鄭 璐 張家田 嚴正國 李 震

(西安石油大學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)設計＊

鄭 璐 張家田 嚴正國 李 震

(西安石油大學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)相比更為復雜,需要能夠模擬地層介質參數(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)的主要功能和關鍵電路。本刻度系統(tǒng)的設計不僅可以完成儀器的刻度任務,而且可作為過套管電阻率測井技術的研究試驗平臺。

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刻度裝置已知量值之間關系的全部工作過程”[1]。

在石油生產測井中,過套管電阻率測井技術是我國正在研究的高新技術之一。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)的功能要求更加復雜。對于刻度系統(tǒng)來說,要求能夠模擬出地層介質參數(shù)變化,激勵信號的變化。關鍵技術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確性,提高測井資料的解釋精度。測井儀器無論是在室內檢查還是在井場使用前后,我們都必須對它們進行刻度,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,最主要的是能夠完成過套管電阻率測井技術的研究試驗平臺,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,不同地層介質的漏電流有其對應的刻度板。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)標定的功能。并且具有模擬不同介質電阻率測試條件,套管接箍與水泥環(huán)的實驗條件。

1.2 系統(tǒng)主要技術指標

刻度系統(tǒng)能模擬出實際地層介質的電阻率,在1 200的不同介質(高、中、低阻)中的測量結果,誤差率技術指標滿足。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。其技術指標要求: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轉換電路,DSP控制處理電路。其指標要求: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)轉換。

1.3 系統(tǒng)原理

綜合考慮本項目的各項研究內容,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、刻度池等幾部分構成。由刻度池模擬出現(xiàn)實中的地層條件,激勵電源產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的泄露電流數(shù)據(jù)。

1.4 刻度方法

在進行刻度時,先由刻度系統(tǒng)進行測試,得出圖板校準,然后被刻度儀器進行測試,得出測試圖板。對應儀器圖板,經(jīng)過刻度系統(tǒng)的圖板進行校正,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)和被刻度儀器進行測試,測試結果進行對比,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)的關鍵電路

2.1 激勵信號源設計

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?？梢酝ㄟ^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影響,當趨膚效應嚴重時,在套管內不能測量泄漏電流。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)技術產生3Hz～10Hz的正弦信號,經(jīng)過電壓放大、功率放大電路產生大電流輸出。

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,設定待產生信號的頻率,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,通過命令字改變內部頻率寄存器和相位寄存器,設置產生信號的頻率和相位,為了進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轉換來進行微弱信號的測量。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轉換器,DSP主控單元,數(shù)字調制解調器,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計是本項目的一項關鍵技術難點。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技術的AD轉換器。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調制解調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轉換器ADS1271構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,可方便的進行調試。參考電壓基準為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 結束語

過套管電阻率測井刻度系統(tǒng)的設計,不僅可以完成測井儀器的刻度檢定功能,能夠對實際油田中的過套管電阻率測井儀進行誤差校正。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用過程得到形象的認識。該系統(tǒng)完成了過套管電阻率測井技術的研究試驗平臺。

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

[2] 吳銀川,張家田,嚴正國.過套管地層電阻率測井技術綜述[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)于西安石油大學電子信息科學與技術專業(yè),獲工學學士學位,現(xiàn)在西安石油大學電子工程學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