深處，可開采的油氣儲(chǔ) 集層一般深度為幾百米或幾千米，有的甚至更深。這種情況，使石油勘探成為一 種高投資的事業(yè)，一口井的投資高達(dá)數(shù)百萬元。因此，石油業(yè)界特別重視從儲(chǔ)集 層獲得最大的產(chǎn)量和建立最經(jīng)濟(jì)的管理儲(chǔ)量的手段。石油測(cè)井，由于能夠提供井 下的各種動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)油井的生產(chǎn)和管理起重要的指導(dǎo)作用，就越來越受到石油 工業(yè)界的重視。 測(cè)井是一門比較年輕的學(xué)科，是一種井下油氣勘探方法，用于發(fā)現(xiàn)油氣藏， 為評(píng)價(jià)油氣及產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。測(cè)井是用各種專門的井下儀器放入井內(nèi)，測(cè)量 沿井身剖面上巖層的各種物理參數(shù)隨井身的變化并制成曲線，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn) 行綜合解釋來判斷巖性，確定油氣層位置及其它礦藏的一種間接手段u ，。 2 1 測(cè)井技術(shù)的發(fā)展 最早利用現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)行處理出現(xiàn)于一百多年前，1 8 6 9 年與d r a k e 在美國(guó)首 次發(fā)現(xiàn)油氣的同時(shí)，l o r e lk e l v i n 在英國(guó)通過測(cè)量地溫隨深度的變化，對(duì)淺井中 的熱流進(jìn)行解釋。后來c o n r a n c ls c h l u m b e r g e r 對(duì)地下巖石的電阻進(jìn)行了地面測(cè) 量，并和兄弟一起對(duì)井眼進(jìn)行大量類似測(cè)量，1 9 2 7 年，s c h l u m b e r g e r 兄弟在法 國(guó)試用了他們的電測(cè)方法來識(shí)別巖層。隨后，測(cè)井技術(shù)開始遍布全世界。自1 9 2 7 年發(fā)明了測(cè)井技術(shù)以來，測(cè)井儀器經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，分別是早期、中期、近 期和晚期。 2 1 1 早期( 1 9 2 9 - - 1 9 4 9 年) 普通電阻率測(cè)井是當(dāng)時(shí)主要使用的測(cè)井方法，其他的測(cè)井項(xiàng)目還有自然電 位、井徑、井溫、自然伽馬測(cè)井。公認(rèn)的第一份測(cè)井解釋論文發(fā)表于1 9 3 4 年， 是由s c h l u m b e r g e r 兄弟和e g l e o n a r c l o n 共同完成的。這篇論文是關(guān)于電阻率 測(cè)井的，9 年后g e a r c h i e 得出了孔隙度、電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和巖石含水飽和度的 關(guān)系式，這是測(cè)井解釋的革命，把以前的定性分析發(fā)展到了定量水平，這一時(shí)期 的測(cè)井資料主要用地層評(píng)價(jià)一地層對(duì)比，尋找并確定油氣在井中的位置，估計(jì)儲(chǔ) 層的油氣含量。 4 第二章測(cè)井技術(shù)及測(cè)井儀簡(jiǎn)介 2 1 2 中期( 1 9 4 卜1 9 6 8 年) 這期間，聲波、感應(yīng)、側(cè)向、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度等測(cè)井方法相繼問世。測(cè) 井解釋已經(jīng)根據(jù)幾種孔隙度測(cè)井資料和幾種電阻率測(cè)井資料進(jìn)行綜合解釋來判 斷注水層。隨著感應(yīng)測(cè)井的問世，克服了普通電阻率測(cè)井需要往并中注入導(dǎo)電液 的弱點(diǎn)。側(cè)向測(cè)井的誕生，提高了咸水泥漿中電阻率測(cè)井水平。1 ) 5 6 年m j w , a u e 提出了在聲波測(cè)井中運(yùn)用平均議程計(jì)算孔隙度的方法。直到今天，這種方法仍普 遍使用。在解釋方面，聲波一電阻率交會(huì)圖在聲波測(cè)井問世不久后就出現(xiàn)了，這 樣，對(duì)于孔隙度和含水飽和度上的描述就變得較直觀。另外，一些快速直觀地分 辨油氣層的方法也隨著聲波測(cè)井的出現(xiàn)而出現(xiàn)了，如重疊法等。 2 1 3 近期( 1 9 6 卜1 9 7 9 年) 進(jìn)入2 0 世紀(jì)7 0 年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)井作業(yè)中得到了應(yīng)用。數(shù)控測(cè)井技術(shù) 發(fā)展起來，提高了測(cè)井效率，車載計(jì)算機(jī)能在井場(chǎng)及時(shí)為用戶提供快速直觀的解 釋成果，還可以通過衛(wèi)星把測(cè)井資料傳送到計(jì)算中心，為用戶進(jìn)行數(shù)字處理。