随钻电阻率测量技术范文

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摘要：随钻测井LWD(loggingwhiledrilling)是在钻井的过程中，同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理参数的测量，主要有电阻率、放射性、声波及核磁等随钻测井技术。本文简要的介绍了贝壳NAVITRAK的结构组成；主要分析了补偿式天线和电阻率电子部分的工作原理。

关键词：LWD；电阻率（MPR）；衰减；相位；SONDE；PADDLE

1前言

由于油田区块的开发己经到了中后期，为了开发薄油层以及残余油，地质导向仪器己经变得相当重要。另外这些区块的地质构成及地层描述都已相当清楚，再利用邻井的测井资料，就可以定性和定量描述开发地层的地质构成、各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度。在这种情况下，只要使用MWD+自然伽玛+电阻率组成的LWD，就可以满足定向轨迹测量和地质导向的要求。

图1贝壳休斯LWD井下仪器示意图

2NAVIMPR仪器简介

贝克休斯公司（Baker-Hughes）的随钻测井系统NAVIMPR的井下仪器主要由脉冲发生器（UPU）、探管（PROBE）、M30短节、MPR电阻率和井斜伽玛（SRIG）几大模块组成，探管由整流模块（SNT）、驱动模块（SDM）、存储器（MEM）、定向模块（DAS）和伸展电子连接头（EEJ）等组成，仪器总长13.02m。井下仪器示意图如图1所示。仪器中有一个涡轮发电机，钻井液冲击涡轮产生交流电，经SNT整流后，供给各个电路模块。MPR(MultiplePropagationResistivity)有4个发射极、2个接收极，可以发射和接收频率为2MHz和400kHz的两种脉冲，考虑到相位延迟和衰减，共可接收32种脉冲信号。由4个发射极向地层分别发射2MHz和400kHz的电磁波，不同岩性的地层对电磁波的相位延迟或衰减不同的，从而通过泥浆脉冲经过地而传感器传到地面设备中，进行解码。

MPR技术的引进提高了电阻率测量的精度，增强了薄层及其流体界面划分的能力，使储层综合解释及详细的油气水分析技术得到改进及完善。

3随钻电阻率测井原理

根据物理学，凡能在电场中极化的物质叫电介质。物质的介电性质也就是它的极化能力，用介电常数来表示。通常，泥饼的介电常数大于地层的介电常数。因此，在泥饼和地层之间会产生全反射，一部分波经泥饼传播；另一部分波进入地层，并沿泥饼和地层的界面传播，即所谓的侧面波。测量侧面波的幅度衰减和相位变化，就可求得地层的介电常数和电阻率。电磁波传播测井仪器采用双发双收补偿式测量（如图2）。

图2MPR双发双收补偿式天线

3.1衰减的测量与补偿

电磁波在介质中传输能量衰减。衰变或衰减速度与介质（地层）的导电率成正比。衰减（有时称为振幅比）是根据两个接收天线所检测到信号的振幅计算得来的，和发射天线的距离有关。量化衰减水平最常用的单位是分贝（dB）。“振幅比”定义为：

振幅比＝20Xlog()（1）

其中，A代表振幅，单位是伏特。

T1天线发射，近接收天线（R1）和远接收天线（R2）分别测得电压信号，根据公式1得到的振幅比分别为A11和A12。T2天线发射，近接收天线（R1）和远接收天线（R2）分别测得电压信号，根据公式1得到的振幅比分别为A22和A21。在T1和T2交替发射一次后，得出补偿后的衰减值：

在高导电率地层，由于远接收器信号振幅比近接收器信号振幅弱，远接收器的衰减较大。电阻率高时，发送器信号衰减较少，远接收器振幅将只比近接收器振幅小一点。

3.2相移的测量与补偿

电磁波在介质中传输除了有能量衰减，还有相位的移动。如图3所示。T1天线发射，远接收天线测得的相位差为P12，近接收天线测得的相位差为P11；T2天线发射，远接收天线测得的相位差为P21，近接收天线测得的相位差为P22。在T1和T2交替发射一次后，得出补偿后的相位差值为：

虽然电磁波的传播速度一般被认为是一个常数（300,000千米/秒，通常被认为是光速），但这是实际上仅适用于在真空里传播的电磁波（EM）。在电导体中，传导电磁波的速度依照材料导电性的比例放慢。扩散波的波长、频率和速度都通过以下方程式联系在一起：