這 一時(shí)期的主要特點(diǎn)是： 地面儀器是由車載計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備組成的人機(jī)聯(lián)作的地面測(cè)井系統(tǒng)，完成 對(duì)井下儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)記錄，并能在井場(chǎng)進(jìn)行快速分析， 以保證測(cè)井資料的質(zhì)量。 并下儀器的特點(diǎn)，一是出現(xiàn)了一些測(cè)量?jī)?chǔ)層新物理參數(shù)的儀器，如電磁波傳 播、高分辨率地層傾角、長(zhǎng)源距聲波、巖性等測(cè)井儀器；二是采用多傳感器具、 大信息量的辦法，改進(jìn)原有儀器，提高分辨能力和測(cè)量的準(zhǔn)確性；三是可根據(jù)測(cè) 量的結(jié)果實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)井儀的工作狀態(tài)，使其能在最佳狀態(tài)下工作，從而保證測(cè)井 資料的準(zhǔn)確性和精度。 由于測(cè)井資料的分辨率和準(zhǔn)確性提高，加上新的巖石物理參數(shù)可供利用，測(cè) 井資料可以更加精細(xì)進(jìn)行油氣藏描述。 2 1 4 現(xiàn)代( 1 9 7 9 年至今) 從1 9 7 9 年至今，隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)井中的廣泛應(yīng)用，測(cè)井技術(shù) 有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在測(cè)井儀器不斷向智能化、高精度、便攜式方向 發(fā)展，隨著國(guó)產(chǎn)數(shù)控測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，油田使用的國(guó)產(chǎn)數(shù)控測(cè)井地面系統(tǒng)已具備 較強(qiáng)的功能，特別是高智能的電纜通訊卡，能夠與井下儀器進(jìn)行多種格式的雙向 通訊，實(shí)現(xiàn)常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目的測(cè)量“釘 第二章測(cè)井技術(shù)及測(cè)井儀簡(jiǎn)介 2 2 測(cè)井儀原理 2 2 t 電極、微電極測(cè)量原理 測(cè)井時(shí)，由電子線路內(nèi)的振蕩器產(chǎn)生一定頻率的正弦交流信號(hào)，經(jīng)分頻和相 關(guān)電路處理輸出兩路不同頻率的恒定方波信號(hào)，分別送至電極系和微電極的供電 電極，在井下產(chǎn)生人工電場(chǎng)。測(cè)量回路的測(cè)量電極之間因地層電阻率的不同，在 人工電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生不同的電位差。通過測(cè)量這個(gè)電位差并消除兩個(gè)供電電流 之間相互之間的干擾，由下面公式即可計(jì)算出地層視電阻率 胄。= k 竿 式中：r a 地層視電阻率，單位：歐姆。 v 一兩個(gè)測(cè)量電極之間的電位差，單位：伏。 i 供電電流，單位：安培。 l ( _ 電極系系數(shù)( 由電極系本身結(jié)構(gòu)決定) 2 2 2 聲幅、變密度測(cè)井原理 聲幅測(cè)井的基本原理是利用水泥和泥漿( 或水) 其聲阻抗的較大差異對(duì)沿套 管軸向傳播的聲波的衰減影響來反映水泥與套管間的膠結(jié)質(zhì)量。聲幅測(cè)井儀的聲 探測(cè)裝置是由位于井軸上相隔一段距離的一對(duì)聲發(fā)射器和聲接收器構(gòu)成。當(dāng)發(fā)射 器發(fā)出聲波后，接收器上接收到的聲信號(hào)包括有套管波、水泥波、地層波和泥漿 波的貢獻(xiàn)。套管壁的厚度很薄，鋼套管內(nèi)充滿泥漿，套管外是水泥，由于鋼、水 泥、泥漿三種材料的聲阻抗各不相同，因此套管實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)內(nèi)、外壁具有 不同阻抗界面的聲波導(dǎo)。套管波由波導(dǎo)中的不同模式波組成，各模式波的軸向傳 播速度也不盡相同，因而在傳播過程中由于通過阻抗邊界向兩側(cè)介質(zhì)輻射能量而 引起的衰減也各不相同。理論和實(shí)際測(cè)量表明，套管波的首波主要來自于沿套管 的滑行縱波和一次反射縱波的貢獻(xiàn)。在井內(nèi)泥漿不變的條件下，套管波的首波向 外層介質(zhì)輻射能量的多少取決于介質(zhì)的聲阻抗。因此，對(duì)套管波的幅度或衰減測(cè) 量可以顯示水泥與套管的膠結(jié)狀況，以及指示水泥的返高“。 在工程測(cè)井中變密度測(cè)井用于檢查水泥固結(jié)后的套管井中第一膠結(jié)面和第 二膠結(jié)面的膠結(jié)質(zhì)量。同聲幅測(cè)井一樣，變密度測(cè)井儀也是采用位于井軸上的一 個(gè)聲發(fā)射器和一個(gè)聲接收器測(cè)量套管井中沿井軸方向傳播的聲波信號(hào)。為了對(duì)水 泥環(huán)的兩個(gè)膠結(jié)面進(jìn)行評(píng)價(jià)，套管波和地層波都是測(cè)量中的有用信息。在作變密 度測(cè)井時(shí)，儀器的源距通常比聲幅測(cè)井時(shí)的源距取得大，一般選為5 英尺或1 5 米，目的是使地層波變得易于識(shí)別。在很多情況下可以利用裸眼井中測(cè)量聲波時(shí) 6 第二章測(cè)井技術(shù)及測(cè)井儀簡(jiǎn)介 差的聲波測(cè)井儀來代替它，其中短源距測(cè)量波形用于聲幅測(cè)井，長(zhǎng)源距測(cè)量波形 用于變密度測(cè)井n n 。 2 2 3 自然伽馬測(cè)井與中子伽馬測(cè)井原理 1 、自然伽馬測(cè)井原理 自然伽馬測(cè)井是測(cè)量地層總的天然放射性。地層的自然放射性是由巖石中所 含的鈾，釷、鉀等放射性核素引起的。這些放射性核素在地層中的聚集與地層的 沉積環(huán)境有密切的關(guān)系。自然伽馬測(cè)井可以用來探測(cè)和評(píng)價(jià)放射性礦床；在沉積 地層中，自然伽馬測(cè)井讀數(shù)一般反映地層的泥質(zhì)含量；在數(shù)控測(cè)井中，自然伽馬 測(cè)井曲線作為各種曲線深度取齊時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。伽馬射線探測(cè)器采用閃爍技術(shù) 器，為了提高技術(shù)率，減小統(tǒng)計(jì)漲落誤差，在自然伽馬測(cè)井儀中通常采用尺寸較 大的n a l 晶體“1 。 2 、中子伽馬測(cè)井原理 當(dāng)熱中子在地層中擴(kuò)散時(shí)，將不斷地被某些核素( 如氫、氯) 吸收，并發(fā)生 俘獲輻射核反應(yīng)放出伽馬射線，在這一核反應(yīng)過程中產(chǎn)生的伽馬射線稱為中子伽 馬射線。由于中子伽馬射線的強(qiáng)度與地層的含氫量有關(guān)，所以可以用中子伽馬計(jì) 數(shù)率的多少來反映地層含氫量的變化。中子伽馬測(cè)井就是采用同位素中子源發(fā)射 快中子連續(xù)照射鉆井剖面，在離源一定距離的儀器中設(shè)置伽馬射線探測(cè)器，并用 高密度材料屏蔽中子源的直接輻射，沿井身連續(xù)記錄從地層到達(dá)探測(cè)器的中子伽 馬射線的強(qiáng)度的。中子伽馬測(cè)井一般在套管井中進(jìn)行，它通常與自然伽馬及磁定 位組合測(cè)量。 7 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 第三章電極、微電極、井徑、連斜組合測(cè)并儀 3 1 設(shè)計(jì)思路和方案 研制電極、微電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀器的設(shè)計(jì)思路是將原先電極、微 電極、井徑、連斜所需的特定地面電源信號(hào)由井下儀器產(chǎn)生，而由地面系統(tǒng)為井 下儀器提供標(biāo)準(zhǔn)的1 8 0 v 交流電源，同時(shí)將地面系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理部分電路的功 能由井下儀器完成，并通過信號(hào)傳輸板對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行編碼分時(shí)輸出。這樣，將 使有限的電纜纜心傳送多個(gè)井下測(cè)量信號(hào)。 研制電極、微電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀器的設(shè)計(jì)方案包括如下幾部分內(nèi) 容： l 、研制電極與微電極的井下供電和測(cè)量線路短節(jié)。其關(guān)鍵技術(shù)是能分別為電極 和微電極測(cè)井的供電電極提供不同頻率的恒定電流，同時(shí)分別將其測(cè)量信號(hào)進(jìn)行 有效的分離，確保其之間無干擾并保證測(cè)井過程中恒定供電電流的穩(wěn)定性。 2 、研制符合多種儀器并測(cè)要求的脈沖編碼調(diào)制器，將其非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集與 r s 2 3 2 的傳輸格式改進(jìn)為標(biāo)準(zhǔn)的雙極性歸零碼傳輸格式，使其能對(duì)十五個(gè)測(cè)量信 號(hào)同時(shí)進(jìn)行傳輸，確保各信號(hào)之間無干擾，并保證其有較長(zhǎng)的可靠工作時(shí)間。 3 、研究重力傳感器和地磁傳感器的六個(gè)姿態(tài)量的信號(hào)處理技術(shù)及連斜儀器地面 刻度和校驗(yàn)方法。 3 2 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的設(shè)計(jì) 3 2 1 設(shè)計(jì)原則 電極、微電極、井徑、連斜組合儀將由馬籠頭電極系及以下三個(gè)儀器短節(jié)組 成：電極、微電極供電測(cè)量線路短節(jié)、井徑微電極綜合儀、連續(xù)測(cè)斜儀。該儀器 串一次下井可以完成9 條曲線的測(cè)量，這9 條曲線依次為：2 5 m 梯度視電阻率、 0 4 5m 梯度視電阻率、0 4 m 電位視電阻率、自然電位、微梯度、微電位、井徑、 井斜、井斜方位角。在必要時(shí)還可連接自然伽馬儀器完成自然伽馬曲線的并測(cè)。 除自然電位由儺纜心直接送地面記錄外，其余井下測(cè)量信號(hào)均經(jīng)過連斜短節(jié)中 的信號(hào)傳輸板以雙極性歸零碼格式傳輸至地面系統(tǒng)處理記錄。 