V=ω*λ或V=2πf*λ

电磁波在高阻地层中的传播速度比在低阻地层快。因此，仪器传送的信号在较高电阻率地层将有更长的波长，在较低的电阻率地层有较短的波长。

图3相位信号示意图

4随钻电阻率工作原理

MPR短节由探管（SONDE）和天线壳体组成。SONDE安置在天线壳体的内部，在壳体的内侧通过PADDLE与壳体固定在一起。SONDE包括三个主要部分，它们都同PADDLE相连接：①发送器的上半部分，放置T2和T4的发射电路板；②发送器的下半部分，放置T1和T3的发射电路板；③接收器部分，放置主控板，接收板，电源板和调制解调器；PADDLE主要有以下四个功能：

同两个发射骨架和一个接收骨架相连接；

提供各模块之间的电气连接；

提供发射和接收天线间的电气连接；

给记忆存储提供通信的通道。

在MPR钻铤中，PADDLE的一个插针与M30滑环相连接，通过此线与上面的探管（MASTER）进行串行通讯。68332芯片安装在主控的电路板上，它控制每一个在发送和接收电路板上的68HC11芯片。每一个68HC11芯片都控制着一个数控振荡器（NCO），68332通过总线直接和68HC11通信；68HC11会解码一系列指令，并承载一些数据进入NCO寄存器，以产生特定的频率：2MHz或400KHz。获取的数据必须保证同发送信号是完全的同步，这是由在处理器主板上的一个晶体振荡器来完成的。时钟频率是12.288MHz，这个频率允许数控振荡器以最小的失真产生2MH和400KHz的输出信号。

4.1电源板和调制解调板

图4供电与信号框图

1）电源板和调制解调板的组成及工作原理

电源板主要由变压器和开关电路组成。调制解调板主要由ACTEL芯片和运放电路组成。

MPR电阻率上有1个电源板和1个调制解调板。LWD的主处理器（MASTER）与MPR通过一根线进行串口通讯，这根线上同时走30V直流电和通讯信号，M30即为这根线。M30通过低通滤波器滤掉信号，剩下30V直流电进入电源板，通过变压器和开关电路产生5V、+5V、-5V、+12V和-12V直流电，为主控板、接收板和调制解调板供电。M30通过高通滤波器滤掉30V直流电，剩下信号进入MODEM，转换为MPR主控可识别的1039信号。MPR测得的数据通过MODEM将信号转换成M30送给LWD的主处理器。

图5电源电路板

图6井下数据及信号通讯传输电路板

2）调试过程中遇到的问题

①电源板变压器的缠制：变压器缠不好就得不到规定的输出电压，同时变压器会发热，影响变压器的工作寿命和工作的可靠性，还会造成功耗大的问题，此变压器还会影响信号的处理。为此，我们缠了100多个变压器进行试验，解决了此问题。

②ACTEL芯片的解密：在世界范围内，还没有人能对ACTEL芯片进行解密，我们在掌握其工作原理和通信原理后，历时3个多月完成了解密。

4.2发射板

图7发射板框图

1）发射板的组成及工作原理

发送板主要由下面元件和电路组成：68HC711微控制器、12.288MHz的时钟电路、数控振荡器（NCO）、滤波器、输出放大器、直流电源转换器和分频器。

MPR电阻率上有4个发射电路板，位于SONDE的2端，每一端有2块。它们的外观和功能都是一样的，产生2MHz或400KHz的振荡频率，它们之间唯一的区别是68HC711芯片内的程序不同。主控电路板通过总线和晶振控制发射板工作，并保持工作同步。发射板的供电方式为M30线直接供电，而不用电源板供电；M30线通过滤波电路滤掉信号，只保留30V直流电，通过变压器进行直流转换产生+12V，-12V和+5V直流电给每块芯片提供电源。68HC711接到68332的指令开始工作，向NCO传送数字命令使其振荡，通过滤波器后，产生2MHz和400KHz的振荡信号；然后进行电压和电流放大，以增大其发射的功率，然后通过天线向外发射。

图8发射电路板

2）调试过程中遇到的问题

①变压器的缠制：变压器缠制达不到要求会得不到规定的输出电压，同时变压器会发热，进而影响变压器的工作寿命和工作的可靠性，还会造成功耗大的问题。为此，我们缠制了100多个变压器进行试验，解决了此问题。