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井僅 ( 一) 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的設(shè)計(jì)原則 電極、微電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀主要實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)用國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口數(shù)控地面 測(cè)井系統(tǒng)的掛接，在采用前述方案的基礎(chǔ)上，電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)總體設(shè) 計(jì)的關(guān)鍵是保證該組合儀的測(cè)量結(jié)果達(dá)到或超過單測(cè)儀器的性能指標(biāo)，同時(shí)以不 增加或簡(jiǎn)化地面系統(tǒng)硬件為總體設(shè)計(jì)原則。在具體的電路設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸、刻度 方式等方面要以適應(yīng)現(xiàn)用數(shù)控地面測(cè)井系統(tǒng)為原則睫”1 。 ( 二) 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的性能保證設(shè)計(jì) 在油區(qū)內(nèi)部砂泥巖剖面，電極和微電極的測(cè)量信號(hào)都比較微弱，低阻層的長(zhǎng) 電極信號(hào)甚至在1 毫伏以下，這些微弱信號(hào)極易受到包括工頻交流在內(nèi)的干擾信 號(hào)影響，同時(shí)欲對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行編碼輸出必須使用高增益放大器。而高增益放大 器又必然受到噪聲及其它干擾信號(hào)的影響，因此必須采取各種措施來提高系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和抗干擾能力。在電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的設(shè)計(jì)中，我們采取了如下 措施： ( 1 ) 工作頻率設(shè)計(jì) 為了使電極和微電極測(cè)井組合后，同時(shí)工作的三個(gè)電極通道和兩個(gè)微電極通 道的五個(gè)高增益放大器盡量減小兩個(gè)工作頻率的相互影響，同時(shí)避開5 0 h z 工頻 交流的干擾，設(shè)計(jì)1 1 2 h z 為電極的工作頻率，微電極采用電極工作頻率的4 倍頻 即4 4 5 h z 為其工作頻率，這樣，就可保證具有較好選頻性能的測(cè)量電路有效消除 工頻交流的干擾，同時(shí)確保電極和微電極兩種測(cè)量信號(hào)的有效分離m 1 。 ( 2 ) 隔離變壓器的應(yīng)用 電極與微電極的兩個(gè)發(fā)射電路及三個(gè)電極測(cè)量通道和兩個(gè)微電極測(cè)量通道 是7 個(gè)相互聯(lián)系的獨(dú)立工作系統(tǒng)，為消除其之間的相互影響，特別是井下直流信 號(hào)的干擾，7 個(gè)系統(tǒng)的電流發(fā)射輸出和測(cè)量輸入我們均設(shè)計(jì)采用專用的隔離變壓 器進(jìn)行隔離，形成相互之間懸浮的供電和測(cè)量輸入方式，即各系統(tǒng)對(duì)其電源地是 懸浮的。 ( 3 ) 有源濾波技術(shù)的應(yīng)用 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的每個(gè)測(cè)量通道，我們都設(shè)計(jì)了包括相敏檢波器 在內(nèi)的兩級(jí)有源濾波器，使其對(duì)帶寬外的其它信號(hào)有著極強(qiáng)的衰減能力，同時(shí)設(shè) 計(jì)足夠的帶寬和坪特性，保證因溫度變化而引起的工作頻率及帶寬變化不導(dǎo)致對(duì) 系統(tǒng)的明顯影響，從而確保測(cè)量信號(hào)的測(cè)量精度。 9 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 ( 三) 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的信號(hào)傳輸 在電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)中由于需要傳輸?shù)纳闲泻拖滦行盘?hào)很多，測(cè)量 信號(hào)必須采用p c m 脈沖編碼將全部測(cè)量信號(hào)變換成二進(jìn)制脈沖編碼形式才能上 傳至地面測(cè)量系統(tǒng)；下行信號(hào)( 組合儀器的電源供電、電極、微電極供電測(cè)量短 節(jié)的刻度、測(cè)井換檔電源、井徑的推靠電源等) 采用電磁繼電器通過時(shí)分的方式 ( 如刻度時(shí)可通過繼電器使l 號(hào)纜心傳輸換檔電源，井徑推靠時(shí)使1 號(hào)纜心傳輸 推靠電源) 實(shí)現(xiàn)纜心復(fù)用和儀器共用形式“”。 ( 四) 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)的刻度設(shè)計(jì) 由于電極和微電極的供電及測(cè)量信號(hào)均由測(cè)量短節(jié)提供和處理，為保證測(cè)量 精度必須在井下儀器中設(shè)計(jì)其獨(dú)立的刻度系統(tǒng)。目前國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)的 電阻率測(cè)井儀器采用由地面系統(tǒng)以正負(fù)脈沖電壓形式控制下井儀器的磁保持繼 電器的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)儀器的刻度。為此，我們?cè)陔姌O、微電極供電測(cè)量短節(jié)的刻度 系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了l o 個(gè)繼電器和刻度電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)視電阻率及微電極五個(gè)測(cè)量信 號(hào)的刻度。在操作工程師的控制下，地面儀器經(jīng)纜心1 、5 、1 0 先后傳送三組不 同極性組合的刻度電壓到儀器內(nèi)部的刻度繼電器線包上，控制電極和微電極的供 電及測(cè)量短節(jié)處于低刻、高刻和測(cè)井狀態(tài)。當(dāng)儀器處于低刻狀態(tài)時(shí)，各測(cè)量電路 的輸入端短路，模擬0 電阻率；當(dāng)儀器處于高刻狀態(tài)時(shí)，各測(cè)量電路的輸入端分 別接入一串聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻中，由其分別提供模擬地層5 0 歐姆米的 視電阻率信號(hào)和模擬2 0 歐姆米的微電極信號(hào)；當(dāng)儀器處于測(cè)井狀態(tài)時(shí)，測(cè)量電 路與刻度電阻網(wǎng)絡(luò)斷開，與各相關(guān)電極接通，各測(cè)量道測(cè)量出對(duì)應(yīng)地層的的視電 阻率和微電阻率“。 3 2 2 電路設(shè)計(jì) 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)主要由發(fā)射板、刻度測(cè)量板、測(cè)量板及井徑恒 流源組成，圖3 1 、圖3 - 2 分別是其組成框圖和電路原理框圖。 1 0 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 圖3 - l電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)組成框圖 圖3 - 2 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)電路圖 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 電極、微電極供電測(cè)量短節(jié)主要設(shè)計(jì)電路為： ( 1 ) 發(fā)射板電路 發(fā)射板的主要作用是將地面供往井下的正弦交流電轉(zhuǎn)換成不同頻率的方波，分別 供給電極和微電極的a 、b 電極。圖3 3 為發(fā)射板的結(jié)構(gòu)組成框圖。 晶振 1 b 4 3 2 h h z 蠹謄熟赧燕 概| 一一 一錯(cuò)， 。o 轟ii 跟 ；相。；隨 ：器；器 籮 ”“ 。二 。； 帶通前置功率 濾波器放大器放大器 等南=o 圖3 3 發(fā)射板的組成框圖 為了使用頻分技術(shù)有效區(qū)分電極和微電極測(cè)量信號(hào)，同時(shí)也為提高整機(jī)的信 噪比，有效抑制大地5 0 h z s e 頻干擾，電極測(cè)井采用1 1 2 h z 的方波發(fā)射信號(hào)，微 電極測(cè)井采用1 1 2 h z 的4 倍頻即4 4 8 h z 的方波發(fā)射信號(hào)。其工作流程為：由 晶體振蕩器產(chǎn)生的1 8 4 3 2 m h z 的信號(hào)經(jīng)分頻器分頻輸出l1 2 h z 和4 4 5 h z 兩路方 波，其中4 4 5 h z 方波經(jīng)反向器反向后一路送測(cè)量板的相敏檢波器，另一路經(jīng)跟隨 器、帶通濾波器、前置放大，功率放大器后再經(jīng)刻度測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，為微電極 提供供電電源。微電極的發(fā)射電流應(yīng)用恒壓方式，發(fā)射變壓器初級(jí)v p p 為2 4 v ， 次級(jí)v p p 為1 3 5 v ，為了能夠恒流，次級(jí)輸出串了一個(gè)5 k 電阻。而1 1 2 h z 的方波 經(jīng)反向器反向后一路送測(cè)量板的相敏檢波器，另一路經(jīng)跟隨器、帶通濾波器、前 置放大、功率放大器后再經(jīng)刻度測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后，為電極提供供電電源。因電極 供電電流較大，故采用恒流發(fā)射方式。圖3 - 4 為發(fā)射板電路圖。 b j l 為一晶體振蕩器，所產(chǎn)生的1 8 4 3 2 m h z 信號(hào)經(jīng)i c l 分頻、i c i - l 輸出 4 5 0 h z 方波、i c i 3 輸出1 1 2 h z 方波。