②滤波电路的调试：滤波电路中电感和电容的选择直接影响发射的相位和衰减，经过几天的摸索找到了调试的规律，达到了规定的相位值和衰减值。

4.3接收板

图9接收板框图

1）接收板的组成及工作原理

接收板主要由下面元件和电路组成：68HC711微控制器、12.288MHz的时钟电路、数控振荡器（NCO）、滤波器、混频电路、放大器、带通滤波器和分频器。

MPR电阻率上有1个接收电路板，上面有2个接收通道（R1和R2）。它们的外观和功能都是一样的，接收发射天线产生2MHz和400KHz的振荡信号，并处理成6KHz的信号去主控。接收板的供电方式为电源板供电，需要+12V，-12V和+5V的直流电。主控电路板通过总线和晶振控制接收电路板工作，并保持工作同步。68HC711接到68332的指令开始工作，向NCO传送数字命令使其振荡，通过滤波器后，产生1.994MHz和394KHz的本振信号。接收天线接收到信号，放大后与本振产生的1.994MHz和394KHz信号进行混频，经过放大和带通滤波器后，产生6KHz的信号，然后进入主控板的A/D转换器。混频后降低信号频率有助于更加简单的处理信号。

图10接收电路板

2）调试过程中遇到的问题

混频电路的调试：在调试过程中，得不到要求的衰减值和相位值，存在一定的数值差；我们检查了电路中所有的滤波电容、电感和电阻，没有发现问题。我们将接收板分割成3块进行调试，排除了本振部分和带通滤波器部分，最后把问题定位在混频器部分。对混频器电路的电容和电阻进行调试，最后达到要求，完成调试。

4.4主控板

图11主控板框图

1）主控板的组成及工作原理

主控板主要由下面元件和电路组成：68332主处理器、数字信号处理器DSP、12.288MHz的晶体时钟电路、32.768KHz的晶体时钟电路、存储器、A/D转换器和LT1039芯片。

MPR电阻率上有1个主控电路板，它是MPR的大脑，控制发射板和接收板，并处理采集的数据，使用电源板供电。68332是主控板的核心，它是M30同LWD主处理器（MASTER）通信的结点。68332的主要功能是控制安装在发射板和接收板上的微控制器68HC711的活动，68332与68HC711的通信通过总线来完成。6KHz的信号通过运放进入A/D转换器，将6KHz的模拟信号转换为数字信号，再将数据传送给。DSP以每秒钟24000次的速度接收A/D通道上采集的数据，DSP采用快于6KHz四倍的采样速度，这就决定了它能以0度，90度，180度和270度的角度进行采样，四个位置（0度，90度，180度和270度）的平均值的测量方法可以降低噪声对系统的影响，DSP能对数据进行采样并取平均值，除了原始的相位和振幅值外，还可算出相位差和振幅衰减值。68332把计算好的数据通过LT1039传给MODEM，然后到LWD的主处理器。

图12主控电路板

2）调试过程中遇到的问题

整体调试：在焊完68332、DSP及相应的电容电阻后，开始调试，68332总在复位，我们对电路板进行详细的走线检查，未发现问题；又仔细的检查了电容和电阻，发现了错误，排除了问题。持续低电平；更换68332后，正常，持续高电位。焊上剩下的元器件后调试，又出现了复位现象，卸下备用存储器后，主控板工作正常。用电脑进行测试，数据有错误，更换运算放大器后，一切正常。

5地面试验和现场试验

1）老化试验：在实验室进行了72小时的老化试验，验证其长期工作的可靠性。72小时后，测得数据正常，老化试验成功。

图13老化试验

2）抗温试验：在水平井维修车间进行了抗温试验（85℃），验证电子元器件的抗高温性能。试验得到数据如图14和图15。

图14室温情况下airhang数据

图1585℃后airhang数据

上面2图中红色椭圆内相应位置的数据差值在±0.1之间，符合标准，高温试验成功。

3）现场试验：使用自主研发的电阻率仪器2009年6月12日17：30到6月17日7：00在钻井二公司30629队杏13-55-平44井进行了下井试验。从1074米开始工作，到1676.8米完钻，仪器井下循环81小时，进尺602.8米，工作正常，现场试验成功。

6结论

随钻测井是当今国际钻井界的一项高新技术，对于提高勘探开发和钻井总体效益具有重要意义和作用。本文深入的分析了补偿式天线和电阻率电子部分的工作原理。得出了MPR的优点如下：

1）MPR天线采用对称式结构，可补偿温度和震动对电子元器件的影响，得到准确的测量数据；

2）SONDE在MPR天线壳体的内部，靠PADDLE与壳体连接，很好的与泥浆隔离，避免了泥浆的渗漏；

3）MPR电路板采用了大规模的集成电路，运用了DSP和FPGA等技术，受元器件的影响较小，工作稳定可靠。

参考文献

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