此兩個(gè)方波經(jīng)i c 2 六級(jí)反相器輸出f a f b 分 別送五塊測(cè)量板控制完成相敏檢波。4 5 0 h z 方波經(jīng)跟隨器i c 3 a 輸出經(jīng)i c 3 b 帶通 濾波器變換為正弦波，此信號(hào)送i c 4 、q i 、q 2 構(gòu)成功放前置放大器。q 1 、q 2 集 電極r 2 4 、r 2 5 兩個(gè)電阻上信號(hào)分別送功放管q 3 、q 4 的b 3 、b 4 基板，1 1 2 h z 信號(hào)放 大與4 5 0 h z 完全相同 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 圖3 - 4 發(fā)射板電路圖 圖3 5 測(cè)量刻度板的電路圖 第三章電極，井徑、連斜組合測(cè)井儀 ( 2 ) 刻度板電路 刻度測(cè)量電路主要由繼電器組和標(biāo)準(zhǔn)電阻組成。標(biāo)準(zhǔn)電阻用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的低刻 和高刻信號(hào)來對(duì)電極和微電極測(cè)井進(jìn)行內(nèi)部刻度，繼電器的作用是完成電極和微 電極低刻、高刻、測(cè)井三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換?？潭入娐分饕纱疟３掷^電器k l 、 k 2 、k 3 、k 4 、k 5 、k 6 、k 7 、k 8 、k 9 和電磁繼電器k 1 0 和穩(wěn)壓二極管d i 、d 2 、 d 3 、d 4 ( t v 5 0 9 ) 組成。圖3 5 為測(cè)量陔0 度板的電路圖。 ( 3 ) 測(cè)量電路 測(cè)量板由五個(gè)基本相同的測(cè)量電路組成。其中三個(gè)測(cè)量電路用于電極視電阻 率測(cè)量，兩個(gè)測(cè)量電路用于微電極的測(cè)量。這五個(gè)測(cè)量電路的作用是將電極和微 電極測(cè)量信號(hào)進(jìn)行有效分離并放大，然后送信號(hào)傳輸板進(jìn)行a d 轉(zhuǎn)換和編碼。 其工作流程基本相同，電極和微電極測(cè)量信號(hào)分別由各自的輸入變壓器進(jìn)入測(cè)量 板，經(jīng)無源濾波器濾波去除干擾由測(cè)量放大器進(jìn)行放大后，由帶通濾波器和相敏 檢波器對(duì)電極和微電極信號(hào)進(jìn)行有效分離，再經(jīng)放大濾波后送信號(hào)傳輸板進(jìn)行 a d 轉(zhuǎn)換和編碼。電極和微電極測(cè)量板除電路參數(shù)不同外，電路結(jié)構(gòu)完全相同。 圖3 - 6 分別為電極和微電極單個(gè)測(cè)量電路的電路圖。另外，該短節(jié)中的電源板除 為該短節(jié)提供電源外，還為井徑儀器提供恒流源 2 0 l 。 圖3 - 6 電極和微電極測(cè)量電路的電路圖 1 4 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 3 3 脈沖編碼調(diào)制器設(shè)計(jì) 連續(xù)測(cè)斜儀器是連續(xù)測(cè)量鉆井井身軌跡的精密儀器，所用下井儀器均采用磁 通門和重力加速度計(jì)做為傳感器敏感元件，敏感出傳感器在井下的姿態(tài)量通過計(jì) 算得出井身的傾斜角和方位角啪1 。 3 3 1 連續(xù)測(cè)斜儀器及信號(hào)傳輸 連續(xù)測(cè)斜儀器主要由傳感器及輔助電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及a d 轉(zhuǎn)換器、脈沖 編碼及輸出驅(qū)動(dòng)接口電路、標(biāo)準(zhǔn)電源、防磁金屬隔熱保溫瓶及防磁承壓外殼等組 成。 連續(xù)測(cè)斜儀的傳感器包括由三只重力加速度計(jì)構(gòu)成的敏感地球引力場(chǎng)重力 矢量正交坐標(biāo)系和三只磁通門構(gòu)成的敏感地磁場(chǎng)磁力矢量正交坐標(biāo)系組成井身 傾角和井斜方位角的探測(cè)傳感器。另有一個(gè)環(huán)境溫度檢測(cè)傳感器作為傳感器溫度 補(bǔ)償?shù)臏囟忍綔y(cè)器“o 嘲。 連續(xù)測(cè)斜儀中的七個(gè)傳感器將下井儀器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)( 井身傾角和方位角) 及 保溫瓶?jī)?nèi)的溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后送脈沖編碼調(diào)制器，由其進(jìn)行編碼 輸出傳輸?shù)降孛?，通過地面系統(tǒng)的解碼，由計(jì)算機(jī)依據(jù)計(jì)算方法得出井身傾角和 傾斜方位角。圖3 - 7 連斜測(cè)井儀器及信號(hào)傳輸組成框圖。圖中0 4 5 為0 4 5 m 梯度 視電阻率；2 5 為2 5 m 梯度視電阻率；o 4 為0 4 m 梯度視電阻率；c a l 為井徑信 號(hào)；c h v 為電纜頭電壓：變壓器的輸出2 和5 是指七芯電纜的纜芯號(hào)( 4 5 1 。 3 3 2 脈沖編碼調(diào)制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 由于以前我公司使用的連斜儀器信號(hào)傳輸采用r s 2 3 2 串行方式，與目前地 面系統(tǒng)的脈沖編碼解調(diào)電路不相匹配，同時(shí)它也不能夠同時(shí)傳輸伽馬脈沖信號(hào)和 多路的數(shù)字信號(hào)，因此連續(xù)測(cè)斜儀器改造的主要內(nèi)容就是將其與地面系統(tǒng)不相匹 配的r s 2 3 2 數(shù)據(jù)傳輸格式改進(jìn)為標(biāo)準(zhǔn)的3 5 0 6 傳輸格式，并且在編碼傳輸連斜傳 感器信號(hào)的同時(shí)，對(duì)組合測(cè)井的電極、井徑及纜頭電壓測(cè)量信號(hào)同時(shí)進(jìn)行編碼傳 輸。這就要求研制符合多種儀器并測(cè)要求的脈沖編碼調(diào)制器( p c m ) ，使其能對(duì) 十五個(gè)測(cè)量信號(hào)同時(shí)進(jìn)行傳輸，確保各信號(hào)之間無干擾，并保證其有較長(zhǎng)的可靠 工作時(shí)間。 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 圖3 7 連斜測(cè)井儀器及信號(hào)傳輸組成框圖。 1 ) 脈沖編碼調(diào)制器的用途 用來編碼分時(shí)傳輸組合測(cè)井儀器中的六個(gè)連斜傳感器信號(hào)、一個(gè)瓶溫傳感器 信號(hào)、三個(gè)電極測(cè)量信號(hào)、兩個(gè)微電極信號(hào)、一個(gè)井徑測(cè)量信號(hào)，一個(gè)纜頭電壓 監(jiān)測(cè)信號(hào)，及一個(gè)與組合儀并測(cè)的自然伽馬測(cè)量信號(hào)，達(dá)到使用兩根電纜纜心分 時(shí)傳輸多個(gè)測(cè)井信號(hào)的目的”2 列。 2 ) 脈沖編碼調(diào)制器設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為保證組合測(cè)井儀器的脈沖編碼調(diào)制器具有符合測(cè)量精度要求的測(cè)量轉(zhuǎn)換 精度并能夠與現(xiàn)用的地面系統(tǒng)完全匹配，井下脈沖編碼調(diào)制器的電路設(shè)計(jì)必須具 備如下特點(diǎn)： 多道采樣與傳輸格式 為保證組合測(cè)井儀器測(cè)量信號(hào)正常分時(shí)傳輸，脈沖編碼調(diào)制器應(yīng)具有包括同 步道、脈沖道及模擬道在內(nèi)的1 6 道信號(hào)通道。同時(shí)為保證所傳輸信號(hào)被地面系 統(tǒng)正常接收，傳輸格式采用雖然傳輸速率不是很高但電路簡(jiǎn)單，傳輸穩(wěn)定性較強(qiáng) 的3 5 0 6 格式。 高轉(zhuǎn)換精度 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 為保證組合測(cè)井儀器測(cè)量信號(hào)特別是連斜測(cè)量信號(hào)的測(cè)量精度，小信號(hào)的 a d 轉(zhuǎn)換精度達(dá)到1 2 毫伏，大信號(hào)的a d 轉(zhuǎn)換精度達(dá)到l 。 較寬的動(dòng)態(tài)范圍和雙極性輸出 同樣為保證連斜的測(cè)量精度和電極有較大的測(cè)量范圍，必須保證脈沖編碼調(diào) 制器有較寬的動(dòng)態(tài)a d 轉(zhuǎn)換范圍和雙極性輸出。 3 3 3 脈沖編碼調(diào)制器的電路設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)格式 1 ) 電路設(shè)計(jì)：脈沖編碼調(diào)制器是將組合儀器中的多個(gè)模擬測(cè)量信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制 數(shù)字編碼，同時(shí)將與組合儀并測(cè)的自然伽馬脈沖進(jìn)行二進(jìn)制計(jì)數(shù)，然后按阿特拉 斯3 5 0 6 串行格式進(jìn)行調(diào)制輸出”1 。圖3 8 脈沖編碼調(diào)制器的基本組成框圖。 脈沖編碼調(diào)制器主要設(shè)計(jì)了電源電路、中央處理電路、聲波邏輯信號(hào)接收驅(qū) 動(dòng)電路。 圖3 - 8脈沖編碼調(diào)制器的組成框圖 1 7 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井儀 幻電源電路 該電路是一個(gè)典型的穩(wěn)壓電源電路用來產(chǎn)生脈沖編碼電路所需電源。經(jīng)纜芯 4 、6 送到井下的1 8 0 v 交流電源經(jīng)電源變壓器b 變壓后產(chǎn)生8 v 、雙1 8 v 交流電 壓。8 v 交流電壓進(jìn)入電路板的2 、3 端，經(jīng)硅整流橋q 1 ( s i n b ) 、電容c l 、c 2 整流濾波后產(chǎn)生+ 1 0 v 的直流電壓，經(jīng)過q 3 ( 7 8 0 5 ) 穩(wěn)壓輸出+ 5 v 電源。雙1 8 v 交流電壓進(jìn)入電路板的4 、5 、9 端，經(jīng)q 2 ( s i n b ) 、電容c 5 、c 6 整流濾波后產(chǎn) 生_ 2 0 v 的直流電壓，經(jīng)過q 4 ( 7 8 1 5 ) 、q 5 ( 7 9 1 5 ) 穩(wěn)壓后輸出1 5 v 電源 圖3 - 9 脈碼電源電路圖 a ) 電源電路 該電路是一個(gè)典型的穩(wěn)壓電源電路用來產(chǎn)生脈沖編碼電路所需電源。經(jīng)纜芯4 、 6 送到井下的1 8 0 v 交流電源經(jīng)電源變壓器b 變壓后產(chǎn)生8 v 、雙1 8 v 交流電壓。 8 v 交流電壓進(jìn)入電路板的2 、3 端，經(jīng)硅整流橋q i ( s i n b ) 、電容c i 、c 2 整流 濾波后產(chǎn)生+ i o v 的直流電壓，經(jīng)過q 3 ( 7 8 0 5 ) 穩(wěn)壓輸出+ 5 v 電源。雙1 8 v 交 流電壓進(jìn)入電路板的4 、5 、9 端，經(jīng)q 2 ( s i n b ) 、電容c 5 、c 6 整流濾波后產(chǎn)生 _ 2 0 v 的直流電壓，經(jīng)過q 4 ( 7 8 1 5 ) 、q 5 ( 7 9 1 5 ) 穩(wěn)壓后輸出1 5 v 電源 b ) 中央處理電路 該電路主要功能是將井斜儀器的6 個(gè)傳感器的姿態(tài)量及井徑電壓值經(jīng)電子 開關(guān)送入a d 轉(zhuǎn)化器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)寧信號(hào)，然后進(jìn)行工程計(jì)算，得到 傾角、方位角、井徑電壓值，并將它按編碼方式送到接口電路。它由單片機(jī)系統(tǒng)、 a d 轉(zhuǎn)換電路、p c m 信號(hào)生成電路、井徑、伽馬信號(hào)整形電路等。單片機(jī)系 第三章電極、井徑、連斜組合測(cè)井僅 統(tǒng)由c p uu 1 0 ( a t m 8 9 c 5 2 ) 、r a mu 1 l ( 6 2 2 5 6 ) 、看門狗電路u 9 ( x 5 0 4 5 ) 組 成。刖d 轉(zhuǎn)換器由u 1 2 和u 1 3 組成，采用8 通道1 2 位a d 轉(zhuǎn)換器m a x l 9 7 。 ( 固p c m 信號(hào)生成電路由c r y 2 ( 1 2 m 晶振) 、u 7 ( 5 4 h c 3 9 0 ) 、u i ( 5 4 h c1 6 3 ) 、 u 4 ( 5 4 h c 7 4 ) 、u 5 ( 5 4 h c 0 8 ) 組成。伽馬信號(hào)整形電路由u 3 ( 5 4 h c 0 4 ) 及 d 1 和d 2 組成。可同時(shí)測(cè)量?jī)陕访}沖信號(hào)。整形后的信號(hào)分別送入u 1 0 的t o 和t l 端進(jìn)行計(jì)數(shù)。井徑放大電路由u 6 a ( l m l 4 8 ) 及r 1 0 、r 1 2 、r i 4 組成。 u 6 a 、u 6 c 、u 6 d 組成三路同相跟隨器，u 6 d 、r 6 用于測(cè)量纜頭電壓；u 6 c 、 1 1 7 用于測(cè)量電位信號(hào)；u 6 b 、r 1 5 用于測(cè)量梯度信號(hào)。傳感器的姿態(tài)量為x 加速度計(jì)的姿態(tài)量a x ，y 加速度計(jì)的姿態(tài)量a y ，z 加速度計(jì)的姿態(tài)量a z ；x 磁力計(jì)的姿態(tài)量m x ，y 磁力計(jì)的姿態(tài)量m y ，z 磁力計(jì)的姿態(tài)量m z ，溫度電 壓信號(hào)t 。 以上信號(hào)送入u 1 2 ( m a x l 9 7 ) 、a d 轉(zhuǎn)換后，將1 2 位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線進(jìn) 行a d 轉(zhuǎn)換。送入6 2 2 5 6 ( r a m ) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供c p u 進(jìn)行方位和傾角的計(jì)算， 計(jì)算結(jié)果由p 1 3 輸出后進(jìn)行p c m 編碼。井徑信號(hào)c h 2 、纜頭電壓v ，送入u 1 3 ( m a x l 9 7 ) 進(jìn)行a d 轉(zhuǎn)換，最終也由c p u 的p 1 3 輸出進(jìn)行p c m 編碼。 p c m 時(shí)鐘首先由c r y 2 ( 1 2 m 晶振) 通過u 7 ( 5 4 h c 3 9 0 ) 的7 端輸出2 4 m h z 方波，u 7 a 的3 端輸出1 2 m h z 方波。u 7 b 的9 端輸出2 4 0 k h z 的方波，u 1 ( 5 4 h c l 6 3 ) 的1 5 端1 5 分頻輸出1 6 k h z 的方波，u 7 b ( 5 4 h c 3 9 0 ) 的1 3 端輸 出為8 k h z 的方波，經(jīng)過u 3 e 反相器送u 1 0 的i n t i 做為中斷信號(hào)。u 1 0 將計(jì) 算結(jié)果由p 1 3 送入u 4 ( 5 4 h c 7 4 ) 的1 2 端。p c m 的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)分別由u 5 ( 5 4 h c 0 8 ) 的8 端和3 端經(jīng)過電路板9 和1 0 端送p c m 3 1 進(jìn)行放大和功率驅(qū)動(dòng)。 c ) 脈沖道計(jì)數(shù)電路 該電路是將接收的脈沖信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器u 7 ( c 0 4 0 9 